Brevet FR2126928A1 — publié le 19721013

t_ 2126928 1 La présente invention est relative à un électrolyseur sous pression de grande fiabilité pouvant subir des variations importantes d'assiette et des accélérations de directions variées sans baisse de rendemento 5 Plus particulièrement l'invention a trait à un électrolyseur d'eau sous pression pouvant être embarqué sur des véhicules soit terrestres, soit aériens ou spatiaux, soit marins ou sous-marins, comme source soit d'hydrogène, soit d'oxygène soit de ces deux fluides simultanémento 10 L'électrolyse de l'eau, ou plus précisément de solutions - acides ou basiques, est bien connue comme étant une source industrielle d'hydrogène ou d'oxygène. Pour obtenir de bons rendements avec une pureté suffisante du fluide ou des fluides produits il est connu de réaliser des électrolyseurs travaillant 15 sous pression une solution concentrée de potasse (25 à 30 io) avec des densités de coursnt importantes (580 à 2500 A/m2) et à température élevée (65 - 80° C). En général la pression est faible, (inférieure à 1 bar), toutefois la technique Zdansky-Lonza permet de travailler sous 30 bars. 20 Tous ces électrolyseurs qu'ils soient monopolaires ou bipolaires sont des unités compactes mais lourdes et volumineuses» les seuls permettant de travailler sous forte pression (technique Zdansky-Lonza) sont du type filtre-presse, c'est-à-dire constitués par un empilement horizontal d'électrodes et de diaphragmeso Ce 25 type d'électrolyseur exige l'arrêt complet pour se prêter à une réparation portant sur un seul élément (électrode ou diaphragme). Enfin ces électrolyseurs, conçus pour des unités stables, ne se prêtent aucunement aux changements d'assiette ou aux accélérationso La présente invention qui permet.de pallier ces divers 30 inconvénients, concerne un électrolyseur sous pression de faibls poids, de faible volume, de grande fiabilité, capable de fonctionner en cas d'avarie d'un ou plusieurs éléments, de changement d'assiette ou d'accélérations diverses. Cet électrolyseur est essentiellement caractérisé en ce 35 qu'il est constitué d'une pluralité de cellules élémentaires cylindriques, monopolaires ou bipolaires, autonomes, étanches et tenant la pression nominale, lesdites cellules élémentaires étant branchées électriquement en série, alimentées en parallèle en 71 02^60 2 2126928 ' électrolyte et alimentant en parallèle, en mélanges diphasiqu.es, un séparateur à tête sphérique et à niveau constant. Cet électrolyseur est en outre caractérisé par les points suivants pris isolément ou en toutes combinaisons 5 opérantes : - chaque cellule élémentaire comporte une électrode positive et une électrode négative séparées par un diaphragme,lesdites électrodes et ledit diaphragme étant constitués par des cylindres coaxiaux<> 10 - chaque cellule élémentaire est constituée par une virole cylindrique obturée à ses deux extrémités par deux bouchons - chaque bouchon est constitué de deux manchons cylindriques coaxiaux électriquement isolés, le manchon intérieur, solidaire de l'électrode interne, comportant un ajutage central servant 15 de borne d'amenée de courant et le manchon extérieur, en contact avec l'électrode externe, comportant un ajutage périphérique et une borne de sortie de courant, ces deux manchons s'emboîtant l'un dans l'autre par 1'intermédiaire d'un embout isolant portant le diaphragme et étant maintenus en place par un écrou obtura*-. 20 teur se vissant sur ladite virole cylindrique. - chaque cellule élémentaire est alimentée en électrolyte par les ajutages central et périphérique de l'un desdits bouchons - chaque cellule élémentaire débite en mélanges diphasiques par l'ajutage central et l'ajutage périphérique de l'autre desdits 2 5 bouchons - les cellules élémentaires sont alimentées en parallèle par une pompe de circulation de 1'électrolyte. - le circuit de distribution de 1'électrolyte est pourvu d'une cellule de filtration de la totalité du débit de 1'électrolyte 30 - le séparateur à tête sphérique et à niveau constant est constitué d'une virole extérieure cylindrique fermée, à sa partie inférieure, par un bouchon et réunie, à sa partie supérieure, à une tête sphérique pourvue d'un collecteur supérieur et d'au moins un collecteur latéral, et d'une virole intérieure cylindrique réunie, 35 à sa partie supérieure, à une tête sphérique elle-même ré-unie, à sa partie supérieure, à une virole cylindrique support solidaire du collecteur supérieur» - le séparateur à tête sphérique est pourvu de deux serpentins de 71 02460 5 2126928 ! régulation de température portés par ledit bouchon, l'un intérieur à ladite virole intérieure, l'autre extérieur à ladite virole intérieure et intérieur à ladite virole extérieure» - le bouchon inférieur du séparateur à tête sphérique est muni 5 d'un ajutage de sortie de l1électrolyte» - le collecteur supérieur du séparateur à tête sphérique est constitué d'un manchon support de la virole cylindrique support et d'un filtre et est muni de deux ajutages périphériques de sortie de chacun des gaz produits et d'un ajutège central t) portant à son extrémité interne une soupape tarée, et servant d'amenée de l'un des mélanges biphasiques produits - chaaue collecteur latéral du séparateur à tête sphérique est constitué d'un manchon pourvu d'au moins un ajutage portant à son extrémité interne une soupape tarée et servant d'amenée 15 de l'autre des mélanges biphasiques produits - le manchon de l'un au moins des collecteurs latéraux est en outre pourvu d'un, ajutage d'amenée d'eau - l'amenée d'eau au séparateur à tête sphérique est asservie au niveau de 1'électrolyte mesuré par un détecteur de niveau» 20 D'autres caractéristiques secondaires apparaîtront à la lecture de la description d'un exemple de réalisation de 1'électrolyseur sous pression, objet de l'invention, adapté au cas de 1'électrolyse de l'eau au moyen de cellules élémentaires monopolaires, et des figures 1 à 5 annexées, lesquelles 25 représentent : Fig» 1 - une vue en coupe axiale d'une cellule élémentaire Fig. 2 - une vue en coupe suivant AA, de la Fig» 1, d'une cellule élémentaire Fig. 3 - une vue en coupe axiale du séparateur à tête sphérique 30 Fig. 4 - une vue en plan du branchement électrique des cellules élémentaires Fis;. 5 - une vue de dessus du branchement éleetriaue des cellules é-1 émentaireso Dans la description de cet exemple les dispositions 3 5 de réalisation adoptées devront être considérées comme faisant partie de 3'invention étant entendu que toutes dispositions équivalentes pourront être aussi bien être utilisées sans sortir du cadre de celle-ci. 71 02460 ♦ 2126928 On voit sur la Fig* 1 la cellule élémentaire constituée d'une virole cylindrique 1 munie de deux embouts d'extrémités, tels que 2, soudés à la virole 1, sur lesquels sont fixés les bouchons « 5 -Ces bouchons sont eux-mêmes constitués d'un premier manchon intérieur 3, rendu solidaire de l'anode 4 par soudure, d'un second manchon extérieur, lui-même composé d'une bague de cathode 5 rendue solidaire de la cathode 6 par soudure et d'un chapeau 7, ces deux manchons s'emboîtant l'un dans l'autre par t) l'intermédiaire d'un embout isolant 8 solidaire du diaphragme 9» et maintenus en place par l'écrou 10 se vissant dans l'embout 2. Le manchon intérieur 3 est par ailleurs rendu solidaire du chapeau 7 du manchon extérieur par l'intermédiaire du presse-étoupe 11 et de goujons tels que 12. t> Oe manchon intérieur 3 est en outre pourvu d'un ajutage 13 communiauant avec le compartiment anodique 14 et servant soit à l'entrée d'anolyte soit à la sortie du mélange biphasique d'anolyte et d'oxygène. Cet ajutage 13 sert aussi de borne positive» 2D Le chapeau 7 du manchon extérieur est pourvu d'un ajutage 15 périphérique qui, par l'intermédiaire de la couronne 16 usinée dans sa masse et de conduits cylindriques tels que 17 usinés dans la bague de cathode 5, communique avec le compartiment cathodique 18» Cet ajutage 15 sert soit à l'entrée du catholyte soit à la 25 sortie du mélange biphasique de catholyte et d'hydrogène. L'ajutage 15 peut aussi servir de borne négative mais pour des questions de facilité de branchement il est préférable de ménager sur le chapeau 7 une borne spéciale 19. La Fig. 2 permet de voir une des formes adoptées pour 30 les faces de l'anode 4 et la cathode 6 délimitant avec le diaphragme 9 les compartiments anodiques 14 et cathodiques 18» On voit sur la Fig. 3 le séparateur à tête sphérique constitué de la virole cylindrique extérieure 20, fermée à sa partie inférieure par le bouchon 21 et réunie, à sa partie 35 supérieure, à la tête sphérique 22. Cette tête 22 est pourvue d'un collecteur supérieur et de deux collecteurs latéraux. Le collecteur supérieur est constitué d'une emfcase 23 soudée à la tête sphérique 22, sur laquelle est vissé un manchon support 24. 71.02460 5 2126928 Ce manchon 24 est obturé par un bouchon 25 vissé sur luio la virole cylindrique intérieure 26 est réunie à sa partie supérieure à la tête sphérique 27, elle même réunie à sa . partie supérieure à la virole cylindrique support 28 soudée au 5 manchon 24o Un filtre devesiculeur 29 est soudé à la partie supérieure de la virole 28„ Deux serpentins échangeurs 30 et 31 fixés par leurs embouts, respectivement 32, 33 et 34, 35, au bouchon 21, servent . à réguler la température de 1'électrolyte dans les deux 10 compartiments du séparateur, et à homogénéiser lès concentrations o Le bouchon 21 est en outre muni d'un ajutage 36 de sortie de 1'électrolyteo Le manchon, 24 est muni d'un, ajutage 37 de sortie de gaz hydrogène sec» Le bouchon 25 est muni d'un ajutage périphérique 15 38 de sortie de gaz oxygène sec et d'un ajutage central 39. Cet ajutage 39 est réuni à l'une de ses extrémités par l'intermédiaire d'une série de conduits tels que 40 et de conduites telles que 41 (autant que de cellules élémentaires) aux ajutages tels que 13 des cellules élémentaires qui l'approvisionnent en mélange bipha-20 sique d'anolyte et d'oxygène. L'autre extrémité de l'ajutage 39 est muni d'une soupape tarée 42 constituée d'une buse siège 43 et d'un pointeau conique 44 liés par un ressort taré de rappel. La forme des constituants de cette soupape tarée 42 lui permet aussi de jouer le rôle de séparateur mécanique du mélange biphasique. Le 25 pointeau conique 44 est en outre muni d'une tige 45 jouant le rôle de guide coulisseau d'un détecteur de niveau 46 <> Chaaue collecteur latéral est constitué d'un corps 47 soudé à la tête sphérique 22 et d'un chapeau 48 fixé par des goujons non représentés au corps 47. Sur chaque chapeau 48 sont 30 fixées des conduites telles que 49 débouchant sur des conduits tels que 50. (Le nombre de conduites telles que 49 multiplié par le nombre de collecteurs latéraux étant égal au nombre de cellules élémentaires)o Chaque conduite telle que 49 est reliée à un ajutage 15 d'une cellule élémentaire qui,l'approvisionne en 35 mélange biphasique de catholyte et d'hydrogène. Le corps 47'est muni d'un ajutage 51 auquel est fixé une soupape tar.ée_ telle que 42» L'un au moins des collecteurs latéraux possède un.chapeau 48 sur lequel est fixé une conduite 52 qui par l'intermédiaire d'un 71 02460 6 2126928 conduit 53 permet l'introduction, régulée par le détecteur de niveau 46, d'eau d'alimentation. Chacune des conduites telles que 41 ou 49 est munie d'une vanne d'isolement 54 permettant d'isoler une cellule 5 élémentaire pour toute intervention utile. l'ajutage 36 d'alimentation en électrolyte des cellules élémentaires est relié à un système de filtration suivi d'une pompe de distribution débitant dans un répartiteur duquel 1'électrolyte est amené aux ajutages 13 et 15 d'alimentation des 10 cellules élémentaires par autant de conduites munies de vanne d'isolement. Ces éléments, par ailleurs classiques, n'ont pas été représentés. la Fig. 3 montre aussi un type de groupement des cellules élémentaires autour.d'un séparateur à tête sphérique. 15 les Fig. 4 et 5 montrent le branchement électrique en série des cellules élémentaires par l'intermédiaire de barrettes telles que 55 reliant l'anode 13 d'une cellule à la cathode 19 de la cellule suivante. A titre d'exemple, un électrolyseur de ce type groupant 20 28 cellules élémentaires, utilisant comme électrolyte une solution de potasse à 28 $, maintenue à 90° C, et fonctionnant, sous une pression de 60 bars, avec une vitesse de circulation de 1'électrolyte dans les cellules de 10 cm/s et une densité de courant de 10.000 A/m2, permet d'obtenir de l'hydrogène et de l'oxygène 25 à 99,8 io de pureté. 1'électrolyseur suivant l'invention possède les avantages suivants : - Il fonctionne avec une densité de courant par unité de surface du diaphragme très important ce qui rend son encombrement 30 inférieur à celui d'un électrolyseur type filtre-presse. - Il n'est pas technologiquement limité en pression car utilisant des solutions reconnues, dans d'autres domaines, sûres sous plusieurs centaines de bars. - Il est très- fiable, mais en cas d'avarie d'une cellule, il reste 35 opérationnel par isolement facile et remplacement aisé de la cellule accidentée. - Il supporte sans difficulté des changements d'assiette importants (plus de 60° d'angle) et des accélérations de' plusieurs S d'orientations variées. 71 02460 i 2126928 RBVBSDIOATIOHS 1°/ Electrolyseur sous pression caractérisé en ce au'il est constitué d'une pluralité de cellules élémentaires cylindriques, monopolaires ou bipolaires, autonomes, étanches et tenant la 5 pression nominale, lesdites cellules élémentaires étant branchées électriquement en série, alimentées en parallèle en électrolyte et alimentant en parallèle, en mélanges birshasiaues, un séparateur à tête sphérique et à niveau constant» 10 2°/ Electrolyseur sous pression suivant la revendication 1, dans lequel chaque cellule élémentaire comporte une électrode positive et une électrode négative séparées par un diaphragme, lesdites électrodes et ledit diaphragme étant constitués par des cylindres coaxiauxo 15 3°/ Electrolyseur sous pression suivant la revendication 1 dans lequel chaaue cellule élémentaire est constituée par une virole cylindriaue obturée à ses extrémités par deux bouchons, chacun desdits bouchons étant constitué de deux manchons cylindriques coaxiaux, électriquement isolés, le manchon intérieur, soli-20 daire de l'électrode interne, comportant un ajutage central servant de borne d'amenée de courant et le manchon extérieur, en contact avec 1'électrode externe, comportant un ajutage périphérique et une borne de sortie de courant, ces deux manchons s'emboîtant ]'un dans l'autre par l'intermédiaire 25 d'un embout isolant portant le diaphragme et étant maintenus en place p?.r un écrou obturateur se vissant sur ladite virole cylindriaue. 4°/Electrolyseur sous pression suivant la revendication 3, dans lequel chaque cellule élémentaire est alimentée en électrolyte 30 p^.r Tes ajutages central et périphérique de l'un desdits bouchons, et débite un mélange biphasique par 3.' ajutage central et 1 'ajutage périphérique de l'autre desdits bouchons. 5°/ Electrolyseur sous pression suivant la revendication 4, dans leouel les cellules élémentaires sont alimentées en parallèle 35 par un circuit d'électrolyte comportant une pompe de circulation et une cellule de filtration de la totalité du débit de 1'électrolyte» 6°/Electrolyseur sous pression suivant la revendication 1, dans .71 02460 8 2126928 lequel le séparateur à tête sphérique et à niveau constant est constitué d'une virole extérieure cylindrique fermée, à sa partie inférieure, par une bouchon et réunie, à sa partie supérieure, à une tête sphérique pourvue d'un collecteur 5 supérieur et d'au moins un collecteur latéral, d'une virole intérieure cylindrique réunie, à sa partie supériéure à une tête sphérique, elle-même réunie, à sa partie supérieure, à une virole cylindrique support solidaire du collecteur supérieuç et de deux serpentins de régulation de température portés 10 par ledit bouchon, l'un intérieur à ladite virole intérieure, l'autre extérie-ur à ladite virole intérieure et intérieur à ladite virole extérieure, ledit bouchon étant en outre muni d'un ajutage de sortie de l1électrolyte. 7°/ Electrolyseur sous pression suivant la œvendication 6, dans 15 lequel le collecteur supérieur est constitué d'un manchon support de la virole cylindrique support et d'un filtre et est muni de deux ajutages périphériques de sortie de chacun des gaz produits et d'un ajutage central portant, à son extrémité interne, une soupape tarée et servant d'amenée de 20 l'un des mélanges biphasiques produits. 8°/ Electrolyseur sous pression suivant la revendication 6, dans lequel chaque collecteur latéral est constitué d'un manchon pourvu d'au moins un ajutage portant, à son extrémité interne, une soupape tarée et servant d'amenée de l'autre des mélanges 25 biphasiques produits. 9°/ Electrolyseur sous pression suivant la revendication 6, dans lequel l'un au moins des collecteurs latéraux est pourvu d'un ajutage d'amenée d'eau. 10°/Electrolyseur sous pression suivant la revendication 9, dans 30 lequel l'amenée d'eau est asservie au niveau de 1'électrolyte mesuré par un détecteur de niveau.