Brevet FR2092846A1 — publié le 19720128

La présente invention concerne les piles à combustible à électrolyte alcalin, fonctionnant à basse température, dont le comburant est constitué par de l'air. On sait qu'un problème important de ce type de pile est poye par la carbonatation de l'électrolyte, la potasse par exemple. L'air contient du gaz carbonique et celui-ci, entraîné au coeur de la pile provoque la carbonatation os l'électrolyte, ce qui pertube le fonctionnement ds la pile. Pour résoudre ce problème plusieurs solutions ont déjà été proposées. Une premiers solution consiste bien entendu à épurer l'air en gaz carbonique avant son entrée dans la pile, par exemple par passage dans un décarbonateur à potasse. Toutefois lorsqu'on veut obtenir un taux d'épuration satisfaisant et qui permette à la pile de fonctionner d'une manière autonome pendant des durées appréciables, il est nécessaire de prévoir des décarbonateurs de grosses puissances donc de grandes dimensions. Une autre solution insiste à ne pas épurer l'air avant son entrée das a pile et 3 décarbonater l'électrolyte, de manière continue ou intermittente. On peut par exemple réaliser cette décarbonatation dans une cellule d'électrodyalise externe à la pile, la quantité d'électrolyte alors traitée pouvant être la quantité totale de l'électrolyte circulant dans la pile ou une fraction de celle-ci. Toutefois, d'une part ce processus entraine une onsommation d'énergie importante, car le taux maximum de carbonate admissible est faible, d'autre part l'air pénétrant dans la pile n'étant pas épuré en gaz carbonique, il se forme à l'intérieur de la pile des dépota de carbonates. La présente invention permet notamment de rémédier à ces inconvénients. Elle a pour objet une pile à combustible à électrolyte alcalin fonctionnant à basse température, dont le comburant est constitua par de l'air, caractérisée par le fait que d'une part l'air avant de pénétrer dans le coeur de la pile est dibarrassi dans une large mesure, par passage dans un décarbonateur, du gaz carbonique qu'il contient, d'autre part une faible fraction de l'électrolyte circulant dans la pile est décarbonatée en continu, la quantité de gaz carbonique ainsi éliminée de l'électrolyte ajoutée à celle éliminée e l'air par passage dans le décarbonateur orrespondant sensiblement à la quantité de gaz carbonique contenue dans l'air avant passage dans le décarbonateur. Ainsi, la quantité de gaz carbonique éliminée de lrair par le décarbon--teur peut être de l'ordre de 90 % de la quantité contenue dans l'air avant le passage dans le décarbonateur Le décarbonateur peut être du type à potasse, le titre de carbonate de celleci étant maintenu sensiblement constant par régénération en continu par passage dans une cellule d'llectrodyalise, de préférencc- de type classique c'est-à-dire dans laquelle les électrodes sont reliées à une source de courant extérieur. L'air, sortant du décarbonateur à potasse contenant encore une quantité notable de gaz carbonique, on peut alors utiliser des décarbonateurs de dimensions réduites. De plus la décarbonatation de l'air peut étire réalisée au moyen de potasse présentant une certaine concentration en carbonates. Il en résulte que l'énergie consommée pour régénérer la potasse peut alors être très inférieure à celle nécessaire dans le cas où l'on régénère de la potasse carbonatée (telle que celle seryant d'électrolyte dans la pile). Selon une autre caractéristique de l'invention la décarbonatation en continu de la fraction de l'électrolyte est obtenue par passage de ladite fraction dans une première cellule d'électrodyalise, de préférence de type pile à combustible, c'est-a- dire dans laquelle les électrodes sont alimentées respectivement par un fluide carburant et un fluide combustible puis par passage dans une deuxième cellule d'électrodyalise, de préférence de type classique. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre et du dessin annexé, dans lequel la figure unique illustre schématique- ment la mise en oeuvre de l'invention La référence 1 désigne l'air destiné à alimenter le compartiment à comburant de la pile à combustible 4. Préalablement à son entrée dans ledit compartiment, l'air traverse un décarbonateur 2, par exemple à potasse, fortement carbonatée, d'où il ressort en 3 partiellement épuré en gaz carbonique. A titre illustratif, le taux d'épuration an gaz carbonique peut être de l'ordre de 90 %, et la potasse du décarbonateur peut Strie carbonatée à 88 %. Le titre ds carbonate de la potasse du décartenateur est maintenu sensiblement constant par regénération en continu par passage dans une cellule d'électrodyalise 9 de type classique et de laquelle s'échappe en 10 le gaz carbonique Après passage dans la pile, l'air 5 qui s'est humidifié au contact de l'électrolyte traverse un récupérateur d'eau 6 dans lequel il abandonne une partie de son eau, puis il est mis en contact avec la potasse du décarbondteur 2, de manière à assurer la stabilisation de la concentration en eau de cette potasse, avant c d'être rejeté en 8. Une faible fraction de l'électrolyte circulant dans la pile est soutirée en 11, @puis diluée par passage dans le récupérateur 6. La fraction diluée 12 est alors traitée dans une première cellule d'électrolyalise 13, de préférence de typv pile à combustible La fraction traitée 14 est injectée dans une deuxième cellule d'électrolyalise 15, de préférence de type classique, d'où est rejeté en 16 le gaz carbonique L'électrolyte ainsi obtenu est réintroduit en 17 dans le circuit électrolytique principal. Le taux d'épuration en gaz carbonique dans les cellules 13 et 15 est tel que la quantité de gaz carbonique rejetée en 16 ajoutée à celle rejetée en 10 soit sensiblement égale à la quantité de gaz carbonique contenue dans l'air I avant passage dans le décarbonateur 2. De cette manière, le taux de carbonatation de l'électrolyte circulant dans la pile est maintenu pendant le fonctionnement normalde la pile à une ;valeur sensiblement constante, et ne provoquant de baisse-notable dans le rendement de la pile. Si q est la quantité horaire en grammes -de C02 introduite dans l'électrolyte par le comburant et C la concentration en gramme/litre de C02 dans ledit électrolyte qui correspond à la valeur-constante précitée, la quantité horaire 9 d'électrolyte traitée dans les cellules 13 et 15 est de l'ordre de C litre. A titre d'exemple,l'électrolyte de la pile peut être de la potasse dont la normalité est comprise entre S et 8 N, C étant de l'ordre de 22 à 66 g/litre La fraction d'électrolyte traitée peut pêtre de 0,2 1/h alors que le débit de l'électrolyte circulant dans la pile serait d'environ 1000 l/h pour une pile de 5 kw. On doit noter qu'un système sensiblement analogue de décarbonatation de l'électrolyte a été déjà décrit dans le Brevet Français n0 69 34 413 déposé le B 10 1969 par la Demanderesse et ayant pour titre "Pile à combustible à électrolyte alcalin On pourrait éventuellement supprimer la dilution de la fraction d'électrolyte extraite de la pile. Toutefois compte tenu des qualités des membrannes actuelles présentes dans les cellules d'électrodyalise cette dilution semble préférable. I1 pourrait être également avantageux d'opérer une dilution entre les cellules d'électrodyalise 13 et 15. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée au mode d'exécution décrit qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. On peut en particulier, dans le cadre de l'invention, apporter des modifications de détail, changer certaines dispoisitions ou remplacer certains moyens par des moyens équivalents. REVENDICATIONS li Pile à combustible à électrolyte alcalin fonctionnant à basse température dont le comburant est constitué par de l'air, caractérisée par le fait que d'une part l'air avant de pénétrer dans le coeur de la pile est débarrassé, dans une large mesure, par passage dans un décarbonateur du gaz carbonique qu'il contiens d'autre part une faible fraction de l'électrolyte circulant dans la pile est décarbonatée en continue, la quantité de gaz carbonique ainsi éliminée de l'électrolyte ajoutée à celle éliminée de l'air par passage ans le décarbonateur correspondant sensiblement à la quantité de gaz carbonique contenue dans l'air avant passage dans le décarbonateur. 2 prie à combustible selon la revendication 1 caraftérisée par le fait que la quantité de gaz carbonique éliminée de l'air par le décarbcnatejr est de l'ordre de 90 % de la quantité contenue dans l'air avant passage dans le décarbonateur. 3/ Pile selon une des revendications précédentes caractérisée par le fait que le décarbonateur à air est du type à potasse, partiellement carbonatée le titre en carbonate de celle-ci étant maintenu sensiblenient#constant par regénération en continu par passage dans une cellule l'electrodyalise de préférence de type classique c'est-a-dire dans laquelle les électrodes sont reliées à une source de courant extérieur. 4/ Pile selon une des revendications précédentes caractérisé par le fait que la décarbonatation en continu de la fraction de l'électrolyte est obtenue par passoge de ladite fraction dans une première cellule d'électrodyalise de préférence de type pile à combustible, c'est à dire dans laquelle les électrodes sont alimentées respectivement par un fluide comburant et un fluide de comBustible puis par passage dans une deuxième cellule d'électrodyalise de préférenc de type classique. 5/ Pile selon la revendication 4 caractérisée par l# fait que la fraction de l'électrolyte issue de la pile est diluée avant son introduction dans la première cellule électrodyalise / Pile selon la revendication 5 caractérisée par le fait que la dilution est réalisée par passage dans un récupérateur d'eau alimenté en eau par l'air s'échap- pant de la pile. 7/ Pile selon une des revendications précédentes caractérisé par le fait que l'air humidifié s'échappant de la pile, éventuellement après passage dans le récupérateur d'eau assure la stabilisation de la concentration en eau de la potasse circulant dans le décarbonateur d'air.