Brevet FR2108135A1 — publié le 19720519

La présente invention concerne une pile à combustible, à laquelle aucune énergie n'est soustraite pour actionner des dispositifs auxiliaires à mouvements tournants ou linéaires tels que pompesaspirateurs, ventilateurs, etc... 5 Les piles à combustible connues comportent en effet des ventilateurs d'air, des pompes de circulation ou encore des dispositifs de réglage commandés. Tous ces dispositifs auxiliaires, mus en général par des moteurs électriques, prélèvent sur l'énergie fournie par la pile une certaine part nécessaire à 10 leur fonctionnement. Il en. résulte une diminution du rendement global de la pile liée à une construction compliquée entraînant une diminution de la fiabilité, en raison de la fréquence des réparations, De plus l'entretien de ces piles est d'un coût élevé. 15 Dans sa demande de brevet n° E.H. 70 11 082 du 26 MARS 1970 la Demanderesse a proposé de remédier à ces inconvénients en supprimant tous ces dispositifs auxiliaires à mouvements tournants ou linéaires , grâce à une disposition nouvelle des appareils constitutifs de la pile. Selon cette demande de brevet la 20 partie chaude constituée par le bloc de pile est disposée verticalement au-dessus de la partie froide constituée par l'épura-teur de comburant, une conduite étant prévue entre ces deux parties pour acheminer par convection naturelle vers la partie chaude le comburant épuré. 25 Cette disposition présente toutefois l'inconvénient de nécessiter beaucoup d'espace en hauteur et l'emploi de nombreux auxiliaires statiques. Aussi, la présente invention a pour but de pallier ces derniers inconvénients en proposant une pile de faible encombrement en hauteur et présentant le minimum d'auxi-30 liaires statiques. A cet effet dans la pile à combustible selon l'invention la partie chaude constituée par le bloc de pile est disposée latéralement à côté de la partie froide constituée par l'épura-teur du comburant, tel que l'air ambiant, les mouvements de dé-35 placement ou de brassage du comburant, du combustible, de l'é-lectrolyte et du liquide épurateur de comburant étant assurés par voie purement statique ne nécessitant pas de dispositifs rotatifs ou linéaires. 70 13729 2 2108135 Avantageusement les brassages de 1'êlectrolyte chaud sortant du bloc de pile et du liquide êpurateur refroidi par le comburant s'effectuent par convection naturelle au sein d'un échangeur de chaleur. 5 D'autres buts et avantages de la présente invention res- sortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexes et donnant à titre explicatif mais nullement limitatif, plusieurs formes de réalisation conforme à l'invention. En particulier à titre d'exemple, le comburant est l'air ambiant et 10 le combustible" de l'hydrogène. La figure 1 est une vue schématique générale de l'ensemble de la pile à combustible ; la figure 2 est une vue schématique partielle, montrant l'épurateur, l'échangeur et les circuits associés, en particu-15 lier le double circuit d'air ; la figure 3 est une vue schématique d'un régénérateur par chauffage du liquide êpurateur ; la figure U est une vue schématique d'un venturi d'approvisionnement en ; 20 la figure 5 est une vue schématique d'un venturi de tira ge de 1'air f et la figure 6 est une vue schématique d'un tube poreux hydrophobe. La figure 1 représente en 1 un êpurateur d'air situé au 25 me-ne niveau qu'un bloc de pile 2. L'épurateur reçoit à sa partie inférieure de l'air ambiant, acheminé par le conduit 11. Une partie de cet air est épurée et va au bloc de pile 2 par un conduit 11 . La fraction Si non épurée est évacuée par un conduit 11^. L'épuration s'effec-30 tue par absorption chimique, c'est-à-dire par diffusion naturelle du CO^ de l'air dans un liquide êpurateur approprié, non rêgénê-rable tel que par exemple la potasse, ou régénérable tel que par exemple la mono ou la diéthanolamine. Avec la potasse l'épuration s'effectue suivant la réaction : 35 2 KOH + C02 ——> K2C03 + HgO 70 13729 ^ 2108135 L'épurateur retirant l'anhydride carbonique de l'air est donc un décarbonateur. Les appareils d'épurations récents ont un excellent rendement d'absorption pouvant dépasser 95 avec une perte de charge minimale pour l'air. Le liquide êpurateur circule dans le sens des flèches d'un circuit 12 ; il traverse donc l'épurateur à contre-courant de l'air ascendant qui le refroidit et traverse de bas en haut un échangeur de chaleur 3. Avant de pénétrer par le haut dans l'épurateur, le liqui de êpurateur traverse, s'il est régénérable, un régénérateur 1'. La régénération s'effectuant par chauffage aux environs de 135°C, le régénérateur (voir Fig. 3) comprend une enceinte fermée 20, traversée par le liquide êpurateur et une source thermique. Cette source thermique peut être une résistance chauffante 21, branchée aux bornes dé la pile ou bien un brûleur à flamme ou catalytique, alimenté par une faible fraction de l'hydrogène. Le régénérateur est avantageusement associé à un échangeur de chaleur 22. Le bloc de pile 2 d'un type connu n'est pas décrit ici en détail. Dans ce bloc les sections de passage des différents fluides combustible (hydrogène), comburant (air épuré) et êlectrolyte (un produit basique tel que KOH par exemple),, sont déterminées de façon à rendre minimales les pertes de charge. L'é-lectrolyte est épuré de l'eau excédentaire de façon à maintenir constante sa teneur en KOH par exemple. Le brassage de l'electro-lyte (circuit 13) est obtenu en le faisant circuler à contre-courant du liquide.êpurateur (circuit 12) à l'intérieur de l'êchangeur de chaleur 3, par utilisation de la puissance motrice due à un effet de thermosiphon. A l'intérieur de l'eneeinte isolée de l'êchangeur 3, l'effet de thermosiphon résulte de la différence de température entre une source chaude, provenant d'un échange thermique avec 1'êlectrolyte (circuit 13) du bloc de pile 2, et une source froide due au refroidissement par l'air ambiant, épuré en tout ou en partiej du liquide êpurateur (circuit 12). .L'énergie thermique développée par-les réactions électro chimiques dans le bloc de pile est donc directement convertie en énergie mécanique sans diminution du rendement de la batterie, 70 13729 ii 2108135 énergie dont le double rôle est de faire circuler 1'êlectrolyte dans le circuit 13 et le liquide êpurateur dans le circuit 12. L'hydrogène de pureté suffisante provient d'une bouteille sous pression et est amené par une buse à l'étranglement d'un 5 venturi 5 (Fig. U). Le divergent du venturi est branché sur un conduit 1U amenant l'hydrogène au sommet du bloc de pile 2, tandis que le convergent est raccordé à un conduit 1^a» récupérant l'hydrogène n'ayant pas réagi. Sur ce circuit 1U un condenseur EL 6 sert à arrêter la vapeur d'eau accompagnant l'hydrogène excé- 10 dentaire. L'effet d'aspiration du venturi s'exerce sur le conduit 1U et sur un conduit dérivé 11;. ou circuit de fuite. Ce circuit a b de fuite a pour but de maintenir constant le taux d'impuretés de l'hydrogène et d'alimenter un dispositif 7 de tirage de l'air comburant. Ce dispositif 7 peut être un simple brûleur alimenté 15 par l'hydrogène du circuit de fuite 1 et par l'air excédentaire b sortant du bloc de pile 2, par le conduit 11c» brûleur surmonté éventuellement d'une cheminée et d'un accélérateur de tirage ; ce dispositif 7 peut être encore un venturi (Fig. 5) dont la buse est alimentée par ce même circuit de fuite 1U^ et dont le convergent 20 se raccorde au conduit d'évacuation 11 d'air excédentaire et de c vapeur d'eau. Sur le conduit 11^ est prévu en 8 un régulateur du type à clapet pour éviter les à-coups au dispositif 7» s'il s'agit d'un brûleur. 25 II est avantageux de réduire dans le bloc 2 les sections des chambres de circulation de l'hydrogène sans introduire de pertes de charge importantes. Pour éviter tout déséquilibre dans l'alimentation des diverses chambres, il est préférable de faire passer l'hydrogène dans des capillaires disposés en amont de cha-30 que chambre, par exemple dans un répartiteur 2'. Ces capillaires doivent assurer le passage du combustible, sans pouvoir être bouchés par une goutte de liquide. Ce répartiteur est particulièrement indiqué quand les électrodes à hydrogène sont très minces et ne doivent pas supporter de fortes pressions. 35 Le thermosiphon décrit précédemment ne peut fonctionner que si le circuit du liquide êpurateur absorbant le gaz carbonique est étanche. On utilise à cet effet un faisceau de tubes ou de plaques en matériau poreux hydrophobe, tel que par exemple du 70 13729 5 2108135 "Teflon" rendu poreux, retenant le liquide mais permettant l'accès du COg vers le liquide. Les parois présentant des pores ont une épaisseur de 0,1 mm environ et le diamètre intérieur des tubes est de 100 à 200 fois cette épaisseur. 5 Si la dissipation des calories^ nécessaire à la régulation thermique du bloc/requiert un flux d'air important, on évite une carbonatation trop importante de l'épurateur en disposant en parallèle avec les tubes ou plaques poreuses hydrophobes (Fig. 2) d'autres tubes ou plaques pleines P^ dont le rôle n'est que d'ac-10 croître la surface d'échange thermique. Dans ces conditions, il faut que l'air épuré (conduit 11 ) vers le bloc de pile 2 soit sé- & pare de l'air non épuré (conduit 11^ d'évacuation). Bien entendu l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et elle est sus-15 ceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. 70 13729 6 2108135 R_E_V_E_N_D_X_C_A_T_I_0_N_S 1.- Pile à combustible comportant un circuit de recirculation du combustible et un circuit de recirculation de 1'êlectrolyte dans lesquels l'écoulement de ce combustible et de cet êlectrolyte sont créés par voie purement statique, caractérisé en ce que les mouvements de déplacement du comburant et du liquide 5 êpurateur de comburant sont également assurés par voie entièrement statique, ne nécessitant pas de dispositifs rotatifs ou linéaires, par l'utilisation d'un dispositif statique de tirage du comburant alimenté par un circuit de fuite du combustible, par une disposition latérale de la partie chaude constituée par le bloc de pile, à côté de la partie froide constituée par l'épu-10 rateur du comburant, combinée avec l'utilisation d'un échangeur de chaleur à l'intérieur duquel 1'êlectrolyte chaud sortant du bloc de pile circule à contre-courant du liquide êpurateur refroidi par le comburant ce qui provoque les déplacements de cet êlectrolyte et de ce liquide êpurateur par un double effet de thermosiphon. 15 2.- Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisés en ce que l'épurateur comporte deux compartiments séparés, l'un pour l'épuration de l'air comburant servant à l'alimentation de la pile, l'autre pour intensifier le refroidissement du liquide êpurateur au moyen d'une arrivée d'air supplémentaire non utilisé pour l'alimentation de la pile. 20 3.- Pile à combustible selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que le liquide êpurateur de l'air comburant est régénérable et que son circuit de brassage comporte un régénérateur. 4.- Pile à combustible selon la revendication 3, dans laquelle l'épuration est essentiellement une décarbonatation et caractérisée en ce que le liquide 25 êpurateur régénérable est la mono ou la diéthanolaminé. 5.- Pile à combustible selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que le régénérateur comprend une enceinte fermée et une résistance de chauffage branchée aux bornes de la pile. 6.- Pile à combustible selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que 30 le régénérateur comprend une enceinte chauffée par un brûleur à flamme ou catalytique, alimenté par le combustible de la pile. 70 13729 7 2108135 7.- Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que ce dispositif statique de tirage est un brûleur} équipé d'une cheminée et d'un accélérateur de' tirage. 8.- Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que ce dispositif statique de tirage est un venturi actionné par le courant de fuite de combustible. 9.- Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'épurateur comprend un faisceau de tubes ou de plaques en matériau poreux hydro-phobe, retenant le liquide êpurateur mais laissant passer le CO^ de l'air vers le liquide. 10.- Pile à combustible selon la revendication 9, caractérisée en ce que le matériau poreux hydrophobe est le "Teflon". 11.- Pile à combustible selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend à la fois des tubes ou plaques poreuses hydrophobes pour le compartiment d'épuration et de refroidissement de l'air comburant, et des tubes ou plaques pleines pour le second compartiment ne servant qu'au refroidissement du liquide êpurateur.