Brevet FR2108803A1 — publié le 19720526

La présente invention concerne un dispositif d'alimentation universel pour assemblage compact de piles à combustible composé d'un grand nombre de piles élémentaires constituées par l'empilement, entre deux plaques d'extré- mite, .t'un nombre restreint do composants ilfférents suivant une séquence que l'on répète un grand nombre de fais, ces composants étant tels que leur coopé- ration, agrès empilement, institue automatiquement, d'une part, un ensemble de piles élémentaires divisées chacune en deux demi-piles, d'autre part, un réseau de canaux Faisant correspondre touter les demi-piles homologues à des cabakusatuibs d;;anenée et d'évacuation des électrolytes, chacun des composants étant perce sur chacun des deux côtés opposés de Sa sa partie périphérique d'au moins une ouverture de manière que l'empilement des différents composants constitue de conduits longitudinaux qui traversent l'ens-swhl- compact de piles, perpendiculairement au plan moyen dec composants, sans être en communication avec aucun espace intermédiaire. La damanderesse a déjà proposé dans sa demande de brevet français N 70 074 54 du 2 mars 1970 un dispositif d'alimentation universel pour assembla- ge compact de piles à combustible composé d'un grand nombre de piles élémentai- res constituées par l'empilement, entre deux plaques d'extrémité, d'un nombre restreint le composants différents suivant une séquence qu'on répète un grand nombre q= fois, ces composants étant tels que leur coopération, lorsde l'empi- lement, constitue automatiquemcnt, d'une part, un ensemble de piles élkmen- taires divisées chacune en deux demi-piles, d'autre part, un réseau de canaux faisant correspondre toutes les demi-ni les homologues à des canalisations d'amenée et d'évacuation des électrolytes, caractérisé en ce que, sur chacun de doux côtes de la partie périphérique de chaque composant sont @e gercées su moins daux ouvertures de manière que l'empilement des différents composants constitue des conduits longitudinaux qui traversent l'enscemble compact de piles, perpendiculairement au plan mouen des composants, sans être en communication avec aucun espacc interne de pile élémentaire, et en ca cur, une nremière plaque placée à une extrémité de l'ensemble compact de piles assure la mise en communication, d'une part, dec conduits longitudinaux situés sur un premier côté des composants aves las eapali@atian dl lytes, d'autre part, d'au moins un eremier @enduit longitudinal situ@ sur la second côté des composant-, av@@ une preriè-, @avité ménag dans l@épaisseur de ladits plagu@ at dans laquelle déb@uchan- sél@@tiu@@nt les canaur d'alimentation d'un@ séri@ de demi-nil@@ hamolagues et au meine un @@ifi@ d'entrée de l'électrolyte porteur d'un réactif, et d'au meins un second conduit longitudinal, situé sur le r'-me côté des composants que le précédent, avec une seconde cavité ménagée dans l'épaisseur de ladite plaque et dans laquelle débouchent sélectivement les canaux d'alimentation de l'autre série de demi-piles homologues et au moins un orifice d'entrée de l'électrolyte porteur d'un autre réactif, la seconde plaque, située à l'autre extrémité de l'ensemble compact de piles, assurant la mise en communication, d'une part, des conduits longitudinau:: situés sur le second cat dpc composants avec les canalications d'amenée et d'évacuation des électrolvtes, d'autre part, d'au moins un premier conduit longitudinal, situé sur le premier catz des composants, avec une première cavité ménagée dans l'épaiseeur de ladite plaque et dans laquelle débouchent sêloctivement les canaux d'évacuation d'une série de demi-piles homologues et au moins un orifice de sortie de ltélectrolyte, et d'au moins un second conduit longitudinal, situé sur le meme caté des composants que le précédent, avec une seconde cavité ménagée dans l'épaisseur de ladite plaque et dans laquelle débouchent sélectivement les canaux d'évacuation de l'autre série de demi-piles homologues et au moins un orifice de sortie de l'électrolyte. Dans un tel dispositif, les composants jouant le rôlè d'électrodes comportent des canaux d'entrée et de sortie d'électrolyte chargé de l'un ou l'autre des réactifs réducteur et oxydant situés d'un même côté du composant, ce qui permet d'obtenir des écoulements d'électrolyte parallèles et de même sens sur chaque face d'une électrode. Cet assemblage permet une excellente irrigation des faces des électrodes, mais nécessite l'emploi de plaques d'extrémité percées de cavités pour l'entrée ou la sortie des réactifs disposées à deuv niveaux différents nu émîsion. de façon à permettre pour chacune des so utionsi de réducteur et d'oxydant de parvenir du même côté des composants, puis autre évacuée par l'autre c8tk.. Les plaques d'extrémité sont donc relativement épaisses et leur fabrication est un peu complexe. La présente invention a pour but de procurer un dispositif d'alimentation de ce genre qui comporte des plaques d'extrémité relativement minces, dc fabrication facile et peu coûteuse, et qui présente des volumes et des poids par unité de puissance plus faibles que ceux obtenus avec le dispositif antérieur connu. Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce eue a/une première plaque d'extrémité assure la mise en communication d'une oart des canaux d'alimentation d'une première série de demi-piles homologues, d'entrée disposés sur un premier côté, avec une cavité dans laquelle débouche un orifice/ d'électrolyte charge d'un premier réactif, et des. canne d'alimentation de l'autre série de demi-piles homologues, disnosés sur le cté opporh au premier, avec une autre cavité dans laquelle débouche un orifice d'entrée d'électrolyte chargé d'un autre réactif, respectivement, et d'autre part d'au moins un conduit longitudinal disDosé sur le premier caté, avec un orifice de sortie d'électroly- initialemnt te/chargé de l'un des réactifs, et d'au moins un conduit longitudinal disposé initialement sur l'autre cdté avec un orifice de sortie @ialement d'électrolyte/ chargé de l'autre des réactifs;; b/ la seconde plaque d'extrc5mité assure la mise en communication, d'une part des canaux d'évacuation de l'autre série de demi-piles homologues, disposés sur un premier caté situé en vis-à-vis de celui de la première plaque, avec une cavité à laquelle sont reliés au moins un conduit longitudinal disposé Fur le même côté et un orifice de sortie de l'électrolyte initialement chargé du second réactif, d'autre part des canaux d'évacuation de la première série de demi-piles homologues, disposés de l'autre côté, avec une autre cavité à laquelle sont reliés au moins un conduit longitudinal disposé sur le même ôté et un orifice de sortie de l'électrolyte initialement chargé du premier réactif. Il comporte en outre de préférence au moins l'une des caractéristique: suivantes - Chacune des cavités de la première plaque d'extrémité à la forme générale d'un triangle, dont un côté, narallèle au:: côtés de la plaque portant les extrémités des canaux d'alimentation, est voisin de l'un de ces côtés, et dont le sommet opposé à ce côté est situé au voisinage de l'erifice d'entrée débouchant dans la cavité. - La longueur du côté de la cavité voisine des canaux d'alimontion est sensiblement égale à la distance du berd eiterne du canal le plus à gauche au bord externe du canal le plus à duoite. - L. s conduits longitudinau@ ont de forme rectangulaire, de grands côtés parallèles aux catés de la placu". portant les canauv d'alimentation, et chacune es cavités de la seconde plaque d'extrémité a la forme d'un poly- gone, dont un ctz, parallèle auu côtés de la plaque portant les extrémités des canaux d'évacuation , est voisin de l'un de ces côtés, et dont un sommet, éloigné dudit côté de la cavité, est situé au vaisinage de l'erifics de sertie relit à cette cavité. - La longueur du côté de la cavité vaisine des caneux d'évacuation est sensiblement égale à la distanes du berd ayterne du caual le plus à gauche au bord externe Pu canal le plus rl droite. Il est dàcrit ci-après, à titre d'exemple et en référence au dessin annexé, une électrode bipolaire, der plaques ilextrémité et la disposition d'ansemble des conduits de circulation de l'élactroly chargé de l'un ou l'autre réactif dans une pile à combustible salon Uinvanté la @igure l@représents schémstguementen perspe@tive une électrode bipolai. re et les sens de circulation de l'électrolyte sur ses deux faces. La figure 2 représent@ achématiouement, vue en éléuation une première plaque d'extrémité. T figure 9 représente la même plaque d'extrémité vue de profil. la figure 4 représente schématiquement en élévation la seconde plaque d'extrémité. La figure 5 représente la meme plaque d'extrémité vue en coupe par un plan médian. La figure 6 représente schématiquement les circulations d'électrolyte dans la pile à combustible. L'électrode bipolaire représentée en figure 1 est percée sur son cté supérieur 1 d'ouvertures rectangulaires à grand axe harizonta ladestinées à former par leur superposition avec les ouvertures correspondantes des autres composants des conduits longitudinaux de circulation d'électrolyte (33 , fig. 6) sans communication avec les faces des électrodes. Son cbté opposé 2 est également percé d'ouvertures rectangulaires 4, formant également par superposition des conduits longitudinaux (34, fig. 6).Sur le caté supérieur sont pratiqués également, au-dessous des ouvertures 3, des ouvertures rectangulaires à grand axe vertical 5 et 7 assurent l'alimentation d'une face de ltélectrode (dans le cas présent sa face visible) en électrolyte chargé de l'un des réactifs par l'intermédiaire de microcanaux 35, et l'évacuation de l'électrolyte initialement chargé de l'autre réactif à partir de l'autre face de l'électrode (ici sa face cachée) par l'intermédiaire de microcanaux 37. Comme le montrent les flèches, les ouvertures d'alimentation 5 et d'évacuation 7 sont alternées .De même, sur le ctté inférieur sont pratiquées au-dessus des ouvertures 4 des ouvertures rectangulaires à grand axe vertical 6 et 8, assurant respectivement et alternativement l'évacuation de l'électrolyte initialement chargé de l'un des réactifs par l'intermédiaire de microcanaux 36, et l'alimentation en électrolyte chargé de l'autre réactif par l'intermédiaire de microcanaux 38. L'électrode est par exemple à surface gaufrée en bandes successives telles que 9, 10 dont les saillies forment chevrons, de manière à assurer une direction moyenne d'écoule ment parallèle à ses grands ctths sconformém nt à la demande de brevet français et comporte sur chacune de ses mce8un un Ne 6914686 du 7 mai 1969 de la demanderesse ,/revEtement catalytique approprié à la nature du réactif.On voit que les circulations de l'électrolyte sur les deux faces de l'électrode sont parallèles et de sens contraires. les figures 2 et 3 représentent la première plaque d'extrémité, qui comporte à la fois des orifices d'entrée et de sortie de chacun des réactifs. Pour plus de clarté, celles-ci ont été représentées par des lettres, "ER", "EO", "SR" et "SO" signifiant respectivement entrée du réducteur, entrée de l'oxydant, sortie du réducteur et sortie de l'oxydant. L'orifice 11 d'entrée d'électrolyte chargé de réactif réducteur débouche dans une première cavité 12, de forme grossièrement triangulaire, près de l'un de ses saprmets. Sur l'autre face de la plaque, des ouvertures rectangulaires 13 correspondant aux canaux formés par la série des ouvertures 5 d'alimentation en électrolyte chargé de réducteur d'une face des électrodes, débouchent dans la cavité 12, le long de son côté opposé au sommet voisin de l'orifice 11. L'orifice 14 d'entrée d'électrolyte chargé de réactif oxydant débouche dans une seconde cavité 15, de forme groséièrement triangulaire, et qui peut etre symétrique de la cavité 12 par rapport au plan de symétrie horizontal de la plaque. L'orifice 14 est donc voisin de l'un des sommets de la cavité triangulaire. Sur l'autre face de la plaque, des ouvertures rectangulaires 16 correspondant aux canaux formés par la série des ouvertures 8 d'alimentation en électrolyte charge d'oxydant l'une face des électrodes, débouchent dans la cavité 15 > le long de son côté opposé au sommet voisin de l'orifice 14. L'orifice 17 de sortie d'électrolyte à réducteur est relié par un conduit 18 interne à la plaque à une ouverture allongée 19 pratiquée sur la face opposée de la plaque, et disposée au niveau des ouvertures 4 des électrodes formant par leur swuperposition avec celle des autres composants un conduit longitudinal. L'orifice 20 de sortie d'électrolyte à oxydant est relié par un conduit 21 interne à la plaque à une ouverture allongée 9? pratiquée sur la face opposée de la plaque, et disposée au niveau des ouvertures 3 des électrodes formant par leur superposition un conduit longitudinal. Bien que le ouverture et 20 d'une part, 14 et 17 d'autre part, aient été représentsses sur la figure 3 comme légèrement décalées en hauteur pour permettre de les distinguer, on comprendra qu'elles sont avantageusement exactement à la mêm hauteur. Elles peuvent etre taraudées pour permettre le vissage d'embouts de tubes d'alimentation et d'évacuation. Les figures 4 et 5 représentent la seconde plaque d'extrémité, la figure 4 en privation du cté de sa face interne tournée vers les composants la figure 5 en coupe par un plan médian passant nar les axes des orifices de ortie d'électrolyte. T'orifice 23 -8e ortie d'4lectrolvte ; r actif réducteur débouche sur une cavité polygonale 24 avec laquelle communiquent sur la face opposée de la plaque, d'une navet des ouverture 25 correDondsnt aux canaux formés par la série - des ouve@tures 6 d'évacuation d'électrolyte de l'une des face des électrodes, d'autre part un ouverture allongée 26, disposés au niveau des auvertures 4 des électrodes formant apr laun superposition avec celles des autres composants un conduit longitudinel. L'erifice 27 is sortie d'électrloyte à réactif oxydant débouche sxur une cavit' polygonal 95. avec laquelle communiquent, sur la face opposÉe de la plaque, d'une part des ouvertures 29 correspondant aux canaux formés par la sé rie des ouvertures 7 d'évacuation d'électrolyte de l'une des faces des électrodes, d'autre part une ouverture allongée 30, disposée au niveau des ouvertures 3 des électrodes formant par leur superposition avec celles des autres composants un conduit longitudinal. La figure 6 montre schématiquement les circulations d'électrolyte dans une pile à combustible comportant le dispositif d'alimentation de l'invention. Le cycle électrolytique peut autre par exemple l'un de ceux faisant l'objet des brevets français n0 1522308, 1522309 et 1586128 de la demanderesse. L'électrolyte chargé de réducteur, entrant dans la plaque d'extrémité 40 (trait continu) parvient dans les canaux d'alimentation de l'une des faces des électrodes, tra versant l'empilage 41 d'électrodes et et de membranes, puis s'écoule par des micro- canaux de jonction (35, fig 1) sur toutes les faces homologues des électrodes (par exemple la face avant de l'électrode de la figure 1).Il passe ensuite par des microcansxdans des canaux d'évacuation, et de là par des ouvertures dans une cavité 24 (fig. 4)de la plaque d'extrémité 42. De celle-ci, il revient par un conduit longitudinal 34 vers l'ouverture de sortie d'électrolyte à rédocteur de la plaque d'extrémité 40, en vue de son recyclage. Il peut également etre évacué en totalité ou en partie par une ouverture de la plaque d'extrémité 42. L'électrolyte charge d'oxydant, entrant par une ouverture de la plaque 40 (trait en pointillé), parvient dans des canaux d'alimentation traversant l'empilage 41, puis s'écoule par des microcanaux de jonction (38, fig. 1) sur toutes les faces homologues des électrodes (par exemple la face arrière de l'électrode de la figure 1.) Il passe ensuite par des microcanaux de jonction dans les canaux d'évacuation, et de là dans l'autre cavité 28 (fig. 4) de la plaque 42. De celle-ci, il revient par un conduit longitudinal 33 vers l'ouverture de sortie d'électrolyte à oxydant de la plaque 40, en vue de son recyclage. Il peut également etre évacué en totalité ou en partie par une ouverture de la plaque 42. Bien que cela n'ait pas été représenté pour plus de clarté, on comprendra que les composants et les plaques d'extrémité comportent en outre en général sur leur pourtour des trous cylindriques servant à l'introduction de tiges de serrage. Ils peuvent également comporter le cas échéant des trous formant par leur superposition des canaux d'amenée de réactifs gazeux. Le dispositif d'alimentation qui vient d'etre décrit permet si on le désire d'alimenter plusieurs piles en série, ou d'utiliser des réactifs auxiliaires. Les plaques d'extrémité peuvent avantageusement etre obtenues par coulée dite à cire perdue. On utilise alors des noyau fusibles ou solubles. Les plaques peuvent etre en résine coulable à froid ou à chaud, chargée ou non, et se polymérisant à froid ou à chaud. Ces plaques peuvent aussi titre fractionnées en plusieurs parties, fabriquées chacune par usinage, puis assemblées. Elles peuvent être armées au moyen de plaques métalliques. REVENDICATIONS 1.- Dispositif d'alimentation universel pour assemblage compact de piles à combustible composé d'un grand nombre de piles élémentaires constituées par l'empilement, entre deux plaques d'extrémité, d'un nombre restreint de composants différents suivant une séquence que l'on répète un grand nombre de fois, ces composants étant tels que leur coopération, après enlpilement, constitue automatiquement, d'une part, un ensemble de piles élémentaires divisées chacune en deux demi-piles, d'autre part, un réseau de canaux faisant correspondre toutes les demi-piles homologues à des canalisations d'amenée et d'évacuation des électrolytes, chacun des composants étant percé sur chacun de deux côtés opposés de sa partie périphérique d'au moins une ouverture de manière que l'empilement des différents composants constitue des conduits longitudinaux qui ment traversent l'ensemble compact des piles, perpendiculaire' au plan moyen des composants, sans etre en communication avec aucun espace intermédiaire, caractérisé en ce que une première plaque d'extrémité assure la mise en communication d'une part des canaux d'alimentation d'une première série de demi-piles homologues, disposés sur un premier coté, avec une cavité dans laquelle débouche un orifice d'entrée d'électrolyte chargé d'un premier réactif, et des canaux d'alimentation de l'autre série de demi-piles homologues > disposés sur le cuité opposé au premier, avec une autre cavité dans laquelle débouche un orifice d'entrée dt lectrolyte chargé d'un autre réactif, respectivement, et d'autre part, d'au moins un conduit longitudinal disposé sur le premier cbté avec un orifice de sortie d'électrolyte chargé de l'un des réactifs, et d'au moins un conduit longitudinal disposé sur l'autre ctté avec un orifice de sortie d'électrolyte chargé de l'autre des réactifs;; b/ la seconde plaque d'extrémité assure la mise en communication, d'une part des canaux d'évacuation de l'autre série de demi-piles homologues, disposés sur un premier cbté situé en vis-à-vis de celui de la première plaque, avec une cavité à laquelle sont reliés au moins un conduit longitudinal disposé sur le mme coté et un orifice de sortie de l'électrolyte initialement chargé du second réactif, d'autre part des canaux d'évacuation de la première série de demi-piles homologues, disposésde l'autre coté, avec une autre cavité à laquelle sont reliés au moins un conduit longitudinal disposé sur le meme ctté et un orifice de sortie de l'électrolyte initialement chargé du premier réactif. 2*- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des cavités de la première plaque d'extrémité a la forme générale d'un triangle, dont un coté, parallèle aux cotés de la plaque portant les extrémités des canaux d'alimentation, est voisin de l'un de ces cotés, et dont le sommet oppose à ce coté est situé au voisinage de l'orifice d'entrée débouchant dans la cavité. 3.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la longueur du côté de la cavité voisine des canaux d'alimentation est sensiblement égale a la distance du bord externe du canal 1r plus à gauche au bord externe du canal le plus à droite. 4.- Dispositif salen l'une des revendications 1 à 3. caractériré en c@ @u@ les conduite lonsitudinaux sont le form rectangulaire, de grande côtés parallèl@@sux côtés de la plasue portant les canaux d'alimentation, et en ce que chacune des cavités de la seconde plaque d'extrémité @ la ferme d'un polvgone, dont un côté, parallèle aux côtés de la plaque pertant les axtrémités des canaux d'évacuation est voirin Je l'un de ces côtés, et dent un sommet, éloigné dudit côté de la cavité, est situé au voisinage de l'axifi@@ de sartie reli à cette cavité. 5.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la lon- gueur du côté de la cavité voisine des canaux d'évacuation est sensiblement égale à la distance du bord externe du canal la plus à gauche au berd externe du cana1 le leur à dreite