Brevet FR2097152A1 — publié le 19720303

La présente invention concerne des piles a combustible ré gênérables, et en particulier une unité combinée d'une pile à combustible et d'une pile dlélectrolyse. Les piles à combustible régénérables sont connues de l'é- tat de la technique. Un type connu de ces piles,utilise lrs mê- mes électrodes pour la pile à combustible, durant un mode de fonctionnement et pour la pile d'électrolyse, durant le mode de régénération. Bien qu'il soit possible de réaliser la production d'énergie et d'électrolyse avec une seule pile, fonctionnant comme pile à combustible à un moment et comme pile d'électrolyse à un autre moment, ceci n'est pas avantageux. La séparation de la pile à combustible de la pile d'électrolyse, permet de rendre optimale l'utilisation des matériaux et configurations de chaque pile. La performance et la durée de vie ne sont pas aussi bonnes que dans le cas où une seule pile est nécessaire, pour fonctionner dans les deux modes.Par exemple, les électrodes de piles à combustible, utilisant un catalyseur de platine ont démontré une excellente endurance et performance. Cependant, si ce type d'électrode est utilisé dans une pile d'électrolyse, les potentiels élevés de fonctionnement, ont pour résultat la formation d'oxyde de platine qui réagit avec l'électrolyte, pour former des ions Pt 0 3 solubles. Un fonctionnement subséquent de cette électrode dans le mode pile à combustible, force ces ions à migrer vers l'électrode hydrogène, où ils sont chimiquement réduits au métal platine, qui forme des dendrites de platine sur l'électrode hydrogène. Cette migration du catalyseur produit éventuellement une faible performance, et les dendrites de platine peuvent provoquer un dégagement de gaz dans la cavité de l'électrolyte, et un arrêt subséquent de la pile. Un autre type de pile régénérable connu de l'état de la technique sépare physiquement la pile à combustible de la pile d'électrolyse. Cette configuration exige un équipement auxiliaire, telsque des réservoirs sous pression, des valves, des pompes et des conduites pour accompir le stockage et le transfert de l'eau et des gaz réactifs, ce qui rend le système moins fiable, plus coûteux et réduit l'énergie électrique de la pile à combustible, puisqu'une partie de l'énergie électrique produite par la pile a combustible, doit être utilisée pour alimenter l'équipement au miliaire La présente invention évite les désavantages et inconvé nients des deux types susmentionnés de piles à combustible régénérables. Par conséquent, un ebjet de l'invention est de fournir une pile à combustible régénérable,pouvant être chargée et déchargée simultanément. Un autre objet de l'invention est de fournir une pile à combustible régénérable,dans laquelle la tension de charge est indépendante de la tension de décharge, c'est-à-dire, les tensions peuvent être les mêmes ou être différentes l'une de l'autre. Un autre objet de l'invention est de fournir une pile à combustible régénérable, laquelle peut être un système complètement et hermétiquement étanche, et qui peut être substantiellement déchargée à 100% et quand même rechargée complètement. Un autre objet de l'invention est de fournir une pile à combustible régénérable, qui a un moyen de transport d'eau et un moyen de transport pour le gaz, réagissant sans utiliser des organes mobiles. Un autre objet de l'invention est de fournir une pile à combustible régénérable, ayant une meilleure performance et une plus longue durée de vie, que celles de l'état de la technique. Selon l'invention, une pile à combustible régénérable, qui atteint les objets ci-dessus, ainsi que d'autres, est réalisée par la combinaison d'au moins une pile à combustible, et d'une pile d'électrolyse, disposées à proximité l'une de l'autre, et séparées l'une de l'autre par un passage d'hydrogène. Des matrices de stockage de liquides, sont disposées à proximité de la pile à combustible et de la pile d'électrolyse pour le stockage, dans la solution d'électrolyte dilué d'eau, produit pendant le fonctionnement de la pile à combustible. L'eau est transformée en hydrogène et oxygène par l'électrolyse, pendant le chargement de la pile. Les matrices de stockage de liquide sont pourvues de passages pour l'écoulement de gaz dans celles-ci.L'électrode productrice d'oxygène dela pile d'électrolyse et l'électrode consommatrice d'oxygène de la pile à combustible sont en communication fluide, avec un compartiment de stockage d'oxygène. L'électrode productrice d'hydrogène de la pile d'électrolyse et l'électrode consommatrice d'hydrogène de la pile à combustible, sont en communication fluide par le passage d'hydrogène entre la pile d'électrolyse et la pile à combustible, avec un compartiment de stockage d'hydrogène. Pendant le fonctionnement de la pile à combustible, l'hydrogène et l'oxygène réagissent dans la pile à combustible, pour produire de l'électricité et former de l'eau. Cette eau met en dilution l'électrolyte de la pile à combustible et permet son extension dans les matricés de stockage d'eau.Lorsque la: concentration de l'électrolyte dans la pile à combustible dnminuej la#pression de vapeur d'eau d'équilibre au dessus de l'électrolyte augmente, établissant ainsi un gradient-de pression de la vaPeur d'eau à travers le passage d'hydrogène, entre la pile à combustible et la pile d'électrolyse. La vapeur d'eau du produit se diffuse par le passage, et tend à égaliser la concentration de l'électrolyte dans les deux piles, ce qui a pour résultat, un transfert d'eau de la pile à combustible, vers la pile d'électrolyse. Pendant le fonctionnement de la pile d'électrolyse,de l'eau est consommée dans celle-ci, en provoquant une augmentation de la concentration d'électrolyte, et une chute à la pression d'eau d'équilibre. Le gradient de la pression de vapeur d'eau à travers le passage d'hydrogène est rétabli, et l'eau de la pile à combustible est à nouveau transférée vers la pile d'électrolyse. Les forces de diffusion et capillaires, contrlent automatiquement le stockage et le transport de l'eau. Dans le mode de fonctionnement, soit à pile combustible, soit à pile d'électrolyse, la vitesse de diffusion de l'eau à travers le passage d'hydrogène, est une fonction de la concentration relative d'électrolyte dans les matrices de stockage d'eau. Cette différence de concentration est proportionnelle au taux de production d'eau, par la pile à combustible ou à la consommation d'eau par la pile d'électrolyse. Le système compense automatiquement les changements de la production d'énergie ou du mode de fonctionnement, et ne nécessite aucune commande auxiliaire ou des parties mobiles. Les autres avantages de la pile à combustible régénérable, de l'invention, sont les suivants: les catalyseurs de cathode peuvent être différents, permettant ainsi une performance et durée de vie optimales. Par exemple, du nickel peut être utilisé comme catalyseur de l'électrode de l'oxygène pour la pile d'électrolyse, tandis que du platine peut être utilisé commetcatalyseur de l'électrode de l'oxygène pour la pile à combustible. L'usage du nickel pour l'électrode de l'oxygène de la pile d'électrolyse est non seulement meilleur marché, mais donne aussi une#tension de polarisation plus basse à la même densité de courant,-que d'autres catalyseurs connus et évite le problème de la migration du catalyseur qui se produit lorsque la même électrode est utilisée pour la pile à combustible et pour la pile d'électrolyse. Des sources d'électrolyte séparées pour les piles à combustibles et pour les piles d'électrolyse, permettent plus de piles à combustibles que de piles d'électrolyse, ce qui est généralement désirable; c'est-à-dire qu'il n'y a pas besoin d'avoir un rapport de un à un, pour les piles à combustible et les piles d'électrolyse, comme pour certaines piles à combustibles régénérables,de l'état de la technique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront de la description détaillée qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation, et en se référant aux dessins annéxés sur lesquels: La Figure 1 est une illustration schématique d'un mode de réalisation d'un système de piles à combustible régénérable, selon la présente invention. La Figure 2 est une vue partielle d'une pile à combustible d'électrolyse, montrée sur la figure 1. La Figure 3 est une vue détaillée d'un autre mode de réalisation de l'invention. La Figure 4 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation du système de pile à combustible régénérable, selon l'invention. La Figure 5 est une vue schématique partielle de la pile combinée de la figure 4. Se référant à la figure 1, on voit que le logement est représenté par la référence numérique 2. Un empilage 4 de piles à combustible est disposé radialement à l'intérieur du logement 2 et séparé de la paroi extérieure 6 par un plissement isolant électrique 8 formant ainsi un passage d'oxygène 9, entre l'empilage 4 de piles à combustible et la paroi 6. Une première matrice 10 de stockage d'eau, est disposée à proximité de l'empilage 4. Une deuxième matrice 12 de stockage d'eau est disposée à proximité de la matrice 10 et séparée de celle-ci pour fournir un passage d'hydrogène 14 entre elles. Le passage dispose d'un écran 16 isolant électrique.Un empilage 18 de piles d'électrolyse est placé radialement à proximité de la matrice 12, et séparé de la paroi 20 par un écran 22, formant ainsi un passage d'oxygène 24 entre l'empilage de piles d'électrolyse et la paroi 20 Des moyens 26 et 28 de stockage pour l'oxygène sont prévus aux extrémités du logement 2, et sont en oommunication fluide avec les passages d'oxygè ne 9 et 24. Les moyens 30 pour le stockage de l'#rogène sont prévus par la paroi 20, la paroi 32 et la paroi 34,et ils sont en communication fluide avec le passage d'hydrogène 14. Un joint à gaz 36 est prévu pour rendre étanche le passage d'hydrogène 14, contre une communication avec les passages d'oxygène 9 et 24. La paroi 32 est pourvue d'une ouverture 38 vers un soufflet 40, ceci permet une égalisation en tout temps des pressions d'oxygène et d'hydrogène. Sur la Figure 2, qui représente une vue détaillée de l'empilage intégré des piles à combustible et des piles d'électrolyse, montré sur la figure 1, les composants sont représentés avec leur même référence numérique que sur la figure 1. L'empilage de piles à combustible 4 est représenté comme ayant une électrode d'oxygène 42, une matrice de stockage d'électrolyte 44 et une électrode d'hydrogène 46. L'empilage 18 de piles d'électrolyse est montré, comme ayant une électrode d'hydrogène 48 et la matrice 50 de stockage d'électrolyte et une électrode d'oxygène 52.Le plissement 8 non conducteur électriquement, prend de préférence la forme d'un métal ondulé, qui fournit un bon transfert de chaleur de l'empilage 4 de piles à combustible, vers la paroi 6 du logement 2 pour rejeter la chaleur de rebut, ce métal ondulé ayant un revêtement ou une feuille d'un matériau 7 diélectrique, comme par exemple du polytétrafluoroéthylène sur sa surface adjacente à l'empilage 4 de piles à combustible, pour empêcher une conduction de la pile à combustible vers la paroi 6. Les matrices de stockage d'eau sont de préférence construites d'un métal poreux, comme par exemple du nickel. Les écrans 16 et 22 sont fabriqués de matériaux d'un polymère diélectrique solide, comme par exemple du polypropylène. En service, pendant le fonctionnement de la pile à combustible, l'hydrogène et l'oxygène sont en réaction dans la pile à combustible pour produire de l'électricité et former de l'eau. L'eau dilue l'électrolyte de la pile à combustible dans la matrice 44 de l'électrolyte et provoque la dilatation de l'électrolyte dilué dans la matrice 10 de stockage de l'eau. Lorsque la concentration de l'électrolyte de la pile à combustible diminue,la pression de vapeur d'eau d'équilibre au-dessus de l'électrolyte augmente, établissant ainsi un gradient de pression de vapeur d'eau à travers le passage d'hydrogène 14, entre la pile à combustible 4, et la pile d'électrolyse 18. La vapeur d'eau du produit est diffusée à travers le passage d'hydrogène 14 dans la matrice 12 de stockage d'eau et tend à égaliser la concentration d'électrolyte dans la pile à combustible et la pile d'électrolyse. Ceci a pour résultat un transfert d'eau de la pile à combustible vers la pile d'électrolyse.Pendant le fonctionnement de la pile d'électrolyse, l'eau est consommée dans la pile 18 provoquant une augmentation de la concentration d'électrolyte dans la pile d'électrolyse et une chute, par conséquent, de la pression de vapeur d'eau d'equilibre . Le gradient de pression de vapeur d'eau à travers le passage d'hydrogène 14 est rétabli et la vapeur d'eau de la pile à combustible est de nouveau transférée vers la pile 18. Sur la Figure 3, les mêmes composants sont désignés par les mêmes références numériques. Dans ce mode de réalisation de l'invention, la matrice 10 de stockage d'eau est disposée entre la pile à combustible 4 et la paroi 6, et la matrice 12 de stockage d'eau est disposée entre la pile 18 et la paroi 20. Le fonctionnement de ce mode de réalisation est le même que celui de la figure 2. Bien que seulement une pile à combustible et une seule pile d'électrolyse sont montrées dans la description des modes de réalisation de l'invention, il est évident aux hommes de l'art que plusieurs piles de chaque type, peuvent être utilisées, dans un même système, et un avantage de l'invention est le fait que le rapport des piles à combustibles à celui des piles d'électrolyse, n'a pas besoin d'être de un à un. En d'autres mots, le nombre des piles d'électrolyse peut, par exemple être inférieur à celui des piles à combustible,utilisees pour une application particulière. La Figure 4, représente plusieurs piles à combustible et piles d'électrolyse empilées axialement dans le logement 2. La Figure 5 est une vue schématique partielle d'une combinaison intégrée de pile à combustible-pile d'électrolyse montrée sur la figure 4, les mêmes références numériques désignant toujours les mêmes composants. Le mode de réalisation de la figure 5, est essentiellement le même que celui des figures 2 et 3, excepté que pendant le fonctionnement de la pile à combustible, l'eau est stockée dans l'électrode d'hydrogène 46 de la pile à combustible qui est faite d'un métal fritté pour remplacer les électrodes du type écran, montrées sur les figures 2 et 3.Lorsque la quantité d'eau augmente dans celle-ci, la concentration d'élec trolyte dans la pile à combustible,diminue, et la vapeur d'eau est diffusée à travers le passage d'hydrogène 141 à travers les trous 58 dans la plaque de refroidissement 60, et vers l'ensemble de piles d'électrolyse, où elle est stockée dans l'électrode d'hydrogène 48, et l'électrode d'oxygène 52 qui sont toutes deux, des électrodes poreuses métalliques. La conduite d'oxygène 72 est en connexion fluide avec le moyen 26 de stockage d'oxygène, et la conduite d'hydrogène 74 est en connexion fluide avec le moyen de stockage d'hydrogène 30. Les piles à combustible et d'électrolyse sont isolées électriquement des plaques de refrodissement 60 et 70, par les joints isolants 80. Le fonctionnement de ce mode de réalisation est le même que celui décrit pour les autres modes de réalisation de l'invention. Tandis que divers systèmes utilisant l'invention sont décrits, il est évident aux hommes de l'art que les avantages des piles à combustible et d'électrolyse intégrées de l'invention, avec le mode de transport et de stockage de l'eau, selon l'invention, peuvent être réalisées dans beaucoup de systèmes. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système de piles à combustibles régénérable, caractérisé par le fait qu'il comprend un premier ensemble, comprenant une pile à combustible ayant une électrode d'hydrogène, une électrode d'oxygène et une matrice d'électrolyte disposée entre celles-ci, et incluant une matrice de stockage d'eau; un deuxième ensemble comprenant une pile d'électrolyse ayant une électrode d'hydrogène, une électrode d'oxygène et une matrice d'électrolyte disposée entre celles-ci, et incluant une matrice de stockage d'eau, le deuxième ensemble étant disposé adjacent au premier ensemble et séparé de celui-ci, par un passage d'hydrogène, des moyens de stockage d'hydrogène, des moyens de stockage d'oxygène, un premier moyen de connexion fluide communiquant le moyen de stockage d'hydrogène au passage d'hydrogène, et un deuxième moyen de connexion fluide communiquant le moyen de stockage d'oxygène à l'électrode d'oxygène de la pile à combustible et l'électrode d'oxygène de la pile d'électrolyse. 2. Sytème selon la revendication 1,caractérisé par le fait que la matrice de stockage d'eau du premier ensemble est disposée adjacente à l'électrode d'hydrogène de la pile à combustible, et que la matrice de stockage d'eau du deuxième ensemble est disposée adjacente à l'électrode d'hydrogène de la pile d'électrolyse. 3. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la matrice de stockage d'eau du premier ensemble est disposée adjacente à l'électrode d'oxygène de la pile à combustible, et que la matrice de stockage d'eau du deuxième ensemble est disposée adjacente à l'électrode d'oxygène de la pile d'électrolyse. 4. Système selon l'ensemble des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le premier ensemble et le deuxième ensemble sont disposés radialement dans un logement, le premier ensemble étant disposé adjacent à laparoi extérieure du logement et séparé de celle-ci par un moyen de transfert de chaleur non conducteur électriquement. 5. Système selon l'ensemble des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le premier ensemble et le deuxième ensemble sont disposés axialement dans le logement. 6. Système selon l'ensemble des revendicatinns 1 à 5, caractérisé par le fait que le moyen de stockage d'hydrogène et le moyen de stockage d'oxygène sont inclus dans le logement. 7. Système selon l'ensemble des revendications i, 2 et 4 à 6, caractérisé par le fait que la matrice de stockage d'eau, du premier ensemble est disposée entre l'électrode d'hydrogène de la pile à combustible et le passage d'hydrogène. 8. Système selon les revendications 1, 2 et 4 à 7, caractérisé par le fait que la matrice de stockage d'eau du deuxième ensemble est disposée entre l'électrode d'hydrogène de la pile d'électrolyse et le passage d'hydrogène.