Brevet FR2155855A1 — publié le 19730525

la présente invention concerne les piles à dépolarisation par l'air, et plus particulierement par oxygène, par exemple du type air-zinc. Pour améliorer le fonctionnement de telles piles, et en particulier le fonc tionnenent de l'électrode positive, il est déja connu de faire arriver l'air par une cheminée centrale pratiquée dans l'électrode positive et dont une extrémité d#bouehe à l'air libre. Cette disposition, bien qu'étant intéressante, n'est pas idéale car l'air se renouvelle mal d l'intérieur de la cheminée, ce qui limite les performances. La présente invention a pour but d'améliorer notablement le renouvellement de l'air et par suite d'augmenter la pression partielle d'oxygène en amenant celui-ci sur les sites catalytiques actifs de l'électrode positive où il est con som F par réduction. Elle a pour objet une pile à dépolarisation par l'air comportant une électrode négative par exemple à base de zinc, un électrolyte, de préférence immobilisé, et une électrode alimentée en air au moyen d'une cheminée centrale pratiquée dans celle-ci et en ccs-inication avec l'air extérieur à sa partie supérieure, carac brisée par le fait que la cheminée est munie d'un dispositif permettant d'obtenir une circulation naturelle d'air de bas en haut au moins le long des parois de ladite cheminée. Selon une caractéristique secondaire de l'invention des moyens sont prévus pour séparer le flux d'entrée d'air frais du flux de sortie de l'air usagé. Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit dispositif consiste en un tube coaxial à la cheminée, ouvert dans la cheminée à sa partie inférieure et en comsunication avec l'air extérieur par sa partie supérieure. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, ledit dispositif consiste en une ouverture en communication avec l'air extérieur à la partie inférieure de la cheminée. Selon une variante de réalisation, la pile peut en outre, comporter un collecteur de courant constitué par un manchon creux en contact avec l'électrode positive suivant le pourtour de ladite cheminée et relié électriquement à la borne de sortie positive de la pile, des trous étant prévus dans ledit manchon pour l'arrivée de l'air sur les sites catalytiques de l'électrode positive, ledit manchon comportant en outre une sortie vers l'extérieur en sa partie supérieure. Dans un premier rode de réalisation selon la variante, ledit collecteur contient intérieurement ledit tube qui débouche d'une part à l'intérieur dudit manchon à proximité de l'extrémité inférieure de celui-ci et d'autre part à l'air libre au voisinage de la partie supérieure dudit manchon. Avantageusement, il peut être prévu une cloison étanche séparant la communication dudit tube avec l'air libre et la sortie dudit collecteur vers l'air libre. Dans un second mode de réalisation selon la variante, ledit manchon possède au moins une ouverture communiquant avec l'air libre à chacune de ses extrémités. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description des exemples de réalisation donnés ci-après à titre nullement limitatif, en regard du dessin annexé dans lequel - les figures 1 à 4 représentent en coupe, de façon simplifiée, des modes de réalisation d'une pile selon l'invention, - la figure 5 représente les courbes comparatives d'évolution de la tension en fonction du temps, pour une pile selon l'invention et une pile selon l'art antérieur - et la figure 6 représente les courbes caractéristiques comparatives de la tension en fonction de l'intensité du courant fourni au circuit extérieur. Sur chacune des figures 1 à 4, les éléments fondamentaux qui se retrouvent et sont de types connus, portent les mêmes références. Ce sont un boîtier 1, une électrode positive 2 dans laquelle est pratiquée une cheminée 7, une électrode négative 3 par exemple à base de poudre de zinc, un électrolyte gélifié 4, une borne négative 5 et une borne positive 6. La figure 1 représente un exemple de réalisation dans lequel la cheminée 7 pratiquée à l'intérieur de l'électrode positive 2, est obturée par tout moyen 10 qui peut être avantageusement formé par un disque reposant sur le fond boîtier 1. Un tube Il débouche d'une part à l'extérieur du boîtier par sa partie supérieure et d'autre part à l'intérieur de la cheminée au voisinage de sa partie inférieure. Des ouvertures 12 mettent la partie supérieure de la cheminée en communication avec l'atmosphère extérieure. Ainsi, l'air entre par l'extrémité supérieure du tube 11, descend le long de celui-ci, et en sort au niveau de la partie inférieure de la cheminée pour remonter à l'intérieur de celle-ci assurant ainsi une excellente alimentation en air de l'électrode positive 2. L'air résiduel, appauvri en oxygène, s'échappe ensuite par des ouvertures supérieures 12. Les bornes 5 et 6 sont respectivement reliées au collecteur de courant 12 de l'électrode négative et au collecteur de courant 14 de l'électrode positive. Un espace 15 est prévu destiné à permettre le foisonnement de la matière active négative à l'état déchargé. En vue de conserver une vitesse suffisante au flux d'air circulant dans ltes- pace compris entre le tube central et les parois de la chéminée, il est avantageux de prévoir pour la section correspondante une surface au plus égale à celle de la section intérieure du tube central. Dans l'exemple de réalisation illustré par la figure 2, le boîtier 1 comporte une ouverture 20 en son fond, sensiblement en regard de la cheminée 7 pratiquée dans l'électrode positive 2. Des ouvertures 21 sont réparties sur la face opposée du boîtier. Dans une telle réalisation, 1 air circule aisément, comme l'indique le8 flèches, d'une extrémité à l'autre de ladite cheminée, ce qui assure une bonne alimentation en air de l'électrode positive. Les figures 3 et 4 représentent deux exemples de réalisation dans lesquels un collecteur de courant 8 sous forme d'un manchon creux est placé à l'intérieur de la cheminée 7 de façon à être en bon contact avec l'électrode positive 2 de saunière à assurer la conduction du courant de celle-ci à la borne positive 6 de la pile. Ce manchon collecteur 8 est percé de trous appropriés pour permettre l'arri vexe de l'air aux sites actifs catalytiques de l'électrode. Il doit être en un ma térian inattaquable par l'électrolyte ; ainsi dans le cas d'un électrolyte alcalin on peut utiliser de l'acier et dans le cas d'un électrolyte salin du carbone ou du titane. Dans la pile#représentée à la figure 3, l'extrémité inférieure du manchon du collecteur 8 , placé dans la cheminée 7 de l'électrode positive 2, est obturée par un fond étanche 30 avantageusement forme par un disque reposant sur le fond du boîtier 1. Un tube 31 est placé à l'intérieur du collecteur 8. Son extrémité inférieure peut être entaillée et évasée de manière à former des jambages qui centrent sensiblement le tube par rapport au collecteur et qui définissent entre eux des ouvertures grâces auxquelles l'intérieur du tube communique avec l'espace 37 compris entre ledit tube et ledit collecteur. L'extrémité supérieure du tube 31 est maintenue par un joint étanche 32 qui sépare la partie émergente du collecteur du reste de celui-ci.Des trous 33 sont pratiqués dans la face supérieure du bottier 1 afin de permettre la sortie de l'air appauvri en oxygène. Des trous 34 ménagés dans ladite partie émergente du collecteur, c'est-à-dire au-dessus du joint 32, permettent l'entrée de l'air frais dans le tube 31. Cet air descend le long du tube et en sort par sa partie inférieure pour s'engager dans l'espace 37 compris entre ledit tube et ledit collecteur. il remonte alors le long de celuici tout en alimentant en oxygène les sites actifs catalytiques de l'électrode positive 2 au travers des trous 36. L'air résiduel, plus ou moins appauvri en oxygène, sort par des trous 35 placés dans la partie supérieure du collecteur 8 mais en-dessous du joint 32, et par les trous 33 du boîtier. En vue de conserver une vitesse suffisante au flux d'air circulant dans l'espace 37 compris entre le tube central et la paroi du manchon collecteur, il est avantageux de prévoir pour la section correspondante une surface au plus égale a celle de la section intérieure du tube central. Dans la pile selon la figure 4, l'extrémité du collecteur 8 est en communi- cation avec l'extérieur par l'ouverture 40. Son extrémité supérieure communique avec l'extérieur à travers des trous 45 pratiqués à la partie supérieure du manchon collecteur, et des trous 43 du boîtier. La circulation d'air se fait de bas en haut dudit manchon collecteur, ce qui a pour effet d'alimenter les sites catalytiques actifs de l'électrode positive 2 par des trous 46 pratiqués le long du fanchon collecteur. Les moyens mis en oeuvre selon la présente invention ont pour effet d'établir une circulation naturelle de l'air dirigée de bas en haut le long des parois de la cheminée pratiquée dans l'électrode positive. I1 s'établit alors en effet un tirage comme dans une cheminée de foyer, dû au fait que l'oxygène contenu dans l'air étant consommé par réduction sur les sites catalytiques de l'électrode positive, l'air frais entrant, composé pratiquement de 79 % d'azote de poids atomique 14 et de 21 % d'oxygène de poids atomique 16, est plus lourd que l'air sortant qui a passé sur les sites catalytiques actifs de l'électrode positive, parce que ce dernier contient plus d'azote et moins d'oxygène, l'azote de poids atomique 14 se substituant à l'oxygène de poids atomique 16 consommé par réduction. I1 s'établit alors une circulation ascentionnelle de l'air grâce au champ de gravitation. Le principal avantage, commun à tous les modes de réalisation décrits ci-dessus, consiste, en raison de cette circulation d'air naturelle qui a lieu de bas en haut le long des parois intérieures de la cheminée pratiquée dans l'électrode positive, en l'obtention d'une très bonne alimentation des sites catalytiques actifs de celle-ci en air, et plus particulièrement en oxygène. Il en résulte une augmentation de la pression partielle d'oxygène au niveau de ces sites catalytiques actifs de réduction de l'oxygène ce qui a pour effet d'augmenter la vitesse de cette réduction électrochimique, et corrélativement le potentiel correspondant se trouve amélioré par augmentation de la pression partielle d'oxygène obtenue selon l'invention.Il s'ensuit un meilleur fonctionnement de la pile puisqu'ainsi l'air appauvri en oxygène est efficament évacué et ne perturbe pas l'entrée d'air frais de renouvellement. Des mesures comparatives ont été faites d'une part sur une pile A ne comportant pas les moyens selon l'invention et d'autre part sur une pile B analogue mais comportant les moyens de l'invention conformément à la figure 3. il s'agit de piles à électrolyte alcalin air-zinc, constituées d'un élement unique de dimensions 85 x 85 x 180 (en mm), comportant une cathode en charbon actif, une anode de zinc divisé et un électrolyte à hydroxyde de potassium immobilisée par un gel. Ces mesures ont donné les résultats suivants Pile A Force électromotrice : 1,43 volt Tension sous 5Q : 1,22 volt Capacité en décharge continue sous 5Q (tension d'arrêt 0,9 V) : 330 Ah Tension sous 2Q : 0,91 volt Capacité en décharge continue sous 2Q (tension d'arrêt 0,8 V) : 330 Ah Pile B Force électromotrice : 1,43 volt Tension sous 5D : 1,26 volt Capacité en décharge continue sous 5Q (tension d'arrêt 0,9 V) : 350 Ah Tension sous 2n : 1,15 volt Capacité en décharge continue sous 2Q (tension d'arrêt 0,9 V) : 330 Ah Tension sous In : 0,98 volt Capacité en décharge continue sous 111 (tension d'arrêt 0,9 V) : 300 Ah On voit donc-que le fait d'avoir introduit un tube conformément à l'invention dans le manchon-collecteur perforé limitant intérieurement la cheminée pratiquée dans l'électrode positive, a amélioré d'une façon significative la tension de fonctionnement de la pile, cette amélioration étant spectaculaire pour de gros débits 1,15 volt au lieu de 0,91 volt pour une décharge sous deux ohms (211), ce qui représente un gain en énergie égal à 1,15 - 0,91 = 26 % et un gain en puissance encore plus grand si l'on tient compte 0,91 de ce qu'une pile déchargée sur résistance fixe fournit d'avantage de courant lorsque sa tension aux bornes est plus élevée. il faut également observer que la pile selon l'invention déchargée sous un ohm (In) a une meilleure tension aux bornes (0,98 volt) que la pile non améliorée déchargée sous deux ohms (2Q) qui présente une tension de 0,91 volt. Cette pile non améliorée donne une décharge insuffisante si on tente de la décharger sur un ohm. Les courbes représentatives de la décharge en continu sur une résistance de deux ohms en fonction du temps sont reproduites à la figure 5. Le temps T est compté en jours et la tension de sortie U en volts. De ces résultats, on déduit clairement qu'il y a une nette amélioration de fonçtionnement. De plus, la figure 5 montre qu'en fonction du temps, la tension reste très constante pour la pile B conforme à l'invention alors que pour la pile A cette tension, non seulement est plus faible, mais aussi est fluctuante. La figure 6 donne les courbes craractéristiques de la tension ( en volts) aux bornes de la pile en fonction de l'intensité du courant fourni (en ampères). On constate que la diminution de tension est d'une part plus régulière et d'autre part nettement plus faible pour la pile B conforme à l'invention. Il est bien entendu que l'invention n'étant pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, on peut sans sortir du cadre de celle-ci, apporter des modifications de détail, changer certaines dispositions ou remplacer certains moyens par des moyens équivalents. REVENDICATIONS 1/ Procédé de dépolarisaiton par l'air d'une pile comportant une électrode négative, un électrolyte et une électrode positive alimentée en air au moyen d'une cheminée centrale pratiquée dans celle-ci et en communication avec l'air extérieur à sa partie supérieure, caractérisé par le fait que l'air circule uniformément dans un seul sens d'une extrémité à l'autre de ladite cheminée, au moins dans la zone périphérique de celle-ci. 2/ Pile mettant en oeuvre le procédé selon la revendication 1, comportant une électrode négative par exemple à base de zinc, un électrolyte, de préférence immobilisé, et une électrode positive alimentée en air au moyen d'une cheminée centrale pratiquée dans celle-ci et en communication avec l'air extérieur à sa partie supérieure, caractérisée par le fait que la cheminée est munie d'un dispositif permettant d'obtenir une circulation naturelle d'air de bas en haut au moins le long des parois de ladite cheminée. 3/ Pile selon la revendication 2, caractérisée par le fait que ledit dispositif consiste en une ouverture en communication avec l'air extérieur à la partie inférieure de la cheminée. 4/ Pile selon la revendication 2, caractérisée par le fait que ledit dispositif consiste en un tube coaxial à la cheminée, ouvert dans la cheminée à sa partie inférieure et en communication avec l'air extérieur par sa partie supérieure. 5/Pile selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisée par le fait qu'elle comporte en outre un collecteur de courant constitué par un manchon creux en contact avec l'électrode positive suivant le pourtour de ladite cheminée et relié électriquement à la borne de sortie de la pile, des trous étant prévus dans ledit manchon pour l'arrivée de l'air sur les sites catalytiques de l'electrode positive, ledit manchon comportant en outre une sortie vers l'extérieur à ses deux extrémites. 6/ Pile selon la revendication 4, caractérisée par le fait qu'elle comporte en outre un collecteur de courant constitué par un manchon creux en contact avec l'électrode positive suivant le pourtour de ladite cheminée et relié électriquement à la borne de sortie positive de la pile, des trous étant prévus dans ledit manchon pour l'arrivée de l'air sur les sites catalytiques de l'électrode positive, ledit manchon comportant en outre une sortie vers l'extérieur en sa partie supérieure, l'intérieur dudit tube communiquant par sa partie inférieure avec l'intérieur dudit collecteur. 7/ Pile selon la revendication 6 caractérisée par le fait qu'une cloison sépare la communication dudit tube avec l'air libre et la sortie dudit collecteur vers l'air libre.