Brevet FR2710076A1 — publié le 19950324

DISPOSITIF D'ELECTROLYSE (SOUS PRESSION) EN STRUCTURE MODULAIRE L'invention a pour objet un dispositif d'électrolyse (sous pression) en structure modulaire pour l'électrolyse de l'eau afin d'obtenir de l'hydrogène et de l'oxygène. La décomposition de l'eau par électrolyse pour obtenir de l'hy- drogène et de l'oxygène est connue depuis longtemps. Au début de l'application industrielle de ce procédé de décomposition, les gaz obtenus ne pouvaient être livrés que sous une suppression maximale de 50 mbar. Comme cette pression n'était pas suffisante pour la plupart des processus industriels nécessitant de l'hydrogène ou de l'oxygène, s'est développée l'électrolyse sous pression. La connaissance du fait que la surtension consommant de l'énergie inutilement dans les cellules diminue pour des pressions plus élevées a alors joué un rôle non négligeable. Avec le procédé d'électrolyse sous pression, les gaz hydrogène et oxygène produits sont obtenus sous une pression d'environ 30 bars. Cette pression est suffisante pour nombre d'applications industrielles utilisant de l'hydrogène et/ou de l'oxygène. Il s'est avéré que dans la pratique, on n'a souvent pas prévu, lors du dimensionnement et du montage du dispositif d'électrolyse (sous pression), une extension possible au cours des années sui- vantes. Dans ces cas, il est alors nécessaire, soit d'installer à côté d'un dispositif d'électrolyse (sous pression) déjà existant d'autres dispositifs d'électrolyse (sous pression), soit d'installer un dispositif plus grand à la place du dispositif d'électrolyse (sous pression) utilisé en premier. L'invention a donc notamment pour objet d'éviter les incon- vénients de l'état de la technique. A cet effet, selon l'invention, le dispositif d'électrolyse (sous pression) comporte au moins deux modules d'électrolyse (sous pression) disposés l'un derrière l'autre, chaque module d'électro- lyse (sous pression) comportant à son tour un récipient sous pres- sion, à l'intérieur duquel est (sont) disposé(s) un (des) bloc(s) cellulaire(s) recevant des cellules d'électrolyse individuelles et chaque récipient sous pression comporte sur au moins l'une de ses faces frontales un joint à bride. Le dispositif d'électrolyse (sous pression) en structure modu- laire selon l'invention permet ainsi de façon simple un montage étagé sur un dispositif d'électrolyse (sous pression) déjà existant. Comme chaque module d'électrolyse (sous pression) présente des di- mensions sensiblement identiques, la fabrication de ce module est simplifiée et finalement le prix des modules diminue.On évite ainsi les éventuels problèmes de transport des modules d'électrolyse (sous pression) entre leur site de fabrication et leur site final d'utili- sation, car les dimensions maximales de chaque module sont choisies de sorte qu'un transport terrestre classique soit possible, par exemple par la route ou par le fer. Outre le montage simple du dispositif d'électrolyse (sous pres- sion) selon l'invention par adjonction de modules supplémentaires, la réparation de modules individuels endommagés peut, de façon cor- respondante, être mise en oeuvre facilement. Dans ce cas, le module endommagé est enlevé de la succession de modules puis réinstallé après la réparation subséquente. Il est aussi possible de prévoir l'installation temporaire d'un module de remplacement. Dans ce der- nier cas, il est possible d'éviter une longue interruption de la production de H2 et de 02. Un mode de réalisation de l'invention est caractérisé en ce que les modules d'électrolyse (sous pression) qui comportent un joint à bride uniquement sur l'une des faces frontales de leur récipient sous pression, sont fermés sur la face frontale opposée par un fond bombé. Les modules prévus pour servir de modules dits d'extémité sont en général fermés sur l'une de leurs faces frontales par un fond bombé. Les modules prévus pour servir de modules dits intermédiaires présentent par contre sur les deux faces frontales un joint à bride. Il est ainsi envisageable de n'installer d'abord que des modules dits intermédiaires sur une succession de modules déjà existants, sur laquelle a été prévu un montage possible sur les deux faces, pour l'installation d'autres modules. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le nombre de cellules dans un bloc cellulaire est compris entre 10 et 300, de préférence entre 50 et 180, en particulier entre 100 et 150. L'invention, ainsi que des variantes de celle-ci seront dé- crites plus en détail sur les figures 1 à 3 qui représentent schématiquement le dispositif d'électrolyse selon l'invention et o les parties identiques du dispositif portent les mêmes chiffres de référence. La figure 1 décrit un module A du dispositif d'électrolyse (sous pression) selon l'invention en structure modulaire. Le module A est constitué d'un récipient sous pression 1 dans lequel se trouve le bloc cellulaire 2 contenant les cellules d'électrolyse indivi- duelles. Le récipient sous pression 1 est fermé de façon étanche sur l'une de ses faces frontales par un fond bombé 3 et sur la face frontale opposée par un couvercle 4. Le module A décrit à la figure 1 est un module dénommé module d'extrémité. La figure 2 décrit par contre un module dit intermédiaire, dans lequel le récipient sous pression 1 est fermé sur les deux faces frontales par un couvercle 4. La figure 3 décrit un dispositif d'électrolyse (sous pression) en structure modulaire, consistant en deux modules A et B et o le module B dit intermédiaire contient alors deux blocs cellulaires individuels 2. En raccordement sur le module B est représenté à droite en tirets un autre module, et on doit comprendre que le dispositif d'électrolyse (sous pression) selon l'invention peut être monté en structure modulaire de façon quelconque selon les besoins. Chaque dispositif d'électrolyse (sous pression) représenté sur les figures 1 à 3 est alimenté par la conduite 5 avec un fluide non- conducteur de l'électricité, de préférence de l'eau d'alimentation épurée nécessaire pour la décomposition. Cette eau circule dans le récipient sous pression au travers du bloc cellulaire 2 et est soutirée finalement par la conduite 6 hors du récipient sous pres- sion 1. Par les conduites 7, 7' et 7", les blocs cellulaires indivi- duels 2 sont alimentés par un mélange d'une lessive alcaline et d'un fluide à décomposer au cours de l'électrolyse, tandis que par les conduites 8, 8' et 8", on soutire le mélange gaz/lessive alcaline. Les conduites 8, 8' et 8" sont évidemment constituées à chaque fois de deux conduites individuelles puisqu'on soutire de chaque bloc cellulaire un mélange hydrogène/lessive alcaline par une conduite et un mélange oxygène/lessive alcaline par une autre conduite. A des fins de clarté, on n'a pas représenté sur les figures 1 à 3 d'autres installations telles que les échangeurs de chaleur pour la lessive alcaline, l'alimentation en eau froide, le chauffage, etc, qui peuvent être prévues à l'intérieur du récipient sous pression 1. Le récipient sous pression 1 des modules dits d'extrémité et intermédiaires ainsi que les installations du récipient sous pression 1, peuvent être fabriqués en série sur une chaîne de fabrication. En fonction des besoins, les modules dits d'extrémité et intermédiaires sont assemblés à l'usine, transportés sur le lieu d'installation, puis assemblés en un dispositif d'électrolyse. La structure modulaire permet une fabrication bon marché en série à l'usine et la réalisation optimale par montage de dispositifs d'électrolyse plus gros sur chaque lieu d'installation et d'utilisa- tion. Lorsque le dispositif d'électrolyse (sous pression) est composé de plusieurs modules, on peut alors alimenter en co-courant chaque bloc cellulaire individuellement, ou bien plusieurs blocs cellu- laires montés en série. Si tel est le cas, le nombre de blocs cellulaires montés en série l'un derrière l'autre est fonction prin- cipalement du nombre de cellules par bloc cellulaire. Le nombre de cellules à l'intérieur d'un bloc cellulaire est compris entre 10 et 300, de préférence 50 et 180, en particulier entre 100 et 150. Le tableau suivant représente des tranches de montage possibles pour un dispositif d'électrolyse en structure modulaire ayant une puissance de l'ordre du MW. Dans ce cas, on conçoit les modules d'extrémité pour 2,5 MW et les modules intermédiaires pour 5 MW, et on les assemble en fonction des besoins de puissance. Il est évident pour l'homme de l'art que, d'après cet exemple, d'autres types d'étages de puissance sont possibles. Puissance MW 2.5 5 7.5 10 12.5 15 etc électrique H2 Nm3/h 600 1200 1800 2400 3000 3600 02 Nm3/h 300 600 900 1200 1500 1800 eau d'alimen- m3/h 0.5 1 1.5 2 2.5 3 tation Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'électrolyse (sous pression) en structure modu- laire pour l'électrolyse de l'eau afin d'obtenir de l'hydrogène et de l'oxygène, caractérisé en ce que le dispositif d'électrolyse (sous pression) comporte au moins deux modules d'électrolyse (sous pression) (A, B,...) disposés l'un derrière l'autre, chaque module d'électrolyse (sous pression) comportant à son tour un récipient sous pression (1), à l'intérieur duquel est (sont) disposé(s) un (des) bloc(s) cellulaire(s) (2) recevant des cellules d'électrolyse individuelles et en ce que chaque récipient sous pression (1) comporte sur au moins l'une de ses faces frontales un joint à bride. 2. Dispositif d'électrolyse (sous pression) en structure modu- laire selon la revendication 1, caractérisé en ce que les modules d'électrolyse (sous pression) (A, B,...) qui comportent un joint à bride uniquement sur l'une des faces frontales de leur récipient sous pression (1), sont fermés sur la face frontale opposée par un fond bombé (3). 3. Dispositif d'électrolyse (sous pression) en structure modu- laire selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le nombre de cellules dans un bloc cellulaire (2) est compris entre 10 et 300, de préférence entre 50 et 180, en particulier entre 100 et 150.