Brevet FR2527010A1 — publié le 19831118

La présente invention se rapporte à un élément galvanique sous la forme d'une cellule plate de grande puissance refroidie par de l'eau de refroidissement et pouvant être assemblée en une batterie renfermant plu- sieurs cellules, en particulier une cellule à électrodes métallique et à gaz, comprenant des électrodes bipo- laires avec une électrode métallique consommable de forme plate en guise d'anode, une cathode, en particulier une électrode à oxygène, et un électrolyte liquide. Une batterie à refroidissement par eau et com- prenant un grand nombre d'électrodes bipolaires est con- nue de par le brevet US-4 152 492 Dans ce cas, les élec- trodes bipolaires sont assemblées en des modules et sont empilées selon un agencement parallèle Les modules indi- viduels sont balayés par un fluide de refroidissement (eau) en circulation L'inconvénient réside alors dans le fait qu'il ne se produit pas un refroidissement di- rect des électrodes bipolaires individuelles, si bien que l'évacuation de la chaleur a lieu, à chaque fois, seu- lement de manière modulaire On obtient dans ce cas le même effet que celui qui est connu dans des éléments gal- vaniques et qui consiste à refroidir la totalité du li- quide électrolytique Cette proposition n'est pas non plus suf- fisante en présence de cellules plates de grande puis- sance et, en particulier, elle ne permet pas d'influencer par une commande de la chaleur les processus électrochi- miques qui se produisent sur le lieu de réaction propre- ment dit. La présente invention a par conséquent pour objet de perfectionner une cellule plate de grande puis- sance du type précité, dans laquelle chaque électrode peut être commandée directement et individuellement au niveau de sa température (notamment être refroidie) par un fluide indépendant de l'électrolyte liquide. Conformément à l'invention, cet objet est at- teint par le fait que les électrodes bipolaires sont reliées électriquement l'une à l'autre et qu'une garni- ture d'étanchement, formant une chambre de refroidis- sement, est intercalée entre ces électrodes Grâce à cet- te solution, il est possible pour la première fois de commander directement le bilan thermique et la tem- pérature aussi bien de l'anode que de la cathodeet d'ob- tenir des puissances plus grandes, étant donné que la température est influencée à proximité immédiate du lieu de réaction. De préférence, la batterie formée conformément à l'invention par des cellules plates de grande puissance est branchée électriquement en série et elle est branchée en parallèle concernant son alimentation en fluide de refroidissement, en liquide électrolytique et en oxygène/ air, ce qui permet d'obtenir une forme de réalisation com- pacte. Selon une forme de réalisation judicieuse de l'invention, l'anode consiste en une plaque métallique, en particulier en une plaque d'aluminium de forme carrée; la garniture d'étanchement formant la chambre de refroi- dissement est de configuration correspondante, ladite chambre logeant le fluide de refroidissement étant cons- tituée par un évidement central fermé ménagé dans ladite garniture et présentant des dimensions au moins aussi grandes que celles de la surface efficace des électrodes la cathode consiste en une électrode à oxygène de réali- sation plate dont le cadre est en liaison de conduction électrique avec l'anode, de préférence par rivetage. Il est avantageux de réaliser également la cham- bre de l'électrolyte sous la forme d'un-évidement-central ménagé dans une garniture plate d'étanchement qui est disposée sur la face active de l'anode Tous les compo- sants décrits sont rassemblés en un élément bipolaire qui, extraordinairement plat et de conformation carrée dans sa forme de réalisation concrète, forme une batterie lorsqu'il est combiné à d'autres éléments de formes de réalisation correspondantes Dans cet élément, sont pré- vues les zones marginales de la garniture d'étanchement formant la chambre de l'électrolyte, de l'anode, de la gar- niture d' étanchement formant la chambre de refroidissement et de la cathode, en vue d'assurer l'admission et l'évacua- tion du fluide, ainsi que la liaison électrique De préfé- rence, sont pratiqués à cet effet, dans lesdites zones mar- ginales des trous mutuellement correspondants qui, par l'in- termédiaire de canaux latéraux élaborés dans les deux gar- nitures d'étanchement et dans le cadre de l'électrode à oxy- gène, garantissent l'admission du fluide dans la chambre de l'électrolyte, dans la chambre de refroidissement et dans la chambre à oxygène de l'électrode à oxygène Ces trous sont raccordés à des conduits correspondants collecteurs de fluide. Une forme particulièrement avantageuse de l'admis- sion de l'électrolyte dans la chambre de l'électrolyte et de son évacuation, fait appel à un grand nombre d'échancrures parallèles réalisées dans la paroi périphérique interne de la garniture d'étanchement, qui sont chaque fois raccordées à un trou séparé d'admission et d'évacuation de l'électrolyte pour assurer une répartition favorable de celui-ci dans la chambre de l'électrolyte Avantageusement, le sens du par- cours est dirigé de bas en haut dans la chambre de l'électrolyte. Une forme de réalisation préférentielle de la gar- niture d'étanchement formant la chambre de refroidissement prévoit des canaux latéraux opposés diagonalement les uns aux autres pour l'admission et l'évacuation du fluide de refroi- dissement, la circulation ayant lieu de haut en bas dans la chambre de refroidissement Ces mesures permettent d'obtenir un balayage intensif, par le fluide, des électrodes bipo- laires adjacentes. A la place de la forme de réalisation préféren- tielle de l'anode en un métal compact, on peut aussi utili- ser une anode sous une forme frittée, de même que, à la place de la forme de réalisation préférentielle d'une cathode fonc- tionnant à l'oxygène ou à l'air, on peut utiliser, par exem- ple, une telle cathode en oxyde d'argent L'électrolyte li- quide, habituellement du KOH, est commodément mis en circu- lation par pompage, bien que d'autres formes de réalisation soient également possibles En résumé, la solution proposée par l'invention permet d'obtenir une amélioration notable de la maîtrise du bilan thermique des composants individuels de' l'élément galvanique, l'avantage consistant alors en ce que le courant parcourt de courts trajets et qu'il est transmis directement d'une cellule à l'autre Grâce à la configura- tion de l'évidement dans la garniture d'étanchement formant la chambre de l'électrolyte, une influence peut être exercée sur les conditions d'écoulement de l'électrolyte en vue de réduire des courants dérivés La forme de réalisation est simple et elle-peut être fabriquée et assemblée aisément Un accroissement ou une réduction des dimensions (capacité) de la batterie peut être obtenu de manière simple, ce qui fait que des batteries de dimensions déterminées peuvent être assemblées sans mesures particulières. L'invention va à présent être décrite plus en dé- tail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nul- lement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 représente schématiquement une batte- rie constituée par plusieurs éléments bipolaires; la figure 2 est une représentation en éclaté d'un élément galvanique bipolaire, la figure 3 illustre l'élément bipolaire de la figure 2 en mettant en évidence la circulation du fluide de refroidissement; la figure 4 montre l'élément bipolaire de la figure 2 et met en évidence la circulation de l'électro- lyte; et la figure 5 représente l'élément bipolaire de la figure 2 en mettant en évidence la circulation de l'oxy- gène. La batterie illustrée sur la figure 1 des des- sins annexés consiste en des éléments galvaniques bipo- laires I, II et III, ainsi qu'en d'autres dispositifs de formes de réalisation correspondantes, qui ne sont pas représentés, mais dont le grand nombre est figuré par des points Les cellules associées électriquement dans la batterie sont représentées par des accolades sur la figure l et sont affectées des numéros de référence 1, 2, 3 et 4 Dans les éléments bipolaires I, une anode et une cathode sont respectivement raccordées électriquement par des rivets 5 et 6, une garniture d'étanchement (qui sera décrite en détail ci-après) étant intercalée entre les électrodes, formant une chambre de refroidissement et étant parcouirue par un-agent ou fluide de refroidis- sement Ce fluide de refroidissement parvient de haut en bas dans les chambres de refroidissement respectives à partir d'un conduit collecteur 7 et il est évacué dans la région inférieure par un conduit 8 collecteur de fluide de refroidissement Entre les éléments bipolaires I/II et Il/III c'est-à-dire à l'intérieur des cellules, un écoulement d'électrolyte est entretenu par une mise en circulation par pompage d'une lessive de potasse liquide Les chambres de l'électrolyte sont formées par une garniture d'étanchement qui sera, elle aussi, décrite ci-dessous et elles sont raccordées dans leur partie basse à un ou plusieurs con- duits 9 d'admission d'électrolyte et, dans leur partie haute, à des conduits 10 d'évacuation de l'électrolyte De plus, la batterie présente une arrivée et une évacuation d'oxygène (non représentée) vers les cathodes et à partir de ces dernières, respectivement, qui sont réalisées sous la forme d'électrodes à diffusion gazeuse, en particulier d'électrodes à oxygène Il ressort schématiquement de la figure que les éléments de la batterie sont branchés élec- triquement en série et alimentés en parallèle. Les composants individuels d'un élément bipo- laire I, II ou III de la batterie sont illustrés en éclaté sur la figure 2 des dessins, à gauche de laquelle la réa- lisation, sous la forme d'une cellule plate à grande puis- sance, obtenue par l'assemblage des quatre pièces indivi- duelles en forme de-plaque Cette cellule plate assemblée porte la référence 11. Une chambre 12 d'électrolyte est formée par l'évidement d'une région centrale carrée dans une garniture d'étanchement 13 plate, carrée et en forme de cadre, les dimensions de ladite régi On-correspondant à celles des surfaces efficaces des électrodes La garniture plate d'étanchement 13 consiste -en un caoutchouc et elle est percée dans sa zone marginale de plusieurs trous qui servent à la fixation ou au guidage d'un fluide -Un trou 14 est prévu pour l'admission de l'oxygène-dans une élec- trode 15 à oxygène, un trou 16 est destiné à l'admission du fluide de refroidissement dans une garniture plate d'étanchement 18 formant une chambre de refroidissement 17 et un trou 19 est destiné à l'évacuation du fluide de refroidissement En outre, dans les zones périphériques internes supérieure et inférieure de la garniture plate d'étanchement 13, sont réalisées des échancures 20 et 21 ouvertes en direction de la chambre 12 de l'électrolyte, les échancrures inférieures-21 servant à l'admission de l'électrolyte et les échancrures supérieures 20 étant des- tinées à l'évacuation de cet électrolyte Lesdites échan- crures 20 et 21 correspondent à des trous (décrits ci- après) qui, élaborés dans les autres composants de l'é 11- sn raseor (non repré- senté) collecteur d'électrolyte et doté d'une pompe. Une électrode consommable 22 en aluminium (anode) de forme plate et carrée est disposée au voisinage de la garniture plate d'étanchement 13 formant la chambre 12 de l'électrolyte Cette anode est fabriquée en de l'aluminium pur et sa zone marginale -externe est percée de plusieurs trous associés à des moyens de fixation et destinés à l'admission et à l'évacuation d'un fluide Par exemple, par une représentation de rivets 5 et 6, il est évoqué schéma- tiquement que l'électrode 22 en aluminium est en liaison de conduction électrique avec l'électrode 15 à oxygène, ce type de liaison étant une liaison par compression de l'élec- trode bipolaire, en emprisonnant hermétiquement la garniture plate d'étanchement 18 formant la chambre de refroidissement 17 Des trous non représentés, mais seulement figurés par des croix 23, permettent l'insertion des rivets 5 et 6 En revanche, les dessins illustrent des trous formant des canaux 24 de passage de l'électrolyte, car ces trous ser- vent à admettre l'électrolyte dans la chambre 12 et à l'en évacuer. A proximité de l'électrode 22 en aluminium, se trouve la garniture plate d'étanchement 18 qui forme la chambre de refroidissement 17 et dont la zone marginale est à son tour percée de trous qui ne seront pas décrits en détail en vue d'éviter des répétitions On fera seu- lement observer que, pour l'admission et l'évacuation du fluide de refroidissement, des canaux latéraux 25 et 26, ouverts en direction de la chambre de refroidissement 17 et opposés diamétralement les uns aux autres, sont ména- gés dans la garniture d'étanchement sous la forme de dé- coupes Ces canaux communiquent avec les trous 16 et 19 en vue de l'admission ou de l'évacuation du fluide de refroi- dissement La garniture d'étanchement 18 consiste elle-même en un élastomère Il ressort que, à l'état assemblé, la chambre de refroidissement 17 assure un contact direct du fluide de refroidissement avec l'électrode 22 en aluminium d'une part, et avec l'électrode 15 à oxygène, d'autre part. L'électrode 15 à oxygène, placée à proximité de la garniture plate d'étanchement 18, consiste en un cadre également carré et aplati fabriqué en métal pour dériver le courant et comprenant une chambre à oxygène, en aluminium, et une feuille efficace incorporée par soudage, de l'oxy- gène ou de l'air étant distribué par-en haut dans ladite chambre à oxygène par le trou 14 d'admission de l'oxygène et par l'intermédiaire d'un canal latéral 27, pour être ensuite évacué par l'intermédiaire d'un canal latéral 28 occupant une position diamétralement opposée et d'un trou 29 d'évacuation de l'oxygène. Les allures de l'écoulement des différents flui- des à travers la cellule plate il sont représentées sur les figures 3, 4 et 5 La figure 3 des dessins montre que le fluide de refroidissement est admis dans la chambre de refroidissement 17 à partir d'un conduit collecteur, en empruntant les trous correspondant les uns aux autres et pratiqués dans la partie supérieure des composants indi- viduels de la cellule, que, dans ladite chambre de refroi- dissement, ce fluide s'écoule de haut en bas en étant bien réparti et en refroidissant la face postérieure chaude de la surface efficace de l'électrode en aluminium, pour être ensuite évacué dans la partie basse en empruntant le con- duit collecteur 8. La figure 4 montre la circulation de l'électro- lyte qui pénètre dans la chambre 12 de l'électrolyte par les trous ménagés dans la partie inférieure de cette cham- bre, l'admission individuelle permettant d'obtenir une bonne répartition du fluide L'électrolyte liquide s'écoule vers le haut à travers la chambre 12 de l'électrolyte, et il quitte cette dernière dans sa partie supérieure, selon le sens des flèches, par les trous d'évacuation de la cellule, un regroupement dans des conduits collecteurs et dans un réservoir muni d'une pompe pouvant avoir lieu à la face extrême. La figure 5 des dessins montre la circulation de l'oxygène à travers la cellule, la chambre à oxygène de l'électrode 15 étant parcourue de haut en bas avec une bonne répartition et en irriguant la matière active L'ad- mission et l'évacuation ont lieu dans les conduits collec- teurs. Pour faire fonctionner l'élément galvanique, il suffit par conséquent de mettre un électrolyte en circu- lation par pompage, d'admettre de l'oxygène et, selon la puissance-nominale de la batterie, de commander la tempé- rature à l'aide d'un fluide de refroidissement. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'élément galvanique décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Elément galvanique bipolaire sous forme d'une cellule plate de grande puissance refroidie par un fluide de refroidissement et pouvant être assemblée en une bat- terie renfermant plusieurs cellules, en particulier une cellule à électrodes métallique et à gaz, comprenant des électrodes bipolaires avec une électrode métallique consommablede forme plate en guise d'anode, une cathode, en particulier une électrode à oxygène, et un électrolyte liquide, élément galvanique caractérisé par le fait que les électrodes bipolaires ( 15, 22) sont reliées électri- quement l'une à l'autre, une garniture d'étanchement ( 18) formant une chambre de refroidissement ( 17) étant inter- calée entre ces électrodes. 2 Elément galvanique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la batterie formée par des électrodes bipolaires assemblées ( 15, 22) est branchée électriquement en série et est branchée en parallèle con- cernant son alimentation en agent ou fluide de refroidis- sement, en électrolyte liquide et en oxygène/air. 3 Elément galvanique selon l'une des revendica- tions 1 et 2, caractérisé par le fait que l'anode consiste en une plaque métallique, en particulier une plaque d'alu- minium ( 22) de forme carrée; par le fait que la garni- ture d'étanchement ( 18) formant la chambre de refroidis- sement ( 17) est de configuration correspondante, ladite chambre ( 17) logeant le fluide de refroidissement étant constituée par un évidement central fermé ménagé dans ladite garniture ( 18) et présentant des dimensions choi- sies au moins aussi grandes que celles de la surface ef- ficace des électrodes; et par le fait que la cathode consiste en une électrode à oxygène ( 15) de réalisation plate dont le cadre est en liaison de conduction électri- que avec l'anode ( 22). 4 Elément galvanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la liaison électrique des électrodes ( 15, 22) entre elles 25.2701 Q est une liaison par compression,assurée de préférence par rivetage ( 5, 6). Elément galvanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la -cham- bre( 12) de l'électrolyte est' réalisée sous la forme d'un évidement central ménagé dans une garniture plate d'étan- chement ( 13) qui est disposée sur la face active de l'anode ( 22) - 6 Elément galvanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que les zones marginales de la garniture d'étanchement ( 13) for- mant la chambre ( 12) de l'électrolyte,de l'anode { 22), de la garniture d'4 tanchement ( 18) formant la chambre de refroidissement ( 17) et de la cathode ( 15),sont des- tinées a assurer l'admission et l'évacuation d'un flui- de, ainsi que la liaison électrique. 7 Elément galvanique selon la revendication 6, caractérisé par le fait que, dans les zones marginales, sont pratiqués des trous ( 14, 16, 19) mutuellement cor- respondants qui, par l'intermédiaire de canaux laté- raux ( 20, 21; 25, 26) élaborés dans les deux garni- tures d'étanchement ( 13, 18) et dans le cadre de l'élec- trode à oxygène ( 15), garantissent l'admission d'un fluide dans la chambre électrolytique ( 12), dans la chambre de refroidissement ( 17) et dans la chambre à oxygène de la- dite électrode à oxygène ( 15), ainsi que l'évacuation d'un fluide. 8 Elément galvanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que l'admis- sion de l'électrolyte dans la chambre -( 12) de l'électrolyte et l'évacuation de cet électrolyte de ladite chambre sont assurées par plusieurs échancrures ( 20, 21) qui, élaborées parallèlement dans la paroi interne périphérique de la garniture ( 12 X, sont raccordées à des trous respectifs individuels d'admission et d'évacuation de l'électrolyte, la circulation s'effectuant de bas en haut dans la chambre ( 12) de l'électrolyte. 1 1 9 Elément galvanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que des canaux latéraux ( 25, 26) opposés les uns aux autres sont prévus dans la garniture d'étanchement ( 18) formant la chambre de refroidissement ( 17) en vue de l'admission et de l'évacuation du fluide de refroidissement, la cir- culation ayant lieu de haut en bas dans ladite chambre de refroidissement ( 17).