Brevet FR2388060A1 — publié le 19781117

La présente invention concerne les électrodes pour élec- trolyseurs verticaux du type à diaphragme, utilisables notamment pour la préparation de produits gazeux par électrolyse. On sait que la différence de potentiel U å maintenir aux bornes d'une cellule d'électrolyse est la somme de plusieurs termes. Ces termes sont la tension réversible de décomposition E correspondant à énergie libre de la réaction de décomposition {qu'il n'est pas possible de réduire), les surtensions anodiques et cathodiques ek et e existant dans les couches limites de a phases au contact de l'anode et de la cathode et, enfin, la chute ohmique RI provoquée par la résistance électrique de l'électro- lyte. Le rendement de l'électrolyse est évidemment d'autant plus élevé que U est plus faible pour une intensité déterminée. Pour cela, on ne peut agir ;que sur R, ek et ea. Pour diminuer R, on cherche å avoir une valeur aussi faible que possible de la distance entre les électrodes placées de part et d'autre du diaphragme et å augmenterlasection effective de passage offerte par l'électrolyte au courant, donc à réduire le taux de vide représenté par des bulles du gaz préparé. Pour diminuer ek et ea, on utilise, pour la face anodique et la face cathodique en regard, des activations différentes. Dans les électrolyseurs multiples, dont chaque électrode constitue anode pour une cellule et cathode pour la cellule adjacente, ce résultat est atteint en activant différemment la face anodique et la face cathodique de la ie électrode, Les électrolyseurs verticaux à diaphragme destinés à la production de gaz actuellement utilisés comportent, pour tenir compte de ces impératifs, des électrodes bipolaires (c'est-à- dire.1ount à la fois le rôle d'anode et de cathode) munies de pré-électrodes, en forme de grille ou de plaque perforée, qui viennent s'appliquer contre les faces opposées du diaphragme. Ces pré-électrodes remplissent plusieurs fonctions. Elles enserrent le diaphragme et le maintiennent: en place ; elles réduisent la distance, du point de vue électriqùe,entre anode et cathode à la seule épaisseur du diaphragme ; elles permettent aux bulles de gaz de circuler dans- des espaces délimités chacun par une électrode et sa pré-électrode, où règne un champ constant, et où ne circule pas de courant dans l'électrolyte. Si cette solution peut être considérée comme satisfaisante du point de vue du rendement, elle présente l'inconvénient d'un coût très élevé. En effet, l'ensemble des électrodes et des préélectrodes représente en général près de la moitié du coût complet d'un électrolyseur. La présente invention vise à fournir une électrode rEpon- dant mieux que celles antérieurement connues aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'elle permet d'obtenir un rendement comparable à un coût beaucoup plus faible. Dans ce but, l'invention propose notamment ne électrode qui comprend une plaque interne destinée à être placée verticalement, dont les faces opposées portent des plaques externes destinées à constituer, l'une, anode, et,l'autre,cathode plaque plaque externe étant munie de crevés ou bossages dirigés sers l'extérieur, s'évasant vers le bas et ouverts à leurs extreritds hautes et basses. Ces crevés peuvent s'appliquer contre le d phragme de façon à maintenir celui-ci et à réduire au minimum la longueur du trajet parcouru par le courant électrique entre cathode et anode d'une même cellule de l'électrolyseur. t1 invention propose également un électrolystur multiple comprenant une pluralité délectrodes verticales du type ci-dessus, chaque électrode constituant anode pour une cellule électrolytique et cathode pour une cellule électrolytique adjsrante les plaques externes p-ouvant être en des matériaux differents, choi- sis en fonction du rôle de la plaque externe correspondante (anode ou cathode3. Un tel électrolyseur présente une applicatfaa particu lierement importante, constituée par la préparation de l'hydrogène et de 1'oxygène par électrolyse d'une solution aeeme Cette application n'est toutefois pas exclusive et 1'électro- lyseur peut être utilisé pour toute opération de préparation de gaz par électrolyse, sous la seule réserve que les matériaux constitutifs de l'électrode soient chimiquement coipatibles avec les gaz dégagés et l'électrolyte Cou les électrolytes, lorsque le diaphragme sépare un catholyte et. un anolyte différents). L'invention sera mieux comprise à la lectre de la description qui suit d'un électrolyseur qui en constitue un particulier de réalisation donné à titre d'exemple non lSmita- tif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels :: - la figure 1 est un schéma de principe d'une fraction d'un électrolyseur vertical multiple à diaphragmes, en coupe suivant un plan vertical perpendiculaire aux diaphragmes ; - la figure 2 montre à grande échelle une fraction d'une des électrodes de l'électrolyseur de la figure 1, en coupe suivant le plan 11-11 de la figure 3, - la figure 3 montre, à grande échelle, une fraction d'une électrode, vue suivant la direction III-III de la figure 2, - la figure 4 est un schéma montrant une disposition possible des crevés sur une électrode, - les figures Sa et 5b sont des schémas montrant la forme idéale des crevés (figure Sa) et une forme utilisable en pratique (figure 5b),-les crevés étant vus suivant la direction V-V de la figure 4. L'électrolyseur dont une fraction est montrée schimatique- ment en figure 1 peut être regardé comme constitué par une pluralité de cellules accolées. Chaque cellule, telle que 10, comporte un diaphragme ertical 11, poreux ou en une membrane échanqeuse d'ions, qui sépare un compartiment anodique 12 d'un compartiment cathodique 13. A titre d'exemple, on supposera, dans ce qui suit, que l'électrolyseur est destiné à la produc- tion d'hydrogène et d'oxygène par électrolyse de l'eau. Dans ce cas, hydrogène et oxygène sont collectés à la partie supérieure du compartintent cathodique et du compartiment anodique, respectivement. Une alimentation électrique non représentée échelonne les potentiels appliqués aux électrodes successives 14, 15, etc. de telle façon qu'unie méme électrode constitue cathode sur une face pour une cellule et aPode sur l'autre ice pcurlaciiÙLe suivante. Les canaux d'aene d'lectrolytes et d'extraction des gaz n'ont pas té représentés pour plu5 due simplicité. Toutes les électrodes, sauf éventuellement les électrodes d'extrémité, présentent la mOme constitution que l'on peut qualifier de triplexe. L'électrode 15 par exemple (figures 2 et 3) porte une plaque interne 16 métallique recouverte de deux plaques externes 17 et 18 qui constituent respectivement anode et cathode. Les plaques 17 et 18 peuvent être constituées en matériaux différents, choisis chacun pour réduire la surtension de contact. La plaque interne 16 assure la séparation matérielle entre cellules adjacentes et la continuité electrique entre les plaques externes 17 et 18. Ces plaques externes sont prévues pour jouer le rôle de pré-électrodes.Dans ce but, elles compor tent chacune des crevés ou bossages 20 dirigés vers l'extérieur et dont la saillie correspond à l'épaisseur de la lame d'électrolyte qui circule entre la partie plane de la plaque externe correspond an te et le diaphragme qui se trouve ainsi pincé entre les bossages qui se font vis-à-vis (figures 1 et 2). Chacun des crevés présente une largeur et une profondeur qui auqmentent du haut vers le bas. Il laisse subsister des ouvertures qui canalisent les gaz provoqués par l'électrolyse suivant la direction indiquée par les flèches f. On voit que les bulles de gaz créées entre les bossages et le diaphragme sont rapidement guidées vers la plaque interne le long de laquelle elles se rassemblent, dans une zone où ne règne pas de champ électrique. Pour capter une fraction aussi élevée que possible des gaz formés, on utilise avantageusement une disposition des crevés en quinconce, du genre montré schématiquement sur la figure 4. Dans ce cas, s'il était possible de donner aux crevés la forme pyramidale mon-trée schématiquement en figure Sa, toute bulle montant verticalement dans l'espace compris entre le diaphragme Il et la plaque 16 serait captée par le premier crevé 20 situé un niveau supérieur. En effet, il y aurait recouvrement vertical complet entre les ouvertures inférieures de deux colonnes adjacentes de crevés disposés en quinconce. Dans la pratique, il n'est pas possible d'adopter une telle forme, qui est incompatible avec les procédés de formage utiiisables. En conséquence, les crevés auront plutôt une forme en paupière du genre montré en figure Sb. On voit que malgré tout, dans cecas, il y aura captage de toutes les bulles qui s'échap pent à proximité de la plaque interne. Les électrodes telles que 15 peuvent être fabriquées de façon simple et économique. On peut en particulier utiliser de simples tôles découpées pour la plaque interne 16, des tôles découpées et embouties-à froid pour constituer les plaques externes 17 et 18. Les plaques peuvent ensuite être fixées par soudage. On peut en particulier utiliser un soudage sur machine automatique -en des points tels que 22 répartis entre les crevés. A titre d'exemple, on peut indiquer que l'on peut à l'heure actuelle mettre en forme par découpage et emboutissage à froid destôles présentant une épaisseur d'au moins 0,25 mm. On peut ainsi constituer chaque électrode bipolaire telle que 15 par empilement de trois plaques, ce qui conduit à une épaisseur totale de 0,75 mm. A l'heure actuelle, les électrodes bipolaires monoplaque couramment utilisées ont une épaisseur de l'ordre du millimètre et comportent de plus des pré-électrodes. On voit ainsi le gain de matière réalisé. I1 s'y ajoute le fait que l'on peut utiliser des alliages différents pour constituer les deux plaques externes, ce qui constitue une solution plus économique que la réalisation ultérieure d'activations différentes. Par ailleurs, des points de soudure répartis comme indiqué sur la figure 4 permettent de conduire aisément le courant d'électrolyse nécessaire. A titre d'exemple, on peut encore indiquer que, dans le cas de crevés de 40 mm de hauteur et de 30 mm de largeur à la base, on peut utiliser des points de soudure dont le diamètre est de l'ordre de 8 mm. Une densité de courant sur l'électrode de 0,5 ampèrefcm , que l'on peut considérer comme réaliste, conduit alors h une intensité de 5 ampères/ cm2 dans le point de soudure, ce qui est parfaitement acceptable. L'invention ne se limite évidemment pas auxmodesparticuliersde réalisation représentés et décrits h titre d'exemples et il doit Qtre entendu-qu'elle s'étend aux variantes restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 1. Electrode verticale pour électrolyseur du type à dia phraqme, caractérisée en ce qu'elle comprend une plaque interne destinée à être placée verticalement, dont les faces opposées portent des plaques externes destinées à constituer l'une anode et l'autre cathode, chaque plaque externe étant munie de crevés ou bossages dirigés vers l'extérieur, s'évasant vers le bas et ouverts à leurs extrémités haute et basse. 2. Electrode suivant la revendication l, caractérisée en ce que les crevés sont disposés à intervalles égaux en rangées verticales, les crevés de deux rangées parallèles étant décalés pour obtenir une répartition en quinconce. 3. Electrode suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les crevés sont répartis suivant un réseau régulier de pas tel que tout trajet vertical ascendant le long de la plaque rencontre les ouvertures basses des crevés d'une rangée. 4. Electrode suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les plaques externes sont soudées par points sur la plaque interne. 5. Electrolyseur comprenant une pluralité d'électrodes suivant l'une quelconque des revendications précédentes, deux électrodes adjacentes/separées par un diaphragme vertical qui est pincé entre les crevés des plaques externes en regard des deux électrodes. 6. Electrolyseur suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les deux plaques externes portées par une même plaque interne sont en des matériaux différents. 7. Electrolyseur suivant la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que chacune des plaques externes est constituée par une feuille de tôle mise en forme par emboutissage et découpage à-froid. 8. Electrolyseur suivant la revendication 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que chaque plaque présente une épaisseur de l'ordre de 0,25 mm.