Brevet FR2005083A1 — publié le 19691205

La présente invention concerne un circuit électrique permettant de récupérer au moyen de piles à combustible, une certaine partie de l'énergie dissipée dans les cuves à élec-trolyse. 5 II est classique d'électrolyser des solutions d'halogé- nures de métaux alcalins, tels que le chlorure de sodium ou de potassium, dans une cuve à anodes de graphite, et cathode de mercure. Pendant 1'électrolyse les atomes de métal alcalin se dissovent dans le mercure pour former un amalgame. Cet amalgame 10 est prélevé dans la cellule et décomposé par l'eau pour fournir une solution d'hydroxyde du métal alcalin et du mercure qui est renvoyé à la cuve. La présente invention se propose d'utiliser l'amalgame comme combustible dans un élément de pile à combustible avec 15 une dépolarisation appropriée des cathodes par l'air ou 1*oxygène. La pile à combustible sert ainsi à fournir une partie de l'énergie nécessaire à 1'électrolyse. Les cellules à électrolyse ne fonctionnent pas avec un rendement de 100# en courant, c'est-à-dire que la quantité de 20 métal alcalin obtenue à la cathode est Inférieure à celle prévue par l'application pure et simple des lois de Faraday, du fait que plusieurs réactions simultanées se produisent, particulièrement des recombinaisons ou similaires . Le nombre de coulombs que l'on peut obtenir à partir de l'aaalgame combustible est 25 donc inférieur à celui nécessaire à sa formation, même dans le cas d'un rendement de 1Q0# de la pile à combustible. La pile à combustible ne peut donc pas être électriquement connectée en série avec le circuit de la cuve à électrolyse. La présente invention concerne un circuit destiné à 3 0 lfélectrolyse d'halogénures de métaux alcalins comprenant une source de courant continu, une série de cuves à électrolyse à cathode de mercure et une série d'éléments de piles à combustible dans lesquels l'amalgame métal alcalin/mercure sert . de combustible» les cuves à électrolyse et les piles à combusti-35 ble étant connectées alternativement en séries et une liaison en parallèle étant "réalisée entre la cathode de chaque cellule à électrolyse et 1'anode de la cellule à électrolyse située deux rangs plus loin. 69 09322 2 2005083 Chaque pile à combustible reçoit son amalgame de sodium de l'une des cellules à électrolyse auxquelles elle est reliée et, de préférence, de celle à la cathode de laquelle elle est reliée. 5 La dérivation ou shunt est de préférence ùne résistance variable permettant de régler l'intensité qui la traverse. Dans ce qui suit, on entend par pile à combustible, une ou plusieurs paires d'électrodes dont les anodes et les cathodes sont reliées en parallèle entre elles et qui sont montées dans 10 même récipient. La paire d'électrodes est constituée par une électrode à amalgame et une autre électrode, par exemple une électrode à air. En particulier, une électrode à amalgame à double face est considérée sur l'une de ses faces comme une électrode à amalgame et sur l'autre face comme une électrode à 15 air. L'avantage principal du circuit de l'invention réside dans le fait que les tuyauteries acheminant l'amalgame de chaque cuve à mercure à sa pile à combustible associée, ne comportent pas d'interrupteur d'écoulement. La plupart des circuits qui 20 ont été proposés Jusqu'ici pour réaliser la même fonction, comportent un ou deux interrupteurs•de courant par pile à combustible . D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée qui 25 suit et du dessin unique représentant un mode de mise en oeuvre illustratif. Sur la figure le dispositif comprend une source de courant continu 1, une cuve à mercure 2, des résistances variables 3, 6 et 7, une pile à combustible 4 et un décomposeur -jO classique dans lequel l'amalgame réagit sur de l'eau pour produire de l'hydrogène et un hyd'roxyde du métal alcalin. L'élec-trolysa de la solution de chlorure de sodium se fait sous une intensité de 60.kA. Le rendement de courant de la cuve électro-lytlque est de 95% et celui de la pile à combustitle, de 99$> 25 de sorte que le courant maximal produit par cette dernière est 0,35% x 0,99 x 40 = 56,4 kA, Chaque pile à combustible comporte un m d'électrode fonctionnant à une densité de courant de o 100 milliampères/cm sous une différence de potentiel 69 09322 3 2005083 de 1,3 volt. L'obtention d'un courant de 56,4 kA nécessite 56,4 paires d'électrodes par pile à combustible ( en pratique) 58 paires d'électrodes peuvent être utilisées travaillant p à une densité de courant inférieure à 100 mA/cm et pro-5 duisant une différence de potentiel légèrement supérieure à 1,3 volt. Comme on l'a vu ci-dessus, chaque cellule à électrolyse fonctionne sous une intensité de 60 kA. On désire ne faire passer que 56,4 kA'" à travers la pile à combustible, de 10 sorte que 3.» 6 kA sont dérivés dans la résistance variable vers la cellule à électrolyse située deux rangs plus loin. La chute ohmique d'une cellule à électrolyse fonctionnant sojas 60 kA par exemple, de 4,35 volts. En considérant un circuit constitué par une cellule à électrolyse, deux piles 15 à combustible et une résistance variable, la chute ohmique totale du circuit est#de 4,35 - 2 x 1,3 = 1*75 volt. L'ensemble des circuits est constitué de plusieurs unités identiques dont l'une est représentée sur la figure entouréïians un rectangle en traits discontinus. 20 L'économie théorique de'l'énergie réalisée à l'aide des piles à combustible peut être calculée comme suit, pour chaque circuit utilitaire. L'énergie consommée par la cellule à électrolyse sans pile à combustible est égale à 4,35 x 60 kW. La présente 25 invention permet de récupérer dans la pile à combustible une énergie de 1>3 x 56,4 kW. La perte d'énergie dans la résistance variable est égale à 1,75 x-3,6 kW. Le pourcentage de récupération de l'énergie est donc: (1,7,*,*- (1,7?* 7,6!) xl00,-a5,6!t 30 (4,35 x 60 ) La résistance variable 6 associée à la première cellule au mercure dujcircuit et la résistance variable 7 associée à la dernière cellule au mercure du circuit, présentent des pertes d'énergie plus élevée que les autres résistances variables. 25 La perte d'énergie dans chacune de .ces résistances est de (4,35 - 1,3)x3,6 kW. L'amalgame quittant la dernière cellule au mercure doit être décomposé dans un décomposeur classique 5 et l'énergie de la décomposition est perdue. Le pourcentage total d'énergie récupéré par le circuit est donc légèrement Inférieur à 25>b/6> par exemple pour un circuit comprenant 50 cellules au mercure, ce pourcentage est de 25,0$. Le calcul conduisant à cette valeur est le suivant ; Energie consommée par 50 cellules à électrolyse sans piles à combustibles : 60 x 4,45 x 50 » 050 kW . La présente Invention permet de récupérer l'énergie dans 48 ensembles unitaires sur 50 cellules à électrolyse : 48 (56,4 x 1,3 - 3,6 x 1,75) kW = 3 206,96 kW Récupération d'énergie dans la première pile à combus tible : 56,4 x 1,3 kW = 73,32 kW . Perte d'énergie dans la première résistance variable 3,05 x 3,6 kW - 10,98 kW. Perte d'énergie dans la dernière résistance variable 3»05 x 3,6 kW . 10,98 kW . Pourcentage global de récupération d'énergie : 3 206,96 + 73,32 - 10,98 - 10,98 x 100 = + 25 Il va de soi que l'invention est susceptible de nombreuses modifications ou applications sans sortir de son cadre . 69 09322 5 2005083 REVENDICATIONS 1. Circuit servant à 1'électrolyse de solutions d'un halogénure de métaux alcalin, caractérisé en ce qu'il comprend une série de cuves ou cellules à électrolyse à cathode de 5 mercure et une série de piles à combustible dans lesquelles l'amalgame métal alcalin/mercure sert de combustible, les cellules à électrolyse et les piles à combustible étant connectées alternativement en série * et la cathode de chaque cellule à électrolyse.étant shuntée à l'anode de la cellule 10 à électrolyse située deux rangs plus loin. 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le shunt comprend une résistance variable.