Brevet FR2517334A1 — publié le 19830603

La présente invention concerne l'électro-chimie et a notamment pour objet un électrolyseur à filtre-presse servant à l'obtention d'un mélange hydrogène-oxygène destiné notamment à être utilisé directement dans les chalumeaux de coupe, de brasage ou de soudage. On connatt un électrolyseur (voir le brevet d'invention des Etats Unis d'Amérique NO 3.310.483) comportant un bottier en matériau diélectrique servant simultanément à contenir l'électrolyte et à fixer des électrodes plates dans des rainures d'une certaine profondeur pratiquées dans les parois latérales et dans le fond du bottier. La fixation des électrodes est réalisée à l'aide d'éléments d'assemblage appropriés. Disposées parallèlement l'une à l'autre et espacées régulièrement suivant toute la longueur du bottier, les électrodes forment entre elles des chambres. Le courant électrique est appliqué à la première et à la dernière électrode.L'égalisation du biveau de l'électrolyte dans toutes les chambres est obtenue lors du remplissage de l'appareil en faisant tourner celui-ci autour de son axe longitudinal d'un angle suffisant pour que l'électrolyte passe d'une chambre dans l'autre par-dessus les bords supérieurs des plaques formant les électrodes. Lors des essais de contrôle auxquels on a soumis l'électrolyseur du type connu, un certain nombre d'inconvénients ont été mis en évidence, à savoir évacuationinsuffisante de la chaleur des chambre de l'électrolyseur, due à la conductibilité thermique très faible du matériau du bottier, ce qui conduit à une surchauffe de l'électrolyte et affecte le fonctionnement de ltappareil ; le fait que les électrodes soient disposées dans les rainures du boîtier en diélectrique ne permet pas d'éliminer complètement les fuites de courant aux endroits ou les bords des électrodes sont en contact avec le boîtier ; apparition inévitable de fentes entre les bords des plaques-électrodes et le bottier ; caractère peu fiable de la fixation des plaques, du fait qu'une partie de leur contour n'est pas engagée dans la rainure ; difficulté d'assurer l'étanchéité du bottier de l'électrolyseur, due au périmètre considérable suivant lequel le couvercle doit s'appliquer étroitement contre les parois latérales de l'appareil. L'invention vise à remédier à ces inconvénients et, par lâ même, à contribuer à la fiabilité des électrolyseurs de ce type. On s'est donc proposé de mettre au point un électrolyseur perfectionné, dont la fiabilité serait améliorée grâce à des modifications apportées à la conception du bottier et des électrodes. Le problème ainsi posé est résolu à l'aide d'un électrolyseur à filtre-presse pour l'obtention d'un mélange hydrogène-oxygène, du type comportant un bottier recevant l'électrolyte, fait en un matériau diélectrique et divisé en chambres par des électrodes bipolaires montées avec un certain espacement entre eux et maintenues dans une position déterminée à l'aide d'éléments d'assemblage appropriés, lequel électrolyseur est caractérisé, selon l'invention, en ce que les électrodes bipolaires ont la forme de cuvettes dont les creux sont orientés dans un même sens, les parois latérales dudit bottier se présentant sous forme de cadres montés suivant le périmètre des creux des électrodes bipolaires. Un tel ensemble de cadres diélectriques et d'électrodes en cuvette se prête facilement à l'assemblage grâce à l'emplacement bien déterminé desdits cadres dont le serrage à l'aide d'éléments d'assemblage ne pose aucun problème. Le nombre d'éléments standardisés formant une série de cellules contenant 1'électrolyte peut être choisi en fonction de la tension d'alimentation requise, en particulier de la tension de secteur, ce qui permet d'éliminer du dispositif le transformateur de puissance et tous les inconvénients résultant de son utilisation. Le dégagement des gaz se produit sur les surfaces égales des électrodes, car toutes les électrodes sont de conception et de dimensions analogues. Cela permet d'utiliser avec un maximum d'efficacité la surface des électrodes immergée dans l'électrolyte, de répartir uniformément la charge entre les électrodes et, par la même, de rendre uniforme le dégagement de chaleur dans tout le volume de l'électrolyte. Un échange colorifique intense entre l'électrolyte contenu dans le boîtier diélectrique et le milieu ambiant se produit grace à la conductibilité calorifique élevée des électrodes métalliques qui dépassent la surface périphérique du bottier. Du fait que les cadres sont placés suivant la périphérie des creux,une certaine partie de l'électrode dépasse toujours les limites de la chambre contenant l'électrolyte. La chaleur étant évacuée pratiquement de tout le volume de l'électrolyte, on peut se passer de moyens de refroidissement auxiliaires. En conformité avec un mode de réalisation, chacun des cadres peut être muni d'un diaphragme présentant des trous dont les axes sont inclinés sous un angle de 30 à 600 par rapport au plan dudit diaphragme, ainsi qu'une fenetre pratiquée dans la partie inférieure du diaphragme et dont la heuteur est d'environ 1/3 de la hauteur de celui-ci. Normalement, les électrolyseurs du genre proposé n'exigent aucun diaphragme séparateur, du fait qu'on n'a pas besoin d'obtenir les gaz séparément. Mais en cas de recours à des électrodes dont les cathodes et les anodes sont revêtues de masses poreuses, ce qui permet d'élever le rendement de l'appareil, l'utilisation de diaphragmes à gros pores devient indispensable. Cela s'explique par le fait que la masse poreuse, dont l'adhérence à la surface des électrodes se révèle imparfaite lors du fonctionnement, peut se détacher de cette surface en donnant naissance à des ponts ohmiques entre les électrodes, ce qui conduit à un échauffement de cette portion. Si ces ponts ohmiques se forment dans l'électrolyte, on assiste à une surchauffe de celui-ci. Mais si ces ponts apparaissent dans le mélange d'hydrogène et d'oxygène, il se produit une explosion dans la cellule électrolytique. Ceci peut affecter le bon état de l'électrolyseur ou, en d'autres termes, cet électrolyseur ntest pas fiable. L'inclinaison des axes des trous oscillant entre 300 et 600, les masses poreuses détachées n'arrivent pas à s'unir en ponts ohmiques et,-en meme temps, on n'assiste pas à une augmentation quelconque de la résistance au passage du courant électrique et des gaz dégagés. La hauteur de la entre égale à 1/3 de la hauteur du diaphragme est préférée du fait que c'est le niveau d iectrolyte minimum permettant à 1' électrolyseur de conserver son rendement. D'autre part, le fait de réaliser le diaphragme dans le cadre permet, en cas d'explosion ou de destruction de la cellule, de restaurer Xrapidement cette cellule à l'aide de pièces standards. Suivant un autre mode de realisation de l'invention, dans les creux des électrodes sont pratiquées des cannelures dont la section transversale augmente avet la hauteur de l'électrode, la partie cathodique de chacune des électrodes étant disposée du côté du creux. Cette conception de l'électrode permet une bonne circulation de l'électrolyte gracie au déplacement orienté des bulles gazeuses d'hydrogène dans la cellule. L'inclinaison des cannelures de 10 à 150 par rapport à la verticale permet d'élever la densité du courant de 10 % environ. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparattront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 représente en coupe longitudinale un électrolyseur conforme à l'invention - la figure 2 est une vue en coupe suivant 2 - 2 de la figure 1 - la figure 3 représente un autre mode de réalisation de l'invention, illustrant une chambre de I'électrolyseur; - la figure 4 représente un autre mode de réalisation de l'invention. Comme il ressort des figures 1 et 2, 1'électrolyseur du type filtre-presse pour l'obtention d'un mélange hydrogène-oxygène comporte des électrodes en cuvette 1 dont les creux sont orientés dans un m8me sens et qui présentent des trous 2 disposés au-dessus du niveau de l'électrolyte 3 dans les limites de la zone délimitée par des cadres ou joints diélectriques 4 formant les parois latérales du bottier et réalisés, par exemple, à partir de résine. Comme il ressort bien des dessins annexés, et surtout de la figure 1, les joints 4 sont disposés partiellement dans les creux des électrodes 1, suivant leur périphérie, et font saillie de façon à venir en butée ozatre l'électrode voisine. Les faces-terminales du bottier de l'électrolyseur se présentent sous forme de plaques 5 et 6 en métal. La plaque métallique 5 présente un creux correspondant aux creux des électrodes en cuvette 1, tandis que la plaque 6 est plate. Les plaques 5, 6 comportent des tubulures d'évacuation 7 et 8 dont l'une (7) est munie d'un chapeau d'étanchéité 9 et dont l'autre (8) est reliée par une conduite 10 à un chalumeau 11. Le boiter de l'électrolyseur est obtenu en serrant les joints diélectriques entre les plaques 5 et 6 à l'aide de goujons 12 qui servent de guides lors de l'assemblage de l'appareil. Comme il ressort de la figure 1, la conception des électrodes permet que celles-ci dépassent la partie périphérique du bottier autant que nécessaire. A la place des goujons 12-on peut utiliser des boulons, des vis ou d'autres éléments d'assemblage convenables par la cas considéré. Les goujons 12, qui -tNers sent les trous coaxiaux des plaques 5 et 6 et des électrodes 1, sont isolés de celles-ci à l'aide de rondelles diélectriques 13 et d'un isolant 14. Un même niveau de l'électrolyte dans les chambres de l'électrolyseur est obtenu soit en inclinant le bottier lors du remplissage de l'appareil, soit à traversles trous pratiqués dans la partie inférieure des électrodes, c'est-à-dire dans la partie des électroses à immerger dans l'électrolyte. Le courant électrique contenu peut être appliqué aux électrodes de différentes façons en fonction des caractéristiques requises de l'électrolyseur. On préfère cependant appliquer le courant électrique aux plaques métalliques 5 et 6 (l1une recevant le potentiel positif, et l'autre, le potentiel négatif), en résultat de quoi les cellules électrolytiques ou chambres se trouvent connectées en série, leur nombre pouvant ttre choisi en sorte que l'électrolyseur puisse être alimenté par le secteur sans 1' in- termédiaire d'un transformateur. Alors, le redresseur utilisé peut titre prévu pour un courant plus faible. L'appareil étant en fonctionnement, le courant électrique continu qui traverse l'électrolyte alcalin 3 provoque la décomposition de l'eau, d'où l'apparition, sur les électrodes 1 (de méme que sur les plaques 5 et 6), d'hydrogène et d'oxygène qui s'accumulent dans la cavité du bottier au-dessus de l'électrolyte où on assiste à leur mélange, c'est-à-dire à la formation, à l'intérieur du bustier diélectrique, d'un mélange détonnant homogène. Ce mélange passe par les trous 2 et par la tubulure d'évacuation 8 pour arriver dans le chalumeau 11, à la sortie duquel ce mélange est brayé en vue d'obtenir une flamme à haute température. Du fait que les électrodes ont une forme contribuant à un assemblage de qualité, l'électrolyseur peut fonctionner sous haute pression sans qu'il y ait risque de panne. Cela permet un contrôle efficace de la flamme et élargit les possibilités techniques du chalumeau-alimenté à partir de cet électrolyseur sans nuire à la sécurité des travaux. La durée d'assemblage d'un électrolyseur muni d'électrodes en cuvette est de 4 fois inférieure à celle d'un électrolyseur à électrodes plates de dimensions analogues, la qualité d'assemblage étant la même dans les deux cas. Parmi les autres avantages de l'électrolyseur conforme à l'invention on peut citer : l'évacuation efficace de la chaleur de tout le volume de 1' électrolyte grâce à la disposition extérieure de la partie périphérique des électrodes ; la présence d'éléments standardisés permettant l'obtention d'un dispositif à caractéristiques désirées simplicité de fabrication, d'assemblage, de désassemblage et d'exploitation. En conformité avec un autre mode de réalisation de l'invention, la cellule électrolytique (figure 3)comprend des électrodes 15 présentant des revEtesents poreux 16 et des diaphragmes 17 qui servent en meme temps de joints diélectriques et présentent des trous 18 et une fenêtre 19. Les trous 18 sont pratiqués sorte que l'axe de chacun d'eux fasse un angle de 30 à 600 avec la verticale ou le plan du diaphragme, tandis que la fenêtre 19, comme le montre la figure 3, a une hauteur égale à sensiblement 1/3 de la hauteur h dudit diaphragme 17. Lors du fonctionnement de l'appareil, on assiste à un dégagement des gaz (hydrogène et oxygène) sur les électrodes 15, lesquels gaz se mélangent en passant par les trous 18 et donnent naissance à un mélange détonant L'inclinaison des axes des trous 18 sous un angle de 30 à 600 par rapport au plan du diaphragme 17 protège l'appareil d'une manière fiable contre la formation de ponts ohmiques dus au détachement des revetements poreux de la surface des électrodes. Dan-s ce cas, la section de passage du courant électrique a une valeur maximale, d'où la résistance minimale opposée par 1' électrolyte au passage de ce courant. La présence de la fenêtre 19 dans la diaphragme assure des conditions normales pour le déroulement de 1' électrolyse et une résistance minimale au courant électrique. On a soumis à des essais de contrôle l'électrolyseur conforme à l'invention. A cet effet on a fabriqué des appareils d'un débit de 40 l/h, 80 l/h et 120 l/h de mélange gazeux, munis d'électrodes à rev8tement poreux et de diaphragmes de conception décrite. En vue des essais on détériorait ledit enduit poreux. L'épaisseur du diaphragme en résine était de 0,8 à 1,0 mm, le diamètre du trou était de 0,3 à 0,5 mm, le pas des trous étant de 0,8 à 1,0 mm et l'axe de chacun desdits trous faisant un angle de 30 à 600 avec le plan dudit diaphragme. Au cours des essais on a constaté une protection fiable de l'appareil contre la formation de ponts ohmiques qui conduisaient autrefois à des explosions dans les cellules.Installés dans l'appareil, les diaphragmes n'ortcausé qu'une faible augmentation de la résistance opposée au courant électrique par rapport à la résistance des cellules dépourvues de ces diaphragmes. Sh conformité avec un autre mode de réalisation de l'invention (figure 4), l'électrolyseur est composé de cellules électrolytiques munies d'électrodes 20 qui présentent dans leurs creux des cannelures 21 dont la section transversale ou la profondeur augmente avec la hauteur de l'électrode (lemme effet peut être obtenu en augmentant d'une manière analogue la largeur desdites cannelures ; ce mode de réalisation étant parfaitement évident à la lumière de la description ci-dessus, il ne fait pas l'objet des dessins annexés). Le c8té de l'électrode formant le fond de la cannelure 21 sert de cathode et, naturellement, le c8té opposé ou la saillie constitue l'anode. L'évacuation du mélange de gaz s'opère par un trou (non représente pratiqué dans le joint diélectrique 22 situé entre les électrodes 20. L'appareil étant en fonctionnement, les électrodes 20 sont traversées par le courant continu. Si les électrodes sont branchées sur la source d'alimentation de la manière représentée sur la figure 4, on assiste à un dégagement d'oxygène sur l'anode (+) et d'hydrogène sur la cathode (-). Du fait que le volume de l'hydrogène dégagé est deux fois supérieur à celui de l'oxygène, l'inclinaison des cannelures pratiquées sur la cathode contribue à une séparation facile des bulles d'hydrogène de la surface de la cathode, d'où une vitesse plus importante de ces bulles par rapport à celles d'oxygène. C'est de cette façon qu'on arrive à orienter le déplacement de l'élec- trolyte dans la chambre et à diminuer le remplissage gazeux de celle-ci. Etabli en conformité avec ce mode de réalisation, l'électrolyseur a été essayé dans une installation d'essai du déposant. La production théorique de l'électrolyseur considéré constituait 80 l/h environ. Les électrodes étaient obtenues à partir de nickel, Epaisses de 0,6 mm, les électrodes présentaient des cannelures inclines dont la profondeur maximale était de 3 mm, et la largeur, de 5 mm. Le nombre de cannelures présentes sur chacunedes électrodes était de 5, la longueur des dites cannelures allant jusqu'à 115 mm. Lors des essais on a constaté une bonne circulation de l'électrolyte et une diminution du remplissage gazeux. La densité du courant aux électrodes était de 70 mA/cm2 au lieu des 50 mA/cm2 autrefois utilisés. Il s'ensuit que le rendement de l'appareil peut être augmenté (d'une manière proportionnelle à l'augmentation de la densité du courant) sans qu'une modification quelconque soit apportée aux paramètres de cet appareil. REVENDICATIONS 1.- Electrolyseur du type filtre-presse pour l'obtention d'un mélange hydrogène-oxygène, comportant un bottier recevant l'électrolyte, fait en un matériau diélectrique et divisé en chambres par des électrodes bipolaires (1) qui sont montées avec un certain espacement entre elles et sont maintenues dans une position prédéterminée à l'aide d'éléments d'assemblage (12), caractérisé en ce que les électrodes bipolaires (1) ont la forme de cuvettes dont les creux sont orientés dans un même sens, et que les parois latérales du bottier se présentent sous forme de cadres (4) montés suivant le périmètre des creux des électrodes bipolaires (1). 2.- Electrolyseur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des cadres (4) comporte un diaphragme (17) présentant des trous (18) dont les axes font un angle de 30 à 600 avec le plan dudit diaphragme, et une fenêtre (19) pratiquée dans la partie inférieure dudit diaphragme et dont la hauteur est égale à 1/3 de la hauteur de ce diaphragme (17). 3.- Electrolyseur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que dans les creux des électrodes (20) sont pratiquées des cannelures (21) dont la section transversale augmente suivant la hauteur de l'électrode, la partie cathodique de chacune des électrodes (20) étant disposée du côté de son creux.