Brevet FR2475066A1 — publié le 19810807

La présente invention concerne d'une manière générale un dispositif a'espacement permettant d'azurer un écartement minimal prédéterminé entre deux surfaces parallèles en des points espacés disposés suivant les noeuds d'un réseau maillé, tout en permettant l'écoulement d'un fluide entre les deux surfaces parallelement a celles-ci. En particulier, la présente invention concerne un dispositif d'espacement du type susindiqué, qui est utilisable pour assurer l'ecartement entre le diaphragme poreux et l'une ou l'autre des deux électrodes d'une cellule d'un électrolyseur à haut rendement, ainsi que le procédé de fabrication d'un tel dispositif d'espacement. On sait que, dans les électrolyseurs qui sont destinés à la production d'hydrogène et qui utilisent une solution de potasse comme électrolyte, l'obtention d'un rendement global élevé nécessite une augmentation de la température de la solution de potasse et que, en particulier, un fonctionnement a environ 2000 est intéressant sur le plan économique. Or, dans ces conditions, les diaphragmes poreux classiques en amiante placés entre les électrodes des cellules élémentairés de l'électrolyseur ne peuvent plus être utilisés en raison de la corrosion. Une solution connue consiste à remplacer les diaphragmes poreux en amiante par de minces diaphragmes poreux en métal fritté, notamment en nickel fritté.Mais, dans ce cas, il faut éviter que le diaphragme métallique puisse court-circuiter la cellule par contact avec les deux élec trodes en se déformant notamment par suite d'une différence de pression même légère entre les compartiments anodique et cathodique de la cellule. Il est donc nécessaire de prévoir dans chacun des compartiments anodique et cathodique de la cellule un dispositif d'espacement capable d'assurer l'écartement entre le diaphragme et l'électrode adjacente, tout en permettant l'ecoulement de l'électrolyte entre le diaphrage et l'électrode adjacente. Divers dispositifs d'espacement ont déjà été proposés pour résoudre ce problème.Toutefois, les dispositifs d'espacement connus sont compliqués a mettre en place dans les électrolyseurs ou réduisent de façon importante la surface active des électrodes et des diaphragmes. La présente Invention a donc pour but de fournir un dispositif d'espacement dont la fabrication est simple, rapide et peu coûteuse et qui, dans le cas ot il est utilisé dans un électrolyseur, peut être rapidement mis en place dans l'électrolyseur et réduit peu la surface active des électrodes. A cet effet, le dispositif d'espacement selon la présente invention est caractérisé en ce qu'il est constitué par un grillage ayant une structure déployée connue en soi, obtenue a partir d'une feuille plane d'épaisseur e présentant des coupes de longueur 1 disposées suivant des lignes qui sont parallèles a une première direction y de la feuille plane et espacées d'une distance d, les coupes situées sur une même ligne étant espacées l'une de l'autre d'une distance n et étant décalées d'une distance (1 + n)/2 dans la première direction y par rapport aux coupes situées sur la ligne adjacente, ledit grillage en structure déployée formant un réseau dont les noeuds ont une section transversale rectangulaire de longueur 2d et de largeur e, et en ce que la section transversale rectangulaire desdits noeuds a une orientation qui satisfait la relation dans laquelle a est l'angle entre le coté de longueur 2d de ladite section rectangulaire et la perpendiculaire au plan dç 2d la feuille plane, et e est défini par tge = e Dans le cas où le dispositif d'espacement est destiné à être utilisé dans un électrolyseur, le grillage en structure déployée est réalise en une matière plastique isolante résistant chimiquement aux électrolytes et à la température de fonctionnement de l'électrolyseur. De préférence, le grillage structure déployée est réalisé en polytétrafluoroéthylêne et l'angle a susmentionné est égal à zéro. On décrira maintenant un mode de réalisation du dispositif d'espacement selon l'invention en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 est une vue en plan montrant une partie d'une feuille utilisée pour la fabrication du dispositif d'espacement selon l'invention. La figure 2 est une vue en plan, à échelle agrandie, montrant la forme des mailles pour différentes valeurs de traction, lorsqu'on exerce une traction dans la direction x sur les cotés opposés de la feuille montrée sur la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne 111-111 de la figure 2. Les figures 4a à 4d montrent diverses orientations de la section rectangulaire#dès noeuds des mailles montrées sur la figure 2. La figure 5 est une vue en perspective montrant une partie d'un gabarit utilisé pour la fabrication du dispositif d'espacement selon l'invention. La figure 6 est une vue en perspective, à échelle agrandie, montrant un détail du gabarit représenté sur la figure 5. La figure 7 est une vue schématique en coupe verticale d'une cellule d'électrolyse. La figure 8 est une vue schématique en coupe horizontale de la cellule d'électrolyse montrée sur la figure 7, dans l'un des deux compartiments anodique et cathodique de laquelle est placé un dispositif d'espacement selon l'invention. Le dispositif d'espacement selon l'invention se présente sous la forme d'un grillage ayant une structure déployée. Pour réaliser un grillage en structure déployée, on utilise une feuille plane 1 (figure i) d'épaisseur e, dans laquelle on réalise des coupes 2 de longueur 1. Les coupes 2 sont réalisées suivant des lignes qui sont parallèles à une direction y de la feuille plane 1 et qui sont espacées entre elles d 'une distance d. Les coupes 2 situées sur une même ligne sont espacées l'une de l'autre d'une distance n et sont déaa- lées d'une distance ( + n)/2 dans la direction y par rapport aux coupes 2 situées sur la ligne adjacente. Si on exerce ensuite deux tractions opposées suivant la direction x sur les deux côtés opposés de la feuille plane 1, on obtient un réseau maillé dont les mailles ont sensiblement la forme de losanges. Plus la traction exercée suivant la direction x est importante1 plus les mailles sont ouvertes comme montré sur la f;#gure 2. Les noeuds 3 du réseau maillé ont une section transverSale rectangulaire de longueur 2d et de largeur e.Comme montré sur la figure 3, pendant le déploiement de la feuille 1, les noeuds 3 sortent du plan xy de la feuille 1 et se mettent "debout", c'est-à-dire que l'angle entre le côté de longueur 2d de la section rectangulaire des noeuds 3 et l'axe x #augmente, mais reste toujours inférieur à 900 (voir aussi les figures 4a à 4d). Dans le cas où la feuille 1 utilisée est une feuille en matière plastique, si la traction cesse, le réseau maillé ou grillage revient à sa position d'origine, c'est-à-dire que la feuille 1 reprend la forme montrée sur la figure 1. Si l'on veut que le grillage conserve la forme désirée, il faut donc le stabiliser par un traitement de mise en forme qui-sera décrit plus loin. Comme cela est visible sur la figure 3, si le grillage est placé entre deux surfaces parallèles'l et 5, il subsiste des espaces libres 6 qui permettent la circulation d'un fluide entre les surfaces 4 et 5 parallèlement à- celles-ci et perpendiculairement au plan de la figure 3, c'est-à-dire parallèlement à la direction Z de la feuille 1. Toutefois, Si l'une ou l'autre des surfaces 4 et 5 est soumise à une pression dans la direction z tendant à la rapprocher de l'autre surface, les noeuds 3 peuvent avoir tendance à se coucher, c'est-à-dire que l'angle f peut devenir nul et que les espaces 6 peuvent se fermer et empêcher ainsi toute circulation de fluide. Pour éviter cela, il est nécessaire que la section rectangulaire des noeuds 3 ait une orientation bien déterminée. Dans la figure 4b, l'angle a entre le coté de longueur 2d de la section rectangulaire du noeud 3 et la direction z est supé rieure à 2 , e étant défini par tg=2d . Dans ce cas, on 2 voit que si une pression P est appliquée au noeud 3, la surface 4 étant supposée fixe, le noeud 3 aura tendance à se coucher ( 2 du noeud 3 correspond à une position d'équilibre instable. Dans la figure 4d, l'angle a est inférieur à 2 -e . Dans ce cas, 2 si le noeud 3 est soumis à une pression P, la surface 4 étant supposée fixe, le noeud 3 se mettra complètement debout ( On voit également que si les surfaces 4 et 5 doivent être écartées d'une distance E + #, E étant la tolérance d'écartement sur la distance E, la relation suivante doit être satisfaite Les deux relations (1) et (2) ci-dessus permettent de dé- finir les grandeurs d et e de la feuille 1 en fonction de l'écartement E qui doit être assuré entre les surfaces 4 et 5 pour une application donnée. La longueur 1 des coupes 2 est choisie en fonction de la dimension des mailles que l'on désire obtenir. Le traitement de mise en forme et de stabilisation susmentionné permet de donner à l'angle a la valeur désirée, et de le maintenir à cette valeur lorsque le grillage n'est soumis à aucune sollicitation extérieure. Dans le cas où le dispositif d'espacement selon l'invention est destiné à être utilisé comme entretoise entre diaphragme poreux et électrode dans un électrolyseur à haut rendement avec un électrolyte constitué par exemple par une solution de potasse à 25 - 45 % en poids à une température pouvant atteindre 200 C, on utilise une feuille 1 en une matière plastique isolante capable de résister à la corrosion chimique par l'électrolyte à la température de fonctionnement. Dans ce cas, la feuille 1 est de préférence réalisée en polytétrafluoroéthylène.En outre, l'angle a est de préférence choisi égal à zéro de telle façon que les petits côtés e de la section rectangulaire des noeuds 3 du grillage soient parallèles aux surfaces 4 et 5 du diaphragme poreux et de l'électrode et qu'il n'y ait aucune arête susceptible d'endommager le diaphragme qui est très mince (0,25 à 0,35 mm). Dans ce cas, la longueur 2d des grands côtés de la section rectangulaire des noeuds 3 est choisie égale à l'écartement désiré E entre diaphragme et électrode, et l'épaisseur e de la feuille 1 est choisie de telle façon que la relation (2) susmentionnée soit satisfaite et également de telle façon que les noeuds 3 aient une bonne tenue mécanique tout en réduisant le moins possible la surface active du diaphragme et de l'électrode. Le traitement de mise en forme et de stabilisation du grillage en matière plastique isolante ayant la structure déployée décrite plus haut peut être réalisé en utilisant le gabarit 7 montré sur la figure 5. Le gabarit 7 est essen tiellement constitué par une plaque rigide 8 munie de plu sieurs nervures parallèles 9 d'épaisseur a et présentant des encoches 10 ayant une largeur b et une profondeur c. Les encoches 10 sont réparties comme les noeuds 3 du réseau maillé formé par le grillage et elles sont dimensionnées de façon à pouvoir recevoir chacune un noeud 3. Autrement dit, 11 épaisseur a des nervures 9 est inférieure ou égale à n et la largeur b des encoches 10 est supérieure ou égale à e.La profondeur c des encoches 10 peut être choisie aussi grande qu'on le dé sire et elle est de préférence égale à un multiple de 2d afin que plusieurs grillages puissent être empilés sur le gabarit 7 et stabilisés simultanément. En outre, les encoches 10 font un ~ angle 2 - a avec l'axe longitudinal des nervures 9 , &alpha; étant l'angle souhaite pour l'orientation de la section rectangulaire des noeuds 3 du grillage. Dans le cas où l'angle a souhaité est égal à zéro, les encoches 10 font un angle de 900 avec l'axe longitudinal des nervures 9 comme montre sur les figures 5 et 6. Pour le traitement de mise en forme et de stabilisation, on place chaque RxAllage 1 en structure déployée, pendant qu'il est soumis à des forces de traction opposées dans la direction x, sur le gabarit 7 en engageant les noeuds 3 dans les fentes 10. Après mise en place du grillage 1 sur le gabarit 7, les forces de traction peuvent être supprimées. Plusieurs grillages 1 peuvent être ainsi mis en place sur le gabarit 7. Ensuite, le gabarit 7 est placé dans un four. Lorsque les grillages 7 sont en polytétrafluoroéthylène, la température du four est montée à environ 200-2200C et la température est maintenue à cette valeur pendant quelques heures, par exemple 3 heures. Ensuite, la températurte du four est abaissée jusqu'à la température ambiante, le gabarit est sorti du four et les grillages 1 ssiit enlevés du gabarit 7. Les cotes des grillages i sont alors stabilisées La figure 7 montre schématiquement, en coupe verticale, une cellule d'électrolyse d'un électrolyseur à haut rendement. Un mince diaphragme poreux 11, ar exemple en nickel fritté, est monté à égale distance (E + #) de la cathode 12 et de l'anode 13 et sépare deux compartiments respectivement cathodique et anodique dans lesquels l'électrolyte, par exemple une solution de potasse, circule dans la direction indiquée par les flèches. Etant donné que le diaphragme métallique poreux 11 est treks mince (0,25 à 0,35 mm) et qu'il peut avoir une grande surface (plusieurs mitres carres) et étant donne que, en fonc tionnement, des différences de pression de tordre de 160 millibars peuvent se produire entre les deux compartiments cathodique et anodique de la cellule d'électrolyse, un dispositif d'espa cement en matière isolante doit être disposé dans chacun des deux compartiments cathodique et anodique de la cellule afin d'éviter que le diaphragme metallique poreux 11, en se déformant sous l'action d'une différence de pression, ne vienne en contact avec l'une ou l'autre des deux électrodes 12 et 13. Le grillage 1 selon l'invention en polytétrafluoroéthylène à structure déployée convient particulièrement blen-comme dispositif d'espacement pour un électrolyseur à haut rendement du type décrit plus haut. La figure 8 montre schématiquement, en coupe horizontale, la cellule d'électrolyse de la figure 7, dans -l'un des deux compartiments de laquelle est installé un grillage 1 selon l'invention. Bien entendu, bien que cela ne soit pas représenté sur la figure 8, un grillage similaire est aussi disposé dans l'autre compartiment de la cellule d'électrolyse. Comme cela est visible dans la figure 8, les grands côtés de longueur 2d des noeuds 3 sont perpendiculaires aux surfaces 4 et 5 du diaphragme 11 et de l'anode 13, tandis que les petits côtés de longueur e des noeuds 3 sont en contact avec les surfaces 4 et 5. On voit également que le grillage 1 laisse des passages libres 6 dans la direction pour la circulation de l'électrolyte et des gaz produits par l'électrolyse.On voit aussi que le grillage 1 selon l'invention couvre un minimum de surface sur le diaphragme 11 et sur l'électrode 13, permettant ainsi les échanges ioniques pendant l'électrolyse. Enfin, il assure une tenue mécanique suffisante pour résister à des écarts de pression de 160 millibars entre les deux compartiments de la cellule. A titre d'exemple, dans le cas où le grillage selon l'invention est destiné à être utilisé comme dispositif d'espacement dans un électrolyseur à haut rendement, e peut être compris entre 0,8 et 1 mm, n peut être environ égal à 4 mm, d peut être compris entre 0,8 et 1 mm et 1 peut être environ égal à 35 mm. Bien que la présente invention ait été décrite ci-dessus en faisant plus-particulièrement référence à un grillage ayant une structure déployée en polytétrafluoroéthylène, utilisable comme dispositif d'espacement dans un électrolyseur à haut rendement, il va de soi que le grillage selon l'invention peut être utilisé comme dispositif d'espacement dans d'autres domaines de la technique. D'une manière générale, le dispositif d'espacement selon la présente invention peut être utilisé dans tous les cas où il est nécessaire d'assurer un écartement minimal prédéterminé entre deux surfaces parallèles, planes ou courbes, tout en permettant l'écoulement d'un fluide entre les deux surfaces parallèlement à celles-ci. En outre, s'il n'est pas nécessaire d'assurer en même temps un isolement électrique entre les deux suxXaceg le disposatif-d'espacement selon l'invention peut être réalisé en métal par la technique bien connue du métal déployé Dans ce dernier cas, le traitement de stabilisation décrit plus haut n'est en général pas nécessaire. I1 est du reste bien entendu que le mode de réalisation de l'invention qui a été décrit ci-dessus a été donné à titre d'exemple purement indicatif et nullement limitatif, et que de nombreuses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATJONS 1.- Dispositif d'espacement permettant d'assurer un écartement minimal prédéterminé entre deux surfaces parallèles en des points espacés disposés suivant les noeuds d'un réseau maillé, tout en p#ermettant l'écoulement d'un fluide entre les deux surfaces parallèlement à. celles-ci, caractérisé en ce qu'il est constitué par un grillage ayant une structure déployée connue en soi, obtenue à partir d'une feuille plane (1) d'épaisseur e présentant des coupes (2) de longueur i disposées suivant des lignes qui sont parallèles à une première direction y de la feuille plane (1) et espacées d'une distance d, les coupes (2) situées sur une même ligne étant espacées l'une de l'autre d'une distance n et étant décalées d'une distance (1 + n)/2 dans la première direction- 2 par rapport aux coupes (2) situées sur la ligne adjacente, ledit grillage en structure déployée formant un réseau dont les noeuds (3) ont une section transversale rectangulaire de longueur 2d et de largeur e, et en ce que la section transversale rectangulaire desdits noeuds (3) a une orientation qui satisfait la relation dans laquelle a est l'angle entre le côté de longueur 2d de ladite section rectangulaire et la perpendiculaire z au plan 2d de la feuille plane (1), et e est défini par tg6 = e 2.- Dispositif d'espacement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le grillage (1) en structure déployée est en une matière plastique isolante résistant chimiquement aux électrolytes et à la température de fonctionnement d'un électrolyseur. 3.- Dispositif d'espacement selon la revendication 2, caractérisé en ce que a est égal à zéro. 4.- Dispositif d'espacement selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le grillage (1) en structure déployée est en polytétrafluoroéthylène. 5.- Procéde de fabrication d'un dispositif d'espacement, caractérisé en ce qu'il consiste a) à former de façon connue en soi un grillage en-structure déployée à partir d'une feuille plane en matière plastique isolante d'épaisseur e, en pratiquant des coupes de longueur 1 dans ladite feuille plane de telle façon que les coupes soient disposées suivant des lignes parallèles à une première direction y de la feuille et espacées d'une distance d, et que les coupes situées sur une même ligne soient espacées l'une de l'autre d'une distance n et décalées d'une distance (1 + n)/2 dans la première direction y par rapport aux coupes situées sur la ligne adjacente, et en exerçait deux forces de traction opposées sur deux côtés opposés de la feuille dans une direction x perpendiculaire à la première direction y, de façon à obtenir un réseau maillé dont les noeuds ont une section transversale rec tangulalre de longueur 2d et de largeur 2e, et b) à soumettre la feuille à un traitement de stabilisation de telle façon que, après suppression des forces de traction, la section transversale rectangulaire des noeuds du réseau maillé formes par le grillage en structure déployée conservent une orientation qui satisfait la relation dans &alpha; est l'angle entre le côté de longueur 2d de ladite section rectangulaire t la perpendiculaire z au plan de la feuille plane, et e est défini par tge = 2d e 6.- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le traitement de stabilisation consiste à placer la feuille, pnl;;dant qu'elle est sourisse auxdites forces de traction, sur un gabarit constitué par une plagie rigide munie de plusieurs nervures parallèles d'épaisseur présentant des encoches ayant une largeur b aupérieure Qu égaie e et une profondeur c égale à un multiple de 2dt les encoches faisant un angle 2 a > avec l'axe longitudinal des nervures, chaque noeud du réseau formé par le grillage étant placé dans une encoche, à supprimer les forces de traction et à soumettre la feuille ainsi placée sur le gabarit à un traitement thermique dans un four. 7.- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que, dans le cas où la feuille est en poîytétrafluoroéthylène, le traitement thermique consiste à monter la temperature du four à environ 200-2200C, à maintenir cette température pendant quelques heures et à redescendre la température du four à la température ambiante. 8.- Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que l'angle a est égal à zéro. 9.- Application du dispositif d'espacement selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, à un électrolyseur comportant, dans chaque intervalle anode-cathode, un mince diaphragme poreux (11) en métal monté à -une distance E + # de chaque électrode (12, 13), caractérisée en ce que l'épaisseur e de la feuille en matière plastique isolante (1) et la distance d entre les lignes de coupe satisfont la relation