Brevet FR2072057A1 — publié le 19710924

i 2072057 L'objet de l'invention est une batterie d'éléments à combustible avec électrodes poreuses ainsi que le procédé pour sa réalisation. Par le brevet suisse n° 456.704, il est déjà connu de coller 5 ou de souder ensemble des parties individuelles voisines d'un élément à combustible avec électrodes poreuses et de ranger ensuite les uns à côté des autres les éléments modulaires ainsi constitués pour le montage d'une batterie d'éléments à combustible. En pareil cas, les zones marginal.es des électrodes à diffusion de 10 gaz sont tout d'abord comprimées par pressage en un cadre étanclie aux gaz et aux liquides puis, pour le montage de l'élément modulaire, enduites d'un élastomère fluide durcissable. De la même manière, les zones marginales des supports de l'électrolyte, par exemple les couches d'amiantes, sont enduites de couches d'élasto-15 mères. Après durcissement de 1'élastomère» les zones marginales des éléments individuels sont percées de trous pour l'amenée et l'évacuation des réactifs et revêtues d'une autre série de couches d1élastomère. Ces éléments individuels sont ensuite, après application et séchage de la dernière couche d'élastomères, jux-20 taposés, puis comprimés les uns contre les autres jusqu'au durcissement de l'élastomère. Pour finir, sur les zones marginales de l'élément modulaire ainsi réalisé, on applique une couche supplémentaire d'élastomère, qui, après le montage de la batterie, est comprimée contre les couches correspondantes de l'élément modu-25 laire suivants, par exemple les couches d'élastomère d'une cellule hydrophobe ou d'un élément modulaire à cuve de gaz pour, de cette façon, réaliser une étanchéité réciproque des éléments modulaires. Il s'est, cependant, révélé que des batteries de ce genre ne sont pas tout à fait satisfaisantes du point de vue technique. 30 Par ailleurs, le procédé de fabrication de ces éléments modulaires est long et compliqué. Suivant un autre procédé proposé, les électrodes poreuses avec les cadres d1étanchéité intercalés peuvent également être réunies en un groupe de batteries, et ce, de façon que ce groupe 35 soit enrobé dans une enveloppe constituée par une masse de scellement qui entoure les zones marginales des électrodes se trouvant en dehors du cadre. Les différentes cuves sont de cette manière rendues étanches les unes par rapport aux autres. L'amenée et l'évacuation des réactifs s'effectuent alors par des canaux 40 prévus dans la masse de scellement et dans les cadres d'étanchéité 70 46515 2 2072057 qui, après durcissèment de la résine de scellement, sont réalisés, soit par perçage de la masse de scellement et des cadres d1étanchéité", soit par élimination des matériaux d'étanchéité utilisés à cet effet. 5 Ii* oh jet de la présente invention est une batterie d'éléments à combustible à électrodes poreuses qui ne présente pas les inconvénients précités. Cette batterie 'd'éléments à combustible doit, en Particulier, ne plus contenir d'étanchéités solubles, être facile à réaliser et ne plus présenter les difficultés constituées par 10 la réalisation des canaux par perçage ou élimination des matériaux d'étanchéité. Selon l'invention, on obtient ce résultat par le fait que les électrodes sont collées de façon étanche aux gaz et aux liquides sur un cadre profilé, lui-même muni d'ouvertures pour 15 l'amenée et l'évacuation des réactifs, et que les cadres profilés des électrodes négatives et positives alternées sont également collés entre eux de façon étanche aux gaz et aux liquides. Selon l'invention, on utilise comme électrodes des électrodes à double face active. Ces électrodes sont constituées par une 20 couche conductrice de gaz avec des couches de revêtement à gros pores disposées de chaque côté de celles-ci. Le cadre profilé selon l'invention est constitué par un matériau non électriquement conducteur, en particulier par une matière thermoplastique ou thermodurcissable comme le polysulfone 25 ou la résine époxyde, mais peut également être constitué par une matière céramique, ce qui est particulièrement important pour les batteries d'éléments à combustible à haute température. Le collage des électrodes sur le cadre profilé ainsi que des cadres profilés entre eux, peut être effectué de plusieurs manières 30 selon la matière de l'électrode, les éleetrolytes employés et la composition chimique du cadre profilé. Ainsi, le cadre en matière plastique peut être dissous au moyen d'un solvant approprié, après quoi, on applique de force l'électrode sur la partie du cadre ainsi dissoute. L'électrode peut être également collée sur le 35 cadre profilé au moyen d'une matière collante, cette matière collante étant, dans ce cas, de la même matière que le cadre ou d'une matière différente. On a ainsi collé des électrodes avec des solutions de polysulfones (solvant dichlorométhane) aussi bien qu'avec des résines époxydes ou des solutions de résines époxydes 40 sur des cadres profilés en polysulfone. Pour le collage des élec 70 46515 3 2072057 trodes sur le cadre profilé et pour le collage du cadre profilé entre eux, on peut toutefois utiliser également des pellicules adhésives, des feuilles adhésives des deux côtés ou des prépregs, ces derniers étant, il convient de le préciser des tissus de 5 verre, des papiers d'amiante ou des fibres de carbone préimprégnés de résine époxyde ou autres matières plastiques. lorsque le collage des électrodes sur le cadre profilé ou des cadres profilés entre eux est effectué au moyen de prépregs, il s'est révélé avantageux de sceller les bords des électrodes 10 à coller avec des matières plastiques avant l'application des prépregs« Ce scellement peut, comme 11 application de la colle sur les électrodes ou les cadres profilés, être exécutés par sérigraphie, mais il convient de veiller alors à ce que la matière utilisée ne pénètre que dans les couches superficielles des 15 électrodes à double face active» Comme matière, on utilise de préférence des systèmes résineux réactifs à base de biphénol—A auxquels on ajoute des ami ri es aromatiques, aliphatiques et/ou tertiaires, ainsi que du bioxyde de titane et du noir de fumée qui durcissent à la température ambiante ou à des températures 20 supérieures» Le cas échéant, ces systèmes résineux peuvent être également utilisés mélangés à des solvants comme des hydrocarbures halogénés, des cétones et des esters. Les systèmes résineux ci-dessus peuvent être utilisés comme colle seule, comme matière d1imprégnation pour les prépregs ou 25 comme pellicules adhésives à l'état B et sont extrêmement résistants vis-à-vis des électrolytes. Les cadres profilés sont de préférence en polysulfone ou en résine épozyde. Dans le groupe des résines époxydes, les meilleurs résultats ont été obtenus avec celles à base de biphénol-A durcies 30 avec des aminés aromatiques et/ou aliphatiques et/ou tertiaires, ou des combinaisons organométalliques, par exemple le trialkyl d'aluminium. Les cadres profilés peuvent être réalisés par injection, coulage ou pressage, et renferment les ouvertures et les évi-dements nécessaires pour l'amenée et l'évacuation des réactifs, 35 ce qui supprime la réalisation ultérieure de canaux comme on le faisait jusqu'ici. Une longue dissolution des garnitures ou le perçage de la masse de scellement n'est donc plus nécessaire, ce qui représente un progrès considérable par rapport à l'état de la technique. L'engorgement des canaux et la pollution des électro-40 des sont, de cette façon, exclus à priori. L'emploi de cadres 70 46515 4 2072057 * • profilés et leur collage entre eux et avec les électrodes permettent de supprimers en outre, les pièces d1écartement et les cadres d*étanchéité ainsi que le scellement du "bloc "batterie dans des matières plastiques. On élimine ainsi également les difficultés auxquelles 5 donne lieu la masse de scellement par suite du retrait réactif et du retrait thermique, d'où une augmentation considérable de la sécurité de fonctionnement de la batterie. Un autre avantage de l'invention réside dans le fait que, désormais, la batterie d'éléments à combustible peut aussi être fabriquée en série. Seule une 10 espèce de cadre est en effet encore nécessaire. les autres cadres d'étanchéité nécessaires pour constituer les cuves électrolytiques sont désormais superflus. Les cuves électrolytiques sont formées de façon simple par juxtaposition des cadres profilés supportant les électrodes à double face active, les collages remplaçant 15 les cadres d'étanchéité et conférant une certaine élasticité. Il convient, en outre, de préciser ici que le collage des électrodes dans les cadres profilés et le coilage des cadres profilés eux-mêmes peuvent être effectués en une seule opération. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description 20 d'un mode de réalisation, pris comme exmple, mais non limitatif, et illustré par le dessin annexé. La fig. 1 est une vue en plan d'un cadre profilé en polysulfone dans lequel est collée l'électrode à double face active, négative ou positive. Les références 1 et 2 désignent les ouver-25 tures avec les évidements correspondants pour l'amenée et la sortie de l'hydrogène et de l'oxygène, tandis que les références 3 et 4 représentent les ouvertures pour les canaux longitudinaux livrant passage à l'oxygène ou à l'hydrogène. L'électrolyte est introduit par les orifices 5 et 6. Les boulons de serrage sont, 30 lors du montage de la batterie, engagés par les trous 7, 8, 9 et 10. L'électrode à double face active, positive ou négative, est, selon l'invention, Collée sur la branche 13 du cadre. Le courant produit est prélevé par la plaquette de contact 14 qui est emmanchée de force ou soudée dans l'électrode. Les références 11 et 12 35 désignent des orifices qui, lors du montage de la batterie, constituent éventuellement les canaux nécessaires pour le retour de l'électrolyte. Ces canaux permettent de réduire de façon simple les courants de fuite. Si les électrodes à double face active, positives et néga-40 tives, collées dans le cadre profilé selon la fig. 1, sont disposées 70 46515 5 2072057 de façon alternée de manière que les ouvertures 1 et 2 des électrodes positives et les ouvertures 1 et 2 des électrodes négatives se trouvent sur les côtés opposés et soient reliées entre elles selon l'invention, on obtient à l'intérieur de la batterie des 5 canaux longitudinaux par lesquels les réactifs peuvent être envoyés aux électrodes ou aux cuves électraLytiques. La fig. 2 montre une coupe transversale d'une batterie selon l'invention. Elle est constituée par les deux électrodes à double-face active 15, positives et les deux électrodes à double face 10 active„ négatives 16. Les cadres profilés 17 sont en polysulfone et sont collés ensemble par les prépregs 18. Les plaques d'extrémité sont désignées par la référence 19 sur la fig. La cuve élec-trolytique 20 se trouve à chaque fois entre les électrodes à double face active» 15 Dans le mode de réalisation selon l'invention illustrée sur la figo 2, ce sont pour des raisons techniques, également des électrodes à double face active qui sont utilisées comme électrodes terminales. A cet égard, il s'est révélé avantageux de ménager dans la plaque d'extrémité 19 raccordée à l'électrode finale 15* un 20 évidement destiné à recevoir l'électrolyte de manière à obtenir de cette façon un équilibre de pression et augmenter ainsi la sécurité de fonctionnement » Selon une autre particularité de l'invention, on peut également obtenir une bonne sécurité de fonctionnement de l'électrode 25 à double face active terminale en scellant la face de l'électrode tournée du côté de la plaque d'extrémité 19. Les plaquettes de contact des électrodes positives et négatives sont avantageusement placées sur des côtés diamétralement opposés de la batterie. Bien qu'un scellement de la batterie ne soit pas nécessaire» 30 il peut, dans certains cas, s'avérer avantageux de réaliser un enrobage supplémentaire en résine moulée, en particulier en résine époxyde. Il convient finalement de préciser que les modes de réalisation figurant dans la description et sur les figures ne sont, bien 35 entendu, donnés qu'à titre d'exemples et que d'autres modes de réalisation sont également possibles. 70 46515 6 2072057 - BEVBTOIQATIONS - lo» Batterie d'éléments à combustible avec électrodes à double face active5 caractérisée par le fait que les électrodes sont collées de façon étanche au gaz et aux liquides sur un cadre profilé compor-5 tant des orifices pour l'amenée et l'évacuation des réactifs et que les cadres profilés des électrodes négatives et positives disposées de façon alternée sont également collés entre eux de façon étanche aux gaz et aux liquides» 2.«~ Batterie d'éléments à combustible selon la revendication 10 1, caractérisée par le fait que le cadre profilé est en matière plastique thermoplastique ou thermodurcissable» 3.- Batterie d'éléments à combustible selon la revendication 2, caractérisée par le fait que le cadre est en polysulfone. 4o- Batterie d'éléments à combustible selon la revendication 15 2, caractérisée par le fait que le cadre profilé est en matière moulée à base de résine époxyde. 5.- Batterie d'éléments à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la matière collante est un matériau identique à celui du cadre profilé. 20 6.- Batterie d'éléments à combustible selon la revendica tion 4, caractérisée par le fait que la matière collante est en polysulfone® f 7®-> Batterie d'éléments à combustible selon la revendication 3„ caractérisée par le fait que la matière collante est une résine 25 époxyde. 8.-. Batterie d'éléments à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 et 2S caractérisée par le fait que la matière collante est une pellicule adhésive, une feuille adhésive des deux côtes ou un prépreg. 30 9«- Batterie d'éléments à combustible selon la revendication 8, caractérisée par le fait que le prépreg est un tissu de verre s, du papier d'amiante ou des fibres de carbone préimprégnés de matières plastiquesp en particulier de résines époxydes. l0o~ Procédé pour la réalisation de la batterie d'éléments à 35 combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 9S caractérisé par le fait que l'on place les électrodes à diffusion de gaz à double face active dans des cadres profilés et qu'on les colle sur ceux-ci,, le collage des cadres profilés entre eux pouvant être effectué au cours de la même opération ou d'une opération 40 ultérieure » 70 46515 7 2072057 11.- Procédé selon, la revendication. 10, caractérisé par le fait que l'on dissout d'abord les cadres profilés en matière plastique avec un solvant approprié et qu'on les colle ensuite sur les électrodes et/ou sur les cadres voisins, 5 12.- Procédé selon la revendication 10p caractérisé par le fait que l'on colle les cadres profilés sur les électrodes et/ou sur les cadres voisins au moyen de solutions au polysulfone. 13.- Procédé selon la revendication 10, caractérisé par le fait que l'on colle les cadres profilés sur les électrodes et/ou 10 sur les cadres voisins au moyen de solutions à "base de résine époxyde. 14.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 13» caractérisé par le fait qu'on applique la matière collante sur les cadres profilés et/ou sur les bords des électrodes par 15 sérigraphie. 15.- Procédé selon la revendication 10, caractérisé par le fait que l'on colle les cadres profilés sur les électrodes et/ou sur les cadres voisins au moyen de pellicules adhésives. 16.- Procédé selon la revendication 10, caractérisé par le 20 fait que l'on colle les cadres profilés sur les électrodes et/ou sur les cadres voisins au moyen de feuilles adhésives sur les deux côtés. 17.- Procédé selon la revendication 10, caractérisé par le fait que l'on colle les cadres profilés sur les électrodes et/ou 25 sur les cadres voisins au moyen de prépregs. 18.- Procédé selon la revendication 17, caractérisé par le fait qu'avant l'application du prépregs, on enduit les bords des électrodes d'une masse de scellement, en particulier une résine époxyde»