Brevet FR2002401A1 — publié le 19691017

La présente invention concerne un procédé pour faire circuler à l'aide de az des solutions d'électrolyte dans des piles à combustibles. Pour évacuer la chialeur dissipée dans des piles à combusti ble ainsi que pour éliminer les produits de réaction formés, il est bien connu de faire circuler l'électrolyte dans ces piles0 Dans la plupart des cas, cette circulation est assurée à l'aide d'une pompe dont l'entraînement est assuré par une partie ae l'énergie électrique produite par la pile à combustible. Un inconvénient de ce procédé consiste essentiellement en ce que le renaement global de la pile à combustible baisse - la pompe consonant de lténergie - et en ce que la pompe, du fait de ses parties mécaniques mobiles, peut facilement tomber en panne, ce qui est particulièrement défavorable pour des piles à combustible logées dans des endroits dirficilement accessibles et devant fonctionner autant que possible sans entretien, L'invention se rapporte de ce fait à un procédé pour faire circuler, à l'aide de gaz, des solutions d'électrolyte alimentant des piles à combustible fonctionnant par réaction de fluides ga zeus ou gazeux et liquides, de manière à pallier les inconvénients précités, l'invention concernant également des dispositifs pour la mise en oeuvre du procédé. le procédé selon l'invention est caractérisé par le fait qu'on utilise lténergie libérée lors de la détente du gaz de balayagea es électrodes pour faire circuler l'électrolyte de façon continue ou discontinue0 La circulation de l'électrolyte au moyen de gaz de balayage selon le procédé de l'invention convient pour des piles à combustible dans lesquelles les gaz de réaction contiennent des gaz inertes. En utilisant de tels gaz, par exemple de lloxygène ou de lthydrogène contenant de l'azote ou du gaz carboniaue, du gaz de régénération, du gaz ammoniac de dissociation ou bien de l'hydrogène et de l'oxygène en provenance de bouteilles en acier, les électrodes doivent être énergiquement balayées pour éviter une chute de tension sous l'effet d'une accumulation de gaz inertes dans les pores des électrodes. Pour mieux comprendre l'objet de l'i-=vention, on va en décrire, à titre indicatif et non limitatif, un mode ae réalisation représenté sur le dessin annexé, sur lequel : - les figures la, lb, 2 à 5 représentent différentes piles à combustible servant à la mise en pratique du procédé de circulation d'électrolyte selon l'invention, - la figure 6 est une section droite d'un récipient de stockage d'électrolyte dans lequel est disposé un régulateur de niveau. Sur les figures la et lb, on a représenté sous 1 une pile à combustible qui comporte, en outre, un refroidisseur d'électro lyte et une cellule a'élimination d'eau non représentés sur les figures. On a désigné par 2 et 3 les récipients de stockage d'électrolyte et par 4 et 5 des soupapes électromagnétiques à trois voies. Dans la phase de fonctionnement correspondant à la figure la, les récipients de stockage d'électrolyte 2 et 3 sont remplis d'électrolyte jusqu'à mi-hauteurO le gaz de balayage contenant un gaz inerte sort de la pile à combustible en 6 et arrive par l'intermédiaire de la soupape électro-magnétique 5 dans le récipient de stockage 3 qui est fermé, à partir duquel il refoule ltélectrolyte d'abord dans la pile à combustible 1 puis dans le récipient de stockage 2. Du fait que le niveau de liquide monte dans le récipient 2, le gaz situé au-dessus est déchargé dans l'atmosphère par l'intermédiaire de la soupape électromagnétique 4 et de la tubulure 7. L'électrolyte s'écoule alors dans le sens de la flèche 8 en passant dans la pile à combustible jusqu'à ce que le récipient 2 soit rempli d'électrolyte . A cet instant, les soupapes électro-magnétiques 4 et 5 sont actionnées de façon que le gaz de balayage sortant en 6 de la pile à combustible pénètre par l'intermédiaire de la soupape électromagnétique 4 dans le récipient 2 et refoule l'électrolyte dans le sens de la flèche 9, de manière à le faire arriver par l'in- termédiaire de la pile à combustible dans le récipient 3 Après remplissage du récipient 3, les soupapes électro-magnétiques sont de nouveau actionnées et l'électrolyte recircule dans la direction correspondant à la figure la. Dans la forme de réalisation décrite, le sens d'écoule ment de l'électrolyte dans la pile à combustible change périodi augment. Comme le montre la figure 2, cette forme de réalisation peut cependant être modifiée par incorporation d'autres soupapes électromagnétiques de telle sorte que l'électrolyte traverse la pile à combustible toujours dans le même sens . le gaz de balayage sortant en Il des cellules de la pile à combustible 10 pénètre par l'intermédiaire de la soupape électro-magnétique t2 à trois voies dans le récipient de stockage d'électrolyte 13 qui est fermés le gaz exerce une pression sur la surface de l'électro- lyte et le refoule hors du récipient de stockage 13 de façon à le faire arriver, par l'intermédiaire de la soupape électromagné- tique 14, de la pile à combustible 10 et de la soupape électromagnétique 15, dans le récipient de stockage d'électrolyte 16. Le gaz se trouvant dans ce récipient est alors déchargé dans l'atmosphère par l'intermédiaire de la soupape électromagnétique 17 ouverte. lorsque le niveau de l'électrolyte dans le récipient 16 atteint la hauteur prédéterminée, les soupapes électro-magnétiques 14, 15 et 16 sont actionnées. Le gaz de balayage d'électrodes s'écoule maintenant de la pile 10, par l'intermédiaire de la soupape 12, dans le récipient 16 rempli d'électrolyte et fermé par la soupape 17 et il refoule l'électrolyte dans la pile 10, par l'intermédiaire de la soupape électro-magnétique 14, pour ie faire passer ensuite dans le récipient de stockage 13 par l'intermédiaire de la soupape électro-magnétique 15. le gaz collecté dans ce récipient peut être déchargé dans l'atmosphère par l'intermédiaire de la soupape électro-magnétique 17. S'il est prévu un balayage discontinu dans la pile à combustible, par exemple ins le cas d'une pile obtenue à partir 'éléments de faible puissance, la forme de réalisation de la figure 3 pourra être agencée de manière que le gaz de balayage sortant en 18 de la pile 22 soit envoyé par l'intermédiaire de la soupape électromagnétique 19 dans le récipient de stockage 2C rempli d'électrolyte. La soupape électro-magnétique 25 placée dans la canalisation oui relie le récitent 20 au réservoir de stockage 23 est dans ce cas fermée. Le gaz refoule l'électrolyte du récipient de stockage 20 - en passant par la soupape électromagnétique 21 à deux voies qui est ouverte et la pile 22 - dans le réservoir de stockage 23 qui est en communication avec l'at- mosphère par l'intermédiaire de la tubulure 24. lorsque le réservoir 27 est complètement rempli d'élec trolyte, les soupapes électro-magnétiques 19, 21 et 25 sont actionnées. l'electrolyte revient m2intenart gracie à son propre poids dans le récipient de stockage 20, e-n passant par la soupape élecvro-magnétique 25 ouverte. le gaz de balayage se trouvant dans ce récipient 2G est alors déchargé dans l'atmosphère ou dans un réservoir collecteur, en tassant par la soupape électro-magnétique 19 ouverte et le tube de aéc:ar-"e 20. lorsque I récipient de stockage d'électrolyte est rempli d'électrolyte, il se produit un nouvel actionnement des soupapes électromagnétiques 19, 21 et 25, de manière à amorcer une nouvelle phase de la circulation de l'électrolyte. Suivant un autre mode de réalisation de l'inventions la circulation discontinue d'électrolyte peut cependant etre obtenue, comte le montre la figure 4, de manière que l'électrolyte se trouvant dans le réservoir de stockage 30 soit entraîné par l'intermédiaire du gaz de balayage sortant en 28 de la pile à combustible 32 et pénétrant dans le réservoir 30 par la soupape électromagnétique 29 ouverte, pour être introduit dans le récipient 31 Pendant l'entraînement de l'électrolyte, la soupape électromagnétique 33 est fermée. Après le remplissage en électrolyte du récipient 31, les deux soupapes électromagnétiques 29 et 33 sont actionnées et l'électrolyte s'écoule de nouveau, à partir du récipient 31, vers la pile à combustible 32 et la soupape électromagnétique 33 ouverte, de façon à revenir dans le réservoir de stockage 30o le gaz de balayage qui est resté dans le réservoir 30 est alors déchargé par l'intermédiaire de la soupape électro-magnétique 29 et la sortie 34. Lorsque le réservoir de stockage 30 est rempli d'électrolyte, les soupapes électromagnétiques 29 et 30 sont à nouveau actionnées et le processus de pompage se répète. Suivant la figure 5, la circulation d'électrolyte peut également s'effectuer de manière que le gaz de balayage des électrodes sortant en 35 de la pile à combustible 39 soit dirigé par la soupape électromagnétique 36 à trois voies vers le réservoir de stockage d'électrolyte 37, fermé en vue de pomper l'élec- trolyte s' trouvant dans le récipient 38. A partir du récipient 38, de ltélectrolyte s'écoule de façon continue par la batterie 39 dans le récipient collecteur 41 que le tube 42 relie à l'atmosphère extérieure. Pour protéger l'électrolyte contre l'action de gaz perturbateurs, par exemple du C02 lorsqu'on utilise un électrolyte alcalin, on pourvoit les tubulures de décharge 42 et 44 avantageusement d'un tube d'absorption contenant une substance absorbant le gaz carbonique, par exemple de la potasse solide L'écoulement de.l'électrolyte hors du récipient 38 est dosé, dans ce cas, de manière que, pendant une opération de pompage, il pénètre plus d'électrolyte dans le récipient 38 quSil n'en sort. lors du remplissage du récipient 38 en électrolyte, les soupapes électro-magnétiques 36 et 43 so-nt actionnées de manière que l'électrolyte s'accumulant dans le récipient 41 se décharge par la soupape électro-magnétique 43 dans le réservoir de stockage 37o Comme dans les moaes de réalisation décrits cidessus, le Uaz de balayage se trouvant dans le réservoir de stockage est déchargé à l'extérieur par la soupape électromagnétique 36 et le tube de sortie 44. Après le remplissage du réservoir de stockage 37, les soupapes électro-magnétiques 36 et 43 sont à nouveau actionnées pour amorcer un autre cycle de pompage. Grâce à l'incorporation d'une soupape électro-magnétique 46 à deux voies entre la pile 39 et le récipient collecteur 41, on peut également obtenir une circulation discontinue de l'électrolyte dans le mode de réalisation qui vient d'être décrit. La soupape 46 est alors fermée pendant le remplissage du récipient 38. Pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, on n'est évidemment pas limité aux modes de réalisation décrits. les réservoirs de stockage d'électrolyte et les soupapes électromagnétiques peuvent également être disposés autrement Pour la commanae des soupapes électro-magnétiques, on peut utiliser différents régulateurs de niveau. Du fait de sa simplicité et de sa bonne fiabilité, le régulateur représenté sur la figure 6 s'est avéré particulièrement approprié, et on utilise comme soupapes électromagnétiques, du fait de leur faible consommation d'énergie, des soupapes à impulsion à aimantation permanente. Dans le réservoir de stockage d'électrolyte 47 se trouvent les contacts 48, 49 et 50 reliés à un condensateur0 L'électrolyte s'écoule dans le réservoir 47 en 51 jusqu'à ce que le niveau du liquide atteigne le contact 49, ce qui déclenche alors une impulsion de courant qui assure la commutation des soupapes à impulsion et à aimantation permanente associées. L'électrolyte se trouvant dans le réservoir peut maintenant se décharger par le tube 52, tandis que l'alimentation en électrolyte est arrêtée en 51. Lorsque le niveau de l'électrolyte tombe en dessous des contacts 48 et 50, la liaison électrique est interrompue et les soupapes électro-magnétiques eont actionnées de façon à rétablir l'alimentation en électrolyte en 51. Lorsque le réservoir de stockage d'éleftroîyte est formé dtun matériau électriquement conducteur, on peut le brancher à la place du contact 50. lorsque, on introduit, par exemple, dans une pile à combustible de l'air à la place de l'oxygène, la cathode doit être balayée énergiquement du fait de la forte teneur en gaz inerte de l'air. La quantité dtair nécessaire pour obtenir de fortes densités de coura-nt est à peu près égale au triple de la quantité théorique. Pour une batterie de piles à combustible d'une puissance de 1 kW qui est alimentée avec un excès d'air triple, il faut dépenser pour comprimer 75 litres d'air par minute de la pression atmosphérique à une pression d'environ 0,5 bar. une puissance dtenviron 100 watts. Pour évacuer la chaleur dissipée dans la batterie, il est nécessaire, pour obtenir un rendement de la batterie de 50 et une augmentation de la température d'électrolyte d'environ 3 C, d'établir une circulation d'électrolyte correspondant à un débit d'environ 5 1/mins La puissance consommée par la pompe de circulation d'électrolyte est d'environ 20 watts. Par contre, si lton entraîne la même quantité d'électrolyte, selon l'invention, à l'aide d'un gaz de balayage et qu'on utilise à cet effet des réservoirs de stockage de 5 litres, il faudra commuter les soupapes électromagnétiques une fois par minute0 Pour chaque soupape il faut une puissance d'environ 0,005 watt, Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, il est par conséquent nécessaire, pour obtenir une circulation de 5 litres d'électrolyte par minute, de disposer de 0,01 watt ou 0,015 watt, ce qui correspond à 0,05 ou 0,0755o de l'énergie consommée par la pompe. RE DIC 1. Procédé pour faire circuler des solutions d'électrolyte dans des piles a combustible alimentées avec des gaz de réaction contenant des ga inertes, caractérisé par le fait que l'énergie libérée lors de la détente du gaz de balayage des électrodes est utilisée pour faire circuler l'électrolyte de façon continue ou discontinue0 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le gaz de balayage d'électrodes est introduit alternativement par l'intermédiaire des soupapes électromagnétiques 4,5 dans l'un des deux réservoirs de stockage d'électrolyte 2,3 et qu'il refoule l'électrolyte s'y trouvant jusqu'à la commutation des soupapes électro-magnétiques, de manière à le faire passer par la pile à combustible dans l'autre réservoir de stockage d'électrolyte, en vue d'établir une circulation continue et alternée de l'électrolyte dans la pile à combustible. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le gaz de balayage d'électrodes pénètre par l'intermédiaire de la soupape électromagnétique 12 dans le récipient de stockage d'électrolyte 13 et qu'il refoule l'électrolyte se trouvant dans ce dernier, par la soupape électro-magnétique 14, la pile à combustible 10 et la soupape électro-magnétique 15, dans le récipient de stockage d'électrolyte 16 jusqu a ce que, pour un niveau de remplissage prédéterminé, les soupapes soient commutées et que l'électrolyte soit refoulé par le gaz de balayage en provenance du récipient de stockage 16 dans le récipient de stockage 13 en passant par la soupape électro-magnétique 14, la pile à combustible 10 et la soupape électro-magnétique 15, en vue d'établir un écoulement continu unidirectionnel de l'électrolyte dans la pile à combustible. 4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le gaz de balayage d'électrodes pénètre par la soupape électromagnétique 19 dans le récipient de stockage d'électrolyte 20 et qu'il refoule l'électrolyte se trouvant dans ce dernier, par la soupape électro-magnétique 21, la pile à combustible 22, dans le réservoir de stockage d'électrolyte 23 jusqu'à ce que, pour un niveau de remplissage prédéterminé, la soupape soit commutée et que 1' électrolyte soit refoulé du réservoir 23 dans le récipient 20, par la soupape électro-magnétique 25, en vue d'établir un écoulement continu unidirectionnel de l'électrolyte dans la pile à combustible. 50 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le gaz de balayage d'électrodes est introduit par la soupape électro-magnétique 29 dans le réservoir de stockage dtélectrolyte 30 et qu'il refoule l'électrolyte se trouvant dans ce dernier dans un récipient de niveau 31 à partir duquel l'électrolyte revient, après commutation des soupapes électro-magnétiques et en passant par la pile à combustible 32 et la soupape électromagnétique 33, dans le réservoir de stockage 30, de manière à établir un écoulement discontinu unidirectionnel de l'électrolyte dans la pile à combustible 6e Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le gaz de balayage d1électrodes pénètre par la soupape électro-magnétique 36 dans le réservoir de stockage d'électrolyte 37 et qutil refoule l'électrolyte s'y trouvant dans un récipient de niveau 38 à partir duquel l'électrolyte est refoulé de façon continue, en passant par la pile à combustible 39, dans le récipient collecteur 41 et, après commutation des soupapes électro-magnétiques 36 et 43, dans le réservoir de stockage d'électrolyte 37. 7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que l'écoulement de 11 électrolyte à partir du récipient de niveau s'effectue par une soupape électro-magnétique 46 branchée entre la pile à combustible 39 et le récipient collecteur 41, de manière à établir un écoulement discontinu de combustible dans la pile à combustible.