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procédé et appareil pour :interrompre un courant électrique dans des conducteurs fluides.
La présente invention concerne un pmcddé et un appa- reil permettant d'interrompre un courant électrique véhiculé par un conducteur fluide. L'invention concerne plus particulièrement des appareils servant avec des cuves électrolytiques de type horizontal à étages multiples ou bien des piles à combustible comportant une cathode de mercure en écoulement., afin de couper le courant qui arrive à la cathode de mercure et qui part de celle-ci, et d'isoler ainsi le mercure de chaque étage de celui des étages adjacents qui fonctionnent à une tension différente.
Dans la cuve à mercure de type horizontal décrite par
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exemple dans le brevet américain n 2.544.138, le mercure ou l'amalgame s'écoule sur la base de la. cuve, d'une extrémité à l'autre de celle-ci en formant une cathode de mercure en écoule- ment, l'électrolyte occupe l'espace compris entre les surfaces d'anode et la cathode et l'électrolyse de l'électrolyte se fait dans l'espacement ménagé entre les surfaces d'anode et de cathode,
En fonctionnement normal, la base de la cuve sur la- quelle s'écoule la cathode de mercure est inclinée suffisamment pour permettre au mercure de couler par gravité. L'angle normal d'inclinaison est d'environ 0,2 à 0,5 par rapport à l'horizon- tale.
La base peut être formée d'un métal conducteur, habituelle- ment l'acier, ou d'une matière non conductrice. Si la base est une surface non conductrice, elle présente des pièces rapportées métalliques pour établir un contact électrique avec le mercure.
Il est désirable de construire les cuves horizontales à mercure sous forme étagée, une cuve étant placée par-dessus une autre.
Dans une telle disposition, comme on l'explique ici, la base de la cuve supérieure constitue aussi le sommet de la cuve inférieure, etc..- Les anodes de la cuve inférieure sont fixées à la face inférieure de cette base. Ainsi, les cuves super- posées sont disposées sous forme de cellules bipolaires, la face supérieure de la base do séparation constituant le contact de cathode et la face inférieure le contact d'anode. Dans une telle disposition, la chute de tension est la même pour les différen- tes cuves, mais le potentiel de chaque cuve relativement à la terre est différent.
Dans le fonctionnement de plusieurs cuves bipolaires, il peut se produire des courts-circuits formés par (1) les courants (écoulements) de saumure d'alimentation entrant dans les éléments bipolaires, (2) les courants (écoulements) de
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saumure épuisés quittant les 4léments bipolaires, (3) les courants (écoulements) de mercure entrant dans les éléments bipolaires et (4) les courants (écoulements) d'amalgame quittant les éléments bipolaires. Ces courts-circuits entre les éléments bipolaires fonc- tionnant à des tensions différentes entraînent des fuites de cou- rant, donc des pertes d'énergie.
La quantité de fuite de courant (électrique) n'est pas un inconvénient sérieux dans le cas des écoulements de saumure, étant donné la résistance électrique de la saumure dans les conduits longs. Par contre, la conductivité des courants (écoulements) de mercure et d'amalgame est si élevée qu'elle pose de sérieux problèmes, par exemple par suite des per- tes de courant élevées et des dégâts mécaniques aux cuves. Les courts-circuits entre les courants de mercure à différentes ten- sions causent des étincelles et une vaporisation du mercure, donc une perte de ce métal.
Pour ces raisons, il est nécessaire de prendre des mesures spéciales pour manipuler les courants de mercure et d'amalgame amenés aux différents étages d'une cuve bipolaire à étages multiples, de manière à empêcher les incidents ci-dessus.
Les marnes problèmes se posent dans l'utilisation de cuves servant à la. conversion directe d'énergie chimique en éner- gie électrique, appelées piles à combustible et dans lesquelles on utilise du mercure fluide sous la forme d'un amalgame de sodium qui s'écoule à travers les éléments. Un type de pile est décrit dans l'article "Fuel Cells - Stats of the Art, 1961'ne de John 1.
Slaughter, dans "Transactions of the Electro-chemical Society",
Indianapolis, 1.5.61. Si plusieurs de ces éléments sont branchés comme éléments bipolaires, il est nécessaire de maintenir l'amal- game de chaque élément séparé électriquement de celui de tout autre élément, et de toute autre charge électrique.
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Aussi, l'un des but, de l'invention est de fournir un procédé et un appareil permettant d'interrompre le courant élec- trique dans un conducteur électrique fluide, aux point,% d'entrée et de sortie d'une cuve électrolytique.
Un autre but est de fournir un procédé et un appareil permettant de faire arriver du mercure à de multiples cuves élec- trolytiques à mercure fonctionnant à différentes tensions et d'en retirer de l'amalgame, tout en évitant les courts-circuits entre les cuves fonctionnant sous forme d'éléments bipolaires à diffé- rentes tensions.
Un autre but est de fournir un procédé et un appareil permettant d'amener du mercure à de multiples cuves électrolyti- ques bipolaires et d'en retirer de l'amalgame tout en évitant les pertes d'énergie et les pertes de mercure.
Un autre but est de fournir un procédé et un appareil permettant d'interrompre le courant électrique dans un courant de mercure amené en tant que cathode à plusieurs cuves électrolytiques bipolaires, et d'interrompre aussi le courant dans les courants d'amalgame retirés de ces cuves.
Un autre but est de fournir un procédé et un appareil permettant de séparer électriquement dans chaque cuve un courant d'amalgame qui traverse plusieurs cuves électrolytiques dont chacune présente un potentiel différent.
Ces buts, ainsi que d'autres buts de l'invention, apparaîtront au cours de la description.
On peut atteindre ces buta grâce 1 l'invention qui consiste, en bref, à utiliser un distributeur spécial' de mercure du coté d'entrée des cuves électrolytiques bipolaires qui fonc- tionnent à des tensions différentes afin de séparer le courant d'alimentation en courants séparés de grandeurs approximativement
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égales arrivant à chacune des cuves,, et à utiliser des coupe- circuit séparés de façon que le courant liquide d'alimentation de chacune des cuves soit divisé en plusieurs incréments élec- triquement séparés.
Les courants liquides séparés arrivant aux différentes cuves d'une pile à étages multiples, par exemple, n'ont pas de contact électrique entre eux mais chacun est indi- viduellement en contact avec son courant d'alimentation lorsqu'il' amène momentanément du mercure à chacune des cuves. Ainsi, le distributeur de mercure comporte un coupe-circuit électrique entre les différentes cuves, à l'entrée de celles-ci.
A l'extrémité de sortie des cuves, les courants séparés d'amalgame venant des cuves sont amenés à un coupe-circuit simi- laire et peuvent alors être réunis en un seul courant qui se rend à un décomposeur d'amalgame, ou bien titre amenés en tant que courants séparés à des décomposeurs séparés. Les courants d'amal- game passent par un dispositif coupe-circuit qui sépare chaque courant en plusieurs incréments électriquement séparés avant qu'ils n'entrent dans le courant commun ou ne se rendant à des décomposeurs séparés, ce qui donne l'effet d'un coupe-circuit prévu entre les différentes cuves à leur extrémité de sortie.
On comprendra plus complètement l'invention en se référant aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples, et sur lesquels - la figure 1 représente en élévation un mode d'exé- cution d'une installation pratiquement complète de cuves électro- lytiques bipolaires à mercure à étages multiples, montrant les cuves électrolytiques, le décomposeur d'amalgame, le distributeur de mercure, les coupe-circuit d'entrée et de sortie, la pompe à mercure, les conduits, etc ; la figure 2 est une élévation en coupe de deux cuves
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électrolytiques bipolaires à mercure superposées ; - la figure 3 est une élévation en coupe d'un doseur d'amenée de mercure ; - la figure 3A montre une variante de doseur d'amenée - de mercure ;
- la figure 4 est un plan du doseur d'amenée de mer- cure, en coupe prise essentiellement suivant la ligne 4-4 de la figure 3; - la figure 5 est une -vue latérale partiellement en coupe du doseur d'amenée de mercure -et du coupe-circuit d'amenée de mercure ; - la figure 6 est un plan partiellement en coupe, à peu près suivant la ligne6-6 de la figure 5; - la figure 6A montre une variante du coupe-circuit d'amenée de mercure des figures 5 et 6 ;
- la figure 7 montre une variante de construction d'un coupe-circuit d'amenée de mercure ou d'évacuation d'amalgame - la figure 8 est une perspective d'une installation combinée comprenant des éléments à combustible à amalgame, des cuves d'électrolys@ à mercure, des coupe-circuit d'entrée et de sortie, une pom@e à mercure et des conduits ; - la figure 9 est une élévation simplifiée en coupe d'une pile à combustible à amalgame ; - la figure 10 est une élévation en coupe d'un mode d'exécution d'un coupe-circuit d'évacuation d'amalgame, et la figure 11 est une vue de profil en coupe du coupe-circuit d'évacuation d'amalgame de la figure 10. on se référera maintenant à la figure 1;
le procédé d'électrolyse de saumure consiste, en bref, à amener de la sau- mure du collecteur d'alimentation en saumure 1, par les conduits 2,
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2a et 2b, à des cuves bipolaires 3a et 3b. La saumure épuisée, -:.4 est évacuée par des sorties 4a et 4b vers le séparateur 5. Le chlore se sépare dans le séparateur 5 et la saumure s'écoule par le conduit 6 vers le collecteur 7 pour repasser par un système de resaturation tandis que le chlore est évacué par le conduit 8 vers le collecteur 9.
Il est préférable d'amener de la saumure saturée à l'extrémité inférieure des cuves bipolaires 3a et 3b et d'éliminer la saumure épuisée par l'extrémité supérieure des cuves, mais on peut amener la saumure à l'une ou à l'autre extrémité des cuves.
Du mercure est amené aux cuves 3a et 3b sous l'action . de la pompe 10 par le conduit 11 où il est séparé par le doseur d'amenée de mercure 12 en courants séparés mais égaux et il passe par les conduits 13a et 13b pour arriver au coupe-circuit d'amenée de mercure 12a puis, par des conduits similaires 13a et 13b, aux cuves 3a et 3b. Le mercure amené au doseur 12 et qui dépasse la quantité voulue est ramené à la pompe 10 par le conduit 12b.
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Le rôle du doseur 12 sera décrit plus complètement aux paragraphes suivants.
Ainsi, le mercure s'écoule par gravité à travers les cuves où la saumure est électrolysée avec formation de chlore et le mercure se charge de sodium en se convertissant en amalgame.
Les cuves 3a et 3b sont de préférence inclinées d'envi- ron 15 sur l'horizontale, bien que l'on pui@se utiliser toute inclinaison d'environ 0,160 à 85 . Lorsque les cellules sont inclinées, de préférence de 5-300 par rapport à l'horizontale, la vitesse accrue de l'écoulement de mercure relativement à l'électrolyte augmente le rendement de la cuve, On a seulement représenté deux éléments ou étages de cuves, 3a et 3b, mais on peut utiliser n'importe quel nombre de cuves bipolaires étagées.
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La construction préférentielle comporte cinq étages.
L'amalgame est évacué à l'extrémité inférieure des cuves 3a et 3b, par des conduits 14a et 14b, vers le coupe-cir- cuit d'évacuation, d'amalgame 15 où. l'amalgame venant des étages séparés est divisé en incréments qui peuvent être amenés à des décomposeurs séparés ou réunis en un seul courant qui arrive par le conduit 16 au décomposeur 17 affecté aux courante venant de tous les étages.
Dans le décomposeur, de l'eau entre en 18 et est mise en contact à contre-courant avec l'amalgame pour former de l'hydrogène, évacué par le conduit 19 vers le collecteur 20, et de la soude, évacuée par le conduit 21 vers le collecteur 22, et le mercure pratiquement débarrassé de sodium est recyclé par le conduit 22 vers la pompe 10, ou encore, des courants séparés de mercure venant de décomposeurs séparés, un pour chaque étage, peuvent être recyclés vers la pompe 10. Dans la pompe 10, tout le mercure est au potentiel de terre et les courants individuels amenés dans les étages de cuve et évacués de ceux-ci sous forme d'amalgame doivent être munis de coupe-circuit aux extrémités d'entrée et de sortie des étages, étant donné que ceux-ci fonc- tionnent à des tensions différentes.
De l'eau de lavage venant du collecteur 23 et servant à rincer les cuves peut être amenée par les conduits 24a et 24b à l'extrémité inférieure des étages de cuve 3a et 3b et à travers les coupe-circuit d'évacuation d'amalgame par les conduits 25 pour rincer les étages 3a et 3b, le coupe-circuit d'amenée de mercure
12a et le coupe-circuit d'évacuation d'amalgame 15. L'eau de la- vage évacuée est recueillie par les tuyaux 26, 27, 28 et amenée au collecteur 29.
Les étages de cuve 3a et 3b peuvent être du type généralement appelé pile horizontale à mercure, présentant une
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inclinaison d'environ 0,16 à 0,5 par rapport à l'horizontale, mais les étages 3a et 3b tels qu'on les a représentés sont in- clinés d'environ 15 sur l'horizontale. Les cuves présentant une inclinaison d'environ 2-85 sur l'horizontale sont appelées piles à mercure à plan incliné et des inclinaisons de 5-30 sont pré- férables. L'invention est applicable à des cuves horizontales ou à plan incliné à étages multiples dont les étages fonctionnent à différentes tensions relativement à la terre.
Ces cuves sont superposées (voir figure 2) de sorte qu'une cloison commune 38 constitue la base de l'étage 3a et le sommet de,l'étage 3b. On a seulement représenté deux étages, mais on peut utiliser n'importe quel nombre d'étages superposés.
La plaque 30 est formée d'acier et revêtue de nickel sur sa face supérieure pour former une base sur laquelle la cathode de mercure s'écoule dans l'étage 3a. Un revêtement de caoutchouc 31 est prévu sur la face inférieure de la plaque 30 pour isoler le métal contre la corrosion. Un revêtement de caoutchouc similaire est utilisé sur toutes les surfaces de cuve en contact avec la saumure ou le chlore. Des anodes 32a sont sus- pendues à la face Inférieure du sommet de chaque étage de cuve.
Ainsi, ces anodes sont reliées directement à la plaque 30 qui se trouve au-dessus. Les cuves ainsi montées sont bipolaires car le courant partant des barres omnibus positives 33 arrive par le couvercle 30 et les connecteurs d'anode 32 aux plaques d'anode 32a, puis passe à travers l'électrolyte en 3a pour arriver à la cathode de mercure en écoulement et à la plaque inférieure 30, puis aux anodes 32a de la cuve 3b et ainsi de suite jusqu'aux barres omni- bas négatives 34. Ainsi, la cathode d'une cuve est reliée à l'anode de la cuve suivante et ainsi de suite. Lorsqu'on utilise des étages multiples,, c'est-à-dire deux, trois éléments de cuve ou davantage,
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le parcours du courant est le même.
Chaque cuve fonctionne à une tension différente à cause de la chute de tension à travers l'éta- ge précédent mais il suffit d'un seul jeu de connexions de barres omnibus positives et négatives pour tous les étages. Les plaques d'anode 32a sont de préférence formées de titane perforé ou dé- ployé portant une plaque de platine sur sa surface active.
Le mercure entre dans les cuves par les conduits 13a et 13b menant à des boites d'amenée de mercure 35a et 35b qui parcourent toute la largeur des cuves, il s'écoule le long des bases inclinées des étages 3a et 3b pour arriver aux boites d'ex- trémité 36a et 36b et sortir par les conduits 14a et 14b sous forme d'amalgame. L'hydrogène dégagé dans la boite d'extrémité s'échappe par des sorties 37a et 37b.
Un organe 35c est prévu au sommet de chaque boite d'amenée de mercure 35a, 35b etc.,. Les organes 35c parcourent pratiquement toute la largeur de ces boites et servent à étaler' le mercure qui s'écoule des boites d'alimentation et passe sous les organes d'étalement en une couche uniforme sur la base ou pla- que de cathode 30 de chaque étage de cuve. Les organes d'étale- ment 35c sont munis d'une couche isolante 35d et sont réglables grâce à des boulons 3e qui permettent d'ajuster l'espacement à travers lequel le mercure arrive sur le dessus des plaques 30.
La saumure entre dans les cuves par les entrées 38a et
38b situées à l'extrémité intérieure des cuves et les quitte par les sorties de chlore et de saumure épuisés, 39a et 39b, situées à l'extrémité supérieure des cuves dans le mode d'exécution repré- senté. Chaque étage de cuve est de préférence rempli d'électro- lyte jusqu'au niveau des sorties de chlore et de saumure épui- sés 39a et 39b pour constituer des cuves inondées, l'espacement compris entre les sorties de chlore et de saumure épuisés 39a et
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39b et le bord supérieur 3a de chaque étage constituant un espace- ment de dégagement de gaz.
Etant donné que les cuves bipolaires fonctionnent à des potentiels électriques différents, il est nécessaire de cou- per ou d'isoler le courant d'amenée de mercure arrivant à chaque élément de cuve et partant de celui-ci, afin d'éviter les courts- circuits et la formation d'étincelles entre les courants de mer- cure à différents potentiels.
Il est désirable aussi de faire en sorte qu'une quantité de mercure pratiquement égale soit amenée â chaque étage de façon que les étages fonctionnent à peu près
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un1rormément' '
Dans le circuit d'amenée de mercure, le doseur de mer- - cure 12 comprend un récipient cylindrique 40, doublé de caout- chouc et disposé verticalement (voir figures 4, 5 et 6). Un conduit à mercure 11 véhiculant le courant principal de mercure qui vient de la pompe 10 monte à travers le récipient 40 suivant l'axe ver- tical de celui-ci et se termine par un tube inversé 41. Le réci- pient 40 est fermé par le couvercle 42.
Pour alimenter une cuve bipolaire à deux éléments, deux compartiments séparés 43a et 43b sont formés dans le récipient 40 par une cloison verticale 47.
Les compartiments 43a et 43b se déchargent à l'extrémité inférieure dans des conduits 13a et 13b. Ainsi, la cloison 47 forme deux com- partiments séparés 43a et 43b. Si l'on veut alimenter plus de deux étages de cuve, il faut prévoir des compartiments séparés d'égale grandeur pour chaque étage mais lorsque différentes quantités de mercure doivent être amenées à différentes parties d'une installa- tion ou d'un processus à recyclage de mercure, il n'est pas né- cessaire que les compartiments 43a, 43b soient égaux, mais leur grandeur peut être calculée de manière à fournir les quantités désirées de mercure amené à différentes parties d'un processus à
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recyclage.
Le mercure en excès est pompé par -le tuyau 11 et reflue à la pompe 10 par le conduit 12B (voir figure 1).
Un arbre vertical 48 (voir figure 3) qui possède un palier dans le couvercle 42 est fixé par son extrémité infé- rieure au tube 41 et par son extrémité supérieure à une source d'énergie de rotation (non représentée).
En fonctionnement, le mercure amené par la pompe 10 à travers le conduit 11 sort du tube 41 en un courant continu non divisé. Le tube 41 est relié au conduit 11 par tout presse- étcupe approprié 49. Le tube 41 est mis en rotation dans le sens des aiguilles d'une montre par l'arbre 48 de sorte que le courant de mercure passe tour à tour et à répétition par les compartiments
43a et 43b.
Lorsque le courant de mercure passe par le comparti- ment 43a, le mercure qui entre dans le compartiment 43a s'écoule par gravité à travers le conduit 13a et passe par un coupe-cir- cuit à roue étoilée 56 puis arrive à l'étage de cuve 3a et le mer- cure qui entre dans le compartiment 43b s'écoule à travers le con- duit 13b et passe par un coupe-circuit similaire à roue étoilée pour arriver à l'étage 3b. Etant donné que les compartiments 43a et 43b sont d'égale grandeur, des quantités mesurées pratiquement égales de mercure sont amenées à chaque étage de .cuve. Lorsqu'on utilise plus de deux étages, on utilise un nombre similaire de comparti- ments doseurs d'égale grandeur.
Ainsi, une quantité égale de mercure afflue à chaque étage de cuve et le traverse. Ainsi' pour une pile à trois étages de cuve, le récipient'40 sera divisé en trois compartiments d'environ 1200 et pour une pile à quatre étages, lé compartiment 40 sera divisé en quatre compartiments d'environ 90 , etc...
Par contre, lorsqu'il s'agit d'amener dit- férentes quantités de mercure à différentes parties d'une installa- tion ou d'un processus à recyclage, il n'est pas nécessaire que
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les compartiments 43a., 43b etc.,soient égaux, mais ils peuvent . avoir la grandeur voulue pour doser de la façon désirée le mer- cure amené à différentes parties d'un processus..
Les compartiments 43a et 43b sont doublés de caout- chouc intérieurement pour éviter la rouille qui, si elle se for- mait, pénétrerait dans les étages de cuve.
Ainsi, au moyen du doseur d'amenée de mercure 12, le courant d'amenée de mercure est divisé en quantités pratiquement égales pour chaque étage et amené par le coupe-circuit 56 aux éta- ges séparés, le contact électrique étant empâché entre les quan- tités de mercure des différents étages.
La figure 3A illustre une variante de construction du doseur d'amenée de mercure 40, Dans cette variante, la struc- ture est généralement la même si ce n'est que le mercure est amené par un tube en U fixe 11A qui se trouve entièrement hors du dis- positif. Le tube en U 41 indiqué dans le doseur de la figure 3 est remplacé par un réceptacle 41A possédant un tube de décharge 41B. Un arbre 74 est disposé suivant l'axe vertical et fixé par son extrémité supérieure au réceptacle 41A, un organe moteur rotatif 75 étant prévu à l'extrémité inférieure de l'arbre. Ainsi, du mercure est amené par le tube en U 11A au réceptacle 41A qui est mis en rotation par l'arbre 74 et le moteur 75.
Ainsi, le tube de décharge 41B alimente les compartiments de la même façon que le tube en U 41 de la figure 3. L'avantage du dispositif de la figure 3A est que le mercure n'a pas besoin de passer par un conduit comportant un presse-étoupe mobile.
Venant du doseur 12, le mercure destiné à chaque étage passe à travers une roue étoilée ou un autre type de court-circuit
50 (voir figure 5) qui divise le courant de mercure en plusieurs incréments individuels de sorte que le circuit est coupé entre
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les incréments et que les otages de cuve fonctionnant à des ten- sions différentes peuvent recevoir chacun un courant sépara de mer- cure, le court-circuit avec le doseur 12 étant empêché. Un coupe- circuit séparé à roue étoilée est prévu pour chaque étage: Les roues étoilées peuvent 'être montées sur un arbre horizontal commun 55 de manière à tourner à une vitesse constante.
Après le dispo- sitif à roues étoilées 56, le mercure afflue par des conduits 13a et 13b aux étages séparés de cuve, Etant donné que l'on utilise un coupe-circuit similaire à roue étoilée pour l'amalgame à l'extré- mité de sortie des étages, le coupe-circuit sera décrit plus en détail a propos de l'évacuation d'amalgame.
Une fois que le mercure a traversé les étages 3a et 3b et s'est converti en amalgame, il est de préférence réuni à non.. veau en un courant commun de sortie pour être traité dans un dé- composeur unique 17, ou encors le courant d'amalgame venant de chaque étage peut être envoyé à un décomposeur séparé et les cou- rants séparés peuvent étre réunis dans le réservoir d'ou le mer- cure est amené par la pompe 10 au doseur 12.
Les courants de sortie d'amalgame doivent être main- tenus électriquement séparés les uns des autres de manière à éviter des courts-cirruits entre los courants de mercure sor- tant des différents étages qui fonctionnent à des tensions dit. férentes, et après le coupe-circuit, tous les courants peuvent être réunis et amenés à. un décomposeur unique ou, si l'on uti- lise un décomposeur séparé pour chaque courant, les courants séparés peuvent être amenés, .à un même potentiel, aux décomposeurs séparés.
Dans le mode d'exécution de coupe-circuit d'amalgame représenté par les figures 10 et 11, l'amalgame venant des étages
3a et 3b sort par les conduits de décharge 14a et 14b. Sur la
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figure 10, on peut voir que l'amalgame se rassemble en une réser- ve dans la boite d'extrémité 36b de l'étage 3b (et de façon simi- laire dans la botte d'extrémité 36a de l'étage 3a), d'où il afflue aux conduits 14a et 14b qui pénètrent dans le coupe-circuit d'éva- cuation d'amalgame 15 et sont réunis respectivement à des con- duits verticaux enfermés de décharge 50a et 50b.
Ces conduits sont situés à l'intérieur du récipient de coupe-circuit 15 qui est rectangulaire en section transversale de la morne façon que le coupe-circuit 12a de la figure 6 et présente, en section ver- tioale, un fond arrondi 15a. Un couvercle 51 ferme le récipient 15 et une entrée 25 est prévue pour l'eau de lavage et une sor- tie 52 mène à un condenseur de mercure. L'eau de lavage est amenée de façon continue et maintenue au niveau L et sort par la sortie 60.,
Etant donné que les cuves superposées 3a et 3b sont à des hauteurs différentes et qu'il en est donc de même pour leurs conduits de sortie 14a et 14b, les conduits à amalgame
50a et 50b sont à des hauteurs différentes à l'intérieur du ré- cipient 15 et sont espacés latéralement.
Les conduits à amalgame présentent des tubes verticaux de décharge 53a et 53b qui sont munis de filets hélicoïdaux descendants 54a et 54b. Cette dis- position assure une décharge constante d'amalgame en un courant continu qui n'est pas divisé en gouttelettes séparées.
Le récipient 15 est muni d'un arbre transversal 55 qui peut être mis en rotation par un organe moteur (non repré- sente) ou d'une autre façon. L'arbre 55 porte les roues étoilées 56a et 56b qui sont placées sur l'arbre, respectivement en dessous des tubes de décharge 53a et 53b (voir figure 11). Lorsqu'on uti- lise plus de deux étages de cuves, une roue étoilée séparée pour chaque étage sera montée sur l'arbre 55. Le récipient 15 et l'arbre
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55 seront allonges pour recevoir le nombre voulu de roues étoi- lées. Les surfaces de chaque roue étoilée sont isolées électri- quement l'une de l'autre par un isolant de caoutchouc 57 et les roues étoilées sont espacées le long de l'arbre 55 de la façon indiquée sur la figure 11.
Chaque roue étoilée possède huit com- partiments qui sont indiqués par les références 61 à 68 sur la figure 10. Ces compartiments sont aussi isolés les uns des autres par un doublage de caoutchouc 57. Une sortie 59 est prévue au fond du récipient 15 où l'amalgame afflue au conduit 16 puis au décomposeur 17 lorsqu'on utilise un seul décomposeur pour plusieurs étages de cuves, Lorsqu'on utilise des décomposeurs séparés pour chaque étage, on prévoit des cloisons de séparation - 15b (voir figure 6A) entre les roues étoilées successives pour séparer les courants d'amalgame venant de chaque roue étoilée et des conduits séparés 59a et 59b amènent les courants d'amalgame à des décomposeurs séparés.
En service, l'amalgame venant des étages de cuve 3a et 3b afflue par les conduits 14a et 14b aux conduits de déchar- ge 50a et 50b. La,l'amalgame déborde au bord supérieur des tubes verticaux 53a et 53b et descend le long des filets hélicoïdaux
54a et 54b. Ces filets constituent un moyen de ramener à un ni- veau commun l'amalgame venant de différentes hauteurs, sans une longue chute verticale qui disperserait l'amalgame, causant des projections qui pourraient nuire à la séparation électrique entre les courants d'amalgame. Les courants d'amalgame se dé- chargent des filets 54a et 54b dans les roues étoi- lées respectives 56a et' 56b.
La rotation des roues étoilées a pour effet de décharger l'amalgame de chaque compartiment dans la réserve commune ou dans des réserves séparées prévues au fond du récipient de coupe-circuit 15. Ainsi, ces roues étoilées as-
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surent Peux types désirés de séparation électrique.
. '\. \m1ère:nent, ' étant donné que ces roues étoilées sont isolées l'une de l'autre, les courants d'amalgame sont aussi isolés électriquement de sorte qu'il en est de même des étages bipolaires 3a et 3b. Deuxièmement, la séparation entre la réserve commune d'amalgame déchargée par la sortie 59 ou les sorties 59a et 59b et les courants d'amalgame venant des cuves 3a et 3b est aussi assurée par les roues étoilées. Par exemple, dans le cas de la roue étoilée 56b, le courant d'amalgame venant du filet héli- coîdal (voir figure 10) est séparé par la rotation de la roue de sorte que l'amalgame se décharge successivement dans huit compar- timents séparés électriquement qui passent en dessous du courant d'amalgame au cours d'un tour.
On voit (figure 10) que lorsque le courant d'amalgame remplit le compartiment 61, le compartiment 62 déjà rempli est séparé électriquement du compartiment 61 et que le compartiment 63, isolé de 61 et 62, décharge l'amalgame vers la réserve commune ou vers des réserves séparées alimentant des décomposeurs séparés, linsi, le compartiment 63 est en con- tact électrique avec la réserve d'amalgame et le décomposeur 17 mais non avec l'étage correspondant de cuve électrolytique 3b.
La roue étoilée 56a joue simultanément le même rôle que la roue étoilée 56b pour l'amalgame déchargé de l'étage de cuve 3a, Ainsi, le courant d'amalgame venant de l'étage de cuve 3a est également séparé du décomposeur 17 ou de la pompe 10 dans le cas où l'on utilise des décomposeurs séparé*! pour chaque étage de cuve. On voit donc que les courants d'amalgame menant des étages 3a et 3b sont séparés électriquement et que chaque courant est aussi sé- paré électriquement entre la cuve et la décomposeur commun d'amalgame 17 ou la pompe 10. On peut séparer de cette manière n'importe quel nombre de courants d'amalgame à condition qu'il
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y ait une roue étoilée, un tube de décharge et une cuvette pour chaque courant.
Les récipients 15 et 55 peuvent être allongés latéralement et verticalement dans la mesure nécessaire pour loger le nombre de roues étoilées correspondant au nombre- d'élé- ments de la pile de cuves. Les coupe-circuit à roue étoilée 56 (figures 5 et 6) affectes à l'amenée de mercure fonctionnent de façon pratiquement similaire.
La figure 7 montre une variante du coupe-circuit d'éva- cuation d'amalgame. Dans ce mode d'exécution, chaque roue étoilée 56 est remplacée par des godets 70 portés par une courroie sans fin 71 qui passe sur des poulies 72 et 73. Les godets 70 se dé- chargent dans une auge 74 qui mène à la réserve commune d'amal- game ou à la pompe 10. Les godets 70 sont isolés l'un de l'autre et les lèvres débordantes isolées 70a divisent le courant d'amal- game entre les godets. On peut utiliser d'autres formes de coupe- circuit.
Ainsi, le procédé et l'appareil suivant l'invention permettent d'amener du mercure à de multiples cuves électrolyti- ques bipolaires tout en les maintenant séparées électriquement et de retirer de l'amalgame des cuves tout en les maintenant sé. parées électriquement, et de réunir les courants d'amalgame en une réserve commune d'évacuation séparée électriquement de ces courants et donc des cuves bipolaires, tout cela se faisant de façon simple et pourtant efficace.
Dans le mode d'exécution de coupe-circuit qui sert à amener le mercure aux cuves (voir figures 5 et 6)., le mercure ve- nant de la pompe 10 arrive d'abord à un doseur de mercure 12 puis à un coupe-circuit à roue étoilée 56 et ensuite aux étages indi- viduels de cuve.
Le doseur d'amenée de mercure 12 joue seulement le rôle
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de doseur et n'est pas destiné à interrompre le courant élec- trique dans le mercure amené. Il est constitué par un récipient cylindrique 40 et des compartiments 43a, 43b, etc. en nombre égal à celui des étages de cuve 3. Etant donné que le tube 41 tourne à une vitesse uniforme au-dessus des compartiments 43a, 43b etc. et que ces compartiments sont de grandeur uniforme, une quantité égale de mercure est amenée à chaque compartiment.
Si l'on veut augmenter ou diminuer la quantité de mercure amenée à chaque étage de cuve, on peut augmenter ou diminuer la vi- tesse de la pompe 10 ou bien on peut ouvrir ou fermer une vanne prévue dans le tuyau de dérivation 12b pour régler l'écoulement du mercure.
Le mercure venant de chaque compartiment 43a, 43b etc. du doseur 12 arrive par des conduits 13a, 13b, etc, au coupe- circuit à roue étoilée 56. Chaque courant arrive par un tube 153 à une roue étoilée séparée 56.
Le coupe-circuit 56 est pratiquement similaire à ce- lui de la figure 6A et comporte une sortie séparée 59a, 59b, etc. pour chaque roue étoilée 56 et une cloison de séparation 15b entre les sorties. Toutefois, étant donné que le mercure est évacué de tous les compartiments du doseur 12 à la même hauteur, les tubes d'entrée 153 alimentant les .roues étoilées du coupe- circuit 55 peuvent aussi se trouver à la même hauteur..
Ainsi, on peut supprimer les filets hélicoïdaux 54 du coupe-circuit à amalgame 15 et les remplacer par des tubes 153,
Il est entendu que l'on a décrit l'invention dans le cas de deux éléments de cuve bipolaire uniquement à titre d'exem- ple et qu'elle n'est pas limitée à ce cas mais permet l'utilisa- tion de multiples éléments.
Comme on l'a dit plus haut, le doseur d'amenée de mer-
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cure est muni de compartiments de décharge dont le nombre corres- pond à celui des cuves et les coupe-circuits d'amenée de mercure et d'évacuation d'amalgame sont munis d'un nombre correspondant de roues étoilées.
On a décrit l'invention dans son application à des cuves électrolytiques bipolaires à mercure de type horizontal ou à plan incliné, mais on voit facilement que les coupe-circuit décrits sont utiles pour tout conducteur électrique fluide uti- lisé dans des cuves soumises à un courant électrique ou produi- sant du courant électrique lorsqu'on désire séparer électriquement les cuves les unes des autres et/ou du conducteur électrique flui- de.
Ainsi, pour l'alimentation et l'évacuation de cuves fonction- - nant à un potentiel différent, avec utilisation d'une source com- mune d'alimentation et d'une évacuation commune, le procédé et l'ap- pareil ici décrits peuvent servir à des cuves électrclytiques de di- vers types,à des piles à combustible et à divers autres usages.'
La figure 8 montre en coupe simplifiée une pile ver- ticale à combustible 80. Dans ce type de pile, un amalgame de sodium est formé dans la zone 81 et envoyé à la cuve 80 par le tuyau ts2. L'amalgame s'écoule le long de l'électrode verticale. en acier 83 qui sert de support de cathode.
De l'eau entre en
84 dans le bas de la cuve et l'électrolyte sort de la cellule par le haut, en 85. De l'oxygène est amené à la cuve par le c8té opposé de l'électrode poreuse à oxyne 86. L'oxygène entre en 87 et sort en 88. L'amalgame réagit sur l'eau, ce qui diminue la teneur en sodium de l'amalgame et forme de la soude constituant l'électrolyte qui est retiré en 85. Un potentiel électrique d'environ 1,7 V est engendra aux électrodes et peut être utilisé.
L'amalgame épuisé se rassemble à la base de la cuve,80 et est retiré par le conduit 89 et ame@é à la pompe 90 et ramené par
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le conduit 91 au mélangeur 81 en vue d'une nouvelle addition de sodium.
De multiples piles à combustible peuvent être reliées en une disposition bipolaire pour donner une tension plus forte.
En pareil cas, chaque élément produit la même tension mais ils fonctionnent à des potentiels différents relativement à la terre.
Ainsi, le diviseur d'alimentation ou doseur 12 et les coupe-cir- cuit 15 et 56 décrits plus haut sont utiles, de la même façon qu'on l'a indiquée, En pareil cas, on utilise un seul récipient mélangeur. L'amalgame est envoyé par l'intermédiaire du diviseur à de multiples piles, puis réuni dans un coupe-circuit à roue en étoile, puis on utilise une seule pompe pour ramener l'amal- game au récipient mélangeur et le recycler. Sans le doseur et le coupe-circuit, il faudrait autant de récipients mélangeurs, de pompes et de tuyaux à amalgame qu'il y a de piles et il serait - encore difficile d'assurer une alimentation uniforme despiles.
Bien entendu, il est désirable d'avoir de multiples piles à com- bustible à amalgame de façon à pouvoir engendrer une hauteten- sion, car une seule pile n'engendre que 0,5-1,7 V.
L'amalgame provenant du fonctionnement des cuves électrolytiques à cathode de mercure décrites plus haut peut servir à alimenter les piles à combustible.
Sur la figure 9, on a indiqué que l'amalgame prove- nant de quatre cuves à mercure 3 pourrait être envoyé à travers un coupe-circuit à roue étoilée 15A. En pareil cas, le circuit électrique est simplement coupé pour cnaque courant d'amalgame et les courants d'amalgame ne sont pas réunis à nouveau. A cet effet, le coupe-circuit 15 est modifié de la façon indiquée par la figure 6A, une cloison 15b étant prévue dans la base et dé- passant le niveau d'eau de manière à séparer le mercure qui vient
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de chaque roue étoilée. Le mercure est retiré par des conduits séparés 59at 59b et amené à des piles à combustible séparées.
Pour plus de simplicité, les dessins détaillés du coupe-circuit à étoile, figures 5, 6, 6A, 10 et 11, ne montrent que deux roues étoilées pour deux cuves. Mais il est évident que cela peut s'éten- dre à la représentation schématique de la figure 9 où l'on a in- diqué quatre cuves électrolytiques et quatre piles à combustible.
L'amalgame épuisé quittant l'extrémité inférieure des piles à combustible 80 est alors envoyé à travers un coupe-circuit simi- laire à roue étoilée 15A, puis à des pompes individuelles 10 et revient alors aux cuves électrolytiques à mercure. De cette ma- nière, la pile à combustible est entièrement isolée électriquement des cuves à mercure. Cela est nécessaire, bien entendu, car le po- tentiel de chaque cuve à mercure serait de 3,5-5,0 V alors que le potentiel de la pile à combustible pourrait être de 0,5-1,7 V. ' En outre, l'amalgame contenu dans chaque pile à combustible est isolé de celui de l'autre.
La figure 9 montre aussi que le coupe-circuit inférieur à roue étoilée pourrait fonctionner catame sur la figure 11 de manière à réunir tous les courants de mercure, à les envoyer à une même pompe qui pourrait alors les envoyer à un diviseur de mercure pouvant à son tour alimenter les multiples cuves à mer- cure. De'cette manière, il suffit d'une pompe pour les différen- tes piles à combustible,
Le courant engendré par chaque pile à combustible serait de 70-90% de celui qu'on fournit à la cuve à mercure, la différence étant due à une perte d'efficacité du courant.
Il est évidant que l'on peut appliquer toutes modifica- tions désirées en plaçant à l'endroit voulu le diviseur d'amenée de mercure ou doseur 12, ou le coupe-circuit à mercure 15 ou 15A.
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par exemple, une seule cuve électrolytique 3 pourrait alimenter plusieurs piles à combustible 80 grâce à un coupe-circuit 15 et à. un diviseur d'amende 12. Plusieurs cuves 3 peuvent alimenter de la même façon un plus grand nombre de piles à combustible. '
Il est évident que les matériaux de construction uti- lisés pour les dispositifs d'amenée et de séparation peuvent être tous matériaux appropriés connus dans la technique.
L'homme de l'art voit donc facilement qu'il est pos- sible de prévoir diverses modifications aux modes de réalisation décrits sans sortir pour cela du cadre de l'invention.
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A method and apparatus for: interrupting an electric current in flowing conductors.
The present invention relates to a pmcdd and an apparatus for interrupting an electric current carried by a fluid conductor. The invention relates more particularly to apparatuses for use with electrolytic cells of the horizontal multistage type or alternatively with fuel cells comprising a flowing mercury cathode, in order to cut off the current which arrives at the mercury cathode and which leaves from it. this, and thus isolate the mercury of each stage from that of the adjacent stages which operate at a different voltage.
In the horizontal type mercury vessel described by
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Example in US Patent No. 2,544,138, the mercury or amalgam flows on the basis of the. tank, from one end of it to the other, forming a cathode of flowing mercury, the electrolyte occupies the space between the anode surfaces and the cathode and the electrolysis of the electrolyte takes place in the space between the anode and cathode surfaces,
In normal operation, the base of the vessel over which the mercury cathode flows is tilted enough to allow the mercury to flow by gravity. The normal angle of inclination is approximately 0.2 to 0.5 from the horizontal.
The base can be formed from a conductive metal, usually steel, or a non-conductive material. If the base is a non-conductive surface, it has metallic inserts to make electrical contact with the mercury.
It is desirable to construct the horizontal mercury tanks in a stepped form, one tank being placed on top of another.
In such an arrangement, as explained here, the base of the upper tank also constitutes the top of the lower tank, etc. - The anodes of the lower tank are fixed to the lower face of this base. Thus, the stacked tanks are arranged in the form of bipolar cells, the upper face of the separation base constituting the cathode contact and the lower face the anode contact. In such an arrangement, the voltage drop is the same for the different tanks, but the potential of each tank with respect to earth is different.
In the operation of several bipolar vessels, short circuits may occur formed by (1) the feed brine streams (flows) entering the bipolar elements, (2) the currents (flows) of
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depleted brine leaving the 4 bipolar elements, (3) the streams (flows) of mercury entering the bipolar elements and (4) the amalgam streams (flows) leaving the bipolar elements. These short circuits between the bipolar elements operating at different voltages lead to current leaks, and therefore energy losses.
The amount of current (electrical) leakage is not a serious disadvantage in the case of brine flows, given the electrical resistance of the brine in long conduits. On the other hand, the conductivity of the streams (flows) of mercury and amalgam is so high that it poses serious problems, for example as a result of high current losses and mechanical damage to the vessels. Short circuits between currents of mercury at different voltages cause sparking and vaporization of the mercury, hence loss of this metal.
For these reasons, it is necessary to take special measures to handle the streams of mercury and amalgam supplied to the different stages of a bipolar multi-stage vessel, so as to prevent the above incidents.
The marl problems arise in the use of tanks serving the. Direct conversion of chemical energy into electrical energy, called fuel cells, in which fluid mercury is used in the form of an amalgam of sodium which flows through the elements. One type of battery is described in the article "Fuel Cells - Stats of the Art, 1961'ne by John 1.
Slaughter, in "Transactions of the Electro-chemical Society",
Indianapolis, 1.5.61. If several of these elements are connected as bipolar elements, it is necessary to keep the amalgam of each element electrically separate from that of any other element, and from any other electric charge.
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Also, one of the aims of the invention is to provide a method and an apparatus making it possible to interrupt the electric current in a fluid electric conductor, at the entry and exit points of an electrolytic cell. .
Another object is to provide a method and apparatus for supplying mercury to multiple mercury electrolytic cells operating at different voltages and removing amalgam therefrom, while avoiding short circuits between the cells. operating as bipolar elements at different voltages.
Another object is to provide a method and apparatus for supplying mercury to multiple bipolar electrolytic cells and removing amalgam therefrom while avoiding energy loss and mercury loss.
Another object is to provide a method and apparatus for interrupting the electric current in a current of mercury supplied as a cathode to several bipolar electrolytic cells, and also for interrupting the current in the amalgam streams withdrawn from these. tanks.
Another object is to provide a method and an apparatus making it possible to electrically separate in each cell an amalgam current which passes through several electrolytic cells, each of which has a different potential.
These objects, as well as other objects of the invention, will become apparent during the description.
These goals can be achieved by the invention which consists, in short, of using a special mercury distributor on the inlet side of the bipolar electrolytic cells which operate at different voltages in order to separate the supply current into currents separated by approximately
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equal to each of the tanks, and using separate circuit breakers so that the liquid feed stream to each of the tanks is divided into several electrically separate increments.
The separate liquid streams arriving at the different vessels of a multistage cell, for example, have no electrical contact with each other but each is individually in contact with its feed stream when it momentarily brings mercury. to each of the tanks. Thus, the mercury distributor has an electrical circuit breaker between the different tanks, at the entrance to the latter.
At the outlet end of the vessels, the separate streams of amalgam from the vessels are brought to a similar circuit breaker and can then be combined into a single stream which goes to an amalgam decomposer, or alternatively. fed as separate streams to separate decomposers. Amal- game currents pass through a circuit breaker which separates each current into several electrically separate increments before they enter the common current or go to separate decomposers, giving the effect of 'a circuit breaker provided between the different tanks at their outlet end.
The invention will be understood more fully with reference to the accompanying drawings, given by way of example, and in which - Figure 1 shows in elevation an embodiment of a practically complete installation of bipolar electrolyte tanks. multi-stage mercury, showing electrolytic cells, amalgam decomposer, mercury distributor, inlet and outlet circuit breakers, mercury pump, lines, etc; Figure 2 is a sectional elevation of two tanks
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superimposed bipolar mercury electrolytes; - Figure 3 is a sectional elevation of a mercury feed metering device; - Figure 3A shows an alternative feed metering - mercury;
FIG. 4 is a plan of the mercury supply metering device, in section taken essentially along line 4-4 of FIG. 3; - Figure 5 is a side-view partially in section of the mercury supply metering unit -and the mercury supply circuit breaker; - Figure 6 is a plan partially in section, approximately along the line 6-6 of Figure 5; FIG. 6A shows a variant of the circuit breaker for the mercury supply of FIGS. 5 and 6;
- Figure 7 shows an alternative construction of a circuit breaker for the supply of mercury or the discharge of amalgam - Figure 8 is a perspective of a combined installation comprising amalgam fuel elements, tanks of mercury electrolyses, input and output circuit breakers, mercury pump and conduits; FIG. 9 is a simplified sectional elevation of an amalgam fuel cell; - Figure 10 is a sectional elevation of one embodiment of an amalgam discharge circuit breaker, and Figure 11 is a sectional side view of the amalgam discharge circuit breaker of FIG. 10. reference will now be made to FIG. 1;
the brine electrolysis process consists, in short, of bringing brine from the brine feed manifold 1, through the conduits 2,
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2a and 2b, to bipolar tanks 3a and 3b. The exhausted brine, - :. 4 is discharged through outlets 4a and 4b to the separator 5. The chlorine separates in the separator 5 and the brine flows through the pipe 6 to the collector 7 to pass again through a resaturation system. while the chlorine is discharged through line 8 to collector 9.
It is preferable to bring saturated brine to the lower end of the bipolar tanks 3a and 3b and to remove the exhausted brine from the upper end of the tanks, but the brine can be brought to one or the other. other end of the tanks.
Mercury is brought to tanks 3a and 3b under the action. from the pump 10 via the conduit 11 where it is separated by the mercury supply metering device 12 in separate but equal streams and it passes through the conduits 13a and 13b to arrive at the mercury supply circuit breaker 12a then, by similar conduits 13a and 13b, to the tanks 3a and 3b. The mercury supplied to the metering device 12 and which exceeds the desired quantity is returned to the pump 10 via the conduit 12b.
.
The role of the metering device 12 will be described more fully in the following paragraphs.
Thus, the mercury flows by gravity through the tanks where the brine is electrolyzed with the formation of chlorine and the mercury becomes charged with sodium by being converted into amalgam.
The tanks 3a and 3b are preferably tilted about 15 to the horizontal, although any tilt of about 0.160 to 85 can be used. When the cells are tilted, preferably 5-300 from the horizontal, the increased velocity of the mercury flow relative to the electrolyte increases the efficiency of the cell. Only two cells or cell stages have been shown. , 3a and 3b, but any number of bipolar staged cells can be used.
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The preferred construction has five floors.
The amalgam is discharged at the lower end of the tanks 3a and 3b, through conduits 14a and 14b, to the amalgam discharge circuit cutter 15 where. the amalgam coming from the separate stages is divided into increments which can be fed to separate decomposers or combined into a single stream which arrives through the conduit 16 to the decomposer 17 assigned to the streams coming from all the stages.
In the decomposer, water enters into 18 and is brought into contact against the current with the amalgam to form hydrogen, discharged through line 19 to collector 20, and soda, discharged through line 21 to collector 22, and the mercury substantially free of sodium is recycled through line 22 to pump 10, or alternatively, separate streams of mercury from separate decomposers, one for each stage, can be recycled to pump 10. In pump 10, all of the mercury is at earth potential and the individual currents brought into the tank stages and discharged from them in the form of an amalgam must be fitted with circuit breakers at the inlet and outlet ends of the stages, since these operate at different voltages.
Wash water from manifold 23 for rinsing the tanks can be supplied through lines 24a and 24b to the lower end of tank stages 3a and 3b and through the amalgam discharge circuit breakers through conduits 25 to rinse stages 3a and 3b, the mercury supply circuit breaker
12a and the amalgam discharge circuit breaker 15. The discharged wash water is collected by pipes 26, 27, 28 and supplied to the collector 29.
The vessel stages 3a and 3b may be of the type generally called a horizontal mercury cell, exhibiting a
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tilt of about 0.16 to 0.5 from the horizontal, but the stages 3a and 3b as shown are tilted about 15 to the horizontal. Cells with an inclination of about 2-85 to the horizontal are called inclined mercury cells and inclines of 5-30 are preferred. The invention is applicable to multi-stage horizontal or inclined-plane tanks the stages of which operate at different voltages relative to earth.
These tanks are superimposed (see FIG. 2) so that a common partition 38 constitutes the base of the stage 3a and the top of the stage 3b. We have only shown two floors, but you can use any number of superimposed floors.
Plate 30 is formed of steel and coated with nickel on its upper face to form a base on which the mercury cathode flows into stage 3a. A rubber coating 31 is provided on the underside of the plate 30 to insulate the metal against corrosion. A similar rubber coating is used on all tank surfaces in contact with brine or chlorine. Anodes 32a are suspended from the bottom face of the top of each tank stage.
Thus, these anodes are connected directly to the plate 30 which is located above. The cells thus mounted are bipolar because the current leaving the positive bus bars 33 arrives through the cover 30 and the anode connectors 32 at the anode plates 32a, then passes through the electrolyte at 3a to arrive at the mercury cathode in flow and to the bottom plate 30, then to the anodes 32a of the tank 3b and so on to the negative omni-low bars 34. Thus, the cathode of one tank is connected to the anode of the next tank and and so on. When using multiple stages, i.e. two, three or more tank elements,
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the course of the current is the same.
Each tank operates at a different voltage because of the voltage drop across the previous stage, but only one set of positive and negative busbar connections is required for all stages. The anode plates 32a are preferably formed from perforated or expanded titanium bearing a platinum plate on its active surface.
The mercury enters the tanks through conduits 13a and 13b leading to the mercury supply boxes 35a and 35b which run the entire width of the tanks, it flows along the inclined bases of stages 3a and 3b to arrive at the boxes end 36a and 36b and exit through conduits 14a and 14b in the form of an amalgam. The hydrogen given off in the end box escapes through outlets 37a and 37b.
A member 35c is provided at the top of each mercury supply box 35a, 35b, etc.,. The members 35c run substantially the entire width of these cans and serve to spread the mercury which flows from the feed cans and passes under the spreaders in a uniform layer on the base or cathode plate 30 of. each tank stage. Spreaders 35c are provided with an insulating layer 35d and are adjustable with bolts 3e which allow adjustment of the spacing through which the mercury arrives on top of the plates 30.
The brine enters the tanks through inlets 38a and
38b located at the inner end of the tanks and leaves them through the exhausted chlorine and brine outlets, 39a and 39b, located at the upper end of the tanks in the embodiment shown. Each tank stage is preferably filled with electrolyte up to the level of the exhausted chlorine and brine outlets 39a and 39b to form flooded tanks, the spacing between the exhausted chlorine and brine outlets 39a and
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39b and the upper edge 3a of each stage constituting a gas release space.
Since bipolar cells operate at different electrical potentials, it is necessary to cut or isolate the supply current of mercury arriving at and leaving each cell element, in order to avoid short - circuits and the formation of sparks between mercury currents at different potentials.
It is also desirable to ensure that a substantially equal amount of mercury is supplied to each stage so that the stages operate roughly.
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very much ''
In the mercury supply circuit, the mercury metering - - - cure 12 comprises a cylindrical container 40, lined with rubber and arranged vertically (see Figures 4, 5 and 6). A mercury conduit 11 conveying the main stream of mercury which comes from pump 10 ascends through container 40 along the vertical axis thereof and terminates in an inverted tube 41. Container 40 is closed. by the cover 42.
To supply a bipolar tank with two elements, two separate compartments 43a and 43b are formed in the container 40 by a vertical partition 47.
The compartments 43a and 43b discharge at the lower end into conduits 13a and 13b. Thus, the partition 47 forms two separate compartments 43a and 43b. If more than two tank stages are to be supplied, separate compartments of equal size must be provided for each stage but when different quantities of mercury have to be supplied to different parts of a plant or process. recycling of mercury, compartments 43a, 43b need not be equal, but their size can be calculated to provide the desired amounts of mercury supplied to different parts of a process.
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recycling.
The excess mercury is pumped through pipe 11 and flows back to pump 10 through pipe 12B (see figure 1).
A vertical shaft 48 (see FIG. 3) which has a bearing in the cover 42 is fixed at its lower end to the tube 41 and at its upper end to a source of rotational energy (not shown).
In operation, the mercury supplied by pump 10 through conduit 11 exits tube 41 in an undivided direct current. The tube 41 is connected to the conduit 11 by any suitable clamp 49. The tube 41 is rotated clockwise by the shaft 48 so that the current of mercury passes in turn and through. repetition by compartments
43a and 43b.
When the mercury stream passes through compartment 43a, the mercury entering compartment 43a flows by gravity through conduit 13a and passes through a star wheel circuit breaker 56 and then arrives at the floor. 3a and the mercury which enters the compartment 43b flows through the conduit 13b and passes through a similar star wheel cutout to reach stage 3b. Since compartments 43a and 43b are of equal size, substantially equal measured amounts of mercury are supplied to each tank stage. When more than two stages are used, a similar number of equal sized metering compartments are used.
Thus, an equal quantity of mercury flows to each stage of the vessel and passes through it. Thus' for a cell with three stages of the vessel, the receptacle 40 will be divided into three compartments of about 1200 and for a cell with four stages, the compartment 40 will be divided into four compartments of about 90, etc.
On the other hand, when it comes to supplying different quantities of mercury to different parts of a recycling plant or process, it is not necessary that
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compartments 43a., 43b etc., are equal, but they can. have the desired size to dose the mercury supplied to different parts of a process in the desired way.
The compartments 43a and 43b are lined with rubber on the inside to prevent rust which, if formed, would penetrate into the vessel stages.
Thus, by means of the mercury feed metering device 12, the mercury feed stream is divided into substantially equal amounts for each stage and fed by the circuit breaker 56 to the separate stages, the electrical contact being blocked between the two stages. quantities of mercury from different stages.
FIG. 3A illustrates an alternative construction of the mercury supply metering device 40. In this variation, the structure is generally the same except that the mercury is supplied through a fixed U-tube 11A which is entirely located out of the device. The U-tube 41 shown in the metering device of Figure 3 is replaced by a receptacle 41A having a discharge tube 41B. A shaft 74 is arranged along the vertical axis and fixed by its upper end to the receptacle 41A, a rotary motor member 75 being provided at the lower end of the shaft. Thus, mercury is supplied through U-tube 11A to receptacle 41A which is rotated by shaft 74 and motor 75.
Thus, the discharge tube 41B supplies the compartments in the same way as the U-tube 41 of FIG. 3. The advantage of the device of FIG. 3A is that the mercury does not need to pass through a conduit comprising a mobile cable gland.
Coming from doser 12, the mercury destined for each stage passes through a star wheel or some other type of short circuit
50 (see figure 5) which divides the mercury stream into several individual increments so that the circuit is cut between
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increments and that the vessel hostages operating at different voltages can each receive a separate mercury current, the short circuit with the metering unit 12 being prevented. A separate star wheel circuit breaker is provided for each stage: The star wheels can be mounted on a common horizontal shaft 55 so as to rotate at a constant speed.
After the star wheel device 56, the mercury flows through conduits 13a and 13b to the separate vessel stages. Since a similar star wheel circuit breaker is used for the amalgam end. outlet of the stages, the circuit breaker will be described in more detail in connection with the amalgam evacuation.
Once the mercury has passed through stages 3a and 3b and has converted to amalgam, it is preferably joined together with non-calf in a common output stream to be processed in a single decomposer 17, or so on. Amalgam stream from each stage can be sent to a separate decomposer and the separate streams can be combined in the tank from which mercury is supplied by pump 10 to metering unit 12.
The amalgam output currents must be kept electrically separate from each other so as to avoid short-circuits between the mercury currents leaving the different stages which operate at said voltages. férentes, and after the circuit breaker, all the currents can be gathered and brought to. a single decomposer or, if a separate decomposer is used for each stream, the separate streams can be brought, at the same potential, to the separate decomposers.
In the embodiment of an amalgam circuit breaker shown in Figures 10 and 11, the amalgam coming from the stages
3a and 3b exits through the discharge conduits 14a and 14b. On the
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Figure 10, we can see that the amalgam collects in a reserve in the end box 36b of the stage 3b (and similarly in the end boot 36a of the stage 3a), whence it flows to the conduits 14a and 14b which enter the amalgam discharge cut-out 15 and are joined respectively to vertical enclosed discharge conduits 50a and 50b.
These conduits are located inside the circuit breaker container 15 which is rectangular in cross section in the same way as the circuit breaker 12a of FIG. 6 and has, in vertical section, a rounded bottom 15a. A cover 51 closes the container 15 and an inlet 25 is provided for the wash water and an outlet 52 leads to a mercury condenser. The washing water is supplied continuously and maintained at level L and leaves through outlet 60.,
Given that the superimposed tanks 3a and 3b are at different heights and that it is therefore the same for their outlet ducts 14a and 14b, the amalgam ducts
50a and 50b are at different heights inside container 15 and are laterally spaced.
The amalgam conduits have vertical discharge tubes 53a and 53b which are provided with descending helical threads 54a and 54b. This arrangement ensures a constant discharge of amalgam in a direct current which is not divided into separate droplets.
The container 15 is provided with a transverse shaft 55 which can be rotated by a motor member (not shown) or otherwise. The shaft 55 carries the star wheels 56a and 56b which are placed on the shaft, respectively below the discharge tubes 53a and 53b (see figure 11). When more than two tank stages are used, a separate star wheel for each stage will be mounted on shaft 55. Container 15 and shaft
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55 will be extended to accommodate the desired number of star wheels. The surfaces of each star wheel are electrically isolated from each other by a rubber insulator 57, and the star wheels are spaced along shaft 55 as shown in Figure 11.
Each star wheel has eight compartments which are indicated by the references 61 to 68 in FIG. 10. These compartments are also isolated from each other by a rubber lining 57. An outlet 59 is provided at the bottom of the container 15 where the The amalgam flows to the duct 16 then to the decomposer 17 when a single decomposer is used for several stages of the tanks, When separate decomposers are used for each stage, there are separating partitions - 15b (see figure 6A) between the wheels successive star lines to separate the amalgam streams coming from each star wheel and separate conduits 59a and 59b bring the amalgam streams to separate decomposers.
In service, the amalgam coming from the tank stages 3a and 3b flows through the conduits 14a and 14b to the discharge conduits 50a and 50b. There, the amalgam overflows at the upper edge of the vertical tubes 53a and 53b and descends along the helical threads
54a and 54b. These nets provide a means of bringing the amalgam from different heights back to a common level, without a long vertical drop that would disperse the amalgam, causing spattering that could interfere with the electrical separation between the amalgam streams. The amalgam streams discharge from the threads 54a and 54b in the respective star wheels 56a and '56b.
The rotation of the star wheels has the effect of unloading the amalgam of each compartment in the common reserve or in separate reserves provided at the bottom of the circuit-breaker receptacle 15. Thus, these star wheels as-
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There are two desired types of electrical separation.
. '\. \ m1ère: nent, 'since these star wheels are isolated from each other, the amalgam currents are also electrically isolated so that the same is true of the bipolar stages 3a and 3b. Secondly, the separation between the common amalgam reserve discharged by the outlet 59 or the outlets 59a and 59b and the amalgam streams coming from the tanks 3a and 3b is also ensured by the star wheels. For example, in the case of the star wheel 56b, the amalgam stream coming from the helical net (see figure 10) is separated by the rotation of the wheel so that the amalgam is discharged successively into eight compartments. electrically separated which pass below the amalgam current in one revolution.
It can be seen (FIG. 10) that when the amalgam stream fills the compartment 61, the already filled compartment 62 is electrically separated from the compartment 61 and that the compartment 63, isolated from 61 and 62, discharges the amalgam towards the common reserve or to separate reserves feeding separate decomposers, thus, the compartment 63 is in electrical contact with the amalgam reserve and the decomposer 17 but not with the corresponding stage of electrolytic tank 3b.
The star wheel 56a simultaneously plays the same role as the star wheel 56b for the amalgam discharged from the vessel stage 3a. Thus, the amalgam stream coming from the vessel stage 3a is also separated from the decomposer 17 or from pump 10 if separate decomposers are used *! for each tank stage. It can therefore be seen that the amalgam currents leading from stages 3a and 3b are electrically separated and that each current is also electrically separated between the tank and the common amalgam decomposer 17 or the pump 10. It is possible to separate in this way. any number of amalgam streams provided that it
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there is a star wheel, a discharge tube and a cuvette for each stream.
The containers 15 and 55 may be extended laterally and vertically to the extent necessary to accommodate the number of star wheels corresponding to the number of elements in the stack of cells. The star wheel circuit breakers 56 (Figures 5 and 6) assigned to the supply of mercury operate in a substantially similar fashion.
FIG. 7 shows a variant of the amalgam discharge circuit breaker. In this embodiment, each star wheel 56 is replaced by buckets 70 carried by an endless belt 71 which passes over pulleys 72 and 73. The buckets 70 are discharged into a trough 74 which leads to the common reserve. amalgam or at the pump 10. The cups 70 are insulated from each other and the isolated overhanging lips 70a divide the amalgam stream between the cups. Other forms of circuit breaker can be used.
Thus, the method and apparatus according to the invention enables mercury to be supplied to multiple bipolar electrolytic cells while maintaining them electrically separate and for removing amalgam from the cells while keeping them dry. electrically trimmed, and to bring together the amalgam currents in a common evacuation reserve electrically separated from these currents and therefore from the bipolar tanks, all of this being done in a simple and yet efficient way.
In the embodiment of a circuit breaker which serves to supply the mercury to the tanks (see figures 5 and 6), the mercury coming from the pump 10 first arrives at a mercury meter 12 and then at a cup. - star wheel circuit 56 and then to the individual tank stages.
The mercury feeder 12 only plays the role
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metering device and is not intended to interrupt the electric current in the mercury supplied. It consists of a cylindrical container 40 and compartments 43a, 43b, etc. in number equal to that of the tank stages 3. Since the tube 41 rotates at a uniform speed above the compartments 43a, 43b etc. and that these compartments are of uniform size, an equal amount of mercury is supplied to each compartment.
If you want to increase or decrease the quantity of mercury supplied to each stage of the tank, you can increase or decrease the speed of the pump 10 or you can open or close a valve provided in the bypass pipe 12b to regulate. the flow of mercury.
The mercury coming from each compartment 43a, 43b etc. from metering unit 12 arrives through conduits 13a, 13b, etc., to star wheel circuit breaker 56. Each current arrives through tube 153 to a separate star wheel 56.
Circuit breaker 56 is substantially similar to that of Figure 6A and has a separate outlet 59a, 59b, etc. for each star wheel 56 and a partition 15b between the outlets. However, since the mercury is discharged from all compartments of the metering unit 12 at the same height, the inlet tubes 153 supplying the starwheels of the circuit breaker 55 may also be at the same height.
Thus, it is possible to eliminate the helical threads 54 of the amalgam circuit breaker 15 and replace them with tubes 153,
It is understood that the invention has been described in the case of two bipolar tank elements only by way of example and that it is not limited to this case but allows the use of multiple elements.
As mentioned above, the metering device for the sea-
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cure is equipped with discharge compartments the number of which corresponds to that of the tanks and the circuit breakers for the supply of mercury and the amalgam discharge are fitted with a corresponding number of star wheels.
The invention has been described in its application to bipolar mercury electrolytic cells of the horizontal or inclined plane type, but it is readily seen that the circuit breakers described are useful for any fluid electrical conductor used in cells subjected to a high pressure. electric current or producing electric current when it is desired to electrically separate the tanks from each other and / or from the fluid electrical conductor.
Thus, for the supply and discharge of vessels operating at a different potential, with use of a common supply source and a common discharge, the method and the apparatus described here can be used for electrolytic vessels of various types, fuel cells and a variety of other uses.
FIG. 8 shows a simplified cross-section of a vertical fuel cell 80. In this type of cell, a sodium amalgam is formed in the zone 81 and sent to the tank 80 through the pipe ts2. The amalgam flows along the vertical electrode. steel 83 which serves as a cathode support.
Water comes in
84 in the bottom of the cell and the electrolyte exits the cell from the top, at 85. Oxygen is brought to the cell by the opposite side of the porous oxygen electrode 86. Oxygen enters at 87 and exits at 88. The amalgam reacts with water, which decreases the sodium content of the amalgam and forms soda constituting the electrolyte which is withdrawn at 85. An electrical potential of approximately 1.7 V is generated at the electrodes and can be used.
The spent amalgam collects at the base of the tank, 80 and is withdrawn by the conduit 89 and fed to the pump 90 and returned by
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the conduit 91 to the mixer 81 with a view to a further addition of sodium.
Multiple fuel cells can be linked in a bipolar arrangement to provide greater voltage.
In such a case, each element produces the same voltage but they operate at different potentials relative to earth.
Thus, the feed divider or metering device 12 and the circuit breakers 15 and 56 described above are useful, as has been indicated. In such a case, a single mixing vessel is used. The amalgam is sent through the divider to multiple stacks, then assembled in a star wheel circuit breaker, then a single pump is used to return the amalgam to the mixing vessel and recycle it. Without the metering unit and the circuit breaker, one would need as many mixing vessels, pumps and amalgam hoses as there are batteries and it would be - again difficult to ensure a uniform supply of the batteries.
Of course, it is desirable to have multiple amalgam fuel cells so as to be able to generate a high voltage, since a single cell generates only 0.5-1.7 V.
Amalgam from the operation of the mercury cathode electrolytic cells described above can be used to power fuel cells.
In Fig. 9 it was indicated that the amalgam from four mercury tanks 3 could be sent through a star wheel cutout 15A. In such a case, the electrical circuit is simply cut for amalgam current failure and the amalgam currents are not reunited. To this end, the circuit breaker 15 is modified in the manner shown in FIG. 6A, a partition 15b being provided in the base and exceeding the water level so as to separate the mercury which comes from.
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of each star wheel. The mercury is removed through separate conduits 59at 59b and fed to separate fuel cells.
For simplicity, the detailed drawings of the star circuit breaker, Figures 5, 6, 6A, 10 and 11, show only two star wheels for two tanks. But it is obvious that this can extend to the schematic representation of FIG. 9 where four electrolytic cells and four fuel cells have been indicated.
The spent amalgam leaving the lower end of the fuel cells 80 is then sent through a starwheel-like circuit breaker 15A, then to individual pumps 10 and then back to the mercury electrolytic cells. In this way, the fuel cell is completely electrically isolated from the mercury tanks. This is necessary, of course, because the potential of each mercury cell would be 3.5-5.0 V while the potential of the fuel cell could be 0.5-1.7 V. In addition, the amalgam contained in each fuel cell is isolated from that of the other.
Figure 9 also shows that the star wheel lower circuit breaker could operate catame in Figure 11 so as to bring together all the mercury currents, to send them to the same pump which could then send them to a mercury divider which can in turn feed the multiple mercury vats. In this way, a pump is sufficient for the various fuel cells,
The current generated by each fuel cell would be 70-90% of that supplied to the mercury tank, the difference being due to a loss of current efficiency.
It is obvious that any desired modifications can be applied by placing the mercury supply divider or metering device 12, or the mercury circuit breaker 15 or 15A, in the desired location.
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for example, a single electrolytic cell 3 could power several fuel cells 80 thanks to a circuit breaker 15 and to. a fine divider 12. Several tanks 3 can supply a larger number of fuel cells in the same way. '
Obviously, the materials of construction used for the feed and separation devices can be any suitable material known in the art.
Those skilled in the art therefore easily see that it is possible to provide various modifications to the embodiments described without thereby departing from the scope of the invention.