Brevet FR2498209A1 — publié le 19820723

La présente invention se rapporte à un dispositif d'alimen- tation et d'évacuation d'électrolyte pour électrolyseur du type filtre- presse, par exemple pour électrolyseur tel que concerné par les bre- vets français N0 2.448.581 et 2.448.583 de la Société demanderesse. Les électrolyseurs du type filtre-presse sont constitués d'un empilement de cellules élémentaires d'électrolyse, chaque cellule élémentaire étant constituée de deux plaques-électrodes métalliques et parallèles, écartées l'une de l'autre de manière à laisser un es- pace lui-même séparé en deux compartiments par un diaphragme plan et parallèle aux électrodes. Le compartiment situé entre l'électrode po- sitive, ou anode, et le diaphragme, est appelé compartiment anodique, et le compartiment situé entre l'électrode négative, ou cathode, et le diaphragme, est appelé compartiment cathodique. On fait circuler l'électrolyte dans le compartiment anodique d'une part, l'électrolyte y prenant alors le nom d'anolyte, et dans le compartiment cathodique d'autre part, l'électrolyte y prenant alors le nom de catholyte. Géné- ralement, chaque cellule élémentaire est placée debout sur sa tranche et l'électrolyte circule de bas en haut: on recueille alors les mé- langes liquide-gaz, dus aux réactions d'électrolyse dans le comparti- ment anodique d'une part et dans le compartiment cathodique d'autre part, dans la partie supérieure de la cellule d'électrolyse, d'o le mélange cathodiqueet le mélange anodique sont évacués séparément. Dans un électrolyseur du type filtre-presse, constitué par un empilement d'un très grand nombre de cellules élémentaires, on trou- vera l'empilement suivant: - une plaque métallique reliée au potentiel négatif, généra- lement constitué par la masse de l'installation - un espace cathodique un diaphragme - un espace anodique - une plaque métallique isolée électriquement et dont par suite la face tournée vers ledit espace anodique, chargée par influence d'é- lectricité positive, constitue l'anode de la première cellule, tandis que l'autre face, nécessairement chargée d'électricité négative par conservation de l'électricité, constitue la cathode de la seconde cellu- le. - un second espace cathodique - un second diaphragme - un second espace anodique - une seconde plaque métallique isolée électriquement et ainsi de suite jusqu'à la dernière plaque métallique qui est elle reliée au pôle positif de l'alimentation électrique de l'élec- trolyseur,et qui constitue la dernière anode. En pratique, la plaque métallique située toutes les cinquante cellules environ est une plaque épaisse, ce qui permet mécaniquement de constituer l'électrolyseur d'un ensemble de paquets de cellules. Dans un tel type d'électrolyseur, l'électrolyte est donc intro- duit dans la partie inférieure de chaque compartiment à l'aide d'au moins un canal d'amenée de faible section et est ensuite évacué dudit compartiment à la partie supérieure de celui-ci également à l'aide d'au moins un canal d'évacuation de faible section. On donne à ces canaux une faible section, dans la limite des impératifs hydrauliques, de ma- nière à ce que le courant de fuite par ceux-ci soit le plus faible pos- sible. Par ailleurs, dans les électrolyseurs connus actuellement, cha- cun des canaux d'évacuation de cellule débouche dans un canal d'éva- cuation commun à toutes les cellules, un pour le catholyte et un pour l'anolyte, chacun de ces canaux étant parallèle à l'axe de la pile. De même, chacun des canaux d'amenée est issu, selon le cas, soit d'un seul canal commun d'amenée d'électrolyte (voir le brevet français 2.448.583 précité), également parallèle à l'axe de la pile, soit d'un premier ca- nal commun du même type, mais destiné aux compartiments anodiques et d'un second canal du même type, mais destiné aux compartiments cathodiques (voir le brevet français 2.448.581 précité). Ces-dispositifs classiques d'alimentation et d'évacuation d'é- lectrolyte présentent deux inconvénients préjudiciables au rendement de l'électrolyseur: - d'une part cette alimentation et évacuation se fait sous des pres- sions ayant une composante dynamique bien plus élevée pour les cel- lules proches de l'entrée ou sortie de l'électrolyseur que pour les cel- lules qui en sont éloignées; en conséquence, les débits et par suite les pressions différentielles et les échauffements ne sont pas identi- ques pour toutes les cellules de la pile, ce qui est très préjudicia- ble non seulement au rendement de l'électrolyseur, mais encore à la durée de vie de celui-ci - d'autre part, ce type d'alimentation par trois ou quatre canaux de la distribution parallèles à l'axe de la pile introduit, du point de vue électrique, trois ou quatre résistances de faible valeur en parallèle sur l'électrolyseur, dans lesquelles circule un courant de fuite ve- nant diminuer le rendement de l'électrolyseur par diminution du cou- rant utile. Le dispositif d'alimentation et d'évacuation d'électrolyte conforme à l'invention permet de pallier ces inconvénients, et par sui- te d'augmenter dans des proportions sensibles le rendement de l'élec- trolyseur, en le faisant par exemple passer, pour fixer les idées, d'une valeur voisine de 0,9 à une valeur voisine de 0,97. Un tel dis- positif est du type comportant, pour un même ensemble de cellules juxtaposées: - au moins un circuit d'amenée d'électrolyte, commun audit ensemble, duquel partent des canaux alimentant séparément chaque compartiment cathodique - un circuit, commun audit ensemble, de départ d'anolyte, auquel aboutissent des canaux reliés séparément à chaque compartiment anodique - un circuit, commun audit ensemble, de départ de catholyte, auquel aboutissent des canaux reliés séparément à chaque compartiment cAtho- dique, et il est caractérisé en ce qu'au moins un desdits circuits comporte au moins une chambre de tranquillisation dans laquelle aboutissent tous les canaux associés audit circuit, ladite chambre de tranquillisation étant de faible section et étant reliée à l'entrée ou à la sortie géné- rale d' électrolyte par une conduite présentant au moins une partie de forme étroite et tourmentée de manière à conférer à ladite partie de conduite une grande longueur et une faible section. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de deux exemples non limitatifs de réalisation, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure l est une vue en coupeperspective d'une alimentation d'une portion d'électrolyseur conforme à l'invention - la figure 2 montre le schéma électrique équivalent à une alimenta- tion telle qu'apparaissant sur la figure l - la figure 3 est une coupe longitudinale simplifiée d'un circuit d'alimentation, conforme à la configuration selon la figure 1, du premier paquet de cellules d'un électrolyseur composé d'un empile- ment de plusieurs paquets - la figure 4 est une coupe longitudinale simplifiée du circuit d'ali- mentation précédent, faite à hauteur de l'avant-dernier paquet et mon- trant le début du dernier paquet - la figure 5 est une coupe longitudinale simplifiée du même circuit, faite à hauteur de l'extrémité du dernier paquet - la figure 5a est une vue en coupe selon la direction AA de la figure - la figure 6 est une vue en bout du mime circuit d'alimentation, se- lon la direction 10 de la figure 1. - la figure 7 est une coupe longitudinale simplifiée d'une variante de circuit d'alimentation conforme à l'invention. La vue persepective de la figure 1 montre l'alimentation des compartiments anodiques de neuf des cellules d'un électrolyseur du type filtre-presse. Par exemple, l'alimentation représentée pourrait être celle des premières cellules du premier paquet constitutif d'un tel électrolyseur: dans cette hypothèse, l'empilement représenté com- porterait, à son extrémité gauche, ou amont, la plaque cathodique d'ex- trémité reliée à la masse de l'installation. Cette plaque n'a pas été représentée sur la figure pour ne pas particulariser ni allourdir le dessin, mais elle est par contre visible sur la figure 3 qui sera dé- crite ultérieurement. On distingue d'abord sur le dessin les plaques-électrodes métalliques 1 et les plaques isolantes 2 formant joint et entretoise entre ces plaques. On distingue également les canaux 3 d'alimentation en électrolyte de chaque compartiment anodique. On n'a pas représenté, pour ne pas allourdir un dessin déjà très chargé, les diaphragmes situés dans la partie médiane entre les plaques-électrodes; pour le rappel du positionnement exact de ces diaphragmes, on se reportera à la partie supérieure de la figure 3 du brevet français 2.448.583 pré- cité. Conformément maintenant à l'invention, et comme on le voit nettement sur le dessin, les canaux 3 sont alimentés en électrolyte à partir d'une chambre semi-annulaire 4 à section mince, que l'on ap- pellera par la suite "chambre de tranquillisation", dans laquelle l'é- lectrolyte est amené par une conduite 51 en forme d'hélice de faible section, creusée à l'intérieur d'un tube 6 en matériau isolant et à paroi épaisse. Comme on le voit sur la figure, l'électrolyte pénètre dans l'hélice 51 comme indiqué par la flèche 7 et en sort dans la cham- Ere 4 comme indiqué par la flèche 8. Par ailleurs la pièce 6 est per- cée d'un orifice central 9 définissant un canal longitudinal dans le- quel circule l'électrolyte destiné à alimenter les paquets suivants, comme indiqué par les flèches 10 et 11, la flèche 12 indiquant le tra- jet de l'électrolyte alimentant la seconde hélice relative au deu- xième paquet. Bien qu'on le l'ait pas représenté sur le dessin, on com- prend aisément par ailleurs que la chambre de tranquillisation 4 est fer- mée à sa partie gauche, ou amont, par l'électrode d'extrémité, tel qu'il apparaîtra clairement sur la figure 3. Dans le cas o l'on aurait un électrolyseur ne comportant qu'un seul paquet, la chambre 4 serait fer- mée en aval par la seconde électrode d'extrémité, et le tube 6, qui ne comporterait alors pas d'orifice central 9, serait plein hormis l'espace intérieur pris par l'hélice 51. Dans notre cas l'électrolyseur comporte douze paquets et les chambres de tranquillisation de deux paquets adja- cents sont communiquantes, comme il sera précisé ci-après. On a représenté sur la figure 2 le schéma électrique équiva- lent à une alimentation en électrolyte telle que celle de la figure 1. Sur cette figure, les résistances Ra sont les résistances des canaux 3, 3 les résistances RA sont les portions de résistance de la chambre 4 com- prises entre deux canaux 3, la résistance RH est la résistance de l'hé- lice 51, et la résistance Rc la résistance du canal 9 entre le point de départ et la seconde hélice. Dans la phrase qui précède, on entend par "résistance" la résistance du canal, conduite, ou chambre, lorsque celui- ci ou celle-ci est rempli d'électrolyte. En se reportant à l'ensemble des figures 1 et 2, on voit que l'on a ainsi: - créé une chambre de tranquillisation 4 qui permetpar annulation de la pression dynamique qui existait à l'entrée, d'assurer un débit d'é- lectrolyte identique pour tous les canaux élémentaires. - créé une matrice de résistances ayant une résistance équivalente plus élevée que les dispositifs antérieurs, d'une part parce que la résistance de la chambre de tranquillisation 4 est beaucoup plus éle- vée que celle de la conduite d'alimentation de l'art antérieur, et d'autre part parce que la résistance RH de l'hélice 51 est suffisam- ment grande pour que sa mise en parallèle sur les résistances RA ne diminue pas de manière trop importante la résistance de ladite cham- bre de tranquillisation. Les figures 3 à 6 permettent de se rendre compte avec encore plus de précision de la structure du reste de l'alimentation de l'élec- trolyseur, supposé constitué d'une douzaine de paquets de cinquante cellules pour fixer les idées. Sur la vue en coupe simplifiée de la figure 3, on distingue, outre le tube 6, le canal 9, l'hélice 51, et la chambre 4 décrits précé- demment en référence à la figure 1, l'électrode d'extrémité 13, la pla- que.électrode 14 délimitant l'autre extrémité du premier paquet, une par- tie de la seconde hélice 52 alimentant la seconde chambre de tranquil- lisation 42 relative au second paquet dont on distingue la naissance sur la droite de la figure, et la conduite longitudinale 92 ayant, com- me l'avait le canal 9 pour le second paquet, pour rôle d'alimenter l'hé- lice 53 (figure 6) qui alimentera elle-même le troisième paquet. Par ailleurs, comme on le voit sur le dessin, les chambres de tranquillisation 4 et 42 sont communiquantes, grâce à un passage an- nulaire 17 laissé entre un anneau isolant 16,monté à la base de la pla- que-électrode 14,et le corps 6. De la sorte, on obtient une répartition hydraulique optimale de fluide entre les différentes chambres de tran- quillisation, on diminue au maximum la pollution parasite due aux phé- nomènes d'électrolyse secondaire se produisant sur l'électrolyte se trouvant dans les chambres de tranquillisaton, et l'on évite la corro- sion des plaques-électrodes. La compréhension de la figure 4 découle aisément de ce qui précède. On y distingue en effet l'avant-dernière hélice 511 alimentant l'avant-dernière chambre de tranquillisation 411, le dernier canal lon- gitudinal 911, et la dernière hélice 512 alimentant la chambre de tran- quillisation 412 du douzième et dernier paquet, comme on le voit avec plus de précision sur la figure 5, o l'on a également désigné par la référence 15 la plaque anodique d'extrémité de l'électrolyseur, reliée au pôle positif de l'alimentation électrique de celui-ci. On remarque- ra, en particulier sur la figure 4, que tel que représenté artificiel- lement sur le dessin, l'hélice ne semble pas déboucher au milieu de la chambre de tranquillisation associée. Ceci n'est en réalité qu'une représentation conventionnelle destinée a ne pas agrandir exagérément les dimensions transversales du dessin: il va de soi qu'en réalité chaque hélice débouche dans le plan médian de la chambre de tranquilli- sation associée, ce qui permet une répartition optimale de fluide. Par ailleurs, comme on le voit a l'aide des figures 5 et a, la chambre de tranquillisation 412 relative au dernier paquet se termine par une portion 4121 de large section et en contact électri- que direct avec l'électrode d'extrémité 15, ce qui a été trouvé avan- tageux aussi bien en ce qui concerne la diminution de la pollution due au phénomène d'électrolyse secondaire qu'en ce qui concerne la répar- tition des courants dans l'électrolyseur. La vue en bout de la figure 6 présente l'avantage de per- mettre de se rendre compte de la position des extrémités de départ des douze hélices (51 a 512) alimentant les douze chambres de tranquil- lisation de l'alimentation d'électrolyseur qui vient d'être décrite. La figure 7 est une coupe longitudinale simplifiée d'une variante de réalisation dans laquelle le conduit en forme d'hélice est remplacé par un conduit à trajet tourmenté réalisé a l'aide des tubes concentriques (22,23,24 et 25,26,27) ouverts alternativement à' chaque bout de manière a laisser entre eux des espaces minces créant un labyrinthe de section étroite dans lequel l'électrolyte circule selon un trajet sinueux, comme on le voit d'ailleurs clairement sur le dessin o les chiffres de référence désignant des éléments corres- pondants ont été transcrits sur cette variante de réalisation. 3 Il va de soi que d'une part les deux exemples de conduites à trajet sinueux et à section mince donnés ci-dessus ne sont pas li- mitatifs, et que d'autre part ces deux types de conduite peuvent très bien être combinés, éventuellement avec d'autres, sur une même ali- mentation ou évacuation d'électrolyte d'un électrolyseur selon l'in- vention. De même les formes et sections desdites conduites et des chambres de tranquillisation pourront être variées en dimensions se- lon le cas, afin de tenir compte des impératifs d'écoulement hydrauli- 249820,9 que en particulier qui obligeront toujours a trouver un compromis, car l'on ne peut évidemment pas trop réduire les sections ni trop augmenter les longueurs de trajet. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation et d'évacuation d'électrolyte pour élec- trolyseur du type filtre-presse, comportant, pour un même ensemble de cellules juxtaposées: - au moins un circuit d'amenée d'électrolyte,commun audit ensemble, duquel partent des canaux alimentant séparément chaque compartiment anodique et chaque compartiment cathodique - un circuit,commun audit ensemble, de départ d'anolyte, auquel abou- tissent des canaux reliés séparément à chaque compartiment anodique - un circuit,commun audit ensemble, de départ de catholyte, auquel aboutissent des canaux reliés séparément à chaque compartiment catho- dique, caractérisé en ce qu'au moins un desdits circuits comporte au moins une chambre de tranquillisation (4) dans laquelle aboutissent tous lesdits canaux (3) associés audit circuit, ladite chambre de tranquil- lisation étant de faible section et étant reliée à l'entrée ou à la sortie générale d'électrolyte par une conduite (51) présentant au moins une partie de forme étroite et tourmentée de manière à conférer à ladite partie de conduite une grande longueur et une faible section. 2. Dispositif d'alimentation et d'évacuation d'électrolyte selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite chambre de tranquil- lisation (4) est une chambre semi-annulaire à section mince en for- me d'arc de cercle (figure 6). 3. Dispositif d'alimentation et d'évacuation d'électrolyte selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite conduite (51) est réali- sée dans le corps d'un cylindre (6) délimitant l'intérieur de ladite chambre de tranquillisation (figures 1 et 7). 4. Dispositif d'alimentation et d'évacuation d'électrolyte selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite conduite (51) débouche au milieu de la chambre de tranquillisation (4). 5. Dispositif d'alimentation et d'évacuation d'électrolyte selon la revendication 3 ou la revendication 4, destiné à un électrolyseur réalisé sous la forme de plusieurs paquets juxtaposés, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre de tranquillisation (4,42... 411,412) et une conduite tourmentée (51,52,... 511,512) par paquet, lesdites chambres de tranquillisation étant toutes communiquantes, et en ce que ledit cylindre (6) est commun à tous les paquets et est percé de canaux longitudinaux (9, 92,.. 911) communiquant bout à bout l'un e;ec l'autre et alimentant en électrolyte lesdites conduites tourmen- tées (51,52,...511,512: figures 3 à 6). 6. Dispositif d'alimentation et d'évacuation selon la revendciation 5, caractérisé en ce que la communication entre les chambres relatives à deux paquets adjacents s'effectue par un ou plusieurs passages (17) percés dans une pièce isolante (16) positionnée à la base des pla- ques-électrodes (14) délimitant lesdits paquets adjacents l'un par rapport à l'autre (figures 3,4 et 7). 7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la chambre de tranquillisation mine par une portion que direct avec l'électrode d'extrémité. 8. Dispositif d'alimentation et d'évacuation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la ou lesdites con- duites tourmentées, ou au moins certaines d'entre elles, a ou ont une forme hélicoidale (figure 1). 9.Dispositif d'alimentation et d'évacuation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,caractérisée en ce que la ou lesdites con- duites tourmentées, ou au moins certaines d'entre elles, est/sont constituée(s) par une série de tubes concentriques (22,23,24,et 25,26, 27) séparés par des espaces minces et ouverts alternativement à cha- que bout de manière à créer un labyrinthe de section étroite dans lequel l'électrolyte circule selon un trajet sinueux (figure 7).