Brevet FR2398119A1 — publié le 19790216

L'invention concerne le domaine de l'électrolyse. Elle s'applique en particulier à l'électrolyse sous pression des solutions conductrices telles que l'eau de mer, capables de fournir de lthydrogène en se décomposant chimiquement sous l'action du courant d'électrolyse. Il est envisagé de divers cotés de produire et de distribuer de l'hydrogène à titre de vecteur d'énergie permettant de rem placer le gaz naturel et les hydrocarbures importés. L' L'avantage d'un tel vecteur est aussi d'être stockable. Mais il n'a surtout d'intérêt que stil peut être produit à tartir d'énergie primaire non importée. Par ailleurs , il est toujours souhaitable d'améliorer les moyens d'électrolyse des solutions conductrices, indépendamment de la production de certains composés désirés qui se forment lors de la dissociation électrolytique. La présente invention consiste à utiliser directement une solution conductrice sous pression en vue de son électrolyse , et cela sans avoir recours â aucune machine génératrice tournante. Sous sa forme la plus générale, l'invention a pour objet un procédé pour I'électrolyse de solutions conductrices, dans lequel on fait circuler la solution conductrice à électrolyser sous pression dans au moins une cellule unitaire d' électrolyse, qui comporte deux électrodes planes, parallèles entre elles,caractérisé en ce que l'on place la cellule dans un champ magnétique perpendiculaire au sens de circulation de ladite solution, parallèle aux élec- trodes et limité au volume compris entre celles-ci,et qu'on relie électriquement les électrodes à l'extérieur dudit champ magnétique par un conducteur ou circule alors un courant par effet magnétohydro- dynamique, ce qui permet de réaliser l"electrolyse de la solution passant entre les électrodes. Selon l'invention, on oblige la solution à passer entre deux électrodes entre lesquelles règne un champ magnétique parallèle auxdites électrodes et perpendiculaire au mouvement de la solution: une différence de potentiel électrique est alors générée dans la solution entre lesdites électrodes par effet magnétohydrodynami- que; les électrodes étant connectées extérieurement par un conducteur électrique,un courant passe, et une électrolyse se produit au niveau de ces électrodes. L'invention trouve une application particulièrement intéressante pour ltélectrolyse de l'eau de mer, ce qui permet de produire de l'hydrogène. Selon le mode de réalisation préféré, l'invention met à profit la seule énergie marémotrice de l'eau de mer pour assurer la circulation de celle-ci, de sorte que l'élec- trolyse,et par conséquent la production d'hydrogène,s'opèrent sans consommation d'énergie extérieure. Dans la description qui suit,on a choisi ce mode préféré de réalisation pour illustrer la présente invention. On notera cependant que l'inyentîon ntest pas limitée à son application à l'électrolyse de l'eau de mer. La présente invention peut en effet être utilisée pour électrolyser une solution conductrice quelconque, en particulier une telle solution capable de produire de lthydrogène par électrolyse. L'invention sera illustrée sans etre aucunement limitée en référence aux dessins annexés sur lesquels: Fig.l est un schéma d'une cellule élémentaire d'électrolyse pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention; Fig.2 et figure 3 représentent respectivement en demi-coupe selon la ligne II-II des figures 3 et 4, et en demi-vue de dessus, un dispositif comportant une association d'une pluralité de cellules élémentaires; Fig.4 et figure 5 sont des demi-coupes du dispositif des figures 2 et 3 respectivement selon les lignes IV-IV de la figure 2 et V-V de la figure 3; Fig.6 est une vue schématique en coupe axiale d'une suite de cellules élémentaires; Fig.7 est une vue schématique d'une variante de disposition permettant le démarrage d'un dispositif selon l'invention. On a représenté , figure l,une cellule élémentaire mettant en oeuvre le procédé de l'invention. Le courant d'eau de mer est dirigé dans le plan de figure, dans le sens du vecteur vitesse ; le champ magnétique 3 est perpendiculaire au plan de la figure et dirigé de l'arrière vers l'avant. Le courant qui circule entre les électrodes la et 1b est alors dirigé de droite à gauche dans la cellule (sens du vecteur 1 ). La cathode la est à gauche et l'anode-lb droite; elles sont connectées extérieurement par le conducteur 2. Dans le cas d'une solution telle que l'eau de mer, de l'hydrogène se dégage à la cathode et est recueilli grâce à une canalisation 3. Si g 0 est la valeur du champ magnétique, t la vitesse de l'eau, et t la largeur du canal dans lequel circule l'eau de mer, la force électromotrice générée eN a pour expression: Cette tension doit compenser: 10) la force contre-électromotrice de l'électrolyse, c' est-à-dire la somme de la surtension d'anode et de la surtension de cathode; 20) la chute ohmique dans le liquide; 30) la chute ohmique dans le conducteur de retour 2. Afin de maintenir # et t dans des limites raisonnables,on a intéret à ce que 2Y soit assez grand. Dans ces conditions, et afin de pouvoir collecter l'hydrogène produit dans de bonnes conditions,le dispositif comporte une paroi perméable 4 qui dXlimi- te un compartiment de cathode 5 dans lequel l'électrolyte est au repos relatif. La même disposition pourra être présente à l'anode lb' sous forme d'une paroi perméable 6 délimitant un compartiment d'anode 7. Comme on le verra plus loin, ces parois perméables 4 et 6 peuvent également remplir d'autres fonctions.Du fait des forces électrodynamiques, qui prennent naissance entre le courant i et le champ #, la pression dans le fluide en mouvement diminue de lten- trée à la sortie; cette différence de pression est fournie par la différence de niveau marémotrice, laquelle fournit ainsi l'énergie nécessaire à l'électrolyse. On peut apporter à l'invention un certain nombre de perfectionnements et/ou d'aménagements. Selon une première caractéristi que il est prévu de faire circuler dans les compartiments 5 et 7 un certain débit d'électrolyte dont la composition chimique pourra différer de celle de l'eau de mer,de façon à obtenirJau niveau des électrodes, la formation de composés souhaitables, tout en maintenant constantes les compositions des électrolytes. Par exemple, si la paroi perméable 4 laisse passer les ions Na ,on sait qu'il se produira dans le compartiment 5 une production continue de soude NaOH en meme temps qu'un dégagement de H2.Qn pourra, grâce à la paroi 4 et à l'aide des canalisations 8 et 9, établir un débit convenable d'électrolyte dans ce compartiment 5 afån de maintenir à une valeur convenable la teneur en NAOS. On sait aussi que, en l'absence de dispositions particu lières, si la paroi 6 est perméable aux ions Cl-,il se produira dans le compartiment 7 un dégagement continu de chlore: là encore on pourra, grâce à la paroi 6 > maintenir la teneur en chlore dissous à une valeur convenable en établissant une circulation d'électrolyte à l'aide des canalisations 10 et 11. Mais on pourra aussi connecter les canalisations 9 et 10 l'une à l'autre (par des tuyaux isolants), et recycler ainsi l'électrolyte du compartiment cathodique dans le compartiment anodique: on sait que, dans ces conditionsSla soude réagira sur le chlore pour donner des hypochlorites (eau de Javel). Mais ceci n' est qu'un exemple,et et d'autres compositions des électrolytes, associées à des perméabilités différentielles convenables des parois 4 et 6 pour les différents ions présents, peuvent permettre, par des moyens connus, toutes sortes d'autres productions utiles, couplées à une production de H2 à la cathode. La figure 1 représente seulement une cellule élémentaire. Un dispositif selon l'invention comporte de préférence l'association d'une pluralité de telles cellules de façon à: 1 ) obtenir la meilleure utilisation possible du volume où règne le champ magnétique; 20)obtenir une uniformité aussi parfaite que possible de la densité du courant sur les électrodes; 3")minimiser le plus possible les pertes Joule. A cet effet peut être prévu des associations sérieparallèle de ces cellules élémentaires selon des dispositions variées. On a représenté aux figurés 2 à 5 un exemple de dispositif selon l'invention répondant à ces impératifs. Les cellules selon figure I sont représentées par des rectangles, les électrodes sont représentées en traits forts et sont, pour la plupart, selon une disposition connue, bifaces (anode sur une face, cathode sur l'autre face), de façon à ce que certaines cellules se trouvent connectées en série. Aux figures 2 à 5, ni les parois perméables 4 et 6,ni les compartiments anodiques 7 et cathodiques 8 ne sont représentés,pas plus que les canalisations de captage 4 de l'K2 produit,ou les canalisations 8 - 9 - 10 - 11 pour la circulation de l'électrolyte. en Le débit d'eau de mer mardmotrice estJ commt figure l,dirigé de haut en bas sur les demi-coupes des figures 4 et 5;il est dirigé d'avant en arrière sur la demi-coupe de la figure 2 et la demi-vue par dessus de la figure 3. Une caractéristique de l'invention est que le procédé est rendu autonome, c' est-à-dire auto-excité par le courant d'électrolyse lui-même. Comme le représentent les figures 2 à 5, cette excitation est obtenue grace à des bobines 12 disposées de place en place dans des cloisons profilées 13, et à un écartement suffisamment faible pour assurer l'uniformité du champ magnétique dans tout l'ensemble. L'ensemble des cellules est divisé en deux demi-sous-ensembles égaux dans lesquels les flux magnétiques circulent encens inverses, c'est-8-dire d'avant en arrière sur la figure 5 et d'arrière en avant sur la figure 4: pour ce faire, les bobines d'excitation 12 sont enroulées dans des sens tels que le courant y circule en sens inverses dans la moitié de gauche et dans la moitié de droite (figures 2 et 3). Pour fermer le flux, des culasses magnétiques 14 sont prévues à chaque extrémité de l'ensemble. Ainsi , sur les figures 2 et 3,le flux magnétique circule de bas en haut dans la moitié de droite,puis de haut en bas sur la moitié de gauche,en se fermant dans la culasse 14. La culasse de retour à l'autre extrémité n'est pas représentée. Afin de réaliser l'autoexcitation,chacune des bobines 12 est connectée en série grâce à une connexion 17 avec les cellules correspondantes de la meme suite des cellules, elles-memes connectées en série, formant ainsi un sous-système autonome du point de vue électromagnétique. Sur la figure 4 par exempleton n'a représenté que quatre cellules en série,mais leur nombre pourra etre beaucoup plus grand ou plus réduit,jqsqufa éventuellement une cellule unique. Ainsi, la bobine 12 est parcourue par le meme courant i que les cellules y afférentes. En outre, et afin d'obtenir une compensation aussi parfaite que possible de la répartition de courant dans le liquide,il est prévu que la connexion 17 est subdivisée en plusieurs brins en parallèle qui répartissent le courant i sur toute la surface latérale de la paroi 13 le long de l'ensemble des cellules en série,et en sens contraire du courant qui parcourt le liquide desdites cellules (sens indiqué en 18). Afin de bien délimiter le volume ainsi compensé,des cloisons isolantes minces 19,parallèles aux cloisons 13 qui contiennent les bobines, sont disposées à égale distance de ces dernières; elles débordent largement la hauteur des électrodes,ctest-à-dire la hauteur soumise au champ magnétique.En outreyde fines séparations isolantes 20,perpendiculaires aux précédentes,sont disposées d'une façon connue en soi dans le cas des génératrices magnétohydrodynamiques ,de façon à éviter le court-circuitage des cellules par des contre-courants se développant dans l'eau de mer avant son entrée dans le champ magnétique ou après sa sortie de ce champ.A cet effet, ces cloisons 20 sont disposées d'une part au-dessus de la région comprise entre les electrodesset d'autre part en dessous de ladite région (Figure 4). L'ensemble de ces cloisons isolantes permet alors de mettre en série la totalité des suites d'un meme ensemble selon le schéma figure 3 sans pour autant que des courants parasites se manifestent dans l'eau de mer, ni dans le champ magnétique,ni à l'extérieur de celui-ci. On a représenté à la figure 6 la première et la deuxième suite situées dans l'un des demi-sous-ensémbles ainsi que la dernière et l'avant-dernière suite situées dans le deuxième demi, sous-ensemble. Sur la-figure 6,on a groupé deux par deux les cellules d'électrolyse de part et d'autre des cloisons 13 contenant les bobines,de sorte que chaque suite de cellules est composée de quatre cellules 21a, 21b deux par deux en parallèle avec leurs électrodes extrezes 22 et 23, avec trois cloisons,dont deux ,l9 ,minces,sont communes avec la suite précédente ou la suite suivante,et une,l3lmt5diane,qui contient la connexion 17 ainsi que la bobine 12. L'ensemble conducteur électrique aboutit finalement aux bornes 24 et 25. Ces bornes sont court-circuitées en marche normale. Pour arreter toute production d'electrolyse,il suffit d'ouvrir ce circuit. I1 convient alors d'arreter aussi le débit marémoteur. Les bornes 24 et 25 ont aussi un autre rôle. En effet, au démarrage, il est possible que l'aimantation rémanente des culasses 14 soit insuffisante pour amorcer le dispositif. Il est alors prévu de connecter aux bornes 24 et 25 une batterie de condensateurs capable d'envoyeur dans l'ensemble du circuit une forte impulsion de courant provoquant l'amorçage d'ensemble,après ouverture des vannes. En variante7 il est également prévu un autre dispositif qui permet le démarragessous réserve d'avoir accès à deux bornes pour chacun des sous-systèmes autonomes . Ce dispositif est représenté à la figure 7. Cesbornes sont court-circuitées en marche normale, et le circuit est ouvert à l'arrêt. On peut démarrer chacune des suites autonomes pour elle-même en connectant aux bornes 26 et 27 une batterie impulsionnelle,dont la puissance pourra alors être une fraction de celle nécessaire dans le premier cas. Dans ce cas, en marche normale, chaque suite pourra rester complètement autonome, sans connexion avec ses voisines (autre que les liquides conducteurs). Le dispositif des figures 2 à 5 ntest qu'un exemple non limitatif de l'invention. I1 est prévu,afin de conserver un bon rendement,de faire fonqtionner de tels systèmes à hauteur de chute constante,ce qui est possible en régime nominal en proportionnant convenablement le débit global au volume total du bassin de retenue marémoteur:ainsiwla tension entre électrodes pourra être maintenue constante. L'hydrogène étant stockableJil n'est aucunement nécessaire de recourir à des artifices de régularisation de débit souvent prévus pour les centrales marémotrices (fonctionnements à plusieurs bassins, à pompage, etc). Si l'on veut fonctionner aussi bien à marée montante qu'à marée descendante, on pourra avoir recours,selon des moyens connus, à un système de vannage assurant un débit d'eau toujours dans le même sens à travers le dispositif. On notera que le dispositif des figures 2 à 5 n'est pas soumis à des exigences particulières au sujet de sa position horizontale, oblique ou verticale. De préférence,cependant,le dispositif est prévu pour fonctionner afin de coopérer avec une solution se déplaçant horizontalement. Ce sera particulièrement le cas si la solution à électrolyser est de l'eau de mer et si l'on utilise uniquement l'énergie marémotrice pour la déplacer. L'homme de l'art dispose de nombreux paramètres pour adapter le procédé de l'invention à chaque cas d'espèce. On a dit précédemment en effet que la force électromotrice e est donnée nar la formule où est la valeur du champ magnétique, Mr la vitesse de la solution,en particulier de l'eau de mer et t la largeur du canal où circule le liquide à électrolyser. Si Iton cherche par exemple à calculer la valeur de t ,on se fixera les autres paramètres. A titre d'exemple,pour un champ # ayant une valeur de 5000 gauss (0,5 tesla), et une force électromotrice e de 10 volts environ par élément, et en supposant que l'eau de mer circule à une vitesse de 20 m/sec., on trouve que la largeur ss est de tordre de 1 m. -REVENDICATIONS- 1. Procédé pour l'électrolyse de solutions conductrices, dans lequel on fait circuler la solution conductrice à électrolyser sous pression dans au moins une cellule unitaire d'électrolyse, qui comporte deux électrodes planes, parallèles entre elles,carac- térisé en ce que l'on place la cellule dans un champ magnétique perpendiculaire au sens de circulation de ladite solution,parallè- le aux électrodes et limité au volume compris entre celles-ci, et qu'on relie électriquement les électrodes à l'extérieur dudit champ magnétique par un conducteur où circule alors un courant par effet magnétohydrodynamique,ce qui permet de réaliser l'électrolyse de la solution passant entre les électrodes. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on associe plusieurs cellules unitaires en réunissant leurs dlectro- des en série et en reliant électriquement les électrodes extrê- mes par un conducteur extérieur au champ magnétique. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2,caractéri- sé en ce qu'on fait circuler en série le courant d'électrolyse dans des bobines situées en regard des cellules de façon à produire ledit champ magnétique. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3p caractérisé en ce qu'on associe a chaque électrode une chambre séparée du flux de la solution d'électrolyse par des parois, perméables aux ions, parallèles aux électrodes. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on fait circuler dans les chambres des solutions électrolysables dont la vitesse et la composition diffèrent de celles de la solution conductrice à électrolyser. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la solution conductrice est de l'eau de mer et qu'on utilise les différences de niveau dues à la marée pour la faire circuler. 7. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 comprenant au moins une cellule d'électrolyse avec deux électrodes planes parallèles, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre deux cloisons isolantes verticales (13,19) perpendiculaires aux électrodes et les débordant largement à chacune de leurs extrémités, de façon à cons tituer des canaux, des moyens pour faire circuler dans lesdits canaux la solution conductrice, et des moyens pour créer,dans le volume situé entre les électrodes, un champ magnétique parallèle à ces électrodes. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens pour créer le champ magnétique sont constitués par une bobine placée à l'intérieur de ltune des deux cloisons isolantes et reliée électriquement aux électrodes. 9. Dispositif selon l'une des revendications 7 ou 8,carac terse en ce que les cellules sont groupées deux par deux et que la bobine est disposée dans une cloison isolante médiane (13) commune à deux cellules. lO.Dispositif selon la revendication 9scaracterisé en ce que plusieurs groupes de deux cellules sont associés côte à côte en mettant en commun leurs électrodes contigueZs de façon à former des suites de cellules, en ce que les cloisons isolantes extérieu- res ainsi que la cloison verticale médiane sont faites d'une seule pièce, et en ce que les bobines de chaque groupe de deux cellules sont réunies pour former une bobine unique placée dans la cloison médiane et réunie aux électrodes extrêmes de la suite. ll. Dispositif selon la revendication 10,caractérisé en ce que des suites de cellules et de bobines sont empilées dans le sens du champ magnétique de façon à former un sous-en,semble où les champs magnétiques produits sont coaxiaux, les suites de cellules et de bobines étant parcourues en série par le courant électrique. 12. Dispositif selon la revendication l1caractérisé en ce que deux sous-ensembles de cellules sont placés côte à côte de façon que les flux magnétiques créés soient parallèles, de sens inverse et de même valeur,en ce que les deux sous-ensembles sont limités par des culasses en matériau magnétique de façon à refermer le flux, et sont parcourus1de préférence en série, par le courant électrique qui est refermé par une connexion externe. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 12,caractérisé en ce que des parois perméables sont disposées parallèlement aux électrodes,de façon à réserver des compartiments entre lesdites parois et lesdites électrodes. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 13wcaractErisé en ce que la connexion de liaison entre l'une des électrodes extrêmes d'une série de cellules et la bobine associée à cette série est perpendiculaire aux électrodes et subdivisée en connexions élémentaires équidistantes ,de façon que le courant qui y circule compense spatialement les courants d'électrolyse de la série de cellules. 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 14, caractérisé en ce que des cloisons isolantes verticales régulièrement espacées sont disposées parallèlement aux électrodes à chacune des extrémités de chaque cellule et en dehors du champ magnétique de façon à éviter le court-circuitage des cellules. 16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à l5,caractérisé en ce que la solution conductrice est de l'eau de mer et que les moyens pour la faire circuler sont constitués par des bassins remplis à des niveaux différents par les mouvements des marées. 17.Dispositif selon la revendication 16sscaractérisX en ce que les électrodes sont disposées dans des plans sensiblement verticaux.