Brevet FR2889543A1 — publié le 20070209

DISPOSITIF AYANT AU MOINS DEUX CHAMBRES JUXTAPOSEES DE MANIÈRE ÉTROITE EMPLIES, RESPECTIVEMENT, D'UN FLUIDE L'invention se rapporte à un dispositif ayant au moins deux chambres juxtaposées de manière étroite dans une partie périphérique extérieure de surfaces frontales ouvertes l'une vers l'autre et emplies, respectivement, d'un fluide d'une pression de processus définie. On trouve un dispositif de ce genre ayant une membrane étanche au gaz recouvrant les surfaces frontales ouvertes, mais perméable aux protons, ainsi qu'un fluide sous la forme d'un mélange d'hydrogène et d'eau déminéralisée dans l'une des deux chambres et sous la forme d'un mélange d'oxygène et d'eau déminéralisée dans l'autre des deux chambres, comme étant des constituants essentiels d'une unité de cellules d'un électrolyseur. Pour rendre étanche le côté hydrogène de l'une des chambres par rapport au côté oxygène de l'autre chambre, il est connu de maintenir la membrane du côté du bord extérieur avec interposition de moyens élastiques d'étanchéité, notamment de ce que l'on appelle des joints toriques, de manière étanche mutuellement suivant un ajustage serré entre les surfaces frontales juxtaposées La membrane soumise à de grandes sollicitations de pression mécanique pulsée peut être avantageusement renforcée par une couche tissée disposée sur sa surface en y étant notamment incorporée ou coulée; ce renfort par une couche tissée emporte cependant une certaine rugosité de surface en raison de laquelle il faut, pour assurer une étanchéité suffisante, augmenter de manière correspondante la pression sur les surfaces d'étanchéité des bords extérieurs de la membrane maintenus par ajustage serré entre les surfaces frontales; mais comme la membrane ne peut être soumise qu'à une pression mécanique limitée, l'utilisation de moyens d'étanchéité connus ayant l'élasticité du caoutchouc, notamment sous la forme de joints plats ou de joints toriques, a des limites. On connaît, en outre, un électrolyseur ayant un bloc de cellules d'électrolyse mises dans un boîtier résistant à la pression et entouré complètement par un espace tampon (DE 20 2005 003 934 Ul), dans lequel l'espace tampon est alimenté en un fluide tampon dont la pression de fonctionnement est toujours supérieure à la pression du système d'électrolyse; par une surpression de ce genre, on cherche à empêcher une sortie intempestive des milieux participant à l'électrolyse en cas de fuite du boîtier recevant le bloc de cellules d'électrolyse. L'invention vise donc un dispositif du type mentionné ci-dessus qui assure sans charge mécanique plus grande de la membrane par des moyens simples une étanchéité mutuelle fiable des chambres, notamment dans le cas d'un électrolyseur ou d'une pile à combustible, et qui empêche une sortie de l'hydrogène gazeux d'une part et de l'oxygène gazeux d'autre part, et ainsi le danger d'un mélange de ces gaz en un gaz détonant explosif. L'invention a donc pour objet un dispositif ayant au moins deux chambres juxtaposées dans une partie de pourtour extérieur de surfaces frontales sinon ouvertes l'une vers l'autre d'une manière étanche avec interposition d'une membrane recouvrant l'une d'entre elles et emplies, respectivement, d'un fluide à une pression de processus définie, caractérisé en ce qu'il est prévu comme moyens pour empêcher une sortie du fluide entre les surfaces frontales un fluide d'arrêt, refoulé de l'extérieur en sens opposé et ayant une pression d'arrêt en conséquence plus grande que la pression de processus, dans un canal annulaire d'arrêt entourant dans la partie périphérique les surfaces frontales 1uxtaposees à la membrane et communiquant avec les chambres par une liaison de passage. De préférence, le dispositif est caractérisé - par une disposition du canal annulaire d'arrêt dans les surfaces frontales des chambres juxtaposées dans la partie périphérique; - par un moyen d'étanchéité extérieur élastique empêchant une sortie du liquide d'arrêt radialement vers l'extérieur entre les surfaces frontales et disposé entre les surfaces frontales juxtaposées en étant radialement à l'extérieur du canal annulaire d'arrêt; - par une membrane en polymère étanche au gaz et perméable aux protons en tant que membrane recouvrant les 15 parties ouvertes des surfaces frontales; - par un renfort en une couche tissée structurée, notamment incorporée, pour augmenter la résistance mécanique dans la partie d'au moins l'une des deux surfaces frontales de la membrane; - en ce qu'il comprend un logement de maintien du côté du bord extérieur de la membrane incluant, le cas échéant, le renfort en une couche tissée entre les surfaces frontales juxtaposées par l'intermédiaire d'un moyen élastique de maintien de la membrane interposée, notamment par un anneau de maintien ayant l'élasticité du caoutchouc; et une pression élastique de maintien du moyen de maintien de la membrane diminuée par rapport à la pression d'étanchéité comprise entre les surfaces frontales et la membrane; - par une disposition du canal annulaire d'arrêt radialement à l'extérieur du moyen de maintien de la membrane; - par une formation des chambres à partir de canaux annulaires de processus; - par une constitution sous la forme d'une unité de cellules d'un électrolyseur; - par une constitution sous la forme d'une unité de pile d'une pile à combustible; - par une constitution de l'une des chambres ayant des canaux annulaires de processus s'étendant dans la surface frontale ouverts par rapport à la membrane s'appliquant par son côté frontal ayant une ouverture d'entrée d'eau de processus et une ouverture de sortie d'eau de processus et d'oxygène; - par une constitution de l'autre chambre ayant des canaux annulaires de processus s'étendant dans la surface frontale ouverts par rapport à la membrane s'appliquant à son autre côté frontal ayant une ouverture d'entrée d'eau de processus et une ouverture de sortie d'hydrogène et d'eau de processus. - par une constitution de l'une des chambres ayant des canaux s'étendant dans la surface frontale ouverts par rapport à la membrane s'appliquant à son côté frontal ayant une ouverture d'entrée d'oxygène et une ouverture de sortie d'oxygène et d'eau de processus; - par une constitution de l'autre chambre ayant des canaux s'étendant dans la surface frontale ouverts par rapport à la membrane s'appliquant à son autre côté frontal ayant une ouverture d'entrée d'hydrogène et une ouverture de sortie d'hydrogène et d'eau de processus. En conservant la structure de base du dispositif, notamment d'un électrolyseur ou d'une pile à combustible, on peut empêcher d'une manière sûre par la surpression du fluide d'arrêt prévu supplémentairement une sortie du fluide des chambres dans la partie de bord de la membrane se trouvant entre les surfaces frontales et ainsi une rencontre de l'hydrogène gazeux et de l'oxygène gazeux dans le cas d'un électrolyseur ou d'une pile à combustible et cela par des moyens simples et cela même dans le cas d'une membrane très sollicitée mécaniquement qui empêche d'utiliser un renfort en une couche tissée; d'une manière particulièrement simple du point de vue de la technique de fabrication, le fluide d'arrêt est reçu par un canal annulaire d'arrêt entourant les surfaces frontales juxtaposées dans la partie périphérique à rendre étanche et en communication de passage avec les chambres. Pour simplifier encore la technique de construction, le canal annulaire d'arrêt est formé dans les surfaces des chambres juxtaposées dans la partie périphérique; une étanchéité du canal annulaire d'arrêt composé de deux parties annulaires de chambre a lieu vers l'extérieur radialement suivant un mode de réalisation de l'invention par un moyen d'étanchéité extérieur élastique disposé entre les surfaces frontales juxtaposées et pouvant être repoussé par une pression d'étanchéité suffisante; la membrane est serrée entre les surfaces frontales juxtaposées avantageusement radialement à l'intérieur du canal annulaire par un moyen élastique de maintien de la membrane qui, en raison de l'étanchéité par la surpression du fluide d'arrêt, agit sur la membrane ou sur la membrane et son support en couche tissée seulement avec une pression de maintien diminuée par rapport à la pression d'étanchéité qui serait sinon nécessaire. L'invention ainsi que des modes de réalisation avantageux de l'invention sont, sans être limités à ceux-ci, explicités dans ce qui suit d'une manière plus précise au moyen d'exemples de réalisation représentés schématiquement au dessin, dans lequel: la Figure 1 est une vue en coupe axiale d'un empilement de cellules contenant plusieurs unités de cellules d'une installation d'électrolyseur; la Figure 2 représente une unité de cellules d'une installation d'électrolyseur; la Figure 3 est la vue suivant III de la Figure 2 de l'unité de cellules; la Figure 4 est la vue suivant IV de la Figure 2 de l'unité de cellules; la Figure 5 est une vue partielle à plus grande échelle de la partie V de la Figure 2 de l'unité de cellules. Dans les Figures, l'invention est explicitée à l'aide d'une installation d'électrolyseur dans laquelle de l'eau est décomposée par électrolyse en ses constituants de base, à savoir l'hydrogène et l'oxygène; le processus inverse se déroule dans une pile à combustible. La structure mécanique de base est connue, par exemple, par le WO 01/48845, l'étanchéité mutuelle entre les piles et la membrane étant produite notamment par un joint élastique pressé sur la membrane par une pression d'étanchéité adéquate. Une plaque 1 polaire du côté de l'anode (pôle +) sous la forme d'une embase en titane ayant une surface 1.2 frontale s'applique avec interposition d'un isolant 10 électrique à une plaque 2 polaire du côté cathodique (pôle -) sous la forme d'une embase en titane ayant une surface 2.2 frontale. Dans les surfaces frontales juxtaposées sont prévus des canaux 1.1; 2.1 annulaires de processus formant des chambres ouverts du côté frontal et recevant le fluide de processus, ces canaux étant séparés par une membrane 4 PEM perméable aux protons ayant des électrodes des deux côtés de façon à ce qu'en appliquant une tension l'eau déminéralisée passant du côté anodique dans les canaux 1.1 annulaires de processus soit décomposée par effet catalytique et de façon à créer de l'oxygène, des électrons libres ainsi que des ions hydrogène qui diffusent à travers la membrane 4 du côté de la cathode où ils se combinent avec les électrons pour donner de l'hydrogène. Les plaques 1 et 2 polaires peuvent être bloquées mutuellement du côté du bord extérieur par des vis 12 avec interposition d'entretoises Il. Pour augmenter la compacité d'un empilement de cellules, on peut constituer suivant la Figure 1 les plaques polaires voisines sous la forme de plaques polaires doubles ayant des canaux annulaires de processus des deux côtés frontaux. L'étanchéité avantageuse par rapport à la solution connue pour empêcher que se produise un mélange explosif oxygène-hydrogène est explicitée dans ce qui suit essentiellement en se reportant à la vue partielle à plus grande échelle de la Figure 5. La Figure 5 montre suivant une vue partielle à plus grande échelle de la Figure 2 dans une partie périphérique extérieure des surfaces 1.2 et 2.2 frontales étroitement juxtaposées de plaques 1 et 2 polaires sous la forme de, respectivement, une embase en titane. Comme chambres recevant un fluide ce processus, notamment de l'eau déminéralisée, il est prévu dans la plaque 1 polaire du côté de l'anode des canaux 1.1 annulaires de processus ouverts du côté de la surface frontale et dans la plaque 2 polaire du côté de la cathode des canaux 2.1 annulaires de processus ouverts du côté de la surface frontale. Le canal 1.1 annulaire de processus du côté de l'anode a une ouverture 1. 11 d'entrée d'eau de processus ainsi qu'une ouverture 1.12 de sortie d'oxygène-eau de processus; le canal 2.1 annulaire de processus du côté de la cathode a une ouverture 2.11 d'entrée d'eau de processus ainsi qu'une ouverture 2.12 de sortie d'hydrogène-eau de processus. Les côtés ouverts des canaux 1.1 annulaires de processus du côté de l'anode sont munis par rapport aux côtés ouverts des canaux 2.1 annulaires du côté de la cathode d'une manière en soi connue d'une membrane PEM 4 ayant un revêtement 8 d'iridium du côté de l'anode et un revêtement 9 de platir.e du côté de la cathode, ainsi que d'un disque 13 fritté en titane poreux des deux côtés. Il est intégré dans une surface frontale de la membrane 4 un renfort qui n'est pas représenté ici en tissu tissé qui peut être coulé, par exemple. À l'extérieur radialement de la membrane 4, il est prévu suivant l'invention un canal 3 annulaire d'arrêt faisant le tour, notamment tant comme partie de la plaque 1 polaire du côté de l'anode que comme partie de la plaque 2 polaire du côté de la cathode et communiquant par un canal 3.3 de liaison avec des espaces éventuels de sortie du fluide se trouvant du côté de l'anode et/ou du côté de la cathode; le canal 3 annulaire d'arrêt peut aussi ne faire partie que de l'une des plaques polaires. La membrane 4 sensible à la charge de la pression est reçue par un moyen 7 élastique de maintien de la membrane entre les surfaces 1.1; 2.1 frontales dont la pression de maintien dans la présente invention peut avantageusement être sensiblement plus petite qu'une pression de compressicn nécessaire d'une manière connue également pour assurer une étanchéité sûre. L'étanchéité proprement dite est obtenue par la surpression du fluide d'arrêt dans le canal 3 annulaire d'arrêt par laquelle le refoulement vers l'extérieur d'oxygène gazeux dans la partie comprise entre la membrane 4 et la surface 1.1 frontale d'une part ou d'hydrogène gazeux dans la partie comprise entre la membrane 4 et la surface 2.1 frontale d'autre part, et ainsi la création d'un mélange oxygène-hydrogène, peut être empêché d'une manière sûre par des moyens simples. De l'eau déminéralisée de blocage suintant éventuellement en raison de la surpression du canal 3 annulaire de blocage dans un canal 1.1 ou 2.1 annulaire de processus ne perturbe pas le processus chimique ou catalytique d'un électrolyseur ou d'une pile à combustible fonctionnant suivant le processus chimique ou catalytique inverse. Une fuite radialement vers l'extérieur du canal 3 annulaire d'arrêt peut, suivant un mode de réalisation de l'invention, être empêchée par un moyen 6 d'étanchéité extérieur supplémentaire, notamment un joint torique, pouvant être refoulé entre les surfaces frontales à l'extérieur de la membrane avec une pression d'étanchéité suffisante. On peut résumer essentiellement l'invention de la manière suivante. Dans une partie périphérique extérieure d'au moins deux chambres étroitement juxtaposées par des surfaces 1.1; 2.2 frontales sinon ouvertes l'une vers l'autre avec interposition d'une membrane 4 recouvrant l'une de celles-ci emplies, respectivement, d'un fluide d'une pression de processus définie, notamment formée de canaux 1.1; 2.1 annulaires de processus, la zone où une sortie menace est pour empêcher une sortie du fluide respective entre les surfaces 1.2; 2.2 frontales entourée d'un fluide d'arrêt extérieur s'opposant à la pression dans un canal 3 annulaire d'arrêt ayant une pression d'arrêt plus grande que la pression du processus. REVENDICATIONS 1. Dispositif ayant au moins deux chambres juxtaposées dans une partie de pourtour extérieur de surfaces (1.2; 2.2) frontales sinon ouvertes l'une vers l'autre de manière étanche avec interposition d'une membrane (4) recouvrant l'une d'entre elles et emplies, respectivement, d'un fluide à une pression de processus définie, caractérisé en ce qu'il est prévu comme moyens pour empecher une sortie du fluide entre les surfaces (1.1; 2.2) frontales un fluide d'arrêt, refoulé de l'extérieur en sens opposé et ayant une pression d'arrêt en conséquence plus grande que la pression de processus, dans un canal (3) annulaire d'arrêt entourant dans la partie périphérique les surfaces (1.2; 2.2) frontales juxtaposées la membrane (4) et communiquant avec les chambres par une liaison de passage. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé - par une disposition du canal (3) annulaire d'arrêt dans les surfaces (1.2; 2.2) frontales des chambres juxtaposées dans la partie périphérique. 3. Dispositif suivant la revendication 1 et/ou 2, caractérisé -par un moyen (6) d'étanchéité extérieur élastique empêchant une sortie du liquide d'arrêt radialement vers l'extérieur entre les surfaces (1.2; 2.2) frontales et disposé entre les surfaces (1.2; 2.2) frontales juxtaposées en étant radialement à l'extérieur du canal (3) annulaire d'arrêt. 4. Dispositif suivant au moins l'une des revendications 1 à 3, caractérisé - par une membrane en polymère étanche au gaz et perméable aux protons en tant que membrane (4) recouvrant les parties ouvertes des surfaces (1.2; 2.2) frontales. 5. Dispositif suivant au moins l'une des revendications 1 à 4, caractérisé - par un renfort (5) en une couche tissée structurée, notamment incorporée, pour augmenter la résistance mécanique dans la partie d'au moins l'une des deux surfaces (1.2; 2.2) frontales de la membrane (4). 6. Dispositif suivant au moins l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un logement de maintien du côté du bord extérieur de la membrane (4) incluant, le cas échéant, le renfort (5) en une couche tissée entre les surfaces (1.2; 2.1) frontales juxtaposées par l'intermédiaire d'un moyen (7) élastique de maintien de la membrane interposée, notamment par un anneau (7) de maintien ayant l'élasticité du caoutchouc; et - une pression élastique de maintien du moyen (7) de maintien de la membrane diminuée par rapport à la pression d'étanchéité comprise entre les surfaces (1.1; 2.1) frontales et la membrane (4). 7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé - par une disposition du canal (3) annulaire d'arrêt radialement à l'extérieur du moyen (7) de maintien de la membrane. 8. Dispositif suivant au moins l'une des revendications 1 à 7, caractérisé - par une formation des chambres à partir de canaux (1.1; 2.1) annulaires de processus. 9. Dispositif suivant au moins l'une des revendications 1 à 8, caractérisé - par une constitution sous la forme d'une unité de cellules d'un électrolyseur. 10. Dispositif suivant au moins l'une des revendications 1 à 8, caractérisé - par une constitution sous la forme d'une unité de pile d'une pile à combustible. 11. Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé - par une constitution de l'une des chambres ayant des canaux (1.1) annulaires de processus s'étendant dans la surface (1.2) frontale ouverts par rapport à la membrane (4) s'appliquant par son côté frontal ayant une ouverture (1. 11) d'entrée d'eau de processus et une ouverture (1.12) de sortie d'eau de processus et d'oxygène; - par une constitution de l'autre chambre ayant des canaux (2.1) annulaires de processus s'étendant dans la surface (2.2) frontale ouverts par rapport à la membrane (4) s'appliquant à son autre côté frontal ayant une ouverture (2.11) d'entrée d'eau de processus et une ouverture (2.12) de sortie d'hydrogène et d'eau de processus. 12. Dispositif suivant la revendication 10, caractérisé - par une constitution de l'une des chambres ayant des canaux s'étendant dans la surface frontale ouverts par rapport à la membrane s'appliquant à son côté frontal ayant une ouverture d'entrée d'oxygène et une ouverture de sortie d'oxygène et d'eau de processus; par une constitution de l'autre chambre ayant des canaux s'étendant dans la surface frontale ouverts par rapport à la membrane s'appliquant à son autre côté frontal ayant une ouverture d'entrée d'hydrogène et une ouverture de sortie d'hydrogène et d'eau de processus.