Cellules électrochimiques produisant du gaz : suivi de l'électrolyse par émission acoustique et effets de la mouillabilité des électrodes sur le flux des charges électriques

Gas-producing electrolysis : acoustic emission monitoring and study of the impact of electrodes wettability on current distribution

• Auteur / Autrice : Charles Brussieux
• Direction : Mohammed Rakib
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 27/07/2011
• Etablissement(s) : Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Châtenay-Malabry, Hauts de Seine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Perré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohammed Rakib, Marian Chatenet, László I. Kiss, Hervé Roustan, Philippe Viers
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marian Chatenet, László I. Kiss

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrodes

Électrolyse

Fabrication du gaz

Mots clés libres

Émission acoustique

Électrode hydrophobe

Cellule d'électrolyse

Acoustic emission

Hydrophobic electrodes

Electrolysis cell

Résumé

Certains procédés d'électrolyse industriels, comme ceux de production de fluor et d'aluminium, génèrent du gaz sur des électrodes peu mouillées par l'électrolyte. Dans ces procédés, la convection est en grande partie induite par le mouvement des bulles. Le temps de résidence du gaz n'étant pas maitrisé, la modélisation de ces électrolyses se heurte à de nombreux défis. Ce travail propose un état des connaissances nécessaires à la modélisation de ce type de cellules. Après avoir mis au point une méthode permettant de réaliser des électrodes fortement hydrophobes, nous avons étudié le dégagement gazeux que celles-ci produisent. Nous avons observé que les bulles qui s'y forment croissent par coalescence et ce phénomène affecte la vitesse de croissance et la taille au détachement. Par la suite, nous avons démontré qu'en localisant le dépôt hydrophobe il est possible d'obtenir une population de bulles dont le nombre, la taille et la position sont maitrisés. Nous avons constaté que l'émission acoustique est un outil efficace pour mesurer, sans observation visuelle, la taille et la vitesse d'ascension des bulles produites par électrolyse. La fréquence la plus énergétique du spectre des salves d'émission acoustique des cellules d'électrolyse produisant du gaz permet, quand la fraction volumique de gaz est faible, de mesurer la taille de toutes les bulles dans la cellule. Quand les bulles sont nombreuses et denses, cette même fréquence est liée aux dimensions de la cellule, à la densité de courant, à la taille des bulles et à la fraction volumique en gaz dans le panache. Nous avons proposé une explication à cette observation basée sur l'hypothèse d'un couplage acoustique des bulles. En l'absence d'agitation vigoureuse, l'activité acoustique d'une cellule d'électrolyse produisant des bulles traduit l'importance du transport de matière aux électrodes. La mesure de la répartition de la densité de courant par la méthode des électrodes segmentées dans une cellule en convection libre a été réalisée. Cette étude a été menée dans le but de tester un outil de simulation numérique des cellules d'électrolyse produisant du gaz. L'effet de la mouillabilité de l'électrode sur la répartition du courant a été évalué.

Molten salts electrochemical processes, like fluorine and aluminium production processes produce bubbles on electrodes slightly wetted by an electrolyte. In those cells, the electrolyte convection is mainly induced by the motion of bubbles. Then, the residence time of gas is not under control and the modelling of such electrolysis still faces many challenges. This work begins with a collection of the information required to model gas-producing cells. We developed an electrochemical composite coating technique to achieve the production of highly hydrophobic electrodes. Then we studied the gas evolution obtained with these electrodes, we observed that coalescences determines the bubbles growth rate and sizes at detachment. When the hydrophobic deposit is local, it is possible to obtain a bubble population whose number, size and position are controlled. We found that the acoustic emission is an effective tool to measure the size and rising speed of bubbles produced by electrolysis without having to observe them visually. When the volume fraction of gas is low, the most energetic frequency of the spectrum of acoustic emission bursts allows measuring the size of all bubbles in the cell. When bubbles are numerous, the most energetic frequency of the acoustic emission spectrum is related to the dimensions of the cell, current density, sizes of the bubbles and gas volume fraction in the plume. We have proposed an explanation for this observation based on the assumption of an acoustic coupling of the bubbles. When bubbles are produced, the acoustic activity of an electrolysis cell is correlated with the mass transport at electrodes. We propose a set of measurements of the distribution of current density at the electrodes in a cell with electrolyte free convection. These measurements have been carried out to benchmark a numerical simulation tool. The effect of the wettability of the electrode on the current distribution was evaluated.