Brevet FR2083550A1 — publié le 19711217

La présente invention concerne une pile à combustible pour la conversion d'énergie chimique, avec emploi d'un électrolyte liquide, d'un combustible gazeux et d'un oxydant gazeux. Les piles à combustible du type précité, égaieront appelées piles primaires, sont destinées à convertir directement l'énergie de combustion d'un corps en énergie électrique, à l'aide d'un oxydant approprié. I1 se produit ainsi une oxydation d'un combustible et une réduction de oxydant par voie électrochimique. On connaît depuis longtemps des piles à combustible, dans lesquelles une électrode est balayée par un oxydant gazeux et l'autre électrode par un combustible gazeux, un électrolyte assurant la transmission des porteurs de charge. Le combustible et l'oxydant alimentent les deux électrodes continument et séparément. L'activité électrochimique des produits en réaction crée des potentiels, de sorte que l'électrode à combustible devient la borne négative (cathode) de la pile et l'électrode à oxygène la borne positive (anode). Ces piles à combustible connues présentent toutefois de nombreux inconvénients. C'est ainsi que la réalisation de ces piles sous forme d'éléments individuels est particulièrement genant. Une alimentation exige dans la plupart des cas plusieurs de ces piles, couplées en série ou en parallèle. I1 en résulte une dépense importante en canalisations pour l'alimentation des diverses piles avec les fluides correspondants. I1 faut en outre prévoir un câblage particulier des piles, représentant aussi une dépense relativement importante. Compte tenu des inconvénients précités, l'invention a pour objet une pile à combustible offrant une grande densité d'énergie et caractérisée par une forme compacte, pouvant être étendue à un nombre d'éléments quelconque par des moyens simples et permettant une conversion d'énergie élevée. Selon une caractéristique essentielle de 11 invention, la pile à combustible est constituée par plusieurs électrodes à diffusion gazeuse, réalisées sous forme d'électrodes en couche mince, poreuses, discoides, juxtaposées et réunies en un-bloc compact, fermé vers l'extérieur, les électrodes d'extrémité étant réalisées en anode ou cathode et les autres électrodes disposées par paire de polarité alternée. La pile à combustible est constituée de façon que le combustible ou l'oxydant se trouve entre les électrodes de même polarité et l'électrolyte entre les électrodes de polarité différente. Les gaz de fonctionnement et l'électrolyte circulent dans les chambres qui leur sont affectées de façon à réaliser pour chaque fluide un circuit distinct, comportant un orifice d'entrée et un orifice de sortie. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous et du dessin annexé sur lequel la figure unique est une coupe de a pile à combustible selon l'invention. La figure montre que la pile à combustible est essentielletint constituée par des électrodes à diffusion gazeuse (1, 2), discordes, juxtaposées, réunies par des éléments de fixation isolés par rapport aux électrodes, tels que des tiges filetées (3) traversantes, et placées entre deux flasques (4). Les électrodes (1, 2) sont disposées par paires (1 ou 2) de même polarité, à l'exception d'une anode (1) ou d'une cathode (2) à chaque extrémité. Des pièces isolantes sont prévues sous forme d'un cadre (5) entre les diverses électrodes (1, 2), de façon à former des chambres (6), étanches vers l'extérieur. Les chambres (6), formées par les électrodes (1 ou 2) de même polarité, et les chambres (6) situées entre les électrodes (1 et 2) de même polarité sont reliées entre elles, dans chaque groupe, par plusieurs canaux (7) (perçages dans les électrodes et joints d'étanchéité), prévus de préférence juste au-dessous du cadre (5), afin d'assurer une pleine utilisation de toute la surface des électrodes. L'électrolyte (A), le combustible (B) et l'oxydant (ç) sont envoyés dans ces chambres de l'extérieur, par l'intermédiaire de raccords (8), de façon que l'électrolyte (A) circule le long des électrodes (1 et 2) de polarité différente et le combustible (B) ainsi que l'oxydant (C) le long des électrodes (1 ou 2) de même polarité. La distance entre les électrodes (1, 2) est calculée de façon à assurer la conversion d'énergie maximale. L'électrode à oxygène (1) est avantageusement constituée par un film plastique poreux, en polytétrafluoréthylène par exemple, portant une couche de charbon activée par des complexes métalliques. Les électrodes à combustible (2) sont également constituées par un film plastique, en polytétrafluoréthylène par exemple, et une couche catalytique en carbure de tungstène très actif. Un cadre en papier graphité (non représenté) est incorporé par frittage aux électrodes (1, 2) pour la dérivation du courant. Pour le dimensionnement des électrodes, il est avantageux de déposer une couche de catalyseur ou de charbon de 0,4 à 0,5 mm sur un film plastique d'une épaisseur d'environ 0,3 mm Les compartiments à gaz ou à électrolyte peuvent avoir par exemple une épaisseur de 0,5 rmn, pour une surface de chaque pile à combustible de 10.10 cm. Les avantages d'une telle pile résident notamment dans la possibilité de réunir en un bloc un nombre quelconque d'électrodes, considérées comme des piles individuelles. Une telle disposition n'exige en outre aucun système couteux d'alimentation en divers fluides. Le couplage des diverses électrodes peut enfins'effectuer d'une façon relativement simple, à I'aide de bornes. Bien entendu, diverses modifications peuvent etre apportées par l'homme de l'art au dispositif qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple non Iimitatif, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Pile à combustible pour la conversion d'énergie chimique à l'aide d'un électrolyte liquie, d'un combustible gazeux et d'un oxydant gazeux, caractérisée en ce que la pile à combustible est constituée par plusieurs électrodes à diffusion gazeuse, réalisées sous forme d'électrode s en couche mince, discordes, poreuses, juxtaposées et réunies en un bloc compact fermé, les électrodes d'extrémité étant réalisées en anode ou cathode et les autres électrodes disposées par pairles de polarité alternée. 2. Pile à combustible selon revendication 1, caractérisée en ce que le combustible ou l'oxydant se trouve entre les électrodes de même polarité et l'électrolyte entre les électrodes de polarité différente. 3. Pile à combustible selon revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le combustible, l'oxydant et l'électrolyte circulent chacun dans les chambres qui leur sont affectées. 4 Pile à combustible selon revendication 3, caractérisée en ce que pour guider les fluides en circulation, les diverses chambres sont reliées d façon à constituer pour chaque fluide un circuit distinct, comportant un orifice d'entrée et un orifice de sortie. 5. Pile à combustible selon revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que les diverses chambres sont reliées entre elles à l'intérieur du bloc. 6. Pile à combustible selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les diverses chambres sont isolées de l'extérieur par un joint d'étanchéité plastique, en forme de cadre. 7. Pile à combustible selon une quelconque des revendications-l à 6, caractérisée en ce que les électrodes à oxygène sont /constituées par un film plastique et une couche de charbon actif. 8. Pile à combustible selon une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les électrodes à combustible sont constituées par un film plastique et une couche de catalyseur en carbure de tungstène très actif. 9. Pile à combustible selon revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que le film plastique est en polytétrafluoréthylène poreux. 10. Pile à combustible selon revendication 7 ou 8, caractérisée en ce qu'un cadre en papier graphité est incorporé par frittage à l'électrode à combustible ou à oxygène, pour la dérivation du courant. 11. Pile à combustible selon une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée par l'emploi d'hydrogène ou de gaz brut hydrogéné comme combustible 12. Pile à combustible selon une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée par l'emploi oxygène ou d'air comme oxydant.