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Electrode bipolaire pour électrolyseur du type série et électrolyseur du type série.
L'invention concerne les électrolyseurs du type série, à électrodes bipolaires.
Elle concerne plus particulièrement une électrode bipolaire destinée à de tels électrolyseurs.
Les électrolyseurs du type série sont généralement constitués d'une succession de cellules d'électrolyse élémentaires séparées par des électrodes bipolaires. Chaque cellule élémentaire comprend une anode et une cathode, et chaque électrode bipolaire comprend une paroi commune à deux cellules élémentaires contiguës et porte l'anode d'une de ces deux cellules et la cathode de l'autre cellule. A cet effet, la paroi commune précitée est habituellement formée de deux plaques en métaux différents, soudées l'une à l'autre. Dans le cas d'électrolyseurs utilisés pour l'électrolyse de solutions aqueuses de chlorure de sodium, la plaque portant l'anode est généralement en titane, l'autre plaque étant en fer, en acier, en nickel ou en un alliage de ces métaux.
La présence d'une plaque en titane soudée à une plaque en métal différent peut conduire à des difficultés dans l'exploitation de l'électrolyseur. Ces difficultés sont liées à la génération d'hydrogène atomique sur la cathode au cours de l'électrolyse ; une partie de l'hydrogène atomique migre à travers les plaques de la paroi commune et forme de l'hydrure de titane au sein de la plaque de titane, ce qui a pour résultat de fragiliser celle-ci. Par ailleurs, de l'hydrogène moléculaire risque de se former à la jonction des plaques de la paroi métallique, conduisant à des tensions mécaniques internes susceptibles de fissurer les plaques ou de rompre localement le joint de soudure assurant leur jonction.
Pour remédier à cet inconvénient, on a proposé d'interposer entre les deux plaques, une feuille en un matériau barrière ayant
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la propriété de s'opposer à une migration de l'hydrogène atomique jusqu'à la plaque en titane. Pour le matériau barrière, on propose le tungstène, le zinc, le bore, le silicium, le cadmium, le carbone, le germanium et l'aluminium (brevet BE-A-815411).
Bien qu'elle remédie à la formation d'hydrure de titane, cette solution n'évite pas la formation de poches d'hydrogène moléculaire à la jonction de la plaque cathodique et de la feuille en matériau barrière.
On a aussi songé à maintenir un écartement entre les deux plaques de la paroi verticale, de manière à ménager une chambre verticale pour l'évacuation de l'hydrogène après sa migration à travers la plaque portant la cathode (brevet US-A-4088551).
Dans cet assemblage connu la liaison électrique entre les deux plaques de la paroi verticale commune aux deux cellules est assurée au moyen de plots métalliques répartis à intervalles sur la superficie des plaques et soudés à celles-ci. Cette électrode bipolaire présente le double désavantage d'avoir une résistance électrique globale élevée et d'engendrer, en cours d'utilisation dans un électrolyseur, une distribution hétérogène du courant électrique sur la surface des plaques.
Dans le brevet GB-A-2027053, on dispose les deux plaques de l'électrode de part et d'autre d'un bloc de graphite poreux, on interpose un film en un matériau polymérique entre le bloc de graphite et chacune des plaques et on comprime l'assemblage pour solidariser le bloc en graphite aux plaques. L'électrode bipolaire ainsi obtenue présente une conductibilité électrique médiocre. Sa construction est par ailleurs compliquée. D'autre part, pendant leur utilisation dans une cellule d'électrolyse, ces électrodes connues sont le siège de tensions mécaniques internes d'origine thermique, qui risquent de nuire à leur géométrie ou de les détériorer.
Les électrodes bipolaires connues qui viennent d'être décrites présentent la particularité commune d'impliquer des opérations de soudage ou de collage ce qui complique leur construction et grève leur prix. Leur démontage pour remplacer des composants défectueux de l'électrode, par exemple pour régénérer
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un revêtement actif sur l'anode en titane, est difficile voire impossible dans la majorité des cas.
L'invention remédie aux inconvénients précités en fournissant une électrode bipolaire de conception nouvelle, qui concilie une faible résistance électrique, un échappement efficace d'un gaz migrant à l'intérieur de la paroi commune de l'électrode bipolaire et une construction simplifiée permettant un assemblage et un désassemblage rapides et faciles de la paroi commune de l'électrode bipolaire.
En conséquence, l'invention concerne une électrode bipolaire pour un électrolyseur du type série, ladite électrode comprenant deux plaques métalliques disposées parallèlement vis-à-vis l'une de l'autre et reliées l'une à l'autre par un organe de couplage électrique, l'une des plaques portant une anode et l'autre plaque portant une cathode ; selon l'invention, l'organe de couplage électrique est déformable élastiquement, perméable aux gaz et comprimé élastiquement entre les deux plaques.
Dans l'électrode selon l'invention, les deux plaques métalliques et l'organe de couplage constituent la paroi commune précitée de l'électrode bipolaire. L'anode et la cathode peuvent être constituées, au moins en partie, par les plaques, ou bien elles peuvent comprendre des éléments métalliques, par exemple des tôles, fixés aux plaques comme suggéré dans le brevet US-A-4088551. Les plaques doivent être réalisées en un matériau conducteur de l'électricité et susceptible de résister aux conditions mécaniques, thermiques et chimiques régnant normalement dans les électrolyseurs auxquels elles sont destinées.
Par exemple, lorsqu'elles sont destinées à des électrolyseurs pour l'électrolyse de solutions aqueuses de chlorure de sodium, la plaque portant l'anode peut être réalisée en un métal filmogène sélectionné parmi le titane, le tantale, le niobium, le zirconium et le tungstène et la plaque portant la cathode peut être réalisée en une matière sélectionnée parmi le fer, le nickel, le cobalt et les alliages de ces métaux. Dans le cas où la plaque en métal filmogène constitue une partie au moins de l'anode, cette plaque est recouverte, sur une partie au moins de sa
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superficie, d'un revêtement conducteur de l'électricité, présentant une faible surtension à l'oxydation des ions chlorure.
Ce revêtement peut être par exemple sélectionné parmi les métaux du groupe du platine (platine, ruthénium, rhodium, palladium, iridium, osmium), les alliages de ces métaux et leurs oxydes ; il peut avantageusement comprendre des cristaux mixtes d'oxyde de métal du groupe du platine et d'oxyde de métal filmogène. Les deux plaques sont disposées en regard l'une de l'autre, de part et d'autre de l'organe de couplage électrique qu'elles retiennent entre elles à l'état comprimé.
L'organe de couplage peut être tout organe élastique capable d'exercer les deux fonctions techniques suivantes : d'une part, assurer une liaison électrique entre les deux plaques ; d'autre part, maintenir entre les plaques un espace pour l'évacuation d'un gaz qui viendrait à migrer à travers l'une des plaques pendant l'utilisation de l'électrode bipolaire dans un électrolyseur. Pour réaliser ces deux fonctions de manière optimum, il convient que la compression de l'organe de couplage élastique entre les deux plaques soit suffisante pour provoquer sa déformation élastique tout en évitant de dépasser la limite élastique et en garantissant la présence de vides pour la circulation d'un gaz.
L'organe de couplage électrique peut par exemple comprendre des ressorts uniformément répartis sur la superficie des plaques, ou une mousse poreuse conductrice de l'électricité.
Dans l'électrode bipolaire selon l'invention, les deux plaques doivent être solidarisées à un bâti commun ou l'une à l'autre, de manière que l'organe de couplage élastique soit maintenu comprimé entre elles. A cet effet, dans une forme de réalisation préférée de l'électrode selon l'invention, les deux plaques sont reliées entre elles par des tirants qui maintiennent leur écartement constant.
Dans une forme de réalisation particulière de l'électrode selon l'invention, l'organe de couplage élastique comprend un matelas formé d'un enchevêtrement de fils métalliques. Dans cette forme de réalisation de l'invention, la valeur optimum de la compression du matelas entre les deux plaques va dépendre de
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plusieurs facteurs, notamment de la longueur et du diamètre des fils métalliques, de leur forme et de leur nombre par unité d'aire des plaques, ainsi que du débit de gaz susceptible de migrer à travers les plaques pendant une utilisation normale de l'électrode bipolaire dans un électrolyseur.
D'une manière générale, on suggère de régler la compression en fonction de ces paramètres, de manière que la surface de contact des plaques avec
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des fils du matelas soit comprise entre 20 et 90 X (de préférence 25 et 50 %) de la superficie des plaques, et que le volume des vides dans le matelas comprimé soit compris entre 20 et 95 X (de préférence entre 50 et 75 %) du volume global apparent du matelas. Le diamètre et la longueur des fils du matelas doivent être choisis de manière à permettre la compression voulue du matelas sans provoquer une déformation des plaques. Ils dépendent de divers paramètres, notamment du métal formant les fils, de la forme des fils, ainsi que des dimensions et de la forme des plaques.
A titre d'exemple, on utilise avantageusement des fils dont le diamètre se situe. entre 0,05 et 5 mm, les diamètres compris entre 0,1 et 1 mm étant préférés. Les fils peuvent avoir toute forme appropriée pour former un matelas cohérent. A cet effet, il est souhaitable que le matelas comprenne des fils spiralés ou torsadés. Des exemple de matelas de fils métalliques utilisables dans l'électrode selon l'invention sont ceux décrits dans le document BE-A-884583, où ils sont utilisés dans une cellule d'électrolyse à diaphragme pour repousser une électrode contre le diaphragme.
Dans une autre forme de réalisation de l'électrode bipolaire selon l'invention, l'organe de couplage élastique comprend une feuille métallique flexible, déformée en sorte de présenter des aspérités sur une face, qui alternent avec des aspérités sur l'autre face, lesdites aspérités étant appliquées contre les plaques métalliques. Dans cette forme de réalisation de l'électrode selon l'invention, les aspérités de la feuille métallique forment des canaux entre les plaques des électrodes. Les aspérités peuvent par exemple être des éléments saillants de forme tronconique uniformément répartis sur la superficie de la feuille
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métallique et obtenus par emboutissage de celle-ci.
En variante, la feuille métallique peut être une tôle ondulée obtenue par laminage, formant ainsi des sillons entre les plaques des électrodes, pour la circulation du gaz.
L'électrode bipolaire selon l'invention présente l'avantage appréciable de pouvoir être démontée et remontée facilement et rapidement, lorsqu'il s'avère par exemple nécessaire de remplacer une anode ou une cathode défectueuse.
L'électrode selon l'invention est spécialement destinée à l'équipement des électrolyseurs du type série, à électrodes bipolaires.
L'invention concerne dès lors également un électrolyseur du type série comprenant une succession de cellules d'électrolyse élémentaires séparées par des électrodes bipolaires conformes à l'invention, lesdites électrodes bipolaires comprenant chacune deux plaques métalliques verticales, qui sont disposées vis-à-vis l'une de l'autre de part et d'autre d'un organe de couplage électrique en un matériau poreux et élastique, comprimé élastiquement entre les deux plaques, l'une des plaques portant une anode d'une des cellules élémentaires et l'autre plaque portant une cathode d'une cellule élémentaire voisine.
Dans l'électrolyseur selon l'invention, les deux plaques de chaque électrode bipolaire et l'organe de couplage élastique poreux qu'elles compriment constituent une paroi commune à deux cellules d'électrolyse élémentaires consécutives.
L'électrolyseur selon l'invention est spécialement adapté aux procédés d'électrolyse de solutions aqueuses d'halogénures de métaux alcalins, notamment de chlorure de sodium ou de potassium.
Il trouve une application intéressante pour la production d'hydrogène et de solutions aqueuses de chlorate de sodium par électrolyse de solutions aqueuses de chlorure de sodium. Il trouve une autre application intéressante pour la production de chlore, d'hydrogène et de solutions aqueuses d'hydroxyde de sodium par électrolyse de solutions aqueuses de chlorure de sodium. Dans cette autre application de l'électrolyseur selon l'invention, chacune des cellules d'électrolyse élémentaires est
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divisée en deux chambres d'électrolyse, respectivement anodique et cathodique, par un diaphragme perméable aux gaz et aux électrolytes ou par une membrane sélectivement perméable aux cations.
Des particularités et détails de l'invention vont apparaître au cours de la description suivante des dessins annexés, qui représentent des formes de réalisation de l'électrode bipolaire et de l'électrolyseur selon l'invention.
La figure 1 est une vue en élévation d'une forme de réalisation particulière de l'électrode bipolaire selon l'invention ; - La figure 2 est une vue en plan de l'électrode bipolaire de la figure 1 ; - La figure 3 montre une seconde forme de réalisation de l'élec- trode selon l'invention, en section verticale selon le plan
III-III de la figure 4 ; - La figure 4 est une section transversale selon le plan IV-IV de la figure 3 ; - La figure 5 montre, en section verticale longitudinale avec arrachements partiels, une forme de réalisation de l'électro- lyseur selon l'invention.
Dans ces figures, les mêmes notations de référence désignent des éléments identiques.
Les électrodes bipolaires représentées aux figures 1 à 4 comprennent deux plaques métalliques parallèles 1 et 2 disposées de part et d'autre d'un organe de couplage électrique désigné par la notation de référence 3. La plaque 1 est en titane et porte une anode constituée d'une série de tôles parallèles 4 soudées perpendiculairement à la plaque 1. Les tôles 4 sont en titane et portent un revêtement formé de cristaux mixtes d'oxyde de ruthénium et d'oxyde de titane. La plaque 2 est en acier et porte une cathode constituée d'une série de tôles parallèles 5 en acier, soudées perpendiculairement à la plaque 2. Les deux plaques 1 et 2 sont reliées entre elles par des tirants 6.
Dans la forme de réalisation représentée aux figures 1 et 2, l'organe de couplage électrique comprend un matelas formé d'un enchevêtrement de fils métalliques 7. Le matelas est retenu à l'état comprimé élastiquement entre les deux plaques 1 et 2 qui
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sont à cet effet reliées entre elles par des tirants 6. La fixation des tirants 6 aux plaques 1 et 2 peut être réalisée par tout moyen adéquat capable de retenir les plaques contre la poussée exercée sur elles par le matelas comprimé. On préfère utiliser un assemblage par boulons et écrous, pour faciliter le désassemblage des plaques et du matelas.
Le matelas de fils 7 a pour fonction de réaliser une liaison électrique entre les plaques 1 et 2. A cet effet, il est constitué d'un enchevêtrement de fils métalliques torsadés 7, par exemple en acier ou en nickel. En variante, on peut également utiliser des fils en un métal ou alliage meilleur conducteur de l'électricité, par exemple en cuivre, en laiton ou en alliage d'aluminium. La compression du matelas 3 entre les plaques 1 et 2 est réglée de manière à ménager des espaces libres entre les fils 7, pour permettre la circulation et l'échappement d'un gaz qui viendrait à diffuser à travers la plaque 1 ou 2 et à pénétrer dans l'espace séparant les plaques 1 et 2.
A titre d'exemple, en cas d'utilisation de l'électrode bipolaire dans un électrolyseur où on électrolyse une solution aqueuse, de l'hydrogène généré sur la cathode est susceptible de diffuser à travers la paroi 2 et à pénétrer dans l'espace entre les plaques 1 et 2, d'où il s'échappe par passage à travers les espaces libres ménagés entre les fils 7.
Dans la forme de réalisation représentée aux figures 3 et 4, l'organe de couplage élastique est une feuille métallique flexible 16 présentant des éléments saillants 17 et 17'de forme cylindrique, uniformément répartis sur la superficie de la feuille métallique, de part et d'autre de celle-ci, et obtenus par emboutissage. La feuille emboutie 16 est comprimée entre les plaques 1 et 2 par des tirants 6. Les éléments 17 saillant d'un côté de la feuille métallique 16 alternent avec les éléments 17' saillant de l'autre côté de la feuille. De la sorte, lorsque la feuille 16 est comprimée entre les plaques 1 et 2, elle est susceptible de se déformer élastiquement pour avoir tous les éléments 17, 17'fermement appliqués contre les plaques 1 et 2.
La feuille métallique emboutie 16 réalise ainsi la liaison
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électrique entre les plaques 1 et 2, par l'intermédiaire des éléments saillants 17 et 17', ces derniers délimitant par ailleurs des canaux 18 entre eux pour la circulation et l'échappement d'un gaz qui viendrait à diffuser à travers la plaque 1 ou 2 et à pénétrer dans l'espace séparant ces plaques.
L'électrolyseur représenté à la figure 5 est conçu pour la fabrication de solutions aqueuses de chlorate de sodium par électrolyse de solutions aqueuses de chlorure de sodium. Il comprend des cellules élémentaires 8, 8',.. juxtaposées entre deux cellules élémentaires d'extrémité 9 et 10. Les cellules 8, 8' comprennent une chambre d'électrolyse délimitée par une paroi latérale horizontale 11 de section rectangulaire et deux parois d'extrémité 12 qui sont communes à deux cellules contiguës. Les deux cellules d'extrémité 9 et 10 comprennent également une paroi latérale horizontale 11, une paroi d'extrémité 12 interposée entre elle et la cellule 8, 8'contiguë et une paroi d'extrémité 13 reliée à une source de courant continu, non représentée.
Deux tubulures 14 et 15, en communication avec la chambre d'électrolyse, sont destinées à être raccordées, l'une à un collecteur général d'admission d'une solution aqueuse de chlorure de sodium, l'autre à un collecteur général d'évacuation des produits de l'électrolyse.
Dans l'électrolyseur de la figure 5, les parois d'extrémité 12 sont conformes à celles représentées aux figures 1 et 2 et décrites plus haut. Elles comprennent une paire de plaques verticales 1 et 2 reliées par des tirants 6 et un matelas 3 de fils métalliques, comprimé entre les plaques 1 et 2. Une série de tôles verticales 4 sont fixées transversalement à la plaque 1 et une série de tôles verticales 5 sont fixées transversalement à la plaque 2. Les tôles 4 constituent l'anode d'une des cellule (8 ou 9) et les tôles 5 constituent la cathode de la cellule contiguë (8'ou 10). Dans chacune des cellules 8, 8', 9 ou 10, les tôles d'anode 4 alternent avec les tôles de cathode 5.
Pendant le fonctionnement de l'électrolyseur représenté à la figure 5, on introduit une solution aqueuse de chlorure de sodium dans les cellules d'électrolyse 8, 8', 9 et 10, par les tubulures
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14 et on relie les parois extrémités 13 aux bornes d'une source de courant continu, non représentée. La solution de chlorure de sodium subit une électrolyse dans les cellules d'électrolyse et on recueille par les tubulures 15, une solution aqueuse de chlorate de sodium et de l'hydrogène généré sur les tôles 5 des cathodes. Si de l'hydrogène atomique diffuse à travers la plaque 2, il pénètre dans le matelas 3, d'où il s'échappe aisément en circulant entre les fils métalliques 7 qui le constituent. Les matelas métalliques 3 assurent par ailleurs la circulation du courant électrique entre les cellules contiguës 8, 8', 9 et 10.
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Bipolar electrode for series type electrolyser and series type electrolyser.
The invention relates to series type electrolysers with bipolar electrodes.
It relates more particularly to a bipolar electrode intended for such electrolysers.
Electrolysers of the series type generally consist of a succession of elementary electrolysis cells separated by bipolar electrodes. Each elementary cell comprises an anode and a cathode, and each bipolar electrode comprises a wall common to two contiguous elementary cells and carries the anode of one of these two cells and the cathode of the other cell. For this purpose, the aforementioned common wall is usually formed of two plates of different metals, welded to each other. In the case of electrolysers used for the electrolysis of aqueous sodium chloride solutions, the plate carrying the anode is generally made of titanium, the other plate being of iron, steel, nickel or an alloy of these metals .
The presence of a titanium plate welded to a different metal plate can lead to difficulties in the operation of the electrolyser. These difficulties are linked to the generation of atomic hydrogen on the cathode during electrolysis; part of the atomic hydrogen migrates through the plates of the common wall and forms titanium hydride within the titanium plate, which has the result of weakening the latter. Furthermore, molecular hydrogen may form at the junction of the plates of the metal wall, leading to internal mechanical stresses capable of cracking the plates or of locally breaking the solder joint ensuring their junction.
To overcome this drawback, it has been proposed to interpose between the two plates, a sheet of barrier material having
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the property of opposing migration of atomic hydrogen to the titanium plate. For the barrier material, tungsten, zinc, boron, silicon, cadmium, carbon, germanium and aluminum are proposed (patent BE-A-815411).
Although it remedies the formation of titanium hydride, this solution does not prevent the formation of pockets of molecular hydrogen at the junction of the cathode plate and the sheet of barrier material.
We have also thought about maintaining a spacing between the two plates of the vertical wall, so as to provide a vertical chamber for the evacuation of the hydrogen after its migration through the plate carrying the cathode (US-A-4088551) .
In this known assembly, the electrical connection between the two plates of the vertical wall common to the two cells is ensured by means of metal studs distributed at intervals over the surface of the plates and welded to them. This bipolar electrode has the double disadvantage of having a high overall electrical resistance and of generating, during use in an electrolyser, a heterogeneous distribution of the electric current on the surface of the plates.
In patent GB-A-2027053, the two electrode plates are placed on either side of a porous graphite block, a film of polymeric material is interposed between the graphite block and each of the plates and the assembly is compressed to secure the graphite block to the plates. The bipolar electrode thus obtained has poor electrical conductivity. Its construction is also complicated. On the other hand, during their use in an electrolysis cell, these known electrodes are the seat of internal mechanical tensions of thermal origin, which risk damaging their geometry or damaging them.
The known bipolar electrodes which have just been described have the common characteristic of involving welding or bonding operations, which complicates their construction and increases their price. Disassembly to replace defective electrode components, for example to regenerate
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an active coating on the titanium anode is difficult or even impossible in the majority of cases.
The invention overcomes the aforementioned drawbacks by providing a bipolar electrode of new design, which reconciles low electrical resistance, an efficient escape of a gas migrating inside the common wall of the bipolar electrode and a simplified construction allowing a quick and easy assembly and disassembly of the common wall of the bipolar electrode.
Consequently, the invention relates to a bipolar electrode for an electrolyser of the series type, said electrode comprising two metal plates arranged parallel to one another and connected to each other by a electrical coupling, one of the plates carrying an anode and the other plate carrying a cathode; according to the invention, the electrical coupling member is elastically deformable, gas permeable and elastically compressed between the two plates.
In the electrode according to the invention, the two metal plates and the coupling member constitute the aforementioned common wall of the bipolar electrode. The anode and the cathode may be constituted, at least in part, by the plates, or else they may comprise metallic elements, for example sheets, fixed to the plates as suggested in patent US-A-4088551. The plates must be made of an electrically conductive material capable of withstanding the mechanical, thermal and chemical conditions normally prevailing in the electrolysers for which they are intended.
For example, when they are intended for electrolysers for the electrolysis of aqueous sodium chloride solutions, the plate carrying the anode can be made of a film-forming metal selected from titanium, tantalum, niobium, zirconium and the tungsten and the plate carrying the cathode can be made of a material selected from iron, nickel, cobalt and the alloys of these metals. In the case where the film-forming metal plate constitutes at least part of the anode, this plate is covered, on at least part of its
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surface, of an electrically conductive coating, having a low overvoltage to the oxidation of chloride ions.
This coating can for example be selected from the metals of the platinum group (platinum, ruthenium, rhodium, palladium, iridium, osmium), the alloys of these metals and their oxides; it can advantageously include mixed crystals of platinum group metal oxide and film-forming metal oxide. The two plates are arranged opposite one another, on either side of the electrical coupling member which they hold together in the compressed state.
The coupling member can be any elastic member capable of performing the following two technical functions: on the one hand, ensuring an electrical connection between the two plates; on the other hand, maintain a space between the plates for the evacuation of a gas which would migrate through one of the plates during the use of the bipolar electrode in an electrolyser. To achieve these two functions optimally, the compression of the elastic coupling member between the two plates should be sufficient to cause its elastic deformation while avoiding exceeding the elastic limit and guaranteeing the presence of voids for circulation. of a gas.
The electrical coupling member may for example comprise springs uniformly distributed over the surface of the plates, or a porous foam which conducts electricity.
In the bipolar electrode according to the invention, the two plates must be secured to a common frame or to one another, so that the elastic coupling member is kept compressed between them. To this end, in a preferred embodiment of the electrode according to the invention, the two plates are interconnected by tie rods which maintain their constant spacing.
In a particular embodiment of the electrode according to the invention, the elastic coupling member comprises a mattress formed by a tangle of metal wires. In this embodiment of the invention, the optimum value of the compression of the mattress between the two plates will depend on
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several factors, including the length and diameter of the metal wires, their shape and their number per unit area of the plates, as well as the flow of gas likely to migrate through the plates during normal use of the electrode bipolar in an electrolyser.
In general, it is suggested to adjust the compression according to these parameters, so that the contact surface of the plates with
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son of the mattress is between 20 and 90 X (preferably 25 and 50%) of the area of the plates, and that the volume of voids in the compressed mattress is between 20 and 95 X (preferably between 50 and 75% ) of the overall apparent volume of the mattress. The diameter and the length of the mattress wires must be chosen so as to allow the desired compression of the mattress without causing deformation of the plates. They depend on various parameters, in particular the metal forming the wires, the shape of the wires, as well as the dimensions and the shape of the plates.
By way of example, advantageously wires whose diameter is situated are used. between 0.05 and 5 mm, the diameters between 0.1 and 1 mm being preferred. The threads can have any suitable shape to form a coherent mattress. To this end, it is desirable for the mattress to include spiral or twisted threads. Examples of mattresses of metal wires usable in the electrode according to the invention are those described in the document BE-A-884583, where they are used in a diaphragm electrolysis cell to push an electrode against the diaphragm.
In another embodiment of the bipolar electrode according to the invention, the elastic coupling member comprises a flexible metal sheet, deformed so as to have asperities on one side, which alternate with asperities on the other side, said roughness being applied against the metal plates. In this embodiment of the electrode according to the invention, the asperities of the metal sheet form channels between the plates of the electrodes. The asperities can for example be projecting elements of frustoconical shape uniformly distributed over the surface of the sheet.
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metallic and obtained by stamping thereof.
As a variant, the metal sheet may be a corrugated sheet obtained by rolling, thus forming grooves between the plates of the electrodes, for the circulation of the gas.
The bipolar electrode according to the invention has the appreciable advantage of being able to be disassembled and reassembled easily and quickly, when it proves, for example, necessary to replace a defective anode or cathode.
The electrode according to the invention is specially intended for equipping electrolysers of the series type, with bipolar electrodes.
The invention therefore also relates to an electrolyser of the series type comprising a succession of elementary electrolysis cells separated by bipolar electrodes according to the invention, said bipolar electrodes each comprising two vertical metal plates, which are arranged opposite one on the other on either side of an electrical coupling member made of a porous and elastic material, compressed elastically between the two plates, one of the plates carrying an anode of one of the elementary cells and l other plate carrying a cathode of a neighboring elementary cell.
In the electrolyser according to the invention, the two plates of each bipolar electrode and the porous elastic coupling member which they compress constitute a wall common to two consecutive elementary electrolysis cells.
The electrolyser according to the invention is especially suitable for the processes of electrolysis of aqueous solutions of alkali metal halides, in particular of sodium or potassium chloride.
It finds an interesting application for the production of hydrogen and aqueous solutions of sodium chlorate by electrolysis of aqueous solutions of sodium chloride. It finds another interesting application for the production of chlorine, hydrogen and aqueous solutions of sodium hydroxide by electrolysis of aqueous solutions of sodium chloride. In this other application of the electrolyser according to the invention, each of the elementary electrolysis cells is
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divided into two electrolysis chambers, respectively anodic and cathodic, by a diaphragm permeable to gases and to electrolytes or by a membrane selectively permeable to cations.
Special features and details of the invention will appear during the following description of the accompanying drawings, which show embodiments of the bipolar electrode and of the electrolyser according to the invention.
Figure 1 is an elevational view of a particular embodiment of the bipolar electrode according to the invention; - Figure 2 is a plan view of the bipolar electrode of Figure 1; - Figure 3 shows a second embodiment of the electrode according to the invention, in vertical section along the plane
III-III of Figure 4; - Figure 4 is a cross section along the plane IV-IV of Figure 3; - Figure 5 shows, in longitudinal vertical section with partial cutaway, an embodiment of the electrolyzer according to the invention.
In these figures, the same reference notations designate identical elements.
The bipolar electrodes represented in FIGS. 1 to 4 comprise two parallel metal plates 1 and 2 arranged on either side of an electrical coupling member designated by the reference notation 3. The plate 1 is made of titanium and carries an anode constituted of a series of parallel sheets 4 welded perpendicularly to the plate 1. The sheets 4 are made of titanium and bear a coating formed of mixed crystals of ruthenium oxide and titanium oxide. The plate 2 is made of steel and carries a cathode made up of a series of parallel steel plates 5, welded perpendicularly to the plate 2. The two plates 1 and 2 are connected together by tie rods 6.
In the embodiment shown in Figures 1 and 2, the electrical coupling member comprises a mattress formed by a tangle of metal wires 7. The mattress is retained in the elastically compressed state between the two plates 1 and 2 which
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for this purpose are connected to each other by tie rods 6. The tie rods 6 are fixed to the plates 1 and 2 can be carried out by any suitable means capable of retaining the plates against the thrust exerted on them by the compressed mattress. We prefer to use an assembly by bolts and nuts, to facilitate the disassembly of the plates and the mattress.
The mattress of wires 7 has the function of producing an electrical connection between the plates 1 and 2. To this end, it consists of a tangle of twisted metal wires 7, for example made of steel or nickel. As a variant, it is also possible to use wires made of a metal or alloy better conductive of electricity, for example copper, brass or aluminum alloy. The compression of the mattress 3 between the plates 1 and 2 is adjusted so as to provide free spaces between the wires 7, to allow the circulation and the escape of a gas which would come to diffuse through the plate 1 or 2 and to enter the space separating plates 1 and 2.
For example, if the bipolar electrode is used in an electrolyser where an aqueous solution is electrolyzed, hydrogen generated on the cathode is liable to diffuse through the wall 2 and to penetrate into space between the plates 1 and 2, from which it escapes by passing through the free spaces formed between the wires 7.
In the embodiment shown in Figures 3 and 4, the elastic coupling member is a flexible metal sheet 16 having projecting elements 17 and 17 ′ of cylindrical shape, uniformly distributed over the surface of the metal sheet, on both sides and d 'other of it, and obtained by stamping. The stamped sheet 16 is compressed between the plates 1 and 2 by tie rods 6. The elements 17 projecting from one side of the metal sheet 16 alternate with the elements 17 'projecting from the other side of the sheet. In this way, when the sheet 16 is compressed between the plates 1 and 2, it is liable to deform elastically so as to have all the elements 17, 17 ′ firmly applied against the plates 1 and 2.
The stamped metal sheet 16 thus makes the connection
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electric between the plates 1 and 2, by means of the projecting elements 17 and 17 ', the latter further delimiting channels 18 between them for the circulation and the escape of a gas which would come to diffuse through the plate 1 or 2 and to enter the space separating these plates.
The electrolyser shown in FIG. 5 is designed for the manufacture of aqueous solutions of sodium chlorate by electrolysis of aqueous solutions of sodium chloride. It comprises elementary cells 8, 8 ′, .. juxtaposed between two elementary end cells 9 and 10. Cells 8, 8 ′ comprise an electrolysis chamber delimited by a horizontal side wall 11 of rectangular section and two walls of end 12 which are common to two adjoining cells. The two end cells 9 and 10 also include a horizontal side wall 11, an end wall 12 interposed between it and the adjoining cell 8, 8 ′ and an end wall 13 connected to a direct current source, not represented.
Two pipes 14 and 15, in communication with the electrolysis chamber, are intended to be connected, one to a general intake manifold for an aqueous solution of sodium chloride, the other to a general intake manifold. evacuation of electrolysis products.
In the electrolyser of Figure 5, the end walls 12 conform to those shown in Figures 1 and 2 and described above. They include a pair of vertical plates 1 and 2 connected by tie rods 6 and a mattress 3 of metal wires, compressed between the plates 1 and 2. A series of vertical sheets 4 are fixed transversely to the plate 1 and a series of vertical sheets 5 are fixed transversely to the plate 2. The sheets 4 constitute the anode of one of the cells (8 or 9) and the sheets 5 constitute the cathode of the contiguous cell (8 ′ or 10). In each of the cells 8, 8 ′, 9 or 10, the anode sheets 4 alternate with the cathode sheets 5.
During the operation of the electrolyser shown in FIG. 5, an aqueous solution of sodium chloride is introduced into the electrolysis cells 8, 8 ′, 9 and 10, through the pipes.
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14 and the end walls 13 are connected to the terminals of a direct current source, not shown. The sodium chloride solution undergoes electrolysis in the electrolysis cells and an aqueous solution of sodium chlorate and hydrogen generated on the sheets 5 of the cathodes are collected by the tubes 15. If atomic hydrogen diffuses through the plate 2, it enters the mattress 3, from which it easily escapes by circulating between the metal wires 7 which constitute it. The metallic mattresses 3 moreover ensure the circulation of electric current between the adjoining cells 8, 8 ′, 9 and 10.