Brevet FR2838139A1 — publié le 20031010

-1 La présente invention concerne un dispositif destiné à réaliser l'électrolyse de solutions liquides à partir d'une source principale d'énergie mécanique. Un apport d'énergie électrique ou des aimants permanents sont nécessaires pour l' excitation du dispositif L'électrolyse est habituellement obtenue à partir d'énergie électrique fournie par le réseau de distribution. Les équipements d'électrolyses de ce type nécessitent de transformer l'électricité à courant variable et moyenne ou haute tension en courant électrique continu de faible tension et de forte intensité. Lorsque l'énergie initiale est disponible sous forme mécanique, les solutions classiques font appel à une génératrice permettant de convertir l'énergie mécanique en énergie électrique. Ces différents intermédiaires augmentent le coût de l'ensemble, en réduisent la fiabilité et diminuent le rendement de la transformation. Le dispositif selon l' invention permet à partir d'une source électrique d' excitation de transformer une énergie mécanique de rotation en énergie chimique par électrolyse. Le dispositif selon l' invention réduit le nombre de pièces constitutives et se prête à la réalisation d'équipements roLustes et fiables pouvant traiter des puissances importantes. Le dispositif d'électrolyse comporte une génératrice de courant électrique continu qui est intégré à l'équipement et effectue la transformation de l'énergie mécanique de rotation en utilisant un générateur homopolaire. Le dispositif est constitué d'une pièce en rotation, appelé rotor, comportant une ou plusieurs paires de bobines de génération de champs magnétiques continus. La configuration des bobines et du circuit magnétique qui les entoure conduit à la génération d'un champ magnétique suivant l'axe du rotor dans le plan de chaque bobine et orChogonal à l'axe du rotor dans une région située entre les paires de bobines (champ radial). Le mouvement relatif du rotor et d'un cylindre -2- conducteur fixe, stator, soumis au champ radial produit une différence de tension aux bornes du cylindre. Deux électrodes placces aux extrémités du cylindre baignent dans le liquide à électrolyser. Selon un mode particulier de réalisation, une seconde paire de bobines situce à l'extérieure de la première paire vient créer un champ radial orienté à l'opposé du premier. Dans ce cas, le stator comporte deux tronçons de cylindre aux extrémités desquels les électrodes sont fixées. Ces deux lO tronçons cylindriques supplémentaires sont isolés du premier cylindre à l' exception des extrémités qu'ils ont en commun. Physiquement, ce montage permet de rapprocher les électrodes pour favoriser la migration des ions qui interviennent dans le processus d'électrolyse. D'une manière générale, le générateur homopolaire peut comporter plusieurs circuits magnétiques d' excitation et plusieurs induits permettant d' augmenter la différence de tension produite. Le mouvement relatif du rotor et du stator ainsi que le champ magnétique radial induit provoque le déplacement des ions au sein des liquides électrolytiques et favorise de ce fait le phénomène d'électrolyse. Selon un mode particulier de réalisation, une membrane perméable aux ions sépare les deux électrodes immergées dans les électrolyLes. Cette membrane semi-perméable sépare les électrolyLes tout en permettant le passage des ions qui interviennent dans la réaction d'électrolyse Une tuyauterie permet de renouveler les électrolyLes. Ce circuit sert à transtérer les électrolyLes et les gaz dégagés par la réaction d'électrolyse. La circulation des électrolyLes favorise le dégazage au niveau des électrodes. Sur le circuit, un réservoir permet de séparer l'électrolyte des gaz produits par l'électrolyse. Pour les gaz, ce dispositif simple peut être complété par un séchage par effet cyclonique ou par condensation. Les électrolytes peuvent étre refroidis dans un radiateur à air ou à eau. Un mélangeur éventuel permet de conserver l'équilibre ionique initial des solutions. Selon un mode de réalisation non représenté, les pompes de transfert des électrolyLes sont actionnces par le rotor. La circulation des électrolyLes permet de favoriser le dégazage des électrodes, de réaupérer les gaz produits, de renouveler et d'équilibrer les solutions électrolytiques. Le courant électrique nocessaire aux différentes paires de bobines utilisées pour la génération des champs magnétiques est fourni au rotor soit par un ensemble collecteur tournant - balais, soit par un couplage inductif entre deux bobines paraourues par un courant alternatif qui est ensuite transformé sur le rotor en courant continu d' excitation, soit en dernier lieu par une paire de bobines faisant office de générateur homopolaire vis à vis d'un cylindre conducteur tournant avec le rotor. Dans ce cas, le pilotage de l'ensemble est obtenu à travers le courant paraourant ce couple de bobines. Avec cette solution, le système fonctionne dans les deux sens de rotation sans avoir à inverser le courant d' excitation initial. Le système est alors caractérisé par l'utilisation d'un circuit d' excitation des bobines d'électrolyse lui-même de type homopolaire. En absence de courant d' excitation, la paire de bobines peut être remplacée par des aimants permanents. Bien que moins pratique à réaliser l'équipement peut être concu en inversant le rôle du rotor et du stator. Les bobines sont alors fixes. Les électrodes et les encointes d'électrolyLes sont alors mobiles. Le dispositif décrit peut être répété à plusieurs reprises sur l'axe de rotation. Il y a alors plusieurs ensembles d'électrolyse sur le même équipement partageant une unique source d'énergie mécanique. Selon un mode particulier de réalisation non représenté, l'équipement peut être réalisé à partir d'un générateur homopolaire excité par un champ magnétique axial appliqué sur un disque. Le générateur est alors de type discoïde. Les dessins annexés illustrent un exemple de réalisation de -4l'invention: La figure 1 représente en coupe, le dispositif selon l' invention. La figure 2 illustre en coupe les principes physiques mis en _uvre. En référence à ces dessins, le dispositif comporte un axe (1) de rotation du rotor (18). Le signe O (22) indique un déplacement vers l' avant de la partie supérieure du rotor par rapport au plan de coupe. Le signe X indique un déplacement vers l'arrière de la partie inférieure du rotor. Une convention identique est appliquée pour le courant électrique continu qui paraourt les différentes bobines d' induction: À X vers l'arrière (24) , À O vers l' avant (25). Une première paire (2) et (9) de bobines d' excitation permet de générer un champs magnétique radial centrifuge (20) appliqué à un premier cylindre métallique conducteur (4). Le mouvement relatif de rotation du rotor et du stator entraîne une différence de tension (21) au borne de l'induit. Cette différence de tension provoque la circulation d'un courant ainsi qu'un phénomène d'électrolyse au niveau des électrodes (5) et (7) qui baignent dans le liquide (15) et (16) à électrolyser. Une enveloppe étanche (17) retient les électrolytes. Cette enveloppe comporte sur sa base et sur son pourtour extérieur des orifices permettant de renouveler les électrolyLes et de prélever les gaz dogagés par l'électrolyse. La circulation des liquides fait appel à un circuit non représenté qui comporte un dispositif de séparation liquide / gaz, des radiateurs permettant de réquler la température des électrolyLes, des organes d' équilibrage et d' apport d'électrolyLes. L' ensemble de circulation des électrolytes est mu par des pompes annexes. Une seconde paire de bobines inductrices (3) et (8) produit un champ magnétique continu radial centripète (23). Le mouvement relatif du champs magnétique radial et des deux troncons cylindriques conducteurs extérieurs génèrent une différence de tension qui vient renforcer la tension induite par la première paire de bobines. Les deux induits cylindriques sont isolés par un cylindre isolant (19). Cet isolant peut intégrer des matériaux magnétiques pour améliorer la distribution des champs et le rendement de l'ensemble. Les électrolyLes peuvent être séparés par une membrane semi-perméable (6). Le champ magnétique radial induit par la seconde paire de bobines et le mouvement relatif du rotor et du stator exerce une force sur les anions et les cations qui favorise la migration de ces derniers et favorise le processus d'électrolyse. Le premier ensemble peut étre complété par une succession ensembles (14) montés sur le même axe. Une génératrice homopolaire inverse de la précédente (bobines (10) et (12) sur le stator (11) et induit (13) sur le rotor) permet de générer le courant qui parcourt les bobines inductrices liées au rotor. Au premier ordre, l'énergie produite par ce montage évolue comme la puissance quatrième de la vitesse de rotation. Cette loi, proche de celle d'une éolienne à pas constant, facilite le couplage direct de ce type d' électrolyseur avec l' éolienne. -6 REVENDICATIONS 1. Dispositif déélectrolyse caractérisé en ce que la génératrice de courant continu principale est intégrée à l'équipement et effectue la transformation d'une source dénergie mécanique rotative en utilisant un générateur homopolaire. 2.Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le générateur homopolaire peut comporter plusieurs circuits magnétiques d'excitation et plusieurs induits permettant d' augmenter la différence de tension produite. 3.Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le mouvement relatif du rotor et du stator ainsi que le champ magnétique radial induit provoque le déplacement des ions au sein des liquides électrolytiques pour favoriser le phénomène d'électrolyse. 4.Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'une membrane semi-perméable sépare les électrolytes tout en permettant le passage des ions qui interviennent dans la réaction d'électrolyse. 5.Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'une circulation des électrolytes permet de favoriser le dégazage des électrodes, de récupérer les gaz produits, de renouveler et d'équilibrer les solutions électrolytiques. 6.Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par l'utilisation d'un circuit d' excitation des bobines d'électrolyse lui-même de type homopolaire. 7.Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par l' existence de plusieurs ensembles d'électrolyse sur le même