Brevet FR2547835A1 — publié le 19841228

Installation d'électrolyse. sous pression à enceinte d'électrolyseur pressurisée La présente invention se rapporte à une installation d'électrolyse destinée è la production industrielle de gaz, telle qlle par exemple une installation dlélectolyse de l'eau sous pression, produisant de l'oxygène et de l'hydrogène, ou encore une installation d'électrolyse del'acide chlorhydrique sous pression, produisant du chlore eut de l'hydrogène, une telle installation utilisant par ailleurs un électrolyseur placé dans une enceinte pressurisée. D'une manière générale, une installation industrielle d'électrolyse utilise au mois un électrolyseur composé d'un empilage de cellules d'électrolyse élémentaires. Un électrolyseur du type "filtre-presse" par exemple est composé d'une succession alternée d'électrodes bipolaires et de diaphragmes séparés par des joints d'entretoisement assurant I'étanchéité et l'écartement nécessaires. De manière à obtenir le rendement maximal exigé en production industrielle, l'électrolyse est effectuée sous forte pression, la pression de l'électrolyte pouvant être par exemple de 30 d 70 bars pour fixer les idées. On pourrait envisager de constituer le corps extérieur de l'électrolyseur par l'empilage lui-même. Les joints d'entretoisement devraient alors supporter la pression interne élevée existant dans les cellules d'électrolyse, ce qui entrainerait d'énormes difficultés de réalisation ainsi que des risques de fluage des joints dus aux efforts de serrage importants qui seraient nécessaires. Dans les réalisations actuelles, on préfère placer l'empilage dans une enceinte étanche pressurisée par une matière neutre, telle que de l'azote. On règle alors la pression dans cette enceinte de façon à ce qu'elle soit substantiellement égale h celle régnant dans llélectrolyseur, de soupe que les joints d'entretoisement 'ont plus d'efforts sensibles a supporter. La figure 1 annexée représente schématiquement une telle installation d'électrolyse de l'eau de type connu. L'installation d'électrolyse représentée sur cette figure comporte un électrolyseur 1 composé d'un empilage 2 de quelques centaines de cellules d'électrolyse, cet empilage étant fixé h l'intérieur d'une enceinte pressurisée 3. L'enceinte 3 comporte une cloche amovible 4 alimentée en azote par une canalisation 5, et un socle fixe 6 sur lequel est rigidement fixé l'empilage 2, et qui laisse passer la canalisation 7 d'arrivée d'électrolyte et les deux canalisations 8 et 9 de sortie de mélange diphasique, respectivement d'anolyte et de bulles de gaz Oxygène et de catholyte et de bulles de gaz Hydrogène. Les deux mélanges diphasiques passent ensuite dans des dégazeurs 10 et 11. Les gaz extraits sortent respectivement en 12 et 13 pour l'oxygè- ne et l'hydrogène tandis que l'électrolyte dégazé retourne vers l'entrée 7 de l'électrolyseur par l'intermédiaire de la canalisation 14 et de la pompe de circulation 15. Un tel électrolyseur classique comporte bien évidemment des moyens de régulation de pression qui sont les suivants - une première boucle de régulation 16 est destinée à fixer la pression dans le circuit d'électrolyse. Par exemple, on choisit cette pression égale h 70 bars. La boucle 16 comporte une électrovanne 17 placée par exemple sur la canalisation d'oxygène 12 en amont de laquelle est branché un capteur de pression 18 qui agit sur cette électrovanne 17 par l'intermédiaire d'un régulateur 19, tel que par exemple un régulateur disponible dans le commerce sous l'appellation "Modumat FEDB", qui reçoit une consigne Cg égale a 70 bars. - une deuxième boucle de régulation 27 destinée à fixer la pression de sortie d'hydrogène, et comportant un tube en U 20 reliant les deux dégazeux 10 et 11 et deux transmetteurs de niveau 21-et 22 fournissant chacun un signal à un régulateur 23 qui reçoit une consigne C1 et agit en conséquence sur une électrovanne 24 placée dans le circuit de sortie d'hydrogène 13. En général, on veut avoir la même pression dans les circuits d'hydrogène et d'oxygène de sorte que la consigne C1 est égale d O. - une troisième boucle de régulation 25 destinée à fixer la pression d'azote dans l'enceinte pressurisée 3 par rapport d celle établie dans l'électrolyseur 2 à l'aide de la boucle 16. Elle comporte un capteur de pressions différentiel 26 branché d'une part sur la canalisation de retour d'électrolyte 7 et d'autre part sur l'intérieur de l'enceinte 4, et fournissant un signal de comparaison à un régulateur 28. Le régulateur 28 reçoit une consigne de pression C2 et fournit un premier signal de sortie sur une électrovanne 29 placée sur l'entrée d'azote 5, et un second signal de sortie, sur une électrovanne 30 placée sur une canalisation 31 permettant de mettre l'enceinte 3 à l'air libre. Généralement, on désire avoir les mêmes pressions dans l'empilage 2 et dans l'enceinte 3, de sorte que la consigne C2 est dans ce cas égale à 0. Ce genre d'installation connue présente des inconvénients qui sont préjudiciables en particulier à la bonne-tenue mécanique de l'empilage 2: Le volume occupé par le circuit d'électrolyse lui-même, y compris les dégazeurs est nécessairement faible, puisque le fait de fonctionner sous pression élevée permet très avantageusement de le réduire au maximum. Si des oscillations de "pompage" viennent à prendre naissance à hauteur de la vanne 17, les variations de pression, même faibles qui en résultent se répercutent immédiatement sur l'empilage 2, sans que l'enceinte d'azote 4 les suive très bien en raison de son plus grand volume. En conséquence, on va avoir apparition de différences oscillatoires de pression entre l'enceinte 3 et l'empilage 2. Autrement dit, ce dernier va "respirer", ce qui va entrainer une fatigue mécanique des joints d'entretoisement. En cas d'incident sur une vanne, par exemple en cas de blocage de la vanne 17 en position ouverte, bl il y aura dépressurisation de l'empilage 2 sans que l'on ait une garantie totale que la pression d'azote dans l'enceinte 3 suive cette dépressurisation. En effet, la pression dans 3 est théoriquement asservie à la pression dans 2 grâce à la boucle 25, mais on n'est nullement assuré que l'incident se produisant sur la vanne 17 ne se produise pas simultanément sur la vanne 30 en bloquant celle-ci par exemple-. En cas de ddpressurisation de l'empilage 2 sans dépressurisation simultanée de l'enceinte 3, l'empilage risque d'être détruit par l'énorme différence de pression mise en jeu. L'installation d'électrolyse selon l'invention ne présente pas ce genre d'inconvénients Elle est caractérisée en ce qu'elle est équipée de moyens de régulation et/ou de sécurité permettant de limiter les variations de la différence de pression entre l'enceinte pressurisée et l'empilage, que ces variations soient accidéntelles ou intentionnelles (cas d'une dépressurisation volontaire par exemple). Un premier mode de réalisation de l'invention consiste à fixer la pression dans l'enceinte à l'aide d'une boucle utilisant un capteur de pression et à faire suivre cette pression~ par le circuit d'électrolyte à l'aide de boucles utilisant des capteurs différentiels ou analogues. Un second mode de réalisation de l'invention, qui peut être éventuellement combiné avec celui défini ci-dessus consiste à relier l'enceinte pressurisée au circuit électrolytique par au moins une canalisation comportant un clapet? anti-retour taré, branché de manière à être "passant" de l'enceinte vers le circuit électrolytique. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'un exemple de réalisation relatif à une installation d'électrolyse de l'eau sous pression, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1, déjà décrite précédemment, représente schématiquement une installation d'électrolyse de l'art antérieur, - la figure 2 représente schématiquement l'installation d'électrolyse de l'invention. En se reportant à la figure 2, on y a désigné par les mêmes chiffres de référence les éléments qui sont identiques à ceux décrits précédemment à propos de l'installation de la figure 1. Tous ces éléments ne seront donc pas décrits à nouveau. Conformément à un premier aspect de l'invention applicable également à une installation de l'art antérieur, l'enceinte 3 est reliée aux canalisations 8 eut 9 de sortie d'anolyte et de catholyte par deux canalisations 32 et 33 comportant chacune un clapet anti-retour, respectivement 34 et 35, dont les ressorts sont tarés à une valeur faible par rapport à la pression de fonctionnement de l'ensemble. Par exemple, les clapets 34 et35 sont tarés à une pression de 1 bar dans le cas d'une pression normale defonctionnement de 70 bars. De la sorte, en cas de dépressurisation, accidentelle ou volontaire, du circuit électrolytique, par exemple par ouverture de la vanne 17, l'azote se trouvant dans la cloche 4 fuira dans les canalisations 6 et 9, et donc dans tout le circuit électrolytique, purgeant celui-ci en toute se- curité au point de vue des risques de création d'un mélange explosif, et évitant une surpression dommageable entre l'enceinte 3 etl'empilage 2. Conformément à un second aspect de l'invention, la régulation des pressions de l'installation s'effectue au moyen de trois boucles de regula- tion qui sont les suivantes - une première boucle de régulation 36 est chargée de fixer à une valeur de base la pression d'azote dans l'enceinte 3. Elle comporte un capteur de pression 37 branché sur l'intérieur de l'enceinte 3, et fournissant un signal à un régulateur 38, qui reçoit la consigne de pression C3 par exemple 70 bars et fournit un signal de sortie à l'électrovanne 29 qui commande ltadmission d'azote, - une deuxième boucle de régulation 39 est chargée de maintenir une différence déterminée de pression entre l'enceinte 3 et le circuit électrolytique.Elle comporte un capteur de pressions différentiel 40 branché d'une part en amont de la vanne d'oxygène 17 et d'autre part sur l'intérieur de l'enceinte 3, et fournissant un signal différentiel de sortie à un régulateur 41, qui reçoit une consigne de pression C4, égale à O par exemple, et fournit un signal de sortie appliqué à la vanne 17, - une troisième boucle de régulation 27, identique à celle décrite en référence à la figure 1, et garantissant une pression dans le circuit d'hydrogène égale à celle du circuit d'oxygène. Dans le cas de fluctuations dans la pression de base appliquée par la consigne C3, ces fluctuations seront absorbées par le grand volume occupé par l'azote de la cloche 4, sans être répercutées sur le circuit électrolytique. L'installation qui vient d'être décrite ne l'est qu'à titre d'exemple, et il est bien évident qu'on pourrait imaginer de nombreuses variantes. Par exemple, on pourrait très bien n'avoir qu'un seul clapet antiretour taré connecté par une canalisation à un endroit quelconque du circuit électrolytique. Par exemple, également, le capteur différentiel 40 pourrait très bien être branché entre l'enceinte 3 et un autre endroit quelconque du circuit électrolytique sous pression, par exemple l'intérieur de l'empilage 2. REVENDICATIONS 1.- Installation d'électrolyse du type comportant un électrolyseur (1) composé d'un empilage étanche (2) de cellules d'électrolyse parcourues par un électrolyte sous pression, ledit empilage étant placé dans une enceinte (3) pressurisée à une valeur de pression telle qu'elle présente une différence déterminée avec celle de l'électrolyte, caractérisée en ce qu'elle est équipée de moyens de régulation et/ou de sécurité permettant de limiter les variations de làdite différence de pres sion.- 2.- Installation d'électrolyse selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite enceinte pressurisée (3) est reliée au circuit électrolytique (8, 9) par au moins une eanalisation (32, 33) comportant un clapet anti-retour taré (34, 35), branché de manière à être "passant" de l'enceinte vers le circuit électrolytique. 3.- Installation d'électrolyse selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce qu'il comporte au moins une première boucle de régulation (36) fixant à- une valeur de base (C3) la pression dans ladite enceinte (3), et au moins une seconde boucle de régulation différentielle (39) maintenant la pression dans le circuit électrolytique à une différence déterminée (C4) par rapport à la pression de base (C3) imposée dans l'enceinte pressurisée (3).