Brevet FR2334766A1 — publié le 19770708

La présente invention concerne une nouvelle structure d'électrolyseur apte notamment a produire de I'hydrogène a partir de l'eau, et cela a un echelon industriel. On sait que les installations d'électrolyse comportent principalement, d'une part les électrolyseurs eux-mêmes et d'autre part un système d'alimentation en courant continu, un tel système d'alimentation comprenant notamment des transformateurs et des redresseurs de courant alternatif, leurs annexes de refroidissement, ainsi que des regulateurs. Dans une installation classique il apparaît que les coûts de ces deux ensembles sont sensiblement du même ordre de grandeur. En conséquence, toute amélioration ou simplification apportée audit système d'alimentation se traduit 1,ipso facto" par une diminution notable des frais dtinvestissement ainsi que du prix de revient des produits résultant de l'électrolyse. On conçoit donc, à la limite, que la suppression pure et simple du système d'alimentation classique permet de réduire environ de moitié les frais d' ives tissement ainsi que le prix de revient des produits fabriqués de la sorte. La présente invention a donc pour but un électrolyseur apte à être alimenté directement en courant alternatif, donc sans la coopération d'un système de redressement conventionnel, un tel électrolyseur étant nar voie de conséquence d'un prix de revient minimal tout en présentant un rendement et des performances comparables à ceux des électrolyseurs classiques. Un tel électrolyseur présentant la structure avantageuse du type filtre-presse est particulièrement apte à la production d'hydrogene par électrolyse de l'eau, et cela d'un echelon industriel. L'invention a donc pour objet un électrolyseur comportant une pluralité d'électrodes définissant entre elles des cellules élémentaires dans lesquelles circule un électrolyte, ces électrodes étant assujetties les unes aux autres et serrées entre deux électrodes d'extrémité de sorte former un ensemble du type filtre-presse, caractérisé par le fait que l'une desdites électrodes d'extrémité est confectionnée en un métal choisi dans le groupe comportant l'aluminium, le niobium et le tantale, ledit électrolyseur étant alimenté par un générateur de courant alternatif. D'autres caracteristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit donnée à titre d'exemple purement illustratif mais nullement limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure I représente schématiquement un électrolyseur selon l'invention, - la figure 2 représente schématiquement un exemple de couplage d' élec- trolyseurs selon l'invention. On sait que certains métaux plongés dans un électrolyte convenable presen- tent un effet redresseur vis-a-vis du courant alternatif. A titre d'exemple, une électrode d'aluminium et une électrode de nickel ou de carbone, plongées dans une solution de borate ou de carbonate forment un système analogue a une diode, c'est-à-dire qu'il ne laisse passer qu'une alternance d'un courant alternatif, à savoir de l'électrode de nickel ou de carbone vers l'électrode d'aluminium. Des métaux tels que le niobium et le tantale Drésentent les nomes caracté ristiques que l'aluminium, mais de plus ils peuvent être mis en oeuvre avec un plus grand nombre d'électrolytes pratiquement à n importe quel pH. La Demanderesse a donc eu l'idée d'utiliser de tels métaux pour confectionner notamment les électrodes d'un électrolyseur présentant, avantageusement une structure du type filtre-presse. Dans les modes de réalisation décrits dans ce qui suit de tels électrolyseurs sont utilisés pour la production d'oxygène et d'hydrogène résultant de l'électrolyse classique de l'eau. C'est ainsi que dans le mode de réalisation illustré figure 1, un électrolyseur selon l'invention référencé globalement par l'indice I est formé d'une pluralité d'électrodes 1, 2, 3, 4 (n-1), n. Ces électrodes sont du type bipolaire bien connu, hormis les électrodes d'extrémité 1 et n, et en conséquence, l'une de leurs faces joue le rôle d'anode, tandis que l'autre face est la cathode. En conséquence l'espace délimité par 2 électrodes voisines représente une cellule élémentaire de l'électrolyseur dans laquelle circule 1' électrolyte et chacune desdites cellules comporte un diaphragme tel que a. Conformément à l'invention l'électrode I est confectionnée en aluminium, en niobium ou en tantale, les autres Rectrodes 2, 3...n étant confectionnées en nickel, en carbone, en un matériau plastique chargé en carbone ou en tout autre matériau approprié. L'électrolyte est selon le cas par exemple une solution aqueuse de potasse 8N ou une solution aqueuse d'un carbonate ou d'un borate. L'ensemble est alimenté par un générateur de courant alternatif b. Conformément à ce qui précède on voit donc que le courant électrique circule dans l'électrolyseur uniquement dans le sens matérialisé par la flèche F, donc de l'électrode n vers l'électrode 1. I1 en résulte que l'bydrogene se dégage au niveau des électrodes tel que matérialisé par les flèches indiquées en traits pleins, l'oxygène se dégageant selon les flèches indiquées en traits tiretés. On notera cependant que l'alternance non passante du courant débité par le générateur b se trouve donc reportée entre l'électrode d'aluminium I et l'élec- trolyte dans lequel sont plongées les électrodes, les autres électrodes, 2 ........ n étant pratiquement au morne potentiel. I1 est donc de toute evidence que cette tension devra toujours être inférieure à la tension disruptive du système redresseur formé par les électrodes 1, 2 et l'électrolyte. Si donc lion désigne par u la tension nécessaire a chaque cellule pour réaliser l'électrolyse de 11 eau, la tension fournie par le générateur b sera donc de ('-1 )u. Si maintenant Ud désigne ladite tension disruptive, on voit au moins sera nécessaire de prévoir environ et au moins (n-1)u électrodes donc qutil sera nécessaire de prévoir environ et d'aluminium dans l'électrolyseur, analogues à l'électrodes 1. En conséquence, on intercalera à intervalles réguliers une électrode d'alu- minium dans l'ensemble filtre-presse. Par exemple, les électrodes 5, 10, 15 15...... seront confectionnées en aluminium (ou en niobium ou en tantale), l'électrode de rang n étant bien entendu toujours réalisée en nickel. Bien entendu, l'électrode n peut être confectionnée en aluminium en niobium ou en tantale, les électrodes 1, 2, 3 ..... (n-1) étant réalisées en nickel, carbone ou en plastique chargé au carbone. Dans ce cas le sens du courant est le sens inverse de la flèche F, les dégagements gazeux au niveau des électrodes étant alors inverse de ceux représentés. De même, l'électrode 1 (ou l'électrode n) peut être confectionnée en nickel, les autres électrodes étant réalisées en aluminium. Dans ces cas, également, des électrodes intermédiaires de même nature que l'électrode d'extrémité concernée seront confectionnées en le même métal, a la manière précédemment décrite. Des électrolyseurs tels que I peuvent ttrebien entendu, interconnectés en série, en parallèle sous réserve de respecter le sens de circulation du courant tel que décrit figure 1, ce sens étant toujours du nickel vers l'aluminium. La figure 2 illustre une telle possibilité On voit sur cette figure un ensemble d'électrolyseurs formé de 2 électrolyseurs Il et 12 connectés en série de 2 électrolyseurs I3 et 14 connectés également en série, et en parallèle par rapport aux électrolyseurs Il et I2, l'ensemble étant alimenté par un générateur de courant alternatif b. Les électrodes 1 des électrolyseurs Il et I2 sont confectionnées en aluminium, niobium ou en tantale, les autres électrodes étant réalisées en nickel ou en carbone. Les électrodes n des électrolyseurs I3 et I4 sont confectionnées en aluminium, niobium ou tantale, les autres électrodes étant réalisées en nickel ou en carbone. De la sorte, le courant circule dans les électrolyseurs I1 et I2 selon la flèche F1, et selon la flèche F2 dans les électrolyseurs 13 et I4 donc en sens inverse ; les deux alternances du courant alternatif peuvent donc être utilisées. De même la composition desdites électrodes peut être inversée et cela de la manière décrite en référence à la figure I. On peut de même envisager de connecter des électrolyseurs en parallèle sur les électrolyseurs 1. On a représenté un électrolyseur 15 connecté en parallèle sur l'électrolyseur I3, dont l'électrode í est également réalisée en aluminium, niobium ou tantale les autres étant confectionnées en nickel ou en carbone. Le sens du courant dans cet électrolyseur est donc F2. Des électrolyseurs peuvent être connectés de façon similaire aux bornes des electrolyseurs Il, I2 et I3. Cependant, il est préférahle que chaque branche présente des caractéristiques électriques voisines afin d'éviter de déséquilibrer la source de courant b, autrement dit que les puissances absorbées soient sensiblement égales entre elles. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'è titre d'exemple. En particulier, on peut sans sortir du cadre de l'invention apporter des modifications de détail, changer certaines dispositions ou remplacer certains moyens par des moyens équivalents. REVENDICATIONS 1/ Electrolyseur comportant une pluralité d'électrodes (1, 2, ...n-1, n) définissant entre elles des cellules élémentaires dans lesquelles circule un électrolyte, ces électrodes étant assujetties les unes aux autres et serrées entre deux électrodes d'extrémité de sorte a former un ensemble du type filtre-presse, caractérisé par le fait que l'une desdites électrodes d'extrémité est confectionnée en un métal choisi dans le groupe comportant l'aluminium, le niobium et le tantale, ledit électrolyseur étant alimenté par un générateur de courant alternatif (b). 2/ Electrolyseur selon la revendication 1, caractérisé par le fait quten outre au moins l'une des autres électrodes (2 (n-1) a l'exclusion de l'autre électrode d'extrémité (n) est confectionnée de mime en un métal choisi dans le groupe comportant l'aluminium, le niobium et le tantale. 3/ Electrolyseur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que lesdites autres électrodes (5, 10, 15) confectionnées de rrrême en un métal choisi dans le groupe comportant l'aluminium, le niobium et le tantale sont disposées a intervalles réguliers au sein dudit électrolyseur. 4/ Electrolyseur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les électrodes autres que celles confectionnées en un métal choisi dans le groupe comportant l'aluminium, le niobium et le tantale sont confectionnées en un matériau choisi parmi le nickel, le carbone ou une matière plastique chargée en carbone. 5/ Electrolyseur selon l'une des revendications I à 4, caractérisé par le fait que ledit électrolyte est une solution aqueuse d'une hase alcaline. 6/ Electrolyseur selon l'une des revendications 1 a 4, caractérisé par le fait que ledit électrolyte est une solution aqueuse d'un carbonate ou d'un borate. 7/ Electrolyseur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que lesdites électrodes (2, n ... tir1) à l'exclusion des électrodes d'extrémité (1, n) sont du type bipolaire. 3/ Installation et notamment installation de production d'hydrogène comportant au moins un électrolyseur I selon l'une des revendications 1 à 7. 9/ Installation selon la revendication 8, caractérisé par le fait quelle comnorte au moins deux branches alimentées en parallèle par un générateur de courant alternatif (b), chacune des branches comportant au moins un électrolyseur Il, I2, I3, I4, lesdits électrolyseurs étant connectés de telle sorte que les courants dans deux branches voisines présentent des sens inverses l'un de l'autre (F1, F2). 10/ Installation selon la revendication 9, caractérisé par le fait qu'au moins un électrolyseur (I5) est connecté en parallèle sur au moins un desdits électrolyseurs (I3). 11/ Installation selon l'une des revendications 8 l 10, caractérisé par le fait que les puissances absorbées dans lesdites branches présentent des valeurs sensiblement égales entre elles.