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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.