Brevet FR2117973A1 — publié le 19720728

L'invention concerne une cellule galvanique munie d'électrodes qui sont exposées au moins d'un côté à un écoulement de fluide, en particulier à un écoulement d'électrolyte et/ ou de gaz réactifs qui arrive par une entrée à une chambre limi-5 tée au moins d'un côté par l'électrode correspondante, passe par un dispositif de distribution et sort de la chambre par une sortie . En outre, l'invention concerne un groupe de cellules constitué .par des cellules élémentaires de ce genre, avec 10 une construction en couches. Les écoulements de fluide passant à travers les chambres sont ici l'écoulement d'électrolyte qui sert aussi à dissiper l'excès de chaleur et/ou à maintenir constante la concentration d'électrolyte, et/ou les gaz réactifs en écoulement 15 destinés à la conversion électrochimique. Les cellules galvaniques de ce genre sont par exemple des piles à combustible, certaines cellules métal/air et d1autreb cellules et accumulateurs, dans lesquels on fait circuler l'électrolyte en circuit fermé et/ou auxquels on amène 20 des fluides réactifs de l'extérieur, dans les buts indiqués ci-dessus. Ces cellules sont le plus souvent assemblées en batteries, de façon analogue à des filtres-pressés. Un problème important dans les batteries et cellules de ce genre consiste à obtenir une distribution uniforme 25 d'écoulement sur la section de la cellule et donc, en particulier, sur une surface active d'électrode qui forme par exemple une surface latérale de la chambre. Dans les cellules galvaniques où les fluides entrent dans la chambre par un côté, par exemple aussi un angle de 30 celle-ci et en sortent par le côté opposé ou encore l'angle opposé, les formes antérieurement connues de dispositifs de distribution présentent surtout les inconvénients suivants : distribution inégale de température sur la surface des électrodes, différences appréciables de concentration dans l'électrolyte, ris-35 que d'assèchement au point d'entrée et enrichissement en eau au point de sortie lors du passage d'un gaz réactif, en particulier dans les cellules galvaniques où l'électrolyte est retenu dans un support (matrice). 71 i»4208 2 2117973 On peut obtenir des conditions d'écoulement un peu meilleures quand le fluide entre ou sort non par un seul point mais par deux, donc par exemple lorsqu'on le fait arriver par deux angles voisins de la chambre et qu'on l'évacué par les deux 5 autres coins. Toutefois, cette double entrée et cette double sortie ne sont satisfaisantes que s'il est assuré simultanément - chose parfois difficile à réaliser - que les résistances à l'écoulement aux fentes d'entrée et de sortie soient égales, faute de quoi il se produit des asymétries tout à fait notables 10 et indésirables dans la configuration d'écoulement ; en outre, une telle construction est désavantageuse en ce sens que pour l'entrée comme pour la sortie, il faut deux conduits qui prennent une place que l'on pourrait avantageusement utiliser à d'autres fins. 15 II a déjà été proposé aussi d'assurer une meilleu re distribution de l'écoulement en introduisant le fluide au centre par une arête de la chambre, ou encore d'un côté, parallèlement à une telle arête, et en l'évacuant de façon correspondante par l'autre arête, en prévoyant alors le long de l'arête 20 affectée à l'amenée un conduit de distribution relié au reste du volume de la cellule par de courtes parois directrices à disposition rayonnée. Il a été proposé aussi d'utiliser des éléments directeurs distincts en forme de barres pour subdiviser la cham-25 bre de l'élément de distribution en conduits d'écoulement parallèles de même largeur, à savoir uti conduit de distribution disposé du côté de l'amenée et un conduit collecteur disposé du côté de l'évacuation. Il est vrai qu'ainsi, on obtient une meilleure direction de l'écoulement d.u fluide, mais on ne peut pas 30 obtenir une amélioration notable de la distribution d'écoulement à l'entrée ni du rassemblement à la sortie. Etant donné que par le point d'entrée du conduit de distribution s'écoule la totalité du fluide dont on a besoin pour alimenter les cellules, il y règne la plus grande vitesse du système de distribution, tandis 35 qu'à l'extrémité opposée, où. toute la quantité qui y arrive est obligatoirement déviée, la plus grande pression (pression dynamique) est engendrée. Par suite, le fluide a tendance à s'écouler dans son ensemble par le dernier conduit, voisin de l'extré 71 ^208 3 2117973 mité du conduit de distribution. Mais étant donné que le conduit a une section relativement petite, il oppose une résistance à l'écoulement de sorte que le fluide afflue aussi aux canaux situés avant celui-ci. En même temps, au début du conduit de dis-5 tribution, voisin de l'ouverture d'arrivée, la grande vitesse provoque, par suite de la faible pression statique, sur les premiers canaux dans le sens d'écoulement, une action d'injec-teur qui conduit à un écoulement de circulation indésirable. C'est ce qui se produit en tout cas pour des écoulements à vites-10 ses relativement grandes. Pour les écoulements à faible vitesse, c'est-à-dire à faible débit, il se produit d'autre part une distribution approximativement parabolique de vitesse le long du conduit de distribution, la plus grande vitesse apparaissant dans le dernier conduit dans le sens d'écoulement, la plus petite 15 vitesse dans un conduit intermédiaire. Etant donné l'action d'in-jecteur qui se produit sur les conduits voisins de l'entrée du fluide, il se produit donc dans ce cas aussi, au sein de l'élément, des écoulements rotatifs qui perturbent le.passage normal à travers l'élément. Il en est de même, mutatis mutandis, lors-20 que l'amenée et l'évacuation ne se font pas dans la direction du conduit de distribution ou du conduit collecteur mais perpendiculairement à ceux-ci, car en pareil cas une action d'injecteur est exercée sur les conduits les plus éloignés de l'entrée. l'invention a surtout pour but d'éliminer les in-25 convénients mentionnés ci-dessus de la direction antérieurement connue des fluides dans les cellules galvaniques, en obtenant une configuration optimale d'écoulement. En partant d'une cellule galvanique du-genre indiqué plus haut, ce problème est résolu, selon l'invention, par le 30 fait que le dispositif de distribution est formé de multiples éléments directeurs définissant des écoulements séparés, qu'un conduit de distribution commun à tous les éléments directeurs est pratiquement dirigé transversalement à ceux-ci et présente une section qui diminue en s'éloignant de l'amenée, et qu'uh 35 conduit collecteur commun à tous les éléments directeurs et pratiquement dirigé transversalement à ceux-ci est prévu et présente une section qui s'élargit en direction de l'évacuation. 71 208 4 2117973 Grâce aux mesures selon l'invention, on peut arriver à ce qu'il règne le long du conduit de distribution une pression statique à peu près constante, ce qui fait que selon 1'équation de Bernoulli 5 *tot - rBt + Idyn et en outre. il s'établit aussi dans les canaux des vitesses égales v. Selon un mode d'exécution particulièrement avantageux de l'invention, à partir de cellules individuelles de ce 10 genre disposées en couches, on constitue un groupe galvanique de cellules qui se distingue par le fait que les conduits d'amenée et d'évacuation reliés respectivement aux ouvertures d'entrée et de sortie sont disposés sur des côtés opposés des chambres et passent en dehors des surfaces actives d'électrodes, en 15 direction pratiquement parallèle à l'axe longitudinal du groupe de cellules. De préférence, les conduits d'amenée et d'évacuation présentent une allure de section qui correspond à celle du conduit de distribution et du conduit collecteur dans les cham-20 bres. D'autres détails et avantages de l'invention sont expliqués ci-après à propos d'exemples d'exécution représentés par les dessins sur lesquels : Les figures 1 à 3 montrent schématiquement trois 25 exemples d'exécution différents d'une direction de l'écoulement de fluide par un dispositif de distribution, et, La figure 4 est une coupe partielle à plus grande échelle suivant la ligne X-X de la figure 2, dans le cas d'un groupe de cellules en forme de paquet formé de plusieurs cellu-30 les galvaniques. Sur les figures 1 à 3, on a représenté schématiquement trois exemples d'exécution différents de dispositifs de distribution 11 selon l'invention, les mêmes parties portant les mêmes références. 35 Le fluide qui traverse la cellule galvanique ou la chambre 25 munie du dispositif de distribution peut être l'électrolyte qui sert aussi à dissiper l'excès de chaleur et/ou à maintenir constante la concentration d'électrolyte, et/ou au 71 ^208 5 2117973 moins un gaz réactif destiné à la conversion électrochimique. Le fluide, venant d'un conduit 23 qui traverse le cadre 19 transversalement à l'empilage de la cellule, entre par une ouverture 24 dans la chambre 25 qui présente le dispositif de dis-5 tribution 11. La chambre 25 est subdivisée, par le dispositif de distribution 11 formé de barres 26, en un certain nombre de conduits distincts 27 qui sont parallèles entre eux et parallèles aux parois latérales 28 et 29 de la chambre 25.. Comme on le voit par la figure 1, les barres 26 10 se terminent avant les parois opposées 30 et 31 de la chambre de manière à former, du côté de l'ouverture d'entrée 24» un conduit de distribution 32 qui suit la paroi 30 de la chambre et rétrécit en coin de l'ouverture d'entrée vers le côté opposé et le long de la paroi opposée 31 de la chambre, un conduit collecteur 15 33 qui s'élargit en coin en direction de l'ouverture de sortie 34 et du conduit de sortie 35 qui fait suite à cette ouverture de sortie et traverse transversalement le cadre 19. De préférence, le conduit de distribution est disposé hors de la surface active de l'électrode appliquée contre 20 les barres 26. Par suite, lorsqu'on utilise un gaz réactif, celui-ci ne peut pas, à son entrée dans le conduit de distribution se saturer de vapeur d'eau provenant de l'électrolyte qui se trouve dans la matrice (par exemple formée d'amiante). Une telle saturation aurait pour effet d'augmenter de façon inadmissible la 25 concentration de l'électrolyte, par exemple KOH, ou même, éventuellement, d'assécher la matrice. Il est évident que la quantité de fluide qui afflue par l'ouverture d'entrée 24 se distribue uniformément sur les différents conduits 27 et se rassemble à nouveau de façon corres-30 pondante dans le conduit collecteur 33. La section du conduit de distribution 32 diminue en fonction de la quantité qui diminue en vertu de la dérivation entre les différents conduits 24 tandis que la section du conduit collecteur 33 augmente en fonction de la quantité de fluide qui augmente dans le sens d'écoulement. c 3^ L'exemple d'exécution de la figure 2 se distingue de celui de la ligure 1 par le fait que les parois 30 et 31 de la chambre ne sont pas perpendiculaires aux parois 28 et 29 mais font avec celles-ci un angle tel que le conduit de distribution 71 kk20Z 6 2117973 32 et le conduit collecteur 33 présentent la conicité désirée même avec une disposition dans laquelle les extrémités des barres 26 se terminent toutes dans un plan perpendiculaire aux parois 28 et 29 de la chambre. 5 En même temps, la figure 2 montre comment, outre les conduits d'amenée et d'évacuation 23» 35 qui traversent transversalement le cadre 19» on peut prévoir d'autres conduits d'amenée et d'évacuation 23a, 35a destinés à une autre chambre munie d'un dispositif de distribution du fluide, de façon telle 10 que les conduits d'amenée et d'évacuation des deux chambres ne se perturbent pas mutuellement. Toutefois, une disposition correspondante de conduits d'amenée et d'évacuation peut aussi éventuellement être prévue dans un mode d'exécution selon la figure 1, les deux dispositifs de distribution ayant une disposition 15 symétrique. Le mode d'exécution de la figure 3 se distingue simplement de celui de la figure 1 par le fait que le conduit d'amenée 23 et l'ouverture d'entrée 24 et de façon correspondante, le conduit d'évacuation 35 et l'ouverture de sortie 3^, sont 20 disposés à peu près au milieu de la paroi respective 28, 29 de la chambre. Afin que dans ce cas aussi il puisse se produire une distribution uniforme du fluide entre les canaux 27, d'une part on amène le fluide au conduit de distrubiton 32 par un conduit de liaison 36 de préférence disposé hors de la surface adjacente 25 d'électrode et d'autre part on amène le fluide du conduit collecteur 33 par un conduit de liaison 37 à l'ouverture de sortie 34 et au conduit d'évacuation. Par ailleurs, on obtient les mêmes conditions que dans les exemples d'exécution des figures 1 et 2, décrits plus haut. 30 Les éléments directeurs ou barres 26 peuvent être formés de la même matière que le cadre 19 qui entoure la chambre ou bien la paroi qui leur est adjacente, par exemple ils peuvent être fabriqués avec cette paroi en tant que pièce moulée par injection ou bien être collés sur la paroi ou y être appliqués 35 d'une autre façon. Le cadre, la paroi de la chambre et l'élément directeur sont formés d'une matière non conductrice, par exemple de matière synthétique. Toutefois, par exemple dans le cas de cellules métal/air munies d'électrodes de charge, il est possible 71 44208 7 2117973 aussi de fabriquer les éléments directeurs ou barres de la matière des électrodes 12 ou 16 qui limitent les conduits sur la figure 4 ; dans ce cas aussi, les éléments directeurs peuvent faire corps avec l'électrode ou bien y être annexés de façon 5 appropriée. Si les éléments directeurs font corps avec la paroi 10 de la chambre ou bien avec les électrodes adjacentes 12, 16, ils peuvent aussi être formés par des évidements en forme de rainures prévus dans la matière des électrodes et ménageant des conduits distincts. En outre, au lieu d'une section rectangu-20 laire, les différents canaux peuvent avoir une autre section quelconque, par exemple circulaire, triangulaire, trapézoïdale etc.. En outre, il est possible de disposer des conduits d'amenée et d'évacuation en un point approprié quelconque, du moment qu'une distribution du fluide est assurée conformément à l'in-15 vention. La figure 4 montre à titre d'exemple un. groupe galvanique de cellules constitué à partir de cellules avec une construction en couches. Le courant engendré dans le groupe de cellules peut être utilisé, de la façon indiquée schématiquement 20 par un appareil utilisateur 20 dont l'une des connexions est reliée par des conducteurs 21 aux électrodes positives et l'autre connexion par des conducteurs 22 à l'électrode négative 16. On peut voir par l'élévation en coupe partielle que le conduit d'évacuation 35» dans lequel le fluide s'écoule 25 dans le sens de la flèche F, a une force conique c'est-à-dire présente une allure de section qui correspond à l'allure de section, déjà expliquée en détail, que présentent le conduit de distribution et le conduit collecteur dans les chambïes 25. Bien entendu, dans un tel groupe de cellules, non seulement le 30 conduit d'évacuation présente sur sa longueur axiale une section variable, mais il en est de même pour le conduit d'amenée correspondant. Grâce à cette structure, on obtient pour un groupe de cellules le même comportement optimal d'écoulement qui a été expliqué plus haut à propos d'une seule cellule. 35 Les flèches de la figure 4 symbolisent les écou lements de fluide venant des différentes chambres et qui se réunissent dans le conduit commun d'évacuation 35. 71 44208 8 2117973 Il est évident que le groupe de cellules représenté dans son principe par la figure 4- peut être étendu notablement en ce qui concerne le nombre de cellules utilisé. Toutefois, le principe fondamental de la direction de l'écoulement de fluide reste le même. 71 44208 9 2117973 REVENDICATIONS 1 - Cellule galvanique munie d'électrodes qui sont exposées au moins d'un côté à un écoulement de fluide, en particulier à un écoulement d'électrolyte et/ou de gaz réactifs qui arrive par une entrée à une chambre limitée au moins d'un côté 5 par l'électrode correspondante, passe par un dispositif de distribution et sort de la chambre par une sortie, cellule caractérisée par le fait que le dispositif de distribution est formé de multiples éléments directeurs définissant des écoulements séparés, qu'un conduit de distribution commun à tous les éléments 10 directeurs est pratiquement dirigé transversalement aux éléments directeurs et présente une section qui diminue en s'éloignant de l'amenée, et qu'un conduit collecteur commun à tous les éléments directeurs et pratiquement dirigé transversalement à ceux-ci est prévu et présente une section qui s'élargit en direction de l'é-15 vacuation. 2 - Cellule selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les éléments directeurs sont disposés parallèlement et avec un espacement égal. 3 - Cellule selon l'une des revendications 1 et 2, 20 caractérisée par le fait que le conduit d'amenée et le conduit dfévacuation sont disposés à des angles diagonalement opposés d'une chambre à peu près rectangulaire ou en forme de parallélogramme . 4 - Cellule selon l'une des revendications 1 et 2, 25 caractérisée par le fait que le conduit d'amenée et le conduit d'évacuation sont disposés dans la partie centrale de parois opposées d'une chambre à peu près rectangulaire ou en forme de parallélogramme. 5 - Cellule selon la revendication 4, caractérisée 30 par le fait que le fluide venant de l'amenée ou se rendant à l'évacuation est tout d'abord conduit le long de l'élément directeur le plus extérieur jusqu'à des angles diagonalement opposée et que le conduit de distribution et le conduit collecteur, en partant de ces angles ou en s'y rendant, sont dirigés le long 35 des deux parois de la chambre qui sont perpendiculaires ou à peu près perpendiculaires aux éléments directeurs. 71 44208 10 2117973 6 - Cellule selon la revendication 5, caractérisée par le fait que l'amenée de fluide se dirige le long de l'élément directeur le plus extérieur, hors de la surface adjacente d'électrode. 5 7 - Cellule selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que, la chambre étant en forme de parallélogramme, les éléments directeurs qui la subdivisent sont disposés en rectangle. 8 - Cellule selon l'une des revendications 1 à 7, 10 caractérisée par le fait que les conduits qui véhiculent les différents courants s'étendent de bas en haut du conduit de distribution au conduit collecteur, parallèlement aux parois de la chambre. 9 - Cellule selon l'une des revendications 1 à 8, 15 caractérisée par le fait que les éléments directeurs sont insérés sous forme de barres dans les qhambres plates. 10 - Cellule selon l'une des revendications 1 à 9» caractérisée par le fait que les éléments directeurs formant les conduits destinés aux différents courants sont formés par 20 l'une des parois de chambre ou couches de cellules qui limitent les conduits par leur surface et que des évidements en forme de rainures sont formés dans ces parois. 11 - Cellule selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée par le fait que les éléments directeurs sont formés 25 de la matière du cadre qui entoure la cellule, par exemple qu'ils sont fabriqués avec celui-ci sous forme de pièce moulée par injection ou qu'ils sont collés ou disposés d'une autre façon sur celui-ci. 12 - Cellule selon l'une des revendications 1 à 11, 30 caractérisée par le fait que le conduit de distribution est disposé hors de la surface active adjacente d'électrode. 13 - Groupe galvanique de cellules formé de cellules individuelles selon l'une des revendications précédentes, disposées en couches, caractérisé par le fait que les conduits 35 d'amenée et d'évacuation reliés respectivement aux ouvertures d'entrée et de sortie sont disposés sur des côtés opposés des chambres et passent en dehors des surfaces actives d'électrode, en direction pratiquement paraLlèle à l'axe longitudinal du groupe de cellules. 71 bk208 11 2117973 14 - Groupe selon la revendication 13» caractérisé par le fait que, différents fluides étant conduits séparément, les conduits d'amenée et d'évacuation ont une disposition décalée entre eux, en particulier croisée en diagonale. 15 - Groupe selon l'une des revendications 13 et 14, caractérisé par le fait que les conduits d'amenée et d'évacuation présentent une allure de section qui correspond à celle du conduit de distribution et du conduit collecteur dans les chambres.