Brevet FR2081281A1 — publié le 19711203

i 2081281 Cette invention concerne une pile à combustible dans laquelle aucune énergie n'est prélevée pour actionner des organes ou appareils auxiliaires ayant des mouvements tournants, linéaires, etc, tels que des pompes, ventilateurs, aspirateurs etc. 5 Dans les piles à combustibles connues, des ventilateurs d'air et des pompes de circulation, ou encore des dispositifs de réglage commandés sont utilisés. Tous ces organes auxiliaires sont, en général, mûs par des moteurs électriques, l'énergie électrique nécessaire à leur fonctionnement étant prélevée sur celle engendrée par la pile. 10 Ceci a pour conséquence la diminution du rendement global de la pile, la complication de sa construction, et donc la diminution de la fiabilité de la batterie, tout en augmentant la fréquence, l'importance et ainsi le coût de l'entretien. L'objet de la présente invention, est l'élimination de ces inconvé-15 nients, par la création d'une pile à combustible dans laquelle aucun des appareils auxiliaires utilisés n'est actionné par de l'énergie électrique prélevée sur celle engendrée par.la pile. Cet objectif est atteint essentiellement par une disposition verticale des appareils constitutifs de la pile, de manière telle que la direction de 20 mouvement du comburant soit du bas vers le haut ; et pour assurer l'équilibre thermique de la batterie par l'utilisation d'un échangeur thermique du circuit de l'électrolyte, ledit échangeur fonctionnant par convection naturelle. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de 11exerrole décrit dans le texte suivant et la figure y afférant, qui montre de façon schéma-25 tique un mode de réalisation de la disposition et la constitution générale de la pile à combustible conforme à l'invention. La pile à combustible conforme a. 1 ' *".ventior comporte, dans le i.ens vertical et de bas en haut un épurateur du corrburant 1, et le bloc de pile 2, Si le comburant utilisé est l'air ambiant, celui-ci doit être épuré de l'anhy-30 dride carbonique (CO^). Ceci est réalisé par absorption chimique, c'est-à-dire par diffu.iion naturelle de ce gaz (C0;) dans un liquide épurateur approprié. Ainsi, dans des appareils d'épuration récents, on obtient un excellent rendement d'absorption pouvant dépasser 953, tout en assurant à l'air un passage à perte de charge minimale. Le liquide d'épuration, pour avoir un rendement nc?IQJNÂL 70 11082 2 . : 2081281 optimal, doit être brassé dans 1'épurateur afin de renouveler continuellement le film liquide en contact avec l'air. Pour cela, il est possible d'utiliser dans un "élévateur à gaz" 4, (fonctionnant par exemple par injection du combustible gazeux dans la colonne de liquide), une faible fraction de l'énergie de 5 détente du combustible (hydrogène par exemple). En effet, la conduite d'amenée 21 du combustible peut être disposée de façon à coagir avec la conduite 14 du liquide épurateur dans l'appareil 4 pour l'élévation de celui-ci Jusqu'à la partie supérieure 14' de l'épurateur 1. Dans le circuit de retour du liquide d'épuration et d'absorption, 10 entre l'appareil 4 et l'entrée de retour 14', on peut encore installer un appareil régénérateur du liquide d'absorption l', au cas où l'on utilise un liquide régénérable. Le comburant constitué par l'air épuré est introduit via la conduite 12 par la partie inférieure dans le bloc de pile 2 disposé verticalement au-15 dessus de l'épurateur 1. Le combustible, en général de l'hydrogène de pureté suffisante, passe par la conduite 21 dans'la partie supérieure dudit bloc 2. L'électrolyte basique (KOH par exemple) se trouvant dans la pile, circule pour être convenablement brassé, via la conduite de sortie 22 disposée dans la partie supérieure du bloc, les conduites 23 et 24, pour retourner vers la partie 20 inférieure du bloc 2 via à conduite 25. Pour assurer l'équilibre thermique de la batterie tout entière, il suffit d'agir sur l'électrolyte et assurer son refroidissement correct. Conformément à l'invention, ce but est atteint en obtenant une circulation de l'électrolyte via un échangeur de chaleur. Lorsque les températures ambiantes varient 25. peu autour d'une moyenne, la circulation de l'électrolyte est assurée par simple thermosiphon entre le bloc 2 qui est la' source chaude et une source froide constituée par un échangeur 3 fonctionnant par convection naturelle au moyen d'ailettes 31* par exemple. Afin de pouvoir maintenir le bloc 2 à une température de fonctionrie-30 ment constante quelle que soit la température de l'atmosphère ambiante, on peut disposer d'un thermorégulateur 3' sur lé circuit, de préférence au point de Jonction entre la conduite 23 venant du bloc 2, la conduite 24 Venant de l'é-changeur 3 et la conduite de retour 25, Ce régulateur peut-, par exemple, consister en un clapet ordinaire, dont l'ouverture n'est fonction que de la tempéra-35 ture de l'électrolyte sortant de l'échangeur de chaleur 3. Il suffit que ce clapet se ferme-totalement ou partiellement (par gravité, par l'action d'un 70 11082 3 2081281 ressort, ou par tout autre moyen approprié monté fixe et pouvant fonctionner sans autre commande que celle d'un thermostat par exemple), pour diminuer ou interrompre temporairement l'écoulement de l'électrolyte en provenance d'une des conduites 23 ou 24, 5 Or. a intérêt de réduire les sections des chambres de circulation du combustible gazeux (hydrogène) sans pour autant introduire des pertes de charges importantes. Pour éviter des déséquilibres dans l'alimentation des diverses chambres et y assurer des débits identiques, il est préférable de faire passer l'hydrogène dans des capillaires disposés en amont de chaque chambre dans un 10 répartiteur 2* par exemple. Les dimensions des capillaires sont choisies pour assurer le bon passage du combustible, sans que ces capillaires puissent être bouchés par une goutte de liquide. Le procédé est plus particulièrement indiqué quand les électrodes à hydrogène sont très minces et ne doivent pas supporter des pressions importantes. 15 Le fonctionnement de la pile conforme à l'invention est le suivant : le comburant, qui est de l'air ambiant dans le cas envisagé, est aspiré selon les flèches fl dans l'épurateur 1 grâce à la disposition en verticale des appareils essentiels constitutifs de la pile à combustible, l'épurateur 1 qui constitue la partie froide étant disposé en dessous du bloc 2 qui est la partie 20 chaude de la pile. Il s'établit alors un fonctionnement "en cheminée", c'est-à-dire par convection naturelle ; le mouvement ascendant de l'air peut encore être amélioré en disposant à la sortie du bloc 2 une conduite 13 d'air, et des produits de combustion,pouvant être pourvue à son extrémité supérieure d'un dispositif aspirant du type Venturi connu en soi, qui est mis en action par les 25 mouvements de la masse d'air ambiante. L'air épuré se réchauffe lors des réactions électrcchimiques dans le bloc 2. Ce bloc 2 étant d'un type connu, n'est pas décrit en détail. Il suffit en effet que dans un tel bloc, de disposition générale connue les sections de passage de différents fluides : combustible (hydrogène), comburant (air épuré) 30 et électrolyte (un produit basique, KOH par exemple) soient déterminées de façon à ce que les pertes de charge soient minimales. Il est prévu d'obtenir un certain brassage de l'électrolyte en le faisant circuler par thermesienon entre la sortie haute du bloc 2 Via les conduites 22, 23, 24 selon les flèches f'^, un échangeur de chaleur 3 et l'entrée basse 25 dudit bloc 2. Un régulateur 3' 35 des débits d'écoulement de l'électrolyte refroidi et de l'électrolyte non refroidi peut être monté entre les conduites d'arrivée 24 et 23, et la conduite de retour 25, pour assurer un fonctionnement du bloc 2 à température BAD ORIGINAL 70 11082 sensiblement constante. Ce régulateur est de préférence un régulateur statique sous forme d'un thermorégulateur, par exemple, qui ne nécessite pour son fonctionnement aucun apport d'énergie en provenance de la pile à combustible. L'air, avant d'entrer dans le bloc 2, passe par un épurateur 1 où il est épuré de l'anhydride carbonique par simple absorption chimique, c'est-à-dire par diffusion naturelle de ce gaz dans un liquide approprié. En général, on a intérêt à utiliser un liquide régénérable, de préférence à basse température, Un tel appareil régénérateur l' est de préférence monté sur la conduite d'entrée 14' dans l'épurateur d'un circuit de circulation des liquides. La source thermique d'un décarbonateur-régénérateur, peut être une résistance chauffante branchée aux bornes de la batterie par exemple, ou encore un brûleur à flamme ou un brûleur catalytique alimenté par une faible fraction du combustible (hydrogène). La circulation selon les flèches du liquide de l'épurateur d'air s'effectue via les conduites 14, qui coagissent en 4 avec les conduites d'amenée 21 du combustible selon les flèches f0, de façon à ce qu'une faible fraction de l'énergie de détente de l'hydrogène soit suffisante pour faire monter le liquide d'épuration jusqu'au régénérateur 1* et via le retour 14' à l'épura-teur 1. Comme c'est déjà"mentionné plus haut, le combustible passe de préférence par un répartiteur 2' constitué par des capillaires disposés en amont de chaque chambre. ' Un grand nombre de modifications .et améliorations peut être apporté à cette pile à combustible, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. La pile à combustible conforme à l'invention est d'une grande simpll cité et robustesse, et peut être utilisée indifféremment à l'intérieur ou à-l'extérieur pendant des périodes prolongées pouvant atteindre un an et plus, sans qu'un entretien coûteux de la pile et de ses accessoires soit nécessaire. 2081281 70 11082 5 2081281 n_K_V_E_ÎI_p_I_C_A_T_r_0_W_3 1.- Pile & combustible caractérisée en ce que la partie chaude de la pile constituée par le bloc de pile est disposée au-dessus de la partie froide qui^ elle, est constituée par 1*épurateur du comburant, tel que l'air ambiant et qu'une conduite est prévue entre ladite partie froide vers ladite partie chaude pour l'acheminement du comburant épuré vers la partie chaude par convection naturel- le» 2.- Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une conduite pour le comburant et les produits de combustion chauds est prévue à la sortie dudit bloc de pile, ladite conduite étant réalisée sous forme d'une conduite aspirante et étant pourvue à son extrémité supérieure d'un aspirateur statique du type Venturi. 3.- Pile à combustible selon l'une des revendication 1 et 2, dans laquelle le comburant est l'air et caractérisée en ce que 1*épurateur d'air comporte un circuit de brassage du liquide absorbant l'anhydride carbonique contenu dans l'air, ledit liquide sortant de la partie basse de 1*épurateur étant transporté vers la partie haute au moyen d'un dispositif agissant sur ledit liquide par une fraction faible de l'énergie de détente d'un combustible gazeux tel que l'hydrogène alimentant la pile à combustible. 4.- Pile à combustible selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'un régénérateur du liquide d'absorption de l'anhydride carbonique est disposé dans le circuit de brassage dudit liquide, 5.- Pile à combustible selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisée en ce qu'un répartiteur de combustible est prévu sur la conduite d'amenée d'hydrogène à l'entrée du bloc de pile, .6,- Pile à combustible selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit répartiteur comporte des capillaires disposés en amont des chambres audit bloc de pile. 7,- Pile à combustible selon l'une des revendications 3* 4, 5 et 6, caractérisée en ce que l'électrolyte est refroidi dans un échangeur de chaleur disposé sur le circuit de brassage dudit électrolyte. 70 11082 6 2081281 8.- Pile à combustible selon la revendication 7» caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur est à l'extérieur du bloc de pile et est du type à convection naturelle. 9.- Pile à combustible selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'un régulateur statique de l'échange thermique est disposé entre la conduite amenant l'électrolyte refroidi, la conduite amenant l'électrolyte non refroidi et la conduite de retour.menant vers le bloc de pile.