Brevet FR2061539A1 — publié le 19710625

La Société demanderesse a proposé diverses dispositions de structures compacts tes de piles à combustible, nota, ent dans les brevets français N0 1.379.800, 1.399.765, 1.522.304, 1.522.305, 1.522.306 et 1.522.307 et dans les demandes de brevet français PV 2804 (Belfort) du 12 Mars 1968 pour : "Ensembles compacts de piles à combustible" et PV 183.127 du 31Décembre 1968 pour : "Assembîagoecom- pacts de piles à combustible"0 Ces structures compactes comprennent ltempilement de composants, en forme gé- nérale de plaques minces comprenant des électrodes, de préférence bipolaires, munies de saillies, et obtenues notamment à partir de feuilles non poreuses, qui sont appliquées les unes contre les autres avec interposition d'un diaphragme semi-perméable, cet empilement comportant des plaques d'extrémité collectrices de courant et, à la périphérie des composants, des ouvertures et échancrures dont la coopération détermine un réseau de canalisations d'amenée et d'évacuation d'au moins deux liquides, pour assurer la circulation d'un électrolyte et d'un réactif ou de réactifs sur chaque face d'électrode parallèlement au plan moyen de celleci. Pour éviter que les électrodes successives ne s'embottent les unes dans les autres, la Société demanderesse a proposé de constituer les saillies des électrode des par un réseau de segments allongés parallèles les uns aux autres, et de décaler angulairement deux électrodes successives. Cette disposition fait l'objet de la demande de brevet français PV 146.809 du 3 Avril 1968 pour : "Perfectionnement aux électrodes maillées pour batterie de piles à combustible". Dans la demande de brevet français N 157.792 du 3 Juillet 1963 pour "Electrode, notamment pour ensembles compacts de piles à combustible", la Société deman- deresse a décrit une électrode à surface ondulée, qui, appliquée contre une électrode adjacente identique, mais décalée angulairement, évite les risques d'emboitement, et qui présente, en outre, la propriété, lors qu'elle est alimentée par un électrolyte liquide porteur d'une grande quantité de réactif gazeux, d'ordre le long de l'électrode, une séparation des deux phases : réactif et électrolyte, qui s'écoulent chacune suivant des veines différentes d'une manière particuliere- ment favorable à la répartition des surfaces de contact entre le réactif et l'e lectrode d'une part et entre llelectrolyte et le diaphragme semi-perméable d'au- tre part. Ce mode d'écoulement a fait appeler une électrode fonctionnant dans de telles conditions : "électrode à couches glissantes". Les électrodes objet des deux demandes de brevet français ci-dessus désignées sont très efficaces pour éviter les risques diembottement, du falt de leur car3c- tère commun consistant en ce que ces électrodes présentent des saillies en forme d'éléments allongés et en ce que les saillies de deux électrodes appliquées l'une contre l'autre sont allongées dans des direction différentes. Hais l'orientation donnée à l'écoulement de l'électrolyte la direction de ces éléments allongés présente des inconvénients.Si l'on considère une électrode rectangulaire dans laquelle l'électrolyte s'écoule d'un bord de l'électrode au bord opposé, ces bords étant dits, dans la suite, ceux entre lesquels s'écoule l'électrolyte, les éléments allongés sont nécessairement inclinés par rapport aux deux autres bords, de l'électrode. Il en résulte que l'électrode est mal irriguée et qu'elle se trouve donc imparfaitement utilisez. La présente invention, qui s'applique à des structures compactes de piles à ceubustible telles que celles définies précédemment, avec électrodes bipolaires, et plaques collectrices-de -courant aux extrimitEs de la structure, se propose de remédier à cet inconvénient en assurant un écoulement de l'électrolyte d'un bord de l'électrode au bord opposé de celle-ci, tel qu'il soit, en moyenne, symétrique par rapport à la médiatrice de ces deux bord;;. Pour cela, le système de saillies de l'électrode est constitué par plusieurs réseaux élémentaires occupant chacun une bande parallèle aux bords de l'électrode entre lesquels s'écoule l'électrolyte et traversés ainsi successivement par l'électrolyte, chaque réseau élémentaire comportant un ensemble de saillies allongées, continues ou discontinues, rectilignes ou non, parallèles les unes aux autres, et inclinées d'un angle dif durent de zéro par rapport aux bords de ltélectrode, et les saillies de deux réseaux élémentaires successifs étant allongées dans des directions différentes, de manière que la direction moyenne de l'écoulement de l'électrolyte sur l'électrode soit perpendiculaire aux bords de l'électrode entre lesquels s'effectue cet écoulement. Les électrodes comportent, de préférence, en quinconce par rapport aux saillies allongées d'une face, et parallèlement à ces saillies, des dépressions wallon gées qui ont les mimes dimensions que les saillies de cette face et qui forment les saillies de l'autre face de l'électrode. Les électrodes sont constituées par un matériau métallique ou semi-conducteur nu par une matière plastique rendue cunductrice par une charge. L'invention prE- voit de munir les électrodes dgun revêtement catalytique. Selon une réalisation préférentielle de la présente invention, les réseaux élémentaires de saillies présentent entre eux une disposition dite "en chevron", dans laquelle deux réseaux élémentairei successifs composés chacun de rangées de segments rectilignes parallèles s trouvent disposés symétriquement par rapport à une droite parallèle aux bords de l'électrode entre lesquels s'effectue l'écou liement. L'angle d'inclinaison des saillies par rapport aux bords des électrodes peut entre quelconque pourvu qu'il soit différent de zéro. Selon une autre réalisation préférentielle de la présente invention, cet angle est de 45-. Ainsi, en faisant subir à une électrode, dans un plan parallèle au plan de l'électrode précédente ou de l'électrode suivante, une rotation de 180e il n'y a pas risque d'emboîtement de ces deux électrodes malgré des déplacements latéraux. Les saillies allongées de chaque réseau élémentaire peuvent, au lieu d'être constituées par des segments rectilignes, se présenter sous forme d'arcs de cercles, ou de courbes quelconques, formant, par exemple, des chiffres, pourvu que ces figures et leur espacement évitent tout risque d'emboîtement d'une électrode à l'électrode adjacente. Deux ou plusieurs modèles de saillies-peuvent entre associés dans un meme réseau. Les réseaux successifs peuvent avoir une largeur différente et comporter des saillies différentes, les saillies de deux réseaux successifs pouvant constituer, par exemple, des chffres sept. L'écartement des saillies des électrodes est, de préférence, du mtme ordre de grandeur que leur profondeur. En se référant aux figures schématiques ci-jointes, on va décrire quelques exemples de mise en oeuvre de l'invention, donnés à titre non limitatif. Les figures 1 à 4 représentent, vues en plan, des portions agrandies de quelques réalisations d'électrodes où les saillies de chaque réseau élémentaire sont des segments rectilignes. Les figures 5 et 6 représentent des portions agrandies de réalisations d'électrodes où les saillies de chaque réseau élémentaire ont la forme d'arcs de cercle. La figure 7 représente une réalisation préférée "en chevrons" d'une électrode, dont la figure 8 montre une portion agrandie d'un réseau élémentaire. La portion 1 d'électrode de la Fig. 1 comporte quatre réseaux successifs, 2, 3, 4 et 5 de saillies constituées par des segments rectilignes. La portion d'électrode de la Fig. 2 comporte cinq réseaux de segments rectilignes. La portion d'électrode de la Fig. 3 est analogue à celle de la Fig. 2, mais les segments rectilignes de chaque réseau sont interrompus et constitués chacun de deux segments élémentaires. Dans le cas de l'électrode dont une portion est représentée sur la Fig. 4, on a intercalé, entre les lignes 6 de deux segments'élémentaires, des lignes 7 à un seul segment élémentaire. La portion d'électrode de a Fig. 5 comporte des segments courbes tournés les uns 8, vers la droite, les autres 9 vers la gauche et répartis ainsi suivant cinq réseaux 10, 11, 12, 13 et 14. Dans le cas de la Fig. 6, ces cinq réseaux 10, 11, 12, 13, 14 sont constitués chacun par des rangées alternées de deux segments 15 et d'un segment 16. De nombreuses variantes sont possibles. Par exemple, on peut ménager une marge lisse sur tout le pourtour d'une électrode, comme cela est représenté sur la Fig. 7, et les divers motifs représentés peuvent etre combinés dans uremXeme électrode. Les électrodes peuvent comporter à une extrémité ou aux deux extrémités, des bandes de saillies en forme de picots ou saillies de forme différente de cel le des segments des réseaux 2, 3, 4, 5 ou 10 à 14. Ces bandes extrèmes permettent alors d'assurer ou d'améliorer la distribution des électrolytes. La Fig. 7 représente une réalisation préférentielle de l'électrode. Celle-ci a la forme d'un carré dont la surface est divisée en bandes 17 à 26 parallèles à l'un des côtés du carré, chacune de ces bandes comportant des rangées 27 parallè- les de petits segments 28 rectilignes de même longueur, inclinées de 45 degrés par rapport aux bords #e de électrode, le sens d'inclinaison variant d'une bande à la suivante, de sorte que les rangées de segments rectilignes d'une bande fassent un angle de 90 degrés par rapport aux rangées de segments rectilignes de la bande suivante, les rangées de deux bandes consécutives formant ainsi un ensemble de chevrons parallèles les uns aux autres.Les segments rectilignes des diverses rangées d'une bande ont leurs extrémités alignées en 29, dans le sens perpendi-# culaire aux segments. Sur la Fig. 7, seuls les segments rectilignes 28 correspondant aux saillies ont été représentés. Mais cette mtme face de l'électrode est pourvue de rangées, 30, visibles sur la Fig. 8, parallèles de dépressions 31 en forme de segments qui ont les memes dimensions que les saillies 28, ces dépressions étant disposées en quinconce par rapport à ces saillies et parallèlement à celles ci. Ces dépressions correspondent à des saillies sur l'autre face de l'é- lectrode.L'orientation des rangées 27 de saillies 28#et des rangées 30 de dépressions 31, montrée sur la Fig. 8, correspond à l'une des bandes 17 à 26 ; dans les bandes adjacentes à cette bande, l'orientation des rangées se trouve à 90 degrés de celle représentée sur la Fig. 8, les bandes successives comportant alternativement l'une une orientation de rangées comme celle représentée sur la Fig. 8, la suivante une orientation de rangées perpendiculaire à la précédente. A titre indicatif, l'électrode peut avoir la forme d'un carré de 11 centimètres de côté avec une marge lisse de0,5 centimètres, et présenter une surface divisée en dix bandes parallèles de 10 centimètres de long et l centimètre de large, les petits segments ayant une longueur de l'ordre du millimètre, et les espacements entre rangées de segments étant du même ordre de grandeur. Entre deux bandes successives telles que 17 et 18, il peut y avoir un espacement 32 de lsor- dre du millimètre comme le montre la Fig. 7 ou ne pas y avoir d'espacement du tout. On a constaté qu'une électrode telle que celle de la Fig. 7 ou de la Fig. 8 était d'un emploi général et pouvait aussi bien convenir à un électrolyte constitué par un liquide pur qu'à ufle émulsion gaz-liquide, et que cette électrode se comportait en électrode "à couches glissantes" suivant la définition donnée de ce terme au début de la description. L'épaisseur de la feuille constituant les électrodes est avantageusement de quelques dizaines de microns, et les saillies de chaque électrode débordent du plan moyen de celle-ci, de préférence, de quelques dixièmes de millimètres. Revendications 1.- Structures compactes de piles à combustible constituées par l'empilement de composants en forme générale de plaques minces comprenant des électrodes bipolaires rectangulaires dont les faces sont unies de saillies allongées et qui sont obtenues à partir de feuilles non poreuses, ces électrodes étant appliquées les unes contre les autres avec interposition d'un diaphragme semi- perméable, et cet empilement comportant des plaques d'extrémité collectrices de courant et, à la périphérie des composants des ouvertures et échancrures dont la coopération détermine un réseau de canalisations d'amenée et d'évacua- tion d'au moins deux liquides pour assurer la circulation d'un électrolyte et d'un réactif ou de plusieurs réactifs sur chaque face d'électrode parallèlement au plan moyen de celle-ci, et les saillies des électrodes étant suffisamment rapprochées les unes des autres et étant allongées dans les directions différentes d'une électrode à la suivante pour éviter tout risque d'emboîte- ment, caractérisées en ce que le système de saillies de chaque électrode est constitué par plusieurs réseaux élémentaires occupant chacun une bande para allèle aux bords de l'électrode entre lesquels s'écoule l'électrolyte et traversés ainsi successivement par l'électrolyte, chaque réseau élémentaire comportant un ensemble de saillies allongées, continues ou discontinues, rectilignes ou non, parallèles les unes aux autres, inclinées d'un angle différent de zéro par rapport aux bords de l'électrode, et les saillies de deux réseaux éîémep taires successifs d'une méme électrode étant allongées dans des directions différentes, de manière que la direction moyenne de l'écoulement de l'éîectro- lyte sur 11 électrode soit perpendiculaire aux bords de l'électrode entre lesquels s'effectue cet écoulement. 2.- Structures compactes suivant la revendication 1, caractérisées on ce que, en quinconce par rapport aux saillies allongées d'une face de chaque électrode, et parallèlement à ces saillies, sont disposées des dépressions allongées qui ont les mimes dimensions que les saillies de cette face et qui forment les saillies de l'autre face de l'électrode. 3.- Structures compactes suivant les revendications l ou 2 caractérisées en ce que les électrodes sont constituées par un matériau gallique ou semai conducteur ou par une matière plastique rendue conductrice par une charge 4.- Structures compactes suivant la revendication 3 caractérisées en ce que les électrodes reçoivent un revttement catalytique 5.- Structures compactes suivant l'une des revendications la 4, caracteri sées en ce que chaque électrode comporte, au moins a une extrémité de l'ensemble des bandes de réseaux éldmentaires de sail1ies#al1ongées parallèles, une bande de saillies en forme de picots ou de saillies de forme différente des précédentes. 6.- Structures compactes suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisées en ce que les électrodes sont obtenues à partir de feuilles non poreu- ses d'une épaissseur de quelques dizaines de #îcrons. 7.- Structures compactes suivant lune des revendications t a 6, caracté- risées en ce que les saillies de chaque électrode débordent du plan moyen de celle-ci de quelques dixièmes de millimètre. 8.- Structures compactes suivant l'une des revendications I à 7, caracté- risées an ce que l'écartement des saillies est du même ordre de grandeur que leur profondeur 9~- Structures compactes suivant l'une des revendications 1 à 8, caracté- risées en ce que les saillies des réseaux élémentaires foraient des rangées et de segments rectilignes/en ce que deux réseaux successifs sont symétriques par rapport à une droite parallèle aux bords de l'électrode entre lesquels s'effectue l'écoulement. 10. - Structures compactes suivant la revendication 9, caractérisées en ce que les rangées de segments rectilignes sont inclinées de 450 par rapport aux bords de l'électrode. 11.- Structures compactes suivant la revendication 9 ou 10, caractérisées en ce que chaque rangée est forgée dvune ligne de petits segments ayant une longueur de l'ordre du millimètre, en ce que les rangées sont espacées entre elles d'une distance de l'ordre du millim2tre, et en ce que chaque réseau élé- mentaire occupe une bande d'une largeur de l'ordre du centimètre.