Brevet FR2911614A1 — publié le 20080725

Dispositif ayant au moins deux chambres emplies de fluide L'invention se rapporte à un dispositif ayant au moins deux chambres disposées étroitement l'une contre l'autre dans une partie périphérique extérieure de deux 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 recouvrant les surfaces frontales ouvertes, étanche aux gaz 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 ou sous la forme d'un mélange d'oxygène et d'eau déminéralisée dans l'autre des deux chambres, comme élément constitutif essentiel d'une unité de cellule 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 mutuellement de manière étanche à ajustage serré la membrane du côté du bord extérieur, avec interposition de moyens d'étanchéité élastiques, notamment de ce que l'on appelle des joints toriques, entre les surfaces frontales se trouvant l'une contre l'autre (WO 01/48845 A2). La membrane, exposée en fonctionnement a de grandes sollicitations de pression mécaniques pulsées, peut être avantageusement renforcée par une couche tissée, notamment incorporée ou coulée, disposée sur sa surface ; ce renfort en couche tissée emporte cependant une certaine rugosité de surface, en raison de laquelle il faudrait, pour assurer une étanchéité suffisante, augmenter en conséquence la pression sur les surfaces d'étanchéité des bords extérieurs de la membrane maintenue à 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 ayant l'élasticité du caoutchouc, qui sont connus, notamment sous la forme de joints plats ou de joints toriques, a des limites. On connaît, en outre, un électrolyseur ayant des blocs de cellules d'électrolyse disposés dans une enveloppe résistant à la pression et entourés complètement d'un espace tampon (DE 20 2005 003 934 Ul), l'espace tampon étant 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 dans l'enveloppe recevant le bloc de cellules d'électrolyse. La présente invention vise donc un dispositif du type mentionné ci-dessus qui, sans sollicitations mécaniques excessives de la membrane et avec des moyens simples, assure une étanchéité mutuelle fiable des chambres, notamment dans le cadre d'un électrolyseur ou d'une pile à combustible et 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 détonnant explosif. L'invention a donc pour objet un dispositif comprenant au moins deux chambres disposées dans une partie périphérique extérieure de surfaces frontales en étant étroitement l'une contre l'autre, avec interposition d'une membrane recouvrant ces surfaces, et emplies respectivement d'un fluide de processus d'une pression de processus définie, caractérisé en ce qu'il est prévu comme moyen pour empêcher une sortie du fluide de processus entre les surfaces frontales un fluide d'arrêt appliquant de l'extérieur une pression opposée et ayant une pression d'arrêt plus grande que la pression de processus dans un canal annulaire d'arrêt entourant les surfaces frontales se trouvant l'une contre l'autre et la membrane dans la partie périphérique et qui est en communication avec les chambres de manière à ce que le fluide d'arrêt puisse, après avoir passé dans le canal annulaire d'arrêt, être envoyé aux chambres en tant que fluide de processus. De préférence : - le dispositif est caractérisé par une 5 formation des chambres à partir de canaux annulaires de processus, le dispositif comprend une ouverture d'entrée de fluide d'arrêt, d'une part, et une ouverture de sortie du fluide de processus, d'autre part, associées 10 à chaque canal annulaire d'arrêt, une ouverture d'entrée du fluide de processus, d'une part, et une ouverture de sortie du fluide de processus, d'autre part, associées à chaque chambre, une communication de courant allant de l'ouverture de sortie du fluide d'arrêt à l'ouverture 15 d'entrée du fluide de processus, - le dispositif comprend un dispositif de réduction de la pression dans la communication de courant entre le canal annulaire d'arrêt et les chambres ou les canaux annulaires de processus, au moyen duquel la 20 pression d'arrêt du fluide d'arrêt peut être adaptée à la pression du processus du fluide du processus, une utilisation de l'ouverture d'entrée du fluide d'arrêt comme ouverture d'emplissage ou de remplissage par le fluide d'arrêt ayant la pression 25 d'arrêt plus grande, - une position du canal annulaire d'arrêt dans les surfaces frontales des chambres se trouvant l'une à côté de l'autre dans la partie périphérique, une constitution de l'une des chambres ayant 30 des canaux annulaires de processus s'étendant dans sa surface frontale et ouverts par rapport à la membrane s'appliquant sur son côté frontal ou d'un canal annulaire d'arrêt ouvert par rapport à la surface frontale de l'autre chambre, une constitution de l'autre chambre 35 ayant des canaux annulaires de processus s'étendant dans sa surface frontale et ouverts par rapport à la membrane s'appliquant par son autre côté frontal ou par rapport à la surface frontale des canaux annulaires d'arrêt ouverts bar rapport à la surface frontale de l'une des chambres, une membrane étanche aux gaz et perméable aux protons, notamment par une membrane polymère en tant que membrane recouvrant les parties ouvertes des surfaces frontales, une constitution en unité de cellules d'un électrolyseur, une constitution en unité de cellules d'une 10 pile à combustible. En conservant la structure de base du dispositif, notamment d'un électrolyseur ou d'une pile à combustible on peut, par la surpression du fluide d'arrêt prévu supplémentairement, empêcher d'une manière fiable une 15 sortie du fluide respective des chambres dans la partie de bord de la membrane se trouvant entre les surfaces frontales et ainsi une réunion d'hydrogène gazeux et d'oxygène gazeux, dans le cas d'un électrolyseur ou d'une pile à combustible, cela s'effectuant par des moyens 20 simples et, dans le cas d'une grande sollicitation mécanique de la membrane, en utilisant sans obstacle un renfort en tissu tissé ; d'une façon particulièrement simple du point de vue de la technique de fabrication, le fluide d'arrêt est reçu par un canal annulaire d'arrêt 25 entourant les surfaces frontales se trouvant l'une contre l'autre dans la partie périphérique à rendre étanche et en communication de passage avec les chambres. Par le montage en série du courant du fluide d'arrêt et du courant du fluide de processus venant ensuite, on 30 obtient, si l'on suppose qu'un dommage se produit entraînant une chute ou même une perte complète de la pression d'arrêt, par le transport qui se produit alors du fluide de processus dans les chambres, une mise à l'arrêt de sécurité quasi automatique, qui empêche qu'il 35 se produise un mélange dangereux d'hydrogène et d'oxygène, en raison du fait que la contre pression du fluide d'arrêt assurant l'étanchéité fait défaut. Suivant un mode de réalisation de l'invention, les chambres - tout dans le cas du canal annulaire d'arrêt - sont formées à partir de canaux annulaires de processus en tant que partie des plaques polaires. Avantageusement, pour adapter la pression d'arrêt du fluide d'arrêt sortant après être passé dans les chambres, notamment dans les canaux annulaires de processus, du fluide d'arrêt sortant, à la pression du processus du fluide de processus entrant dans les canaux de processus, il est prévu un dispositif de réduction de la pression dans la communication du courant entre la sortie du canal annulaire d'arrêt et l'entrée du canal annulaire de processus. L'invention ainsi que des modes de réalisation avantageux de l'invention seront explicités d'une manière plus précise, sans que l'invention y soit limitée, dans ce qui suit au moyen d'exemples de réalisation représentés schématiquement aux dessins. La figure 1 est une vue en coupe axiale d'une 20 unité de cellule suivant l'invention d'une installation d'électrolyseur ; la figure 2 est une vue en coupe axiale d'un empilement de cellules comportant plusieurs unités de cellules, d'une installation d'électrolyseur sans 25 indication détaillée des comportements des fluides ; la figure 3 est une vue en plan III de l'unité de cellule de la figure 1 ; la figure 4 est une vue en plan IV de l'unité de cellule suivant la figure 1 ; 30 la figure 5 est une vue partielle de l'unité de cellule de la figure 1 à plus grande échelle. L'invention est explicitée dans les figures en utilisant une installation d'électrolyseur dans laquelle de l'eau est décomposée par électrolyse en ses 35 constituants de base, l'hydrogène et l'oxygène ; le processus inverse se déroule dans une pile à combustible. La structure mécanique théorique est connue, par exemple, par le WO 01/48845 A2, dans lequel notamment l'étanchéité mutuelle entre les cellules et la membrane est obtenue par un joint élastique pressé sur la membrane par une pression de joint correspondant. Une plaque 1 polaire du côté de l'anode (pôle +) sous la forme d'un corps de base en titane ayant une surface 1.2 frontale s'applique avec interposition d'un isolant 10 électrique à une plaque 2 polaire du côté de la cathode (pôle -) sous la forme d'un corps de base en titane ayant une surface 2.2 frontale. Dans les surfaces frontales se trouvant l'une devant l'autre, sont prévus des canaux 1.1 ; 2.1 annulaires de processus formant des chambres, ouverts du côté frontal, de réception du fluide de processus respectif, qui sont séparés les uns des autres par une membrane 4 perméable aux protons, notamment par une membrane PEM ayant des électrodes de part et d'autre, de sorte que, lorsqu'une tension est appliquée, l'eau déminéralisée envoyée du côté de l'anode dans les canaux 1.1 annulaires de processus se décompose par effet catalytique et qu'il se forme 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 l'une contre l'autre par des vis 12 du côté de bord extérieur avec interposition d'entretoises 11. Pour augmenter la compacité d'un empilement de piles on peut, suivant la figure 2, former 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 et décrite dans la demande de brevet 10 2005 037 370 B3, pour empêcher que se produise un mélange explosif d'oxygène et d'hydrogène sera explicitée dans ce qui suit essentiellement en se reportant à la vue partielle à plus grande échelle de la figure 5. La figure 5 représente, en tant que vue partielle à plus grande échelle de la figure 1, dans une partie périphérique extérieure, les surfaces 1.2 et 2.2 frontales étroitement l'une contre l'autre de plaques 1 et 2 polaires sous forme respectivement d'un corps de base en titane. Comme chambres recevant du fluide de 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 de fluide de processus ainsi qu'une ouverture 1.12 de sortie de fluide de processus pour l'oxygène ; le canal 2.1 annulaire de processus du côté de la cathode a une ouverture 2.11 d'entrée de fluide de processus ainsi qu'une ouverture 2.12 de sortie d'hydrogène-fluide de processus. Du côté ouvert des canaux 1.1 annulaires de processus du côté de la cathode sont, par rapport au côté ouvert des canaux 2.1 annulaires du côté de la cathode, d'une manière en soi connue, séparés par une membrane 4 PEM ayant un revêtement 8 d'iridium du côté de l'anode et un revêtement 9 de platine du côté de la cathode, ainsi qu'un disque 13 fritté en titane poreux des deux côtés. Dans une surface frontale de la membrane 4 PEM est incorporé en y étant, par exemple, coulé, un renfort, dans ce cas une couche tissée qui n'est pas représentée. Radialement à l'extérieur de la membrane 4 est prévu avantageusement un canal 3 annulaire d'arrêt, notamment faisant partie tant de la plaque 1 polaire du côté de l'anode qu'également de la plaque 2 polaire du côté de la cathode et communiquant, par exemple par un intervalle 3.3 de transmission de la pression avec d'éventuelles chambres sous pression pour le fluide du côté de l'anode et/ou le fluide 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 PEM sensible à la sollicitation en pression est reçu par un moyen 7 élastique de fixation de membrane entre les surfaces 1.1 ; 2.1 frontales, dont la pression de fixation peut avantageusement être plus petite qu'une pression de compression nécessaire, comme il est connu aussi, pour garantir une étanchéité sûre. L'étanchéité proprement dite est obtenue par la surpression du fluide d'arrêt dans le canal 3 annulaire d'arrêt par lequel on peut empêcher d'une manière sûre l'oxygène gazeux de sortir dans la partie comprise entre la membrane 4 et la surface 1.1 frontale, d'une part, ou l'hydrogène gazeux de sortir dans la partie comprise entre la membrane 4 et la surface 2.1 frontale, d'autre part, et ainsi par des moyens simples il se forme un mélange d'hydrogène et d'oxygène. Le suintement éventuel d'eau déminéralisée d'arrêt,.en raison de la surpression du canal 3 annulaire d'arrêt à un canal 1.1 ou 2.1 annulaire de processus, ne gène pas le processus chimique ou catalytique d'un électrolyseur ou d'une pile à combustible fonctionnant suivant un processus chimique ou catalytique inverse. Une fuite du canal 3 annulaire d'arrêt radialement vers l'extérieur est empêchée avantageusement par un moyen 6 d'étanchéité extérieur supplémentaire, notamment un joint torique pouvant être pressé entre les surfaces frontales à l'extérieur de la membrane avec une pression d'étanchéité suffisante. On obtient une sécurité supplémentaire vis-à-vis d'une formation qui n'est pas souhaitée de gaz détonnant en un mélange d'hydrogène et d'oxygène suivant l'invention par le fait que le canal 3 annulaire d'arrêt communique avec les chambres, notamment avec leurs canaux 1.1 ; 2.1 annulaires de processus, de sorte que le fluide d'arrêt, après avoir passé dans le canal 3 annulaire d'arrêt, peut être envoyé en tant que fluide de processus aux chambres, notamment aux canaux 1.1 ; 2.1 annulaires de processus. D'une manière détaillée, l'ouverture de sortie du fluide d'arrêt communique à cet effet par une communication 14 de courant ayant des dérivations 14. et 14.2 avec les ouvertures 1.11 et 2.11 d'entrée du fluide de processus des plaques 1 et 2 polaires ; la pression d'arrêt du fluide d'arrêt peut être adaptée à la pression du fluide de processus par un dispositif 15 de réduction de la pression monté dans la communication 14 de courant. On peut emplir pour la première fois ou remplir pendant le fonctionnement avec du fluide d'arrêt par l'ouverture 3.1 d'entrée du fluide d'arrêt ; l'eau déminéralisée sortant avec l'oxygène ou l'hydrogène des ouvertures 1.12 et 2.12 de sortie du fluide de processus peut, après la séparation de l'oxygène ou de l'hydrogène et après avoir été portée à la pression d'arrêt, être retournée au circuit de fluide par l'ouverture 3.1 d'entrée du fluide d'arrêt. On peut résumer l'invention de la façon suivante . Dans une partie périphérique extérieure d'au moins deux chambres disposées étroitement l'une contre l'autre par des surfaces 1.2 ; 2.2 frontales sinon ouvertes l'une vers l'autre avec interposition d'une membrane 4 les recouvrant et emplies respectivement d'un fluide d'une pression de processus définie en étant formées, notamment, de canaux 1.1 ; 2.1 annulaires de processus, il est prévu pour empêcher une sortie du fluide respectif entre les surfaces 1.2 ; 2.2 frontales de la partie de sortie qui est mise en danger un fluide d'arrêt extérieur dont le sens de la pression est opposé, notamment dans un canal 3 annulaire d'arrêt, d'entourer d'une pression d'arrêt augmentée par rapport à la pression du processus ; le canal 3 annulaire d'arrêt est monté en série avec les canaux 1.1 ; 2.1 annulaires de processus de façon à ce que si la pression d'arrêt est trop petite, dans le sens d'une mise à l'arrêt automatique, du fluide de processus ne soit pas transporté. REVENDICATIONS 1. Dispositif comprenant au moins deux chambres disposées dans une partie périphérique extérieure de surfaces (1.2 ; 2.2) frontales en étant étroitement l'une contre l'autre, avec interposition d'une membrane (4) recouvrant ces surfaces, et emplies respectivement d'un fluide de processus d'une pression de processus définie, caractérisé en ce qu'il est prévu comme moyen pour empêcher une sortie du fluide de processus entre les surfaces (1.1 ; 2.2) frontales un fluide d'arrêt appliquant de l'extérieur une pression opposée et ayant une pression d'arrêt plus grande que la pression de processus dans un canal (3) annulaire d'arrêt qui entoure les surfaces (1.2 ; 2.2) frontales se trouvant l'une contre l'autre et la membrane dans la partie périphérique et qui est en communication avec les chambres de manière à ce que le fluide d'arrêt puisse, après avoir passé dans le canal (3) annulaire d'arrêt, être envoyé aux chambres en tant que fluide de processus. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par une formation des chambres à partir de canaux (1.1 ; 2.1) annulaires de processus. 3. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend - une ouverture (2.12) d'entrée de fluide d'arrêt, d'une part, et une ouverture (3.2) de sortie du fluide de processus, d'autre part, associées à chaque canal (3) annulaire d'arrêt - une ouverture (1. 11 ; 2.11) d'entrée du fluide de processus, d'une part, et une ouverture (1.12 ; 2.12) de sortie du fluide de processus, d'autre part, associées à chaque chambre - une communication (14, 14.1, 14.2) de courant allant de l'ouverture (3.2) de sortie du fluide d'arrêt à l'ouverture (2.11 ; 2.11) d'entrée du fluide de processus. 4. Dispositif suivant la revendication 3,caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (15) de réduction de la pression dans la communication (14) de courant entre le canal (3) annulaire d'arrêt et les chambres ou les canaux (1.1 ; 2.1) annulaires de processus, au moyen duquel la pression d'arrêt du fluide d'arrêt peut être adaptée à la pression du processus du fluide du processus. 5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé par une utilisation de l'ouverture d'entrée du fluide d'arrêt comme ouverture d'emplissage ou de remplissage par le fluide d'arrêt ayant la pression d'arrêt plus grande. 6. Dispositif suivant au moins l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par une position du canal (3) annulaire d'arrêt dans les surfaces (1.2 ; 2.2) frontales des chambres se trouvant l'une à côté de l'autre dans la partie périphérique. 7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé par une constitution de l'une des chambres ayant des canaux (1.1) annulaires de processus s'étendant dans sa surface (1.2) frontale et ouverts par rapport à la membrane (4) s'appliquant sur son côté frontal ou d'un canal (3) annulaire d'arrêt ouvert par rapport à la surface (2.2) frontale de l'autre chambre par une constitution de l'autre chambre ayant des canaux (2.1) annulaires de processus s'étendant dans sa surface (2.2) frontale et ouverts par rapport à la membrane (4) s'appliquant par son autre côté frontal ou par rapport à la surface (1.2) frontale des canaux (3) annulaires d'arrêt ouverts par rapport à la surface (1.2) frontale de l'une des chambres. 8. Dispositif suivant au moins l'une des 35 revendications 1 à 7, caractérisé par une membrane étanche aux gaz et perméable aux protons, notamment par une membranepolymère en tant que membrane (4) recouvrant les parties ouvertes des surfaces (1.2 ; 2.2) frontales. 9. Dispositif suivant au moins l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par une constitution en unité de cellules d'un électrolyseur. 10. Dispositif suivant au moins l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par une constitution en unité de 10 cellules d'une pile à combustible.