Brevet FR2497834A1 — publié le 19820716

"Procédé et dispositif perfectionnés pour la production d'oxygène et d'hydrogène notarmient pour utilisation dans un moteur à combustion interne La présente invention concerne la production GC gaz qu'on peut utiliser essentiellement mais non obligatoirement en tant que combustible. Pour décomposer l'eau de manière électrique, on doit faire passer un courant continu entre une paire d'électrodes qui sont immergées dans un électrolyte approprié. Dans une telle électrolyse, on place normalement une certaine forme de barrière pour les gaz entre les deux électrodes afin d'empêcher que les gaz qui sont produits pendant l'électrolyse forment un mélange explosif. On a cependant constaté qu'à condition de prendre des précautions convenables, on peut laisser les gaz se mélanger et les introduire dans un réservoir de stockage pour une utilisation ultérieure. Du fait que les gaz forment un mélange explosif lorsqu'ils sont mélangés, on peut par exemple utiliser le mélange en tant que combustible pour un moteur à combustion interne.Dans ces circonstances, il est souhaitable que les gaz soient également mélangés avec une certaine proportion d'air, afin de définir la force explosive qu'on obtient lorsqu'on enflamme les gaz. Conformément à un aspect de l'invention, un procédé de production d'un mélange gazeux comprenant de l'hydrogène et de l'oxygène comprend l'opération consistant à faire passer de l'air dans une cellule électrochimique dans laquelle l'hydrogène et l'oxygène sont produits par voie électrochimique, de telle manière qu'une fractiande l'air passe sur l'une au moins des électrodes de la cellule, afin que les gaz formés dans la cellule électrochimique soient entraînés avec l'air entrant,et que le mélange gaz/air résultant soit dilué avec une fraction supplémentaire de l'air. L'une des difficultés qu'on rencontre dans l'électrolyse consiste en ce que des bulles de gaz sont susceptibles de demeurer sur les électrodes pendant l'électrolyse, ce qui limite l'aire effective de l'électrode qui est en contact avec l'électrolyte et empoche une circulation optimale du courant entre le:; électrodes. Conformément à l'invention, les gaz qui sont dégagés pendant l'électrolyse sont mélangés avec de l'air, qu'on fait passer dans la cellule pendant que l'électrolyse est en cours, afin d'entraîner dans l'air toutes les bulles de gaz demeurant sur les électrodes. Cependant, ure partie seule- ment de l'air passe sur les électrodes ; ceci réduit la turbulence dans la cellule. Conformément à l'invention également, une cellule électrochimique comprend une cuve contenant un électrolyte aqueux, une électrode de cathode et une électrode d'anode situées dans la cuve, des moyens 4u1 introduisent de l'air dans la cuve de façon qu'une partie de cet air pase sur l'une au moins des électrodes et qu'une autre partie augmente le volume du mélange gazXair qui quitte les électrodes, et des moyens qui extraient de la cuve le mélange dhydroge'ne, d'oxygène et d'air qui est produit au cours du fonctionnement. Une cellule à électrolyse appropriée pour la production d'hydrogène et d'oxygène consiste en une cellule fermée comportant une structure d'électrodes formée par des plaques de métal, avec un tube descendant au centre. Les plaques de métal sont alternativement connectées aux bornes d'une source de courant électrique et la structure d'électrodes est suspendue dans une solution aqueuse d'un acide ou d'une base dans la cellule fermée.De l'air qu'on fait descendre dans le tube traverse la solution caustique dans la cellule et extrait les gaz provenant des plaques de métal, et le mélange résultant d'air, de H2 et de 0p est préleve au sommet de ia cellule et est introduit dans un réservoir de stockage ou tout autre dispositif, pour être utilisé. Une partie de l'air entrant circule de l'entrée vers la sortie sans passer sur les électrodes. Les électrodes ont pour fonction de produire de l'hydrogène et de l'oxygène gazeux par application d'un courant électrique aux plaques de ladite structure.L'hydrogène et l'oxygène formés sur les plaques sont emmenés par le courant d'air qui est pompé par le centre de la structure, et ces gaz sont extraits de la cellule en formant un mélange d'hydrogène et oxygène destiné à être utilisé, comme par temple en tant que gaz combustible pour le chauffage cu la cuisson, dc la manière qui peut être nécessaire, ou bien ils sont recueillis scus pression et emmagasinés dans irn réservoir approprié. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 représente une cellule électrochimique correspondant à la mise en oeuvre de l'invention, La figure 2 représente schématiquement une structure de dispositif correspondant à l'invention, et La figure 3 représente schématiquement un dispositif correspondant à l'invention qui est destiné à propulser un véhicule à moteur. La figure 1 représente schématiquement une configuration pour la cellule à gaz. Des électrodes productrices d'oxygène, 22, et des électrodes productrices d'hydrogène, 23, situées dans une cuve 20, sont entourées par un électrolyte aqueux 25, la cellule comportant deux jeux d'électrodes représentés en coupe. De l'air provenant d'un filtre à air traverse un tube d'entrée d'air 26, en matière plastique, et il est introduit vers le fond de la cuve 20 et passe dans l'électrolyte 25 par l'ouverture 24 du tube d'entrée 26. L'hydrogène et l'oxygène gazeux qui sont produits par électrolyse dans la cellule sont extraits de la cuve 20 au moyen d'un tube 28. Les électrodes 22 et 23 sont mutuellement isolées par des entretoises isolantes 21. Le tube d'entrée 26 est en matière plastique pour assurer également l'isonation des electrodes. Un jeu d'électrodes 22 est connecté à une borne positive 4 et l'autre jeu d'électrodes 23 est connecté è une borne négative 5. Ces bornes sont respectivement connectées à leur tour à une source de courant continu à intensité élevée mais à tension faible, comme une batterie d'accumulateurs de 12 volts. Les électrodes 22, 23 consistent en plaques perforées en acier inoxydable qui sont alternativement connectées à des tiges de borne respectives 8 par des conducteurs 9, et l'électrolyte consiste en une solution aqueuse de soude caustique. Les tiges de borne peuvent également alimenter un élément de chauffage électrique 6 situé au fcnd de la cuve pour chauffer l'électrolyte, en particulier pour faciliter le démarrage en amenant rapidement la cellule à une température de fonctionnement efficace. L'extrémité inférieure du tube 26 peut porter une plaque déflectrice 10 destinée à dévier l'air entrant pour qu'il ne soit pas dirigé vers l'élément chauffant. La partie supérieure du tube 26 comporte un trou 29, d'un côté du tube, environ à mi-hauteur entre le sommet de la cellule et la surface de l'électrolyte 25. Ces trous peuvent etre au nombre de deux ou davantage. La cuve est hermétique et est constituée par une matière résistant à la corrosion, comme par exemple une matière plastique ou de l'acier inoxydable. Au cours du fonctionnement, l'électrolyse produit de l'hydrogène et de l'oxygène sur les plaques d'électrode et ces gaz sont emmenés hors de la cellule par un tube 28, sous l'effet de la circulation d'air dans la cellule. La circulation d'air agite également l'électrolyte et empeche que des bulles d'hydrogène et d'oxygène adhèrent aux électrodes. Pour que le mélange final contienne la quantité correcte d'air, le débit d'air traversant la cellule peut être élevé au point de produire une turbulence dans l'électrolyte et de réduire ainsi le rendement de la cellule. Pour réduire la pression d'air dans la cellule et pour réduire la turbulence tout en maintenant un débit d'air total approprié, une partie de l'air est dérivée par le trou 29 vers le volume de sortie 30 situé au-dessus de l'électrolyte, où il est mélangé avec le mélange gaz/air qui émerge de l'électrolyte. Le trou peut être r.luni d'un obturateur réglable, d'une valve ou d'autres moyens permettant de régler la quantité d'air qui le traverse. L'électrolyte n'emplit que la moitié environ de la cellule, en laissant au-dessus de lui un volume de sortie 30 dans lequel s'accumulent les gaz produits par électrolyse. A titre d'exemple, une cellule électrolytique capable de produire des gaz utilisés comme combustible pour une petite voiture a approximativement la forme d'un cube de 20 centimètres de côté, contenant 10 plaques perforées en acier inoxydable avec un écartement d'environ 4 mm. Ces plaques peuvent etre carrées ou circulaires. L'extrémité inférieure du tube d'entrée de gaz comporte quatre trous 24, ayant chacun un diamètre d'environ 6 à 6,5 mm. Le trou supérieur 29 a un diamètre d'environ 9 à 10 mm et est réglable. Un filtre à air et/ou un dessicateur peuvent être placés le long de la cellule. La figure 2 représente schématiquement un système de production de gaz. Une cellule 20 telle que celle de la figure 1 comporte un tube d'entrée 26 qui est branché par l'intermédiaire d'un filtre à air 34 à une pompe à air 27 qui établit une circulation forcée d'air dans l'électrolyte contenu dans la cellule 20. L'air traversant l'électrolyte a pour but d'extraire les gaz qui se forment sur les électrodes, dans la cellule 20, sous l'effet du courant continu qui est appliqué aux bornes 4 et 5. Les gaz produits dans la cellule 20 sont ensuite évacués par le tube 28 vers un réservoir de stockage 31 pour être utilisés de la manière désirée. La cellule est alimentée en énergie électrique par une batterie 1 à faible tension et à intensité élevée, comme par exemple une batterie d'automobile.La batterie peut être chargée par un aérogénérateur 2 par l'intermédiaire d'un conjoncteur-disjoncteur 3 et elle est connectée par un interrupteur 7 à la pompe à air 27 et aux bornes 4 et 5 de la cellule. Le réservoir de stockage 31 comporte un manomètre 11, une soupape de sûreté et un tuyau de sortie muni d'un robinet de commande 12. Le dispositif peut également comporter des moyens de limitation et/ou de commande de courant destinés à commander l'intensité de la réaction électrolytique, un dessicateur destiné à sécher le mélange gazeux produit dans la cellule et des moyens qui maintiennent automatiquement le niveau d'eau dans la cellule. La batterie peut être supprimée si le générateur peut produire de l'énergie avec une tension et une intensité appropriées. Le mélange gazeux produit peut être utilisé dans de nombreuses applications, comme par exemple le chauffage, l'éclairage ou la cuisson, ou pour des travaux tels que le soudage ou le découpage. On peut également 0'utiliser dans un moteur à combustion interne ou externe, pour propulser un véhicule, un bateau, un aéronef ou un train, ou pour entratner une machine, comme par exemple une tondeuse à gazon. La figure 3 montre très schématiquement une confi guration destinée à la propulsion d'une voiture. La voiture est de façon générale classique et elle comporte ~e batterie a (qui peut cependant avoir une capacité supérienre à a capa- cité normale d'une batterie pour une voiture a moteur a essence), et un moteur à combustion interne 32 équipé d'un générateur (non représenté) destiné à recharger la batterie. Les dispositifs classiques de commande et e sécurité pour le système électrique de la voiture sont également présents.La batterie alimente une cellule électrclytique 20 ayant la structure représentée sur la figure 1, de l'air provenant de l'atmosphère est dirigé vers 1 la cellule 20 par l'intermédiaire d'un filtre 34, et un tuyau de sortie fonctionnant dans des conditions définies (dans lequel peu être branchée une pompe) introduit le mélange gazeux combustible provenant de la cellu- le dans la tubulure d'admission du moteur, pour brûler ce mélange dans le moteur. Le mélange est fourni sous une pression relativement faible et il peut donc être introduit directement dans la tubulure, en prenant des mesures spéciales pour commander la pression. I1 va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et au dispositif décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'un mélange gazeux comprenant de l'hydrogène et de l'oxygène, ce procédé comprenant l'opération qui consiste à faire passer de l'air dans une cellule électrochimique dans laquelle l'hydrogène et l'oxygène sont produits par voie électrochimique, de telle manière que l'air passe sur l'une au moins des électrodes (22, 23) de la cellule, l'air entrant entrainant ainsi les gaz qui sont formés dans la cellule électrochirnique, caractérisé en ce qu'un courant d'air supplémentaire est ajouté au mélange formé par l'air et les gaz entraînés. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cellule contient des électrodes (22, 23) ayant des polarités électriques différentes et respectives qui sont immergées dans un électrolyte aqueux (25), grâce à quoi l'hydrogène et l'oxygène sont libérés par électrolyse sur les électrodes respectives. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on fait passer l'air dans l'électrolyte (25). 4. Procédé selon la revendication 1 destiné à produire un mélange combustible d'air, d'hydrogène et d'oxygène par électrolyse d'un liquide aqueux (25), dans lequel : on électrolyse le liquide aqueux pour le décomposer en hydrogène et en oxygène dans une cellule électrolytique comportant une cuve hermétique (2Q), une colonne tubulaire (26), pravique- ment centrale, est montée dans la cuve et comporte une entrée d'air à son extrémité supérieure, et plusieurs électrodes (22, 23) sont supportées par la colonne en étant espacées axialement sur cette dernière, les électrodes successives étant alternativement connectées à une première borne électrique (4) et à une seconde borne électrique (5), elles-mêmes connectées aux pôles respectifs d'une source de courant, et les électrodes étant mutuellement isolées, la colonne comporte une sortie d'air (24) sous les électrodes, par laquelle l'air provenant de l'entrée d'air passe dans la cellule et sur les électrodes, une sourie d'air sous pression est branchée à l'entrée d'air et établit une circulation forcée d'air dans la cellule et le liquide aqueux contenu dans la cellule, pendant le fonctionnement de celle-ci, et la cellule comporte dans sa partie supérieure une sortie commune (28) qui évacue le melange combustible comprenant l'air ayant passé dans la cellule par circulation forcée et l'hydrogène et l'oxygène qui sont produits par électrolyse du liquide -contenu dans la cellule, caractérisé en ce que la colonne comporte une sortie d'air supplémentaire (29) au-dessus du liquide constituant l'élec- trolyte. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que l'électrolyte est chauffé. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'air est fourni par une pompe (27). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'air est introduit dans la cellule à travers un filtre à air (34). 8. Procédé pour faire fonctionner un moteur à combustion interne (32), caractérisé en ce qu'on produit un mélange gazeux de la manière qui est définie dans l'une quelconque des revendications 1 à 7, on introduit le mélange gazeux dans le moteur et on brûles le mélange gazeux dans le moteur. 9. Procédé selon la revendication 8, caractCrisé en ce qu'on introduit le mélange gazeux dans la tubulure d'admission du moteur. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que le moteur est un moteur de propulsion d'un véhicule. 11. Cellule électrochimique comprenant une cuve (20) pour un électrolyte aqueux, une électrode de cathode (23) et une électrode d'anode (22) dans la cuve, des moyens (26) qui introduisent de l'air dans la cuve de façon qu'il passe sur l'une au moins des électrodes, et des moyens (28) qui extraient de la cuve le mélange d'hydrogene, d'oxygène et d'air qui est produit pendant le fonctionnement, caractériséeen ce qu'elle comporte un chemin de circulation d'air de dérivation (29) entre l'entrée d'air et la sortie du mélange air/gaz. 12. Cellule selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'elle comporte un bottier hermétique (20) ; une colonne tubulaire (26), pratiquement centrale, montée dans le boîtier et comportant une entrée d'air à son extrémité supérieure, plusieurs électrodes (22, 23) supportées par la colonne et espacées axialement sur celle-ci, les électrodes successives étant alternativement connectées à une première borne électrique (4) et à une seconde borne électrique (5), afin d'être connectées aux pôles respectifs d'une source de courant, et étant mutuellement isolées, la colonne comportant une sortie d'air (24) sous les électrodes pour que l'air provenant de l'entrée d'air passe dans la cellule et sur les électrodes ; un déflecteur d'air (10) en forme de coupelle supporté. par la colonne sous la sortie d'air ; et une source d'air sous pression branchée à l'entrée d'air pour établir une circulation forcée d'air dans le liquide aqueux (25) contenu dans la cellule, pendant le fonctionnement de celle-ci ; et la cellule comporte dans sa partie supérieure une sortie commune (28) destinée à évacuer le mélange combustible comprenant l'air ayant passé dans la cellule par circulation forcée et l'hydrogène et l'oxygène produits par l'électrolyse du liquide contenu dans la cellule, tandis que la colonne comporte une sortie d'air (29) au-dessus de la surface du liquide. 13. Cellule selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12, caractérisée en ce qu'elle comprend des électrodes qui se présentent sous la forme de plaques horizontales perforées et en ce qu'elle comporte une sortie d'air (24) sous ces plaques, grâce à quoi l'air s'élève en traversant les plaques. 14. Cellule selon l'une quelconque des revendications 11, 12 ou 13, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des moyens (6) destinés à chauffer l'électrolyte contenu dans la cellule. 15. Cellule selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une pompe (27) qui est branchée à la cellule de façon à l'ali menter en air. 16. Cellule selon l'une quelconque des revendications 11 à 15, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un filtre à air (34), du côté d'entrée de la cellule. 17. Cellule selon l'une quelconque des revendications il à 16, incorporée à un véhicule comportant un moteur à combustion interne (32), caractérisée en ce qu'elle est branchée de façon à fournir au moteur le mélange d'air, d'oxygène et d'hydrogène qui est produit. 18. Cellule selon la revendication 17, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une pompe qui est branchée entre la cellule et la tubulure d'admission du moteur pour introduire le mélange dans cette tubulure.