Brevet FR2300425A1 — publié le 19760903

La présente invention a pour objet une pile à combustible du type dans lequel les réactifs savoir le combustible, le comburant et l'électrolyte s'écoulent dans des directions faisant entre elles un certain angle, une telle pile présentant en outre une structure filtre-presse dodécagonale. Les pilas à combustible présentant une structure du type filtrepresse sont bien connues,- On rappelle brièvement qu'une telle structure est formée d'un empilement répétitif d'une séquence élémentaire de Composants an forme de plaques, savoir par exemple une cathode, une anode séparées l'une de l'autre par un séparateur ou diaphragme, l'une des faces de la cathode et de l'anode étant alimentées raspectl vement par le combustible et le comburant tandis que l'autre face de telles électrodes est alimentée par l'électrolyte, lesdits composants étant serrés les uns contre les autres par tout moyen approprié. Par ailleurs, chacun de ces composants se présente sous forme d'un cadre de section carrée ou rectangulaire réalisé en un matériau plastique, dans lequel est assujettie ou encastrée une partie centrale active, savoir un matériau cata lytique pour les électrodes et un matériau isolant pour le séparateur. Ces cadres sont percés à leur partie supérieure et inférieure d'ouvertures conststuant, lorsqu'ils sont serrés les uns contre les autres, des conduits d'amenfie des réactifs et d'évacuation des produits résultant du processus électrochimique, ces ouvertures étant mises an communication avec la partie centrale active au moyen de miârocanaux appropriés. La présente invention a pour objet une pile à combustibls de structure simple et aisément réalisable dans laquelle l'alimentation en réactifs est du type croisée, une telle pile présentant par ailleurs une structure filtre-presse dodécagonale. L'invention a donc pour objet une pile à combustible formée d'un assemblage de composants selon u#s#uence élémentaire comportant une cathode, un sépara teur, une anode, un collecteur de courant, lesdits composants présentant des dimensions sensiblement égales entre elles et étant en forme de plaques minces formées chacune d'un cadre réalisé en un matériau électroniquement isolant enserrant une partie centrale active, les faces des parties centrales actives de# la cathode et de l'anode non en regard du séparateur étant irriguées respecti vement par le comburant et le combustible tandis que les deux faces de la partie centrale du séparateur sont irriguées par l'électrolyte, pile caractérisée par le fait que ledit cadre présente un périmètre dodécagonal régulier et est délimité par deux dodécagones homothétiques de centre commun, un dodécagone extérieur et un dodécagone intérieur dont les côtés sont parallèles deux à deux, de sorte que ledit cadre est formé de douze pans trapazordaux délimités chacun par deux côtés parallèles desdits dodécagones d'une part et par les droi tes joignant les sommets desdits deux côtés parallèles d'autre part, chacun desdits pans comportant une ouverture, lesdites ouvertures constituant lorsque las composants sont assemblés six couples de canaux, un premier couple assurant l'acheminement du comburant à la cathode, un deuxième couple l'acheminement de l'électrolyte au séparateur, un troisième couple l'acheminement du combustible à l'anode, un quatrième couple l'évacuation du comburant usé, un cinquième couple l'évacuation de l'électrolyte, et un sixième couple l'évacuation des produits résultant de la réaction du combustible de telle sorte que la direction moyenne de circulation d'un de ces réactifs sur le composant qui lui est spécifique fasse avec la direction moyenne de circulation d'un autre réactif sur le composant voisin un angle sensiblement égale à 300. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit donnée à titre d'exemple purement illustratif mais nullement limitatif en référence aux dessins et schémas annexés dans lesquels La figure 1 représente une vue éclatée d'une pile à combustible selon l'invention. La figure 2 représente en perspective une vue d'ensemble d'une pile à combustible selon l'invention. Selon la figure 1 une pile à combustible conforme à l'invention est formée d'un empilement ou assemblage répétitif d'une séquence élémentaire de composants savoir successivement une cathode 1, un séparateur 2, une anode 3, un collecteur de courant 4, ce dernier acheminant les électrons vers une autre cathode (non représentée) et ainsi de suite. De tels composants présentent des dimensions égales entre elles et sont en forme de plaques minces constituées chacune d'un cadre présentant un périmètre dodécagonal régulier tel que représenté, un tel cadre enserrant une partie centrale active. Ainsi la cathode 1 est formée d'un cadre 1A enserrant une partie centrale active 18 comportant un catalyseur spécifique du combustible par exemple de l'hydrogène, le séparateur 2 est constitué d'un cadre 2A enserrant une partie centrale 28 électriquement isolante et irriguée par l'électrolyte, tel que de la potasse, l'anode 3 est formée d'un cadre 3A enserrant une partie centrale active 3B comportant un catalyseur spécifique du comburant, l'air en l'occurrence, tandis que le collecteur 4 est constitué d'un cadre 4A enserrant une partie centrale 48 formée d'un métal conducteur. Plus précisement, comme représenté sur la figure chaque cadre est délimité par deux dodécagones homothétiques de centre commun #dont les côtés sont parallèles deux à deux. En conséquence chaque cadre est donc formé par douze pans trapue zo#daux lj à 1 tels que, à titre d'exemple, le pan 112 du cadre 1A de la cathode 1, ledit pan étant délimité par les deux côtés parallèles des dodécagones ec las droites X joignant les sommets desdits côtés d'autre part. Chacun des pans des cadres 1A, 2A, 3A, 4A comporte une ouverture par exemple rectangulaire telle que l'ouverture 51 du pan 11 du cadre 1A, des alésages tels que 18 aptes à recevoir des moyens de serrage des composants les uns contre les autres, par exemple des tirants ou tout autre moyen approprié étant prévus dans le cadre 1. Bien entendu les cadres des autres composants présentent des caractéristiques similaires. De tels composants sont serrés les uns contre les autres au moyen de tirants boulonnés (non représentés) engagés dans les alésages 18. De la sorte les ouverturcs prévues dans les pans des cadres constituent des canaux d'amenée et d'évacuation des réactifs comme il sera explicité dans ce qui suit. On notera en outre que la direction moyenne de circulation d'un réactif sur la partie active d'un composant fait avec celle du réactif voisin un angle de 300 environ. On voit figure 1 que les pans 131 16, 19, et 112 du cadre 1A de la cathode 1 comportent l'une de leur faces, en l'occurrence la face visible sur la figure 1 des évidements 103, 106, 109 et 1012 respectivement, délimités chacun par un côté du dodécagone intérieur délimitant le cadre 1A, les droites X et une droite parallèle audit coté. L'évidement 103 communique avec l'ouverture 53 au moyen d'un conduit 20 et de la mssme manière les évidements 106, 109 et 1012 communiquent avec les ouvertures 56, 59 et 512 au moyen de conduits 20 similaires. Ces évidements, ainsi d'ailleurs que tous les évidements des autres composants, comportent #es picots 15 assurant une meilleure répartition des fluides sur les surfaces actives des composants. Les pans 21, 24, 27, 210 du cadre 2A du séparateur 2 comportent sur leur deux faces des évidements 111, 114, 117 et 1110 respectivement et analogues aux précédents. L'évidement 111 communique avec l'ouverture 61 tandis que les évidements 1141 117 et Il communiquent respectivement avec les ouvertures 64, 67 et 610 au 10 moyen de conduits 20 comme précédemment. Les pans 32, 35, 38, 311 du cadre 3A de l'anode 3 comportent sur la face en regard du collecteur 4 des évidements 122, 125, 128, 1211 respectivement, et ana logues aux précédents. L'évidement 122 communique avec l'ouverture 72 tandis que les évidements 125, 128, 1211 communiquent respectivement avec les ouvertures 75, 78, 711 au moyen de conduits 20 comme précédemment. En te qui concerne le collecteur 4 oelui-ci ne comporte aucun évidement. n voit donc que lorsque de tels composants sont serrés les uns contre les autres de manière à former la structure filtre-presse, douze canaux se trouvent de la sorte agencés par les ouvertures des divers composants. venant en regard les uns par rapport aux autres. En premier lieu les ouvertures 51J 61 71 81 d'une part et 510 610, 710, 810 d'autre part forment deux canaux acheminant par l'intermédiaire des évidements 111 et 1110 du séparateur 2, l'électrolyte sur les deux faces de la partie centrale 28 dudit séparateur En deuxième lieu les ouvertures 59, 69, 79, 89 d'une part et 512' 612' 712' 812 d'autre part forment deux canaux acheminant par l'intermédiaire des évidements 109 et 1012 de la cathode 1 le comburant sur la face visible sur la figure de la partie active 18 de la cathode 1. En troisième lieu les ouvertures 55, 65, 75, 85 d'une part et 58, 68, 78, 88 d'autre part forment deux canaux acheminant vers l'extérieur par l'intermédiaire des évidements 125 et 12a de l'anode 3 les produits résultant de l'oxydation du combustible sur la face non visible de la partie active 38 de l'anode 3. En quatrième lieu les ouvertures 54, 64, 74, 84 d'une part et 57. 67, 77, 87 d'autre part forment deux canaux acheminant vers l'extérieur par l'intermédiaire des évidements 114 et 117 du séparateur 2 l'électrolyte après irrigation des deux faces de la partie centrale 28 dudit séparateur 2. En cinquième lieu, les ouvertures 53, S3, 73, 83 d'une part et 5 . 66' 76' B6 d'autre part forment deux canaux acheminant vers l'extérieur par l'inter- médiaire des évidements 103 et 106 de la cathode 1 le comburant consommé après irrigation de la face visible de la partie active 18 de la cathode 1. En sixième lieu, les ouvertures 52 62 72 82 d'une part et 511 611 711 ail d'autre part forment deux canaux alimentant en combustible par l'intermédiai- re des évidements 122 et 1211 de l'anode 3 la face non visible de la partie active 38 de l'anode 3. La figure 2 illustre une pile à combustible selon l'invention, vue dans son ensemble. La référence 30 indique donc les composants tels que précédemment décrits empilés selon la séquence également indiquée par ailleurs et serrés les uns contre les autres, entre deux plaques d'extrémités 21 et 22 coopérant avec des tirants tels que 23 engagés dans les alésages 18. Bien entendu ces plaques d'extrémité comportent des ouvertures telles que 24, 25 de la plaque 21 disposées en vis-à-vis des ouvertures décrites en référence à la figure précédente et assurant par exemple l'acheminement des divers réactifs alimentant la pile. il est de toute évidence que la plaque 22 comporte des ouvertures similaires, non apparentes sur la figure et destinées à l'évacuation des produits issus du processus réactionnel. Enfin on a représenté en 26 et 27 les collecteurs du courant engendré dans la pile. On voit donc qu'une pile selon l'invention est formée de composants identiques entre eux, pouvant entre réalisés, en ce qui concerne les cadres, par toute technique de formage d'un matériau plastique. De plus, l'alimentation du type croisé permet une meilleure irrigation des surfaces actives des électrodes. Une telle pile est donc facilement réalisable à un échelon industriel. En outre sa forme dodécagonale permet de grouper plusieures piles en ensembles compacts du type Znid d'abeille et de réaliser ainsi une puissance électrique élevée par unité de volume. 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 Oquivalents. REVENDICATIONS 1/ Pile à combustible formée d'un assemblage de composants selon une séquence élémentaire comportant une cathode, un séparateur, une anode, un collecteur de courant, lesdits composants présentant des dimensions sensiblement égales entre elles et étant en forme de plaques minces formées chacune d'un cadre réalisé en un matériau électroniquament isolant enserrant une partie centrale active, les faces des parties centrales actives de la cathode et de l'anode non en regard du séparateur étant irriguées respectivement par le comburant et le combustible tandis que les deux faces de la partie centrale du séparateur sont irriguées par l'électrolyte, pile caractérisée par le fait que ledit cadre (lA) présente un périmètre dodécagonal régulier et est délimité par deux dodécagones homothétiques de centre commun un dodécagone extérieur et un dodécagone intérieur, dont les côtés sont parallèles deux à deux, de sorte que ledit cadre (lA) est formée de douze pans trapézoidaux (I ### 112) délimités chacun par deux côtés parallèles desdits dodécagones d'une part et par les droites (X) joignant les sommets desdits deux cotés parallèles d'autre part, chacun desdits pans (lî) comportant une ouver#ture t51) lesdites ouvertures constituant lorsque les composants (1,2, 3, 4) sont assembles six couples de canaux, un premier couple assurant l'acheminement du comburant à la cathode (1), un deuxième couple l'acheminement de l'électrolyte au séparateur (2), un troisième couple l'acheminement du conbustible à l'anode (3), un quatrième couple l'évacuetion du comburant usé, un cinquième couple l'évacuation de l'électrolyte, et un sixième couple l'évacuation des produits résultant de la réaction du combustible de telle sorte que la direction moyenne de circulation d'un de ces réactifs sur le composant qui lui est spécifique fasse avec la direction moyenne de circulation d'un autre réactif sur le composant voisin un angle sensiblement égal à 30e, 2/ Pile selon la revendication 1, caractérisée par le fait que dans chacun des cadres de la cathode (1), du séparateur (2), et de l'anode (3), quatre pana op posés deux à deux t13, lB > 19 > 1123 comportent chacun un évidement t103, 106, 109, a 1012) délimité par un côté dudit dodécagone intérieur, par lesdits droites tX) joignant les sommets des côtés parallèles desdits dodécagones et par uns droite parallèle audit cOté, ledit évidement t103) communiquant avec l'ouverture t53) du pan correspondant (13). 3/ Pile selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée par le fait que chacun des évidements comporte sur sa partie voisine de ladite partie centrale active des picots (15). 4/ Pile selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que ledit combustible est choisi parmi l'hydrogène, les hydrocarbures, les alcools, ledit comburant étant l'oxygène ou l'air.