Brevet FR2302599A1 — publié le 19760924

La présente invention concerne un perfectionnar.nt aux piles à combustible utilisant au mois, un fluide réactif gazeux, tel que l'hydrogène e de l'oxy- gène pur, ou de l'oxygène de l'air. Les piles 8 combustible utilisant un comburant et/ou un combustible gazeux comprennent un bloc de pile formé Fer l'empilement d'éléments,tels que des e'-lectrodes,dîspuse's verticalement et qui délimitent entre eux - des compartiments dans lesquels circule un électrolyte tel qu'une solution liquide de potasse (KOH), - des compartiments pour la circulation d'un combustible tel que, par exemple, de l'hydrogène gazeux H2, et - des compartiments pour la circulation d'un comburant tel que, par exemple, de l'oxygène pur (02) ou de l'air. Les compartiments de combustible et de comburant sont disposés de part et d'autre des compartiments contenant l'électrolyte. L'alimentation du bloc de pile en électrolyte, combustible et comburant, est effectuée par des circuits appropriés et distincts, connectés au bloc de la pile è combustible. flans le cas où les électrodes ne sont pas rigoureusement étanches et une faible quantité d'électrolyte filtre à travers ces électrodes pour s'écouler dans les compartiments voisins alimentés en comburant et en combustible. Le passage dEun courant gazeux dans ces compartiments voisins provoque généralement une cristallisation de 11 électrolyte dans les réseaux poreux des élec-trodes, cette cristallisation étant d'autant plus grande que ce courant gazeux (de combustible ou de comburant) a une teneur en-eau plus faible. Ainsi, les réactions électrochimiques ne peuvent plus se produire sur les portions d'électrode ou s'est cristallisé l'électrolyte. Pour éviter cet inMcnvénient, on a préconisé d'alimenter les compartiments à gaz d'une pile à combustible, de telle sorte que les courants gazeux traversent les compartiments selon une direction verticale ascendante . On réduit ainsi le phénomène de cristallisation dans le cas où les infiltrations d'électrolyte sont importantes, car le gaz admis dans la pile est rapidement humidifié au contact de l'électrolyte. Malheureusement, une telle disposition ntest pas suffisamment efficace lorsque les fuites d'électrolyte sont très faibles. De plus, l'écoulement de l'élec- trolyte le long des électrodes sous la seule action de la pesanteur,se trouve ralenti, ce qui ne favorise pas le fonctionnement de la pile. D'autre part, lorsqu'on utilise comme comburant l'oxygène de l'air, on observe sur la surface des électrodes un dépit de carbonate de potassium qui résulte de la réaction chimique de l'électrolyte avec le gaz carbonique résiduel (C02) contenu dans l'air et qu'il est absolument impossible d'éliminer totalement malgré les décarbonateurs utilisés dans le circuit d'alimentation en air du bloc de pile. Le carbonate de potassium obstrue les réseaux poreux des électrodes qui sont rapi- dement mises hors d'usage. La présente invention propose un perfectionnement aux piles a combustible alimentéssen gaz, ce perfectionnement permettant de supprimer les inconvénients mentionnés ci-dessus. L'invention pourra erre bien comprise et ses avantages apparaitront à la lecture de sa description illustrée par las figures annexées, dans lesquelles : - La figure 1 représente schématiquement une pile à combustible selon l'invention, utilisant un comburant gazeux, et La figure 2 montre une variante de réalisation de, l'invention lorsque le comburant utilisé est de l'air. Sur la figure 1, la référence I désigne le bloc d'une pile à combustible représenté schématiquement en coupe verticale. Dans ce bloc de pile 1, des éle;trp- des telles que 2 et 3.dispp.s.ées verticalement, délimitent des compartiments. Pour la simplicité du dessin, on n'a représenté qu'un groupe de trois compartiments, mais ce}e n'est en aucune façon limitatif, Le compartiment central 4 est alimenté en électrolyte liquide, tel que par exemple, une solution liquide de potasse (KOH), délivré par un circuit d'ali- mentation non représenté. Pendant le fonctionnement de la pile, le compartiment 5 est alimenté en combustible tel que, par exemple, mais non exclusivement, de lthydrogène H2. Ce combustible est délivré par un circuit approprié non représenté, communiquant avec le compartiment 5, Dans le dernier compartiment portent la référence 6, circule un comburant tel que l'oxygène pur ( 2) ou de l'air qui est délivré par un circuit d'alimentation dont les canalisations 7 et 8 sont respectivement connectées aux orifices d'admission 9 et d'évacuation 10 du compartiment de comburant. te circuit d'alimentation du bloc de pile 1 en comburant comporte tous les erganes nécessaires, bien connus du spécialiste, tels que organe assurant la circu latin du comburant, et éventuellement, épurateur de comburant, réservoir de combu ni; ste, qui sont schématisés par le dispositif Il sur la figure 1. Be la même façon, les circuits d'alimentation du bloc de pile en combustible et an Flectrolyte comprennent tous les accessoires nécessaires à l'aliments- tiori du bloc de pile. Ces accessoires qui sont bien connus de l'homme de l'art n'ont pas été représentés et ne seront pas décrits en détail. flans, ce qui suit, on admet que le comburant introduit dans le bloc de pile est gazeux. Ce comburant sera par exemple. de l'oxygène pur (02), ou de l'air. Selon l'invnetion, le circuit d'alimentation du bloc de pile 1 en comburant- comporte, de préférence, immédiatement en amont de l'orifice d'admission 9, un dispositif humidificateur 12 pour, de préférence, saturer de vapeur d'un liquide le comburant gazeux introduit dans le bloc de pile. Ce saturateur seras par exemple et comme illustré par la figure j:,. com posé d'une enceinte (ou réservoir) partiellement remplie par un liquide dont la ter- sion de vapeur est de préférence aussi voisine que possible de- celle de l"é'leotro- lyte contenu dans le. bloc de pile., Ce réservoir est muni d.' un orifice d'admission et d'un orifice d-'évacyation du comburant, gazeux', I 'orifice d'évacuation étant. situé eu dessus. de la- surface- libre du liquide dans. le réservoir 12- Le comburant gazeux, délivré par le circuit d'alimentation,travarse le saturateur 12 ou il est de préférence sensiblement saturé en vapeur de liquide, avant de pénétrer dans le compartiment 6. Dès lors, en circulant dans le compartiment 6, le comburant gazeux ne peut assècher l'électrolyte qui se trouve sur la face de l'électrode 2 à traverslaquelle il a filtré, ce qui évite toute cristallisation de le potasse dans les réseaux poreux de cette électrode.- De plus, et selon un mode préféré de réalisation de l'invention, le circuit d'alimentation en comburant gazeux- est connecté au bloc de pile de sorte que l'écoulement des de comburant gazeux à travers le compartiment 6 ait au moins une comoposante verticale orientée dans le sens de la pesanteur.Ainsi le comburant gazeux facilite l'écoulement de l'électrolyte qui a filtré à travers l'électrode~ vers; la partie inférieure du compartiment 6 où l'électrolyte peut entre connecté et remis en circulation par tout dispositif connu, prévu à cet effet. Le liquide contenu dans le saturateur 12 peut être de l'eau. Lorsque le comburant utilisé est l'air ambiant, on préfère utiliser com- me iiquide-de l'électrolyte-. Ainsi, le gaz carbonique résiduel contenu dans l'air après- son passage dans le décarbonateur équipant généralement le circuit d'alimentation en air, est absorbé par l'électrolyte avec lequel il réagit pour former un carbonate de potassium. L'air introduit dans-le bloc de pile ne contenant pratiquement plus-de gaz carbonique, on élimine ainsi toute formation: de carbonate de potassium auvni- veau de ltélectrode du compartiment à air. Il convient ceopendant de noter que ce mode de réalisation suppose une 2 c'est à dire une bonne efficacité-de ce dernier-. En effet, dans ce mode de réalisation, ce gaz carbonique résiduel se dissout dans l'électrolyte du saturateur sous forme d'ions COJ dont la concentretion ne doit pas dépasser une valeur de l'ordre de 2 à 3 N (N étant la contenu tration d'une solution normale, soit 60g d'ions C03 par litre) sous peine de diminuer les performances de la pile La figure 2 représente une variante de la figure 1, dans -le cas la comburant employé est de ltair Sur cette figure, on a schématisé en -traits interrompus le circuit d'ali tentation du bloc de pile en électrolyte avec les organes essentiels de ce circuit, tels que la pompe P de circulation de lk'électrolyte, et l'échangeur de chaleur 13. Selon ce mode de réalisationS le réservoir d'électrolyte 12 est utilisé comme saturateur de air alimentant le bloc de pile Pour cette raison, la pa-rt-ie inférieure Siu réservoir remplie d'électrolyte communique avec le circuit d'alimentation en él-e;trqlyte du bloc de pile, tandis que sa partie supérieure, contenant de l'air, communique d'une part avec l'orifice 9 d'admission d'air dans le compartiment 6, et d-'-atre part avec le-circuit d'alimentation en air. flans ce qui précède, on a considéré que le comburant était gazeux. Lors- que le combustible alimentant le bloc de plie est gazeux, les mêmes phénomènes de cristallisation d'électrolyte au niveau des électrodes limitant le compartiment 9 combustible se produisent en procurant les mêmes inconvénients. -Bien que cela ne soit pas représenté, l'invention prévoit également l'in- sertion d'un saturateur en vapeur de liquide du courant de gaz combustible dans le circuit d'alimentation du combustible. Des modifications pourront être apportées sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Par exemple lorsque le circuit d'alimentation en gaz combustible ou comburant est un circuit fermé, le saturateur du courant gazeux peut être inséré à n'importe quel endroit de ce circuit. Il sera également possible d'uti liser d'autres types de sasturateurs, pourvu que ces saturateurs assurent l'humidifi- tion désirée de l'écoulement de gaz qui les traverse. REVENflICATIONS 1. - Pile à combustible perfectionnée comportant un bloc de pile formé del'empilement d'éléments sensiblement verticaux délimitant entre eux des premiers compartiments destinés à contenir un électrolyte liquide, des seconds et des troi sièmes compartiments dans lesquels peuvent circuler des fluides réactifs différents, des circuits distincts d'alimentation du bloc de pile en électrolyte et en fluides réactifs reliés respectivement aux premiers, aux seconds et aux troisièmes compartiments avec lesquels ils communiquent, l'un au moins des circuits d'alimentation du bloc de pile en fluides réactifs délivrant un fluide réactif gazeux et étant connecté au bloc de pile de sorte que ce fluide réactif gazeux traverse le bloc de pile en s'écoulant selon une direction ayant au moins une composante sensiblement verticale, cette pille étant caractérisée en ce que ledit circuit d'alimentation délivrant le fluide réactif gazeux comporte des moyens humidificateura pour fixer- au dessus d'une valeur déterminée, la teneur du fluide réactif gazeux introduit dans le bloc de pile, en- vapeur d'un liquide. Plie File à cnmbustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que le- dit circuit d'alimentation du bloc de pile en fluide réactif gazeux est connecté au. b-lac de. pile de sorte que l'écoulement de fluide réactif gazeux dans le bloc de :-i a. a au moins une composante orientés dans le sens de la pesanteur. i. Ril à combustible selon une des revendications précédentes, caractéri séa-- an c@ que lesdits moyens humidificateurs sont adaptés à assurer sensiblement la saturation du fluide réactif gazeux en vapeur de liquide. Pile - Plie à combustible selon la revendication 3, caractérisée en ce que le-- dit liquide a une tension de vapeur aussi voisine que possible de celle de ltélec- trolyte liquide introduit dans la pile à combustible. Pile à Plie à combustible selon la. revendication 4, caractérisée en ce - que.-- le--- dit lidquine est de l'eau. Plie Pile combustible selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit liquida-- est de l'électrolyte. Pile à combustible selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdits moyens humidificateurs sont constitués par un réservoir partiel lement rempli par ledit liquide et ayant un orifice d'admission et un orifice d'éva- cuation du fluide réactif gazeux connectés au circuit d'alimentation délivrant ce fluide réactif gazeux, l'orifice d'évacuation étant situé au dessus de la surface libre du liquide dans le réservoir. 8. - Pile à combustible selon la revendication 6, dont le circuit d'alim;nta- tion du bloc de pile en électrolyte comporte un réservoir contenant de l'électrolyte, caractérisée en ce que lesdits moyens de saturation sont constitués par le réservoir d1 électrolyte. 9. - Pile à combustible selon la revendication 1, dans laquelle les seconds compartiments sont alimentés en hydrogène gazeux et les troisièmes compartiments sont alimentés en air, et dans laquelle le circuit d'alimentation du bloc de pile comporte un réservoir contenant de l'électrolyte,caractérisée en ce que chacun des circuits alimentant le bloc de pile en hydrogène et en air comporte un réser- voir partiellement rempli d'un liquide dont la tension de vapeur est voisine de celle de l'électrolyte, chacun de ces réservoirs ayant unorifice d'admission et un orifice d'vecuation pour la circulation du fluide délivré par le circuit d'alimentation auquel ce réservoir appartient, et en ce que ledit réservoir de saturation de ltair introduit dans le bloc de pile est constitué par le réservoir d'électrolyte. 10. - Pile à combustible selon une des revendications Rrécédentes,caractérisée en ce que ledit réservoir de saturation est placé immédiatement en amont du bloc de pile, en considérant le sens d'écoulement du fluide réactif gazeux dans son eir- cuit d'alimentation. 11, - Procédé d'alirnentetion d'une pile à combustible comportant un bloc de pile formé de l'empliement d'éléments sensiblement verticaux délimitant entre eax des premiers compartiments destinés à contenir un électrolyte liquide, des seconds et des troisièmes compartiments dans lesquels peuvent circuler des fluides réactifs différents, des circuits distincts d'alimentation du bloù de pile en électrolyte et en fluides réactifs reliés respectivement aux premiers, aux seconds et aux tzbi- sièmes compartiments avec lesquels ils communiquent, l au moins des circuits d'alimentation du bloc de pile n fluides réactifs délivrant un fluide réactif gazeux et étant connecté au bloc de pile de sorte que ce fluide réactif gazeux traverse le bloc de pile en s'écoulant selon une direction ayant au moins une composante sensiblement verticale caractérise en ce que l'on donne audit fluide réactif gazeux, une teneur en vapeur d'un liquide au moins égale à une valeur prédéterminée. 12. - Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'on sature sensiblement ledit fluide gazeux en vapeur de liquide.