Brevet FR2005235A1 — publié le 19691212

La présente invention se rapporte aux piles métal-air et concerne plus particulièrement des éléments de pile métal-air dans lesquels une matrice absorbante est interposée entre les électrodes, au contact de celles-ci, matrice qui s'étend au-delà 5 de l'un des bords de chacune des électrodes et qui est propre à venir au contact d'une source d'électrolyte séparée. Les éléments de pile métal-air sont des cellules galvaniques qui utilisent comme comburant de l'oxygène pur ou l'oxygène de l'air qui est consommé à l'électrode positive. L'oxygène sert 10 ainsi de dépolarisant de la cathode. Ces éléments utilisent un électrolyte salin ou alcalin. Le magnésium, le zinc et l'aluminium peuvent avantageusement être utilisés pour constituer les anodes de ces éléments car ce sont des matériaux relativement légers et bon marché. Toutefois, pendant le fonctionnement d'un 15 tel élément de pile, les matières anodiques ci-dessus forment un précipité ou une boue qui occupe un volume important de 1*électrolyte. Quand une telle boue se forme, l'énergie délivrée par l'élément diminue rapidement et l'efficacité de l'anode est réduite. Il est alors nécessaire d'évacuer la boue de la pile et 20 de remplacer son électrolyte pour rétablir le fonctionnement. La présente invention a pour objet un élément de pile métal-air perfectionné dans lequel l'accumulation de boue est sensiblement diminuée ou supprimée pendant le fonctionnement, en ce qu'elle comporte une anode auto-nettoyante. 25 Selon l'invention, un élément de pile métal-air comporte au moins une cathode, au moins une anode,produisant un précipité, espacée de la cathode et une matrice absorbante interposée entre ces deux électrodes, au contact de celles-ci, la matrice s'éten-dant au-delà de l'un des bords de chacune des électrodes et étant 30 adaptée à venir au contact d'une source d'électrolyte séparée. D'autres caractéristiques et avantages de 1'invention res-sortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitatif, en référence au dessin annexé, dans lequel : 35 - la fig. 1 est une vue en perspective d'un élément de pile métal-air conforme à l'invention, et - la fig. 2 est une coupe verticale à travers l'élément de pile de la fig. 1. Sur les fig. 1 et 2, on voit un élément de pile perfection-40 né métal-air conforme à l'invention qui est désigné par 10. 6906074 2 2005235 L'élément 10 comporte une enveloppe 11 ayant la forme d'un cadre en U inversé* Sur les faces extérieures opposées de l'enveloppe 11 est fixée une toile métallique 12* Une bordure 13 est fixée à chacune des faces opposées de l'enveloppe 11, au-dessus des 5 bords de la toile métallique 12. Chacune des bordures 13 délimite une grande ouverture ou une fenêtre 14 gr&ce à laquelle la partie de la toile métallique 12 située dans la fenêtre 14 forme une partie d'une cathode perméable aux gaz et imperméable aux liquides 15 co-extensive avec cette fenêtre 14. Un ruban 16 fixé à la 10 toile métallique 12 constitue la connexion de sortie de la cathode. Il est à noter que diverses cathodes, autres que la cathode 15 représentée ci-dessusf sont connues dans la technique et peuvent être utilisées dans un tel élément de pile métal-air. La 15 cathode représentée sur la fig. 1 comprend la toile métallique 12 qui porte un revêtement d'un métal catalytique, supporté ou non, et d'un liant approprié, par exemple, de polytétrafluoroéthylène, qui relie les particules du catalyseur entre elles et à la toile 12, d'où résulte la cathode 15. Les faces extérieures de la 20 cathode peuvent être couvertes d'une couche de polytétrafluoroéthylène assurant son étanchéité aux liquides. Une autre cathode perfectionnée* qui est propre à être utilisée dans la présente invention comporte une grille conductrice, un liant hydrophobe conducteur de l'électricité, des particules 25 de charbon catalytiquement actif qui sont reliées entre elles et à la grille par le liant. Une électrode de carbone du commerce, à l'épreuve de l'humidité, est également propre à servir de cathode. Une anode 17 est disposée entre les deux cathodes 15, à une 30 certaine distance de celles-ci. Cette anode est constituée par une matière produisant un précipité, telle que le magnésium, le zinc, l'aluminium ou des alliages de ces métaux. Une bande de matière absorbante 18 est placée près de chacune des faces opposées de l'anode 17, au contact de ces dernières et des catho-35 des 15. Cette matière, qui peut par exemple être du feutre, s'étend au-delà des bords des électrodes, de sorte qu'elle peut venir au contact d'un électrolyte contenu dans une chambre séparée. On comprend aisément que cette matière, qui doit absorber 1*électrolyte, peut prendre diverses formes et peut envelopper 40 ou peut être disposée d'une autre manière au contact des anodes 6906074 3 2005235 17 et des cathodes 15, Bien que deux cathodes parallèles espacées de part et d'autre de l'anode aient été représentées, on pourrait n'utiliser qu'une seule cathode espacée de l'anode et comportant une matri-5 ce absorbante interposée entre les électrodes, au contact de celles-ci, le prolongement de cette matrice étant propre à venir au contact d'une source d'électrolyte qui est séparée de l'élément de pile métal-air. De plus, deux anodes pourraient être utilisées avec une seule cathode, de même que l'on pourrait utiliser 10 plusieurs anodes et plusieurs cathodes. Divers électrolytes peuvent être utilisés. Parmi les élec-trolytes utilisables, on peut mentionner les solutions aqueuses de chlorure de sodium et de potassium pour le magnésium et les alliages de magnésium; les solutions aqueuses de chlorure de 15 sodium, de chlorure de potassium et d'hydroxyde de potassium pour l'aluminium et les alliages d'aluminium; et l©s solutions c.{r^suses d'hydroxyde de potassium et d'hydroxyde d® sodiram ps'iar L'-Ài-î© st alliages de siac® Les alliages d ® aiœisaima a® petit pourcentage an poids â5étais sosablent bien 20 fonctionner avec comme électrolyte une solution aqueuse de chlorure de sodium. Un tel alliage est décrit, par exemple9 dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n# 3.189.486 du 15 juin 1965. La demanderesse a découvert qu'il est possible de construire un élément de pile métal-air perfectionné en utilisant au 25 moins une cathode, au moins une anode, produisant un précipité, espacée de celle-ci, une matrice absorbante placée entre les électrodes, au contact de celles-ci, cette matrice s'étendant au-delà de l'un des bords des électrodes et étant adaptée à venir au contact d'une source séparée d'électrolyte. Dans un mode 30 de réalisation préféré, l'élément de pile métal-air comporte deux cathodes parallèles qui sont espacées de l'anode, de part et d'autre de celle-ci. La demanderesse a trouvé qu'un tel élément pouvait être assemblé comme indiqué ci-dessus et que le prolongement de sa matrice pouvait être placé dans une source 35 d'électrolyte séparée, par exemple, d'eau salée. Quand on branche une charge aux bornes des électrodes de l'élément, celui-ci engendre de l'énergie électrique, en même temps que l'anode forme un précipité. Normalement, ce précipité forme de la boue au fond de l'élément et remplit celui-ci petit 40 à petit, mais ce problème a été éliminé dans le présent élément 6906074 4 2005235 de pile. En effet, le précipité qui se forme ainsi est évacué ou nettoyé en utilisant la matrice absorbante et la source d*électrolyte séparée. Etant donné que le prolongement de cette matrice est placé dans une source d'électrolyte séparée, il ne s'accumule 5 pas de boue à la base ou au fond de l'élément, car la boue est évacuée dans la source d'électrolyte séparée® Ainsi» l'élément opère efficacement pendant une période de temps prolongée et ne nécessite qu'un minimum d'entretien. De plus, le volume de l'é- i lectrolyte n'est pas diminué, puisque celui-ci est contenu dans 10 une source déparée de l'élément. De cette manière, on obtient un élément de pile métal-air perfectionné qui utilise des anodes légères et peu coûteuses sans présenter les défauts des piles classiques. Les exemples qui suivent sont simplement destinés à mieux 15 faire comprendre l'invention et n'ont, bien entendu, aucun caractère limitatif. EXEMPLE 1 - On construit un élément de pile métal-air conforme aux fig. 1 et 2 du dessin. Chaque cathode est formée d'une toile d'argent enduite de polytétrafluoroéthy1ène destiné à lier 20 des matières catalytiques constituées par du nickel, du platine et du palladium dans un rapport respectif de 5/1/1* L'anode utilisée est en un alliage d'aluminium contenant un petit pourcentage en poids d'étain. Comme matrice absorbante,on utilise du feutre de rayonne dont les prolongements sont immer-25 gés dans une solution à 3% en poids de chlorure de sodium contenu dans un récipient séparé disposé au-dessous de 1'élément.Une charge est branchée aux bornes des électrodes et on mesure le comportement de l'élément, en ce qui concerne la polarisation, comme 1'indique le tableau I ci-après % 30 TABLEAU I Tension totale de l'élément Intensité du courant(Ma) Tension entre Al et référence AqCl .37 600 1.40 .75 500 1.41 .86 400 1.44 .99 300 1.45 1.03 240 1.45 1.08 180 1.45 1.14 120 1.45 1.19 90 1.45 1.23 60 1.46 1.30 30 1.46 1.34 15 1.46 1.47 1 1.46 6906074 5 2005235 Du fait que la source d'électrolyte est séparée de l'élément, aucune boue ne se forme dans celui-ci. Le pH reste approximativement constant. Un examen ultérieur de la cathode ne montre aucun précipité sur celle-ci. 5 Dans l'exemple suivant, on monte et on fait fonctionner un élément de pile métal-air qui n'est pas conforme à l'invention. EXEMPLE 2 - On utilise un élément de pile métal-air comportant une cathode et une anode comme décrit ci-dessus dans l'exemple 1. On place la cathode et l'anode dans un réceptacle 10 contenant un électrolyte constitué par une solution à 7% en poids de chlorure de sodium. On branche une charge aux bornes des électrodes. Après une période de fonctionnement de 3,5 heures,on note une diminution de rendement d'environ 81%. Ceci est apparemment dû à une augmentation du pH au cours du fonctionnement. 15 Le volume de la boue contenue dans 1'électrolyte de l'élément 3 est considérable, s'élevant à environ 9 cm /Ah. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisa-20 tion de ses diverses parties, ayant été plus spécialement indiqués; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. 6906074 6 2005235 REVENDICATIONS 1. Un élément de plie métal-air 10 qui comprend au moins une cathode 15 et au moins une anode 17,produisant un précipité, espacée de celle-ci, caractérisé par une matrice absorbante 18 disposée entre ces électrodes 15,17, au contact de celles-ci, 5 cette matrice 18 s'étendant au-delà de l'un des bords de chacune desdites électrodes 15,17 et étant propre à venir au contact d'une source d'électrolyte séparée (non représentée). 2. Un élément de pile tel que spécifié sous 1, dans lequel deux cathodes parallèles sont espacées de l'anode, de part et 10 d'autre de celle-ci. 3. Un procédé pour engendrer de l'énergie électrique en utilisant des éléments de pile métal-air tels que spécifiés sous 1 ou 2, qui consiste à produire au moins une cathode, à fournir un comburant, tel que l'oxygène, à cette cathode, à espacer au moins 15 une anode produisant un précipité de ladite cathode, à disposer une matrice absorbante entre lesdites électrodes, au contact de celles-ci, cette matrice s'étendant au-delà de l'un des bords de chacune de ces électrodes, à prévoir une source d'électrolyte séparée, à placer le prolongement de la matrice absorbante dans 20 cette source d'électrolyte, fournissant ainsi de 1'électrolyte à la matrice et aux électrodes associées à celle-ci, et à brancher une charge électrique entre les électrodes engendrant ainsi de l'énergie électrique. 4. Un procédé tel que spécifié sous 3, dans lequel la source 25 d'électrolyte séparée et le prolongement de la matrice nettoient l'anode.