Brevet FR2128752A1 — publié le 19721020

„ „ 2128752 72 08105 .,. La présente invention co.icerae des électrolyseurs coia-prei.a.a ass cellules sa.is diaphragme traversées par un électrolyte et aa.,s lesquelles se trcuve.it des électrodes ipolaires, et ^onpre..a.»t n.* outro des dispositifs pour réduire les courants para-sitaires. lia. s la ou: licatio- "Calculation o;; Cur rei:t Density Distri-x. ut ion and ïorrinal Volta-ve for sipolar ^lcctrolyzers ; Application to Chlorate 2ells" de I. Rousai, dans "Dlectrochemical Technology r~ai 1369, un électrolyseur de ce type est décrit dans lequel le dispositif pour réduire les courants parasitaires est formé par des parois isolantes, qui prolongent les électrodes bipolaires vers le haut et vers le bas et qui ont pour objet d'allon- er les chemins pour les courants parasitaires à l'intérieur de 1'électrolyte, de sorte que les chemins pour les courants parasitaires Ont une résistance élevée. Cette construction de 1'électrolyseur et des électrodes bipolaires ..'est cependant pas appropriée dans les applications daxiS lesquelles 1'électrolyte circule a haute vitesse dans l'élec-tsAyseur en circuit fermé, parce que les exigences d'une distance réduite entre les électrodes de l'ordre de crandeur de quelques millimètres et d'une ;rande surface active de l'électrode et l'obtention d'une rande section pour le passage de 1'électrolyte avec des courants parasitaires faibles ne peuvent pas être accomplies en même temps avec 1'électrolyseur connu. En particulier, le dan-: er des courants parasitaires augmente avec la réduction de la distance entre les électrodes. Par 1? brevet français 1.502.793, un procédé d'électrolyse avec un chlorate alcali;, est connu, da.;S lequel 1 'électrolyte circule dans 1'électrolyseur en circuit fermé à une vitesse relativement élevée ec traverse les cellules de 1'électrolyseur, équijéees d' électrodes no. ope la 1res, du lias vers le haut, 1 ' électrolyte ne resta..t da..s la cellule que pendant une période de temps aussi courte qu'il se forme du chlore à l'anode et de 1'hypo-chlorite, mais que les ions de 1'hypochlorite ne so t pas déchargés à l'anode ccl'i rormer du chlorate et de l'oxy «ne, ce qui réduirait le rendement en courant. Afin de maintenir la densité du courant dans la 2 cellule sous une valeur d'environ 3 IcA/m pour obtenir une faible consommation d'énergie, sans avoir besoin d'augmenter la section BAD ORIGINAL 72 08105 - 2 - active de la cellule, on augmente, da.,s un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé connu,la surface des électrodes en ce que les cathodes et anodes sont munies de queues •verticales montées parallèlement à la direction de circulation de 11électrolyte, de sorte 5 que les cathodes et anodes présentent da.iS une section horizontale Une forme substantiellement égale à celle d'un peigne et s' enchaînent. Une construction similaire est aussi proposée daus le brevet i;o. 3.055.821 des Etats-Unis d'Amérique. Ces électrolyseurs, traversés par 1 'électrolyte, soi.t 10 cependant limités pour chaque unité à la tension d'élément, puis qu'ils sont équipés d'électrodes monopolaires et qu'ils ne peuvent pas fonctionner, commes les cellules à électrodes bipolaires par unité, à une tension accrue. Finallement des cellules électrolytiques équipées de 15 diaphragmes, telles qu'elles sont connues par les brevets des Etats-Unis I.o. 1.327.094 et 3.539.491 ou par la demande de brevet allemande publiée ko. 1.102.111, ne sont pas appropriées pour la mise en oeuvre d'un procédé d'électrolyse dans lequel 1'électrolyte traverse les cellules à une vitesse relativement élevée, il étant 20 remarquable que dans ce cas les courants parasitaires ne se pré sentent déjà presque pas en raison de la présence des diaphragmes. L'objet de l'invention est de concevoir un électrolyseur du enre décrit ci-dessus de sorte que les courants parasitaires, lors de l'emploi d'électrodes bipolaires, sont maintenus à une 25 faible valeur, aussi pour des vitesses de circulation élevées de 1'électrolyte à l'intérieur des cellules non munies des diaphragmes. Selon l'invention cet objet est réalisé en ce que les électrodes bipolaires s'étendent dans les cellules adjacentes par l'intermédiaire d'éléments d'anode, resp. de cathode, en forme de 30 queues, se dressant sur la surface des électrodes, les cellules com muniquant entre elles exclusivement par des conduites, un réservoir de réaction, respectivement un collecteur et séparateur de gaz. Un électrolyseur de ce genre est approprié pour des pro-35 cédés d'électrolyse dans lesquels sont produits à l'anode, resp. la cathode, ou bien des gaz qui n'entrent pas en réaction entre eux ou bien pas de gaz du tout. Comme exemple on peut citer 1'électrolyse au chlorate alcalin déjà mentionnée, respectivement l'élec- bad original 72 08105 2128752 - 3 - trolyse au sodium sans diaphragme pour produire de 1'hypo-chlorite, du chlorate ou du perchlorate. Aussi, le dispositif proposé est a pproprié pour des procédas d ' électrolyse dans lesquels une forte circulation forcée de 1'électrolyte est désirable pour éviter une polarisatio ; de 1 'électrolyte da» s la cellule. Par 1 'i rventio.i or. obtient l'avantage additionnel que les conducteurs entre les cellules, tels qu'ils sont nécessaires dans l'électrolyse au raoye.i a'^.e installation à cellules à électrodes monopolaires mises en série, so.it éliminés de sorte que le matériau conducteur cher peut être économisé et qu'une économie d'éner- ie électrique est aussi obtenue, l'énergie économisée étant celle qui est dissipée dans les électrolyseurs connus du yenre décrit dans les petites connections encre les cellules. Les courants parasitaires sont presque entièrement éliminés, puisque les électrodes, qui limitent les cellules sur les côtés opposés, présentent une distance relativement trande entre elles et que de cette façon, les dérivations de circuit passant par les conduites et les collecteurs, respectivement réacteurs, sont beaucoup plus longs que les chemins du coura..t désirés à travers les espaces remplis d1 électrolyte. lin plus, il est possible de rapporcher des cellules électro-lytiques de haute puissance tellement que 1'électrolyte peut être amené dans les cellules à partir d'un réservoir de réaction commun et peut être ^ramené des cellules da.xs un collecteur et séparateur de caz commun, de sorte que 1'installation d'électrolyse entière est fortement simplifiée. Les réservoirs de réaction et collecteurs communs conduisent à une uniformisation des concentrations, de sorte qu'une uniformisation de la résistance des différentes cellules a lieu, qui, s côté de 1'harmonisation des résistances de contact, a-.iit dans le sens d 'une linéarisation de la distribution de tension. Les éléments d'anode, respectivement de cathode, e_. fcxr.v:> d*- cjueues, qui s'élèvent ô.;s électrodes, donner/c en outre aux 5lec rrcv.es nrr n.idic-r telle qu'u.. assenl lare des éléments c'-s ^Isctrores bipolai avec v... bon en. raet électrique ne pré-ser. tr bas :-r ci r fr.Cv.,1 rés . L 'autrec : ris tiques et ivs..ra es ce 1'invention r,..r>..c iùinu:: ^onpris 5 la locctre de la description qui va suivre Ce. :rcb ce réalisation et en se référant aux dessins annexés, BAD ORIGINAL 72 08105 _ 4 - La figure 1 est une représentation schématique d'une vue de face d'une partie d'un électrolyseur; La figure 2 est une vue d'en haut des cellules de l'installation selon la figure 1, une cellule étant représentée ei; coupe; La figure 3 est une section horizontale, d'une cellule électrolytique de 1'électrolyseur de la figure 1, représentée de façon sectionnée; Les figures 4 et 5 montrent des détails du point de connection entre deux cellules adjacentes; et La figure 6 est une représentation schématique d'un autre mode de réalisation d'un électrolyseur. L'invention sera décrite en se référant à un électrolyseur au chlorate alcalin, cependant l'invention n'est pas limitée à un électrolyseur de ce genre. Dans la figure 1, des cellules électrolytiques 1 à 5 sont représentées l'une à côté de l'autre et elles sont connectées du côté cathodique à des barrœ omnibus 6 et du côté anodique à des barres omnibus 7. Les cartères des cellules 1 à 5 ont une configuration généralement en forme de caisson et sont munis au fond d'une amenée 8 d'électrolyte et du côté supérieur d'une sortie 9 d'électrolyte. L'amenée de 1'électrolyte de chaque cellule électrolytique 1 à 5 est reliée par une conduite 10 associée à un réservoir de réaction 11 commun pour toutes les cellules, tandis que la sortie 9 d'électrolyte de chaque cellule 1 à 5 est connectée par une conduite 12 à un collecteur et séparateur de gaz 13 commun. Les conduites de retour du collecteur 13 au réservoir de réaction 12 sont indiquées dans la figure 1 en traits mixtes. Des conduites d'amenée et de sortie d'électrolyte prévues au collecteur 13, respectivement au réservoir de réaction 11, sont omises dans la figure 1 pour des raisons de simplicité, puisqu'elles ne forment pas une partie de 1'invention. Dans la figure 1 on peut voir que les cellules 1 à 5 adjacentes se touchent directement, les électrodes bipolaires montées perpendiculairement à la direction du courant électrique étant communes aux cellules adjacentes. Dans la figure 2, les électrodes bipolaires opposées de chaque cellule sont identifiées par les numéros de référence 15 72 08105 2128752 — 5 — et 16. Dans le mode de réalisation décrit, l'électrode bipolaire comprend une partie 15 en acier, acier inoxydable ou acier chromé, tandis que la partie 16 est en titane. La cellule électrolytique 1, représentée dans la figure 2 dans une sectio.i horizontale, permet de reconnaître que la partie 15 de l'électrode bipolaire est munie d'éléments 17, en forme de queue ou de nervure, qui s'étendent en direction transversale presque sur la totalité de la largeur de la cellule et en direction verticale sur la hauteur totale de la cellule électrolytique de sorte que la partie d'électrode formée par les parties 15 et 17 a dans toutes les sections horizontales une forme essentiellement égale à celle d'un peigne. La partie 16 est aussi munie d'éléments d'électrode en forme de queue ou de nervure, qui portent le numéro de référence 18 dans la figure 2, et dans le mode de réalisation décrit, ils ont la forme de tôles en titane activé, qui sont fixées à la partie 16 de l'électrode bipolaire, par exemple par des vis. Selon un mode de réalisation, les parties 15 des électrodes bipolaires peuvent former une pièce unique avec un cartère en forme de cadre, tel que représenté dans la figure 2. Dans ce cas, une couche isolante d'une épaisseur suffisante est prévue entre le flasque 19 et la partie 16 de l'électrode bipolaire, cette couche isolante n'étant pas représentée en détail dans la figure 2. Pour monter les différentes cellules on utilise les boulons passant par des douilles isolantes, qui ne sont pas représentées dans les dessins pour des raisons de simplicité. Selon un autre mode de réalisation ce cartère, en forme de cadre, des cellules forme avec l'amenée 8 de la cellule électrolytique adjacente et la sortie de la cellule électrolytique un élément séparé 20, qui est encastré entre les parties d'électrode 15 et 16 en utilisant des joints intermédiaires. Ceci est représenté de façon schématique dans la figure 3. L'assemblage des parties d'électrode 15 et 16 peut se faire par vis, par soudage, par :3a cage ou par u;.e colle conducteur électrique ou par rivetace. Les deux dernières possibilités sont représentées da.»s les figures 4 et 5. Da..s la figure 4, une couche de colle 22 bon conducteur électrique se trouve entre les parties d'électrode 15 et 16 et est représentée avec une épaisseur volontairement accrue. Dans la figure 5, on voit une série de rivets 23 passant par les 72 08105 2128752 - 6 - parties d'électrode 15 et 16, les rivets étant répartis sur la surface des parties 15 et 16 avec une densité suffisante. En aucun cas, on a des difficultés d'assembler les parties d'électrode 15 et 16, de sorte qu'une chute de tension de moins de 50 mV pour 2 5 une densité de courant de 10 A/cm ait lieu. Si on joint les parties d'électrode 15 et 16 de manière amovible, on peut, afin d'obtenir un contact uniforme sur la surface de contact totale, insérer une couche intermédiaire plastique bon conducteur électrique, par exemple sous forme d'un caoutchouc 10 conducteur ou d'un autre matériau conducteur enrichi d'une masse élastique ou plastique. Dans d'autres cas, il peut aussi être utile de former les pièces 15 et 16 d'une seule pièce et de fixer alors à une plaque correspondante, qui est à considérer comme une unité de construc-15 tion, d'un côté les queues ou nervures 15 et de l'autre côté les queues 18. Il est aussi possible de concevoir la partie 15 ou la partie 16 de l'électrode bipolaire comme élément mécanique porteur, tandis que l'autre partie forme une couche mince sur le côté respectif de l'électrode pour obtenir les caractéristiques électro-20 chimiques désirées. En plaçant les cellules électrolytiques directement l'une à côté de l'autre, la section totale des cellules perpendiculaire à la direction générale du courant électrique est essentiellement uniformément chargée par le courant et les différentes cellules 25 ont, par section, une résistance à peu près égale, de sorte qu'une distribution de la puissance uniforme est obtenue, quand on met plusieurs cellules en série. Des différences de résistance, qui seraient encore présentes, et qui pourraient résulter d'une concentration électroly-30 tique différente dans les différentes cellules, sont éliminées en ce qu'un réservoir de réaction 11 et un collecteur et séparateur de gaz 13 unique est prévu, selon une caractéristique avantageuse, pour toutes les cellules. Tel que montré de façon schématique dans la figure 6, les 35 conduites de retour du collecteur et séparateur de gaz 13 vers le réservoir de réaction 11 peuvent être quelques conduites 24 seulement, dont la section est agrandie, ce qui permet d'économiser des connections de tuyaux aux réservoirs 11 et 13. La figure 6 mon- 72 08105 2128752 - 7 - tre en outre la possibilité de retirer et replacer dans la direction horizontale une cellule électrolytique particulière suivant le système de construction par bloc après avoir disconnecté les conduites 10 et 12. Dans ce cas, les parties 15 et 16 des élec-5 trodes bipolaires sont fixées 1'une à l'autre de manière amovible et peuvent Être déplacées les unes par rapport aux autres au moins dans le plan horizontal après avoir détaché la connection. Une telle construction rend inutile la séparation de connection entre les cellules électrolytiques échangeables, tel qu'il a été néces-10 saire dans les électrolyseurs connus du type décrit. Il faut finallement reconnaître que les parties d'électrode 15 et 16, après fixation par serrage, se touchent en formant un bon contact, aussi parce que les nervures 17 respectivement 18 en forme de queue donnent une grande rigidité et fidélité des 15 formes. Les parties 15 et 16 ne tendent donc pas à se courber, mais constituent une grande surface de contact commune, quand elles sont fixées l'une à l'autre. 72 08105 - g - ■.V.'.j '/ J . . «r '"A - JLOa. .Q 1. Electrolyscur comprenant des cellules sa.is diaphragme traversées par un éleotrolyts da;,s lesquelles se trouve-., u dus électrodes bipolaires, ai,«si que ues dispos." : "s pour réduire les courants parasitaires, caractérisé e.. c; que les électrodes bipolaires s'étendent da..s les cellules adjacentes, par des parties d'anode, respectiverae.it de cathodes, e.. forme de queue, se dressaa sur les électrodes, les cellules communiquant entre elles exclusivement par des conduites, un réservoir de réaction respectivement un collecteur et séparateur de cjaz. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une conduite commune de retour mène du collecteur et séparateur de gaz supérieur vers le réservoir de réaction inférieur. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les électrodes bipolaires sont formées d'une seule pièce et consistent dUn même matériau ou de matériau différent. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les électrodes bipolaires comprennent d'un côté une paroi d'appui, tandis que de l'autre côté une couche mince d'un matériau différent fixée à la paroi d'appui est prévue. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les électrodes bipolaires sont composées de différentes couches assemblées par rivetage, soudage, placage, soudure ou collage. 6. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les électrodes bipolaires sont formées par deux parties 15 et 16, fixées l'une à l'autre de manière amovible. 7. Dispositif selon l'ensemble des revendications 1, 2 et 6, caractérisé en ce que les parties d'électrode bipolaire adjacentes touchant une cellule peuvent être retirées, ensemble avec le cartère entourant la cellule correspondante, séparément de l'ensemble des cellules après détachement des connections. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les électrodes bipolaires, respectivement une partie de celles-ci, forment une pièce avec une partie de cartère en forme de cadre de la cellule, qui est isolée par un anneau isolant de l'électrode bipolaire ou de la partie d'électrode bipolaire opposée. BAD ORIGINAL