Brevet FR2045613A1 — publié le 19710305

L'invention concerne les piles à combustible du type comportant au moins une électrode creuse à combustible et une électrode creuse à comburant espacées par un séparateur et délimitant entre elles un compartiment électrolytique, lesdites électrodes étant munies de moyens d'alimentation en combustible et en comburant et de moyens de reprise du courant. A l'heure actuelle, il existe deux conceptions principales pour réaliser de telles piles Selon une première conception, les électrodes constitutives des piles sont sensiblement planes et les piles sont réalisées par empilage desdites électrodes en disposant entre celles-ci, à leur périphérie, des cadres également plans. Les cadres et les électrodes sont munis de trous qui constituent des canaux pour la distribution des fluides. Les électrodes planes sont séparées les unes des autres par des séparateurs poreux. Des moyens de serrage des électrodes et des cadres sont prévus de manière à assurer l'étanchéité de la pile ce qui complique la technologie. La deuxième conception consiste à réaliser les électrodes sous forme tubulaires et à monter les piles en disposant les électrodes les unes à l'intérieur des autres. Dans ces deux conceptions de piles les moyens pour assurer l'étanchéité et l'assemblage des électrodes posent des problèmes assez complexes. Par ailleurs, il en résulte le plus souvent des accessoires de montages qui entrainent des poids élevés pour les piles ainsi qu'une diminution du volume réellement actif des piles. La présente invention a pour but de présenter une conception de piles à combustible simple, originale et qui permet de remédier aux inconvénients précités. Elle a pour objet une pile à combustible comportant au moins une électrode creuse à combustible et une électrode creuse à comburant, espacées par un séparateur et délimitant entre elles un compartiment électrolytique, lesdites électrodes étant munies de moyens d'alimentation en combustible et en comburant et de moyens de reprise du courant, ladite pile étant caractérisée par le fait que lesdites électrodes creuses et le séparateur se présentent sous forme de bandes appliquées les unes sur les autres et enroulées en spirale autour d'un axe parallèle à la largeur desdites bandes, des moyens d'isolement électrique étant en outre prévus pour éviter tout court-circuit entre les électrodes par leurs faces non espacées par ledit séparateur. Selon une caractéristique de l'invention, lesdits moyens d'isolement électrique sont constitués par un deuxième séparateur, espaçant lesdites électrodes de manière à constituer un deuxième compartiment électrolytique. L'invention a également pour objet une électrode creuse utilisable dans une pile à combustible telle que décrite ci-dessus. Selon l'invention, cette électrode est constituée de deux bandes souples poreuses soudées au moins sur leurs bords parallèles au sens de leur longueur, des moyens d'espacement étant prévus entre les deux bandes. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre et du dessin annexé dans lequel - la figure I représente schématiquement en perspective, les éléments constitutifs d'une électrode conforme à l'invention avant l'assemblage desdits éléments, - la figure 2 est une vue en perspective d'une électrode conforme à l'inven- tion obtenue à partir des éléments représentés sur la figure 1, - la figure 3 est une vue en perspective, avant enroulement, d'une partie des électrodes et séparateurs entrant dans la constitution d'une pile conforme à l'invention. - la figure 4 est une coupe horizontale d'une pile conforme à l'invention, obtenue à partir des éléments représentés sur la figure 3. - la figure 5 est une coupe verticale d'une pile conforme à l'invention selon la ligne AA de la figure 4. Sur la figure 1, la référence 1 désigne une bande souple, poreuse, de faible épaisseur, destinée à constituer la paroi d'une électrode. Cette bande souple peut être réalisée par tout moyen approprié, par exemple par projection électrostatique d'un matériau convenable sur un support, suivie éventuellement d'un laminage puis d'un frittage. Le matériau constitutif de cette bande varie selon la nature de l'électrode. Ainsi, à titre illustratif et nullement limitatif, dans le cas d'une électrode à comburant, ce matériau peut être à base de charbon argenté, alors que dans le osa d'une électrode à combustible il peut etre à base de nickel. La référence 2 désigne un séparateur destiné à espacer les deux bandes 1 qui sont semblables et de même nature. Ce séparateur doit être bien entendu compatible avec les fluides qui circuleront dans l'électrode. il peut être en matière plastique et se presenter sous la forme d'une grille ou toile.Avantageusement la largeur du séparateur 2 est inférieure à la largeur des bandes 1 :de cette manière il n'occupe qu'une partie de l'espace compris entre les deux bandes après assemblage de celle-ci, et ne perturbe point la circulation des fluides à l'intérieur de 1 'électrode Les bandes I peuvent avoir une longueur par exemple de l'ordre de 8 rn, une épaisseur de quelques dixièmes de millimètres et une largeur de tO à 20 cm. La référence 3 désigne des lames métalliques qui seront utilisées pour la reprise du courant produit sur l'électrode Après mise en place entre les deux bandes 1 du séparateur 2, dont l'épaisseur peut être de 5/1S de rnilîimètre, et des extrémités des lames 3, les deux bandes 1 sont soudées Ensemble par tout moyen approprir,#au moins le long de leurs bords parallèles à leur longueur ainsi qu'éventuellement le long d'un de leurs bords parallèles à leur largeur. On obtient de cette mantere 19 & ectrode désignée par la référence 4 sur la figure 2.Les lames 3 dont une extrémité a été soudée avec les bords des bandes 1 sont régulièrement espacées. La distance entre chaque lame peut entre d'environ 50 cm. Sur la figure 3, on a représenté les principaux éléments constitutifs d'une pile à combustible conforme à l'invention. Cette pile comporte principalement une électrode 4 destinée à être alimentée en gaz comburant, une électrode 4' semblable à l'électrode 4, mais destinée à être alimentée en gaz combustible et également un séparateur 5 placé entre les électrodes, se présentant sous la forme d'une bande et qui peut être par exemple constitué par une toile ou grille en matière plastique. Pour éviter lors de l'enroulement tout contact électrique entre les électrodes 4 et 4' par leurs faces non séparées par le séparateur 5, on prévoit un moyen d'isolement électrique. Dans le mode de réalisation représenté ce moyen consiste en un séparateur 6, également constitué par une toile ou grille en matière plastique. Comme on peut le voir sur la figure 3, le bord de l'électrode 4', opposé au bord de l'électrode 4 qui porte les lames 3, porte des lames 3', qui sont analogues aux lames 3. Conformément à l'invention, pour constituer une pile à partir des éléments représentés sur la figure 3, on applique ceux-ci les uns sur les autres selon la disposition représentée à la figure 3 et on les enroule en spirale autour d'un axe parallèle à la largeur des électrodes et des séparateurs. Selon un mode de réalisation, conforme à l'invention, cet enroulement se fait autour d'un mandrin en matériau isolant et qui comporte notamment des moyens d'amenée de comburant et de combustible. Comme on peut le voir sur la figure 4 où la référence 7 désigne le mandrin précité, les extrémités des électrodes 4 et 4' non soudées sont raccordées de manière étanche de toute manière appropriée aux moyens d'amenée de comburant B et 8' de combustible qui sont contenus dans le mandrin 7. Autour de l'enroulement on dispose une paroi sensiblement cylindrique 9 en un matériau électriquement isolant, par exemple en matière plastique, les générntrices du cylindre 8 étant sensiblement parallèles à l'axe de l'enroulement. La figure 5 est une coupe verticale selon la ligne AA, de la pile représentée à la figure 3. Les deux extrémités du cylindre 9 sont obturés de manière étanche par deux couvercles 10 et 10'. Selon l'invention, ces couvercles comportent des moyens de connection électrique. Dans le mode de réalisation représenté, ces deux couvercles sont métalliques et constituent les bornes de la pile à combustible. Comme on peut le voir, les lames 3 et 3' des électrodes s'appliquent sur les faces internes de ces couvercles et assurent de cette manière la jonction électrique entre les électrodes 4 et 4' et les couvercles 10 et 10'. L'intérieur du container formé par la paroi cylindrique 9 et les couvercles 10 et 10' est rempli par de l'électrolyte 11. Des moyens non représentés sont prévus pour que soit réalisée manière étanche d'une part la fermeture du cylindre 9 par les couvercles 10 et 10' et d'autre part, la mise en place du mandrin 7,sur le couvercle 10'. Eventuellement, la pile peut comporter des moyens permettant d'assurer une circulation de l'électrolyte entre l'intérieur de la pile et un réservoir externe. Comme on peut le voir sur les figures 4 et 5, les électrodes travaillent sur leurs deux faces, sans perte de surface active étant donné qu'elles sont entièrement plongées dans l'électrolyte. On voit en outre que dans une pile à combustible conforme à l'invention, les problèmes relatifs à l'étanchéité et à l'assemblage des électrodes ont été considérablement simplifiés, ce qui permet d'obtenir des piles présentant pour une puissance équivalente des poids inférieurs à ceux des piles selon les conceptions actuelles. A-titre d'exemple pour des électrodes d'environ 8 mètres de longueur, -on peut les enrouler 20 fois sur elles-mmes, et le diamètre externe'du cylindre en matériau isolant est d'environ 23 cm. Les piles conformes à l'invention sont avantageusemnet utilisées pour constituer des piles de forte puissance, capables de fournir une puissance supérieure à 20 KW. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes d'exécution décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples. En particulier, on peut san sortir du cadre de l'invention, apporter des modifications de détail, changer certaines dispositions, ou remplacer certains moyens par des moyens équivalents. C'est ainsi que de manière à diminuer la longueur des électrodes, la pile à combustible conforme à l'invention pourrait comporter non pas une électrode à combustible et une électrode à comburant, mais deux électrodes à combustible et deux électrodes à comburant, ou même plus, avec un nombre de séparateurs approprié. REVENDICATIONS 1/- Pile à combustible comportant au moins une électrode creuse à combustible et une électrode creuse à comburant, espacées par un séparateur et délimitant entre elles un compartiment électrolytique, lesdites électrodes étant munies de moyens d'alimentation en combustible et en comburant et de moyens de reprise de courant, ladite pile étant caractérisée par le fait que lesdites électrodes creuses et le séparateur se présentent sous forme de bandes appliquées les unes sur les autres et enroulées en spirale autour d'un axe parallèle à la largeur desdites bandes. des moyens d'isolement électrique étant en outre prévus pour éviter tout court-circuit entre les électrodes par leurs faces non espacées par ledit séparateur. 2/- Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée par le fait que lesdits moyens d'isolement électrique sont constitués par un deuxième séparateur, espaçant lesdites électrodes de manière à constituer un deuxième compartiment électrolytique. 3/- Pile à combustible selon les revendications précédentes caractérisée par le fait que lesdites électrodes sont enroulées en spirale autour d'un mandrin qui comporte des moyens d'amenée de comburant et de combustible raccordés de manière étanche aux électrodes. 4/- Pile à combustible selon la revendication 3, caractérisée par le fait qu'autour de l'enroulement des électrodes et des séparateurs est disposée une paroi sensiblement cylindrique en un matériau électriquement isolant, dont les génératrices sont sensiblement parallèles à l'axe de l'enroulement, les deux extrémités du cylindre ainsi formé étant obturées de manière étanche par deux couvercles comportant des moyens de connection électrique. 5/- Pile à combustible selon la revendication 4, caractérisée par le fait que les deux couvercles sont métalliques et constituent les bornes de la pile, les moyens de reprise du courant des électrodes faisant saillies pour chaque électrode sur un seul bord de ladite électrode et s'appliquant sur les couvercles métalliques, le bord utilisé à cet effet pour l'électrode à combustible étant opposé à celui utilisé pour l'électrode à comburant. 6/- Electrode creuse,pour pile à combustible caractérisée par le fait qu'elle est constituée de deux bandes souples, poreuses, soudées au moins sur leurs bords parallèles au sens de leur longueur, des moyens d'espacement étant prévus entre les deux bandes. 7/- Electrode creuse selon la revendication 6, caractérisée par le fait qu'elle est munie de lames métalliques sur un des bords, ces lames s'étendant perpendiculairement au sens de la longueur des bandes.