Brevet FR2300424A1 — publié le 19760903

La présente invention a pour objet une nouvelle structure de pile à combus- tible et plus particuliere ent une nouvelle structure de pile à combustible du type filtre-presse. Les piles à combustible présentant une structure du type filtre-presse sont bien connues. On rappelle brièvement qu'une telle structure est forée d'un empilement répétitif d'une séquence élémentaire de composants en forme de plaques, savoir des électrodes bipolaires séparées les unes des autres par des séparateurs ou diaphragmes semi-perneables, l'une des faces de chaque électrode étant alimentée par le combustible et l'électrolyte tandis que l'autre face est alimentée par le comburant, lesdits composants étant serrés les uns contre les autres par tout #yen approprié. Par ailleurs, chacun de ces composants se présente sous forme d'un cadre réalisé en un matériau plastique, dans lequel est assujettie ou encastrée une partie centrale active. Ces cadres sont percés à leur partie supérieure et inférieure d'ouvertures constituant, lorsqu'ils sont serrés les uns contre les autres, des conduits d'amenée des réactifs et d 'évacuation des produits résultant du processus électrochimique, ces ouvertures étant mises en coillunication avec la partie centrale active. Ce pendant, de telles structures sont généralement relativement complexes et aifficilepent transposables à un échelon industriel. L'invention a donc pour objet une pile à combustible du type comportant une pluralité d'électrodes bipolaires séparées les unes des autres au moyen de séparateurs se n-permEables, lesdites électrodes bipolaires cosprenant chacune un cadre réalisé en un matériau électriquement isolant enserrant une partie centrale active, lesdits séparateurs comprenant chacun un cadre présentant sensiblement des dimensions égales à celles du cadre desdites électrodes bipolaires, réalisé de même en un matériau électriquement isolant et enserrant une partie centrale semi-perméable, l'une des faces de la partie centrale active de chacune des électrodes bipolaires étant alimentée en combustible et en électrolyte, tandis que l'autre face est alimentée en un comburant gazeux, lesdits électrodes bipolaires et lesdits séparateurs étant serrés les uns contre les autres de maniere à constituer un ensemble rigide, caractérisé par le fait que le côté supérieur ainsi que le coté inférieur du cadre des électrodes colporte une pluralité de microcaaaux parallèles entre eux, disposés à distance égale les uns des autres les microcanaux dudit côté supérieur étant aptes à assurer l'irrigation de l'une des faces de la partie centrale active de l'électrode en combustible et en éleçtrolyte, les micro canaux dudit côté inférieur pouvant assurer l'évacuation dudit électrolyte ainsi que des produits résultant du processus rationnel, et par le fait que les côtés latéraux dudit cadre des électrodes comportent chacun un évidement, l'un de ces évidements étant apte à assurer l'irrigation de l'autre face de la partie centrale active de l'électrode en ledit comburant gazeux, l'autre évidement pouvant assurer l'évacuation dudit comburant, après réaction sur ladite autre face de la partie centrale active de l'électrode. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple purement illustratif, sais nullement limitatif, en référence aux dessins et schémas annexés dans lesquels la figure I représente en perspective une vue éclatée des composants d'une pile à combustible selon l'invention ; la figure 2 représente une vue agrandie de la portion A de la figure la figure 3 représente indifféremment une vue de gauche ou de droite desdits composants d'une pile à combustible selon l'invention, supposés en place définitive serrés les uns contre les autres ; la figure 4 représente indifféremmant une vue de dessus ou de dessous de la figure 3 ; la figure 5 représente en perspective une vue générale d'une pile à combustible selon l'invention. En référence aux figures 1 à 4, une pile à combustible selon l'invention comporte une séquence répétitive de composants, savoir notamment une électrode bipolaire 1, un séparateur ou diaphragme semi-perméable 2, une nouvelle électrode bipolaire 1, un nouveau séparateur 2, et ainsi de suite. Chacune des électrodes bipolaires I est formée d'un cadre 3, confectionné par moulage d'une matière plastique isolante, cadre dans lequel est assujettie ou encastrée la partie centrale active elle#-même de l'électrode. L'une des faces 4 de cette partie active, par exemple la face visible sur la figure 1, comporte un catalyseur spécifique du combustible en l'occurrence le méthanol, tandis que l'autre face 5 comporte un catalyseur spécifique du comburant, l'air ou ltosygene dans ce cas. Chacun des séparateurs 2 est formé d'un cadre 6 également confectionné par soulage d'une matière plastique dans lequel est assujettie une partie centrale constituée par un matériau semi-perméable 7 tel qu'un feutre ou de l'amiante poreuse assurant le libre transfert ionique. De tels composants, électrodes et séparateurs présentent des dimensions égales entre elles. Par ailleurs, chacune des électrodes I comporte d'une part une pluralité de microcanaux 8A parallèles entre eux et à distance égale les uns des autres, a e- nagés sur le coté supérieur du cadre 3 et d'autre part une pluralité de wicro- canaux 8B également parallèles entre eux et à distance égale les uns des autres aménagés sur le côte inférieur opposé dudit cadre 3.Les microcanaux 8k assurent l'irrigation de la face 4 de l'électrode I en méthanol et en électrolyte, tandis que les microcanaux 8B ont pour rale d'acheminer l'électrolyte et les produits résultant du processus réactionnel. En outre, l'un des côtés latéraux du cadre 3 desdites électrodes 1 comporte un évidaient 9A, tandis que l'autre côté latéral colporte également un évidement 9B identique. Les évidements 9A assurent l'irrigation de la face 5 de l'électrode 1 en air, tandis que les évidements 9B ont pour rôle d'évacuer ledit air épuisé. On ledit égale-ent figures I et 2 que les angles extérieurs des cadres 3 et 6 des électrodes 1 et des séparateurs 2 respectivement, comportent chacun un renfort 10 à périmètre extérieur arrondi et en saillie vers l'extérieur. Ces renforts sont percés d'un alésage fl recevant un tirant (non représenté) destiné à maintenir les composants dont le serrage mutuel peut être assuré par exemple au moyen de plaques d'extrémités coopérant avec des boulons vissés sur les extrémités des tirants (non représentés). La figure 2 montre que la partie active des électrodes 1 présente un motif de gauffrage formé de picots 20 en quinconce. La figure 5 représente en vue générale une pile à combustible selon l'inven- tion. On voit sur cette figure que l'ensemble des composants est introduit dans un caisson 12 confectionné par moulage d'une mstiEre plastique telle que le polypropylène. Dans un tel ensemble, apparaît une électrode bipolaire 1 ainsi que notamment les microcanaux 8A et 8B tels que précédemment décrits. L'ensemble des composants vient porter entre les angles intérieurs arrondis dudit caisson 12 par l'intermédiaire de la partie arrondie de leurs renforts 10 avec interposition de joints d'étanchéité tels que 13. De la sorte, se trouvent définis entre l'ensemble des composants et les parois du caisson 12 des canaux 14A, 14B, 15A, 15D, dont la largeur est sensi- blement la même que celle des composants. Le canal 14A est parcouru par le méthanol et l'électrolyte pénétrant par un embout 16. Ces fluides irriguent donc la face 4 des électrodes I par l'inter xédiaire des microcanaux 8d, et les produits résultant de la réaction empruntent les microcanaux 8B pour être collectés dans le canal 14B puis évacués vers l'extérieur par l'intermédiaire d'un embout similaire (non représenté). De n-e, le canal 15A est parcouru par de l'air insufflé dans l'embout 17. Cet air baigne donc la face 5 des électrodes 1 par l'intermédiaire des évidements 9A, l'air épuisé empruntant les évidements 9B pour être collectés dans le canal 15B, puis évacué vers l'extérieur par l'intermédiaire d'un embout similaire (non représenté). On voit donc qu'une telle pile peut être très aisément fabriquée à un selon industriel, par suite de sa grande simplicité de structure résultant notamment des particularitésprincipales suivantes : En premier lieu, possibilité de fabriquer les électrodes j par coextrusion en bande continue de la partie centrale active et du cadre isolant suivie du gaufrage en continu des picots entre deux rouleaux présentant des motifs de gravure appropriés. En deuxieme lieu, possibilité d'utiliser des plaques d'extrémités sans canalisations de distribution des divers réactifs. En outre, remplacement de l'enrobage de ltenseDble des composants au moyen d'une résine, par un caisson en matière plastique très aisément fabriqué. En outre, il faut noter qu'une telle structure permet de diminuer de façon notable les pertes de charge, surtout dans l'alimentation en air, d'où il résulte une augmentation sensible du rendement global de la pile. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, on peut sans sortir du cadre de l'invention apporter des modifications de détail, changer certaines dispositions, ou remplacer certains moyens par des moyens équivalents. SEVDDICATIONS 1/ Pile à combustible du type comportant une pluralité d'électrodes bipolaires séparées les unes des autres au moyen de séparateurs semi-perméables, lesdites électrodes bipolaires comprenant chacune un cadre réalisé en un matériau électri quement isolant enserrant une partie centrale active, lesdits séparateurs eop prenant chacun un cadre présentant sensiblement des dimensions égales à celles du cadre desdites électrodes bipolaires réalisé de meme en un matériau électri- que en isolant et enserrant une partie centrale semi-perméable, l'une des faces de la partie centrale active de chacune des électrodes bipolaires étant alimentée en combustible et en électrolyte, tandis que l'autre face est alimentée en un comburant gazeux, lesdites électrodes bipolaires et lesdits séparateurs étant serrés les uns contre les autres de manière à constituer un ensemble rigide, pile caractérisée par le fait que le côté supérieur ainsi que le coté inférieur du cadre (3) des électrodes (1) comporte une pluralité de microcanaux (SA, 8B), parallèles entre eux et disposés à distance égale les uns des autres, les microcanaux (SA) dudit coté supérieur étant aptes à assurer l'irrigation de l'une des faces (4) de la partie centrale active de l'électrode (1) en combustible et en électrolyte, les microcanaux (8B) dudit côté inférieur pouvant assurer l'éva- cuation dudit électrolyte ainsi que des produits résultant du processus reactionr nel, et par le fait que les côtes latéraux dudit cadre (3) des électrodes (1') comportent chacun un évidement (9A, 9B) l'un de ces évidements (9A) étant apte à assurer l'irrigation de l'autre face (5) de la partie centrale active de l'électrode (1) en ledit comburant gazeux, l'autre évidement (9B) pouvant assurer l'évacuation dudit comburant après réaction sur ladite autre face (5) de la partie centrale active de l'électrode (1). 21 Pilé selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les angles extérieurs des cadres (3, 6) desdites électrodes (1) ainsi que desdits séparateurs (2) comportent chacun u renfort (10) à périmètre extérieur arrondi et en saillie vers l'extérieur, ledit renfort (10) présentent un alésage (Il) apte à recevoir un moyen de serrage mutuel desdites électrodes (1) et desdits séparateurs (2). 3/ Pile selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que ladite partie centrale active des électrodes (1) présente un motif de gaufrage constitué de picots (20) disposés en quinconce. 4/ Pile selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que l'en- semble compact formé par lesdites électrodes bipolaires (1) et lesdits séparateurs (2) est introduit dans un caisson (12) réalisé en un matériau plastique, ledit ensemble venant porter contre les angles intérieurs arrondis dudit caisson par l'intermédiaire de la partie arrondie desdits renforts (10), de sorte que quatre canaux (14A, 14B, 15A, 15B) se trouvent définis entre ledit ensemble compact et les parois internes dudit caisson (10), un canal supérieur (14A) assurant l'alimentation en électrolyte et en combustible, un canal inférieur (14B) apte à évacuer l'electrolyte et les produits résultant du processus réactionnel, enfin deux canaux latéraux (15A, 15B) dont l'un (15A) assure l'alimentation en comburant, et l'autre (15B) l'évacuation dudit comburant consommai au niveau des électrodes (1). 5/ Pile selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que ledit combustible est le méthanol, ledit comburant étant l'air.