Brevet FR2829617A1 — publié le 20030314

La présente invention concerne une pile à combustible destinée à produire de l'électricité à partir d'une réaction d'oxydation puis de réduction sur un matériau poreux disposé sur une bande souple circulant alternativement dans des compartiments sous Oxygène puis d'autres sous Hydrogène Actuellement les différents types de piles à combustible utilisant directement de l'Oxygène et de l'Hydrogène sont des dispositifs statiques complexes, sophistiqués, donc chers. Le dispositif selon l'invention offre l'avantage d'être simple dans son concept, efficace, compact et léger au regard de la puissance fournie. Il a toutefois dans la présente version l'inconvénient vis à vis de certaines applications de contenir un bain liquide qui le contraint à ne pas se laisser renverser ni même pencher sous un angle important Des solutions sont déjà envisagées qui permettront de palier à cet inconvénient. Cette pile à combustible selon l'invention est constituée d'une enveloppe hermétique (t) parallélipipédique en matériaux isolants, divisée en compartiments verticaux renfermant soit de l'Oxygène soit de l'Hydrogène. Ces compartiments sont séparés entre eux par des cloisons (16) verticales qui n'atteignent pas le fond afin de laisser le passage à une bande (6) défilante par dessous celles-ci. Cette bande souple comporte plusieurs couches dont la nature chimique et les fonctions sont différentes. La couche superficielle (14) est constituée d'un matériau poreux qui s'oxyde très facilement et très rapidement en présence d'oxygène et inversement subit une réduction en présence d'Hydrogène. Les réactions d'oxydation et de réduction sont favorisées par la présence d'un catalyseur adapté. Ce catalyseur est une solution liquide dans laquelle est immergée la base des compartiments sur 20 cm environ. Le fonctionnement de cette pile est en fait très simple. Lorsque la bande (6) passe dans un compartiment rempli d'02 le matériau de sa couche (14) superficielle s'oxyde. Les électrons absorbés par l'oxydation sont amenés par la sous couche conductrice (13) qui elle même les prend à une plaque conductrice verticale (12) fixe légèrement bombée sur laquelle glisse la bande. Cette plaque constitue la cathode. Inversement, lorsque la bande passe dans un compartiment rempli d'Hydrogène, le matériau de la couche superficielle de la bande, subit une réduction par l'Hydrogène. Les électrons libérés sont évacués par la sous-couche conductrice (13) qui les transmet à son tour à la plaque conductrice (13) verticale sur laquelle glisse la bande. Cette plaque constitue l'anode. Ainsi un flux important d'électrons est généré entre compartiments d'Oxygène et compartiments d'Hydrogène. Un dispositif de gestion de ce flux va gérer, moduler et transformer ce flux d'électrons pour en faire un courant électrique aux caractéristiques précises qui pourra être utilisé pour diverses applications. La bande multicouche (6) défile en continu dans les différents compartiments. Elle est entraînée par des rouleaux haut (2) et bas (3) qui la maintiennent, la guident et la mettent en tension. L'axe d'un de ces rouleaux est entraîné par un moteur (7) à vitesse variable qui est placé dans un logement extérieur étanche. La variation de la vitesse du moteur permet d'agir sur la vitesse de défilement de la bande donc d'agir sur le débit de la pile c'est-à-dire de faire varier sa puissance. Cette bande multicouche comporte une première couche (15) de support en matériau souple et résistant, non extensible et non conducteur d'électricité. Elle est perforée suivant un maillage serré de microtrous traversés par les picots de la deuxième couche conductrice (13). Sa face inférieure comporte un bourrelet latéral qui pénètre dans une gorge usinée dans les rouleaux de manière à lui éviter de déraper latéralement. La deuxième couche (13) est constituée d'un matériau conducteur. Elle est divisée en rayures perpendiculaires à l'axe de défilement de la bande de manière à ne pas être conductrice dans le sens de la longueur. Par contre, cette couche conductrice imprègne les microtrous de la bande support (15) de manière à ce que les électrons puissent la traverser en épaisseur jusqu'aux plaques bombées de glissement (12) constituant les anodes et cathodes. La troisième couche (14) est constituée d'un matériau poreux, adhérant parfaitement à la deuxième couche conductrice en rayures et ayant la particularité chimique de s'oxyder très facilement et très rapidement en présence d'Oxygène et inversement de se réduire en présence d'Hydrogène. Ces réactions d'oxydations puis de réduction sont favorisées par la présence d'un catalyseur approprié qui est contenu dans le bain (11) liquide. Le bain de solution du catalyseur imprègne donc en permanence la bande multicouche. Il permet aussi de maintenir l'étanchéité entre les différents compartiments tout en permettant le passage de la bande multicouche sous les cloisons (16) de séparation des compartiments qui évidemment n'atteignent pas le fond de l'enveloppe générale extérieure (1). Ce bain catalytique (11) pour assurer ses deux fonctions impose pour le moment une contrainte importante. Il ne doit pas descendre en dessous d'un certain niveau dans chaque compartiment. De ce fait la pile ne peut pas être inclinée au delà d'un certain angle et la pression entre chaque compartiment doit être maintenue à peu près la même. Ainsi un dispositif de détendeur précis avec comparateur de pression entre H2 et 02 devra être utilisé sur les alimentations de chacun de ces gaz. Une pression trop importante dans l'un des compartiments provoquerait le refoulement par dessous la cloison (16) du gaz dans les compartiments voisins et même s'il y a peu de risque d'explosion du fait de la présence du catalyseur, le mélange provoquerait un échauffement préjudiciable de ce catalyseur et la détérioration de la pile. Toutefois afin de bénéficier du maximum de surface de la couche superficielle de la bande exposée au gaz des compartiments, le niveau du bain catalytique sera limité au minimum possible tout en garantissant ses deux fonctions. Les deux plaques verticales constituant les anodes (4) et les cathodes (5) sont les faces latérales d'une boîte vide hermétique (12). Ces faces sont légèrement bombées de manière à favoriser un bon contact sur la totalité de leur surface avec la bande défilante (6). La formation d'eau lors de la réduction de l'oxyde tend à augmenter le volume du bain catalytique (11), c'est pourquoi un dispositif d'épuration (8) est installé latéralement au dessus ou à côté du moteur d'entraînement (7) des rouleaux. Les dessins annexés illustrent l'invention. La figure 1 représente une coupe selon l'axe de défilement de la bande de l'ensemble de cette pile à combustible. La figure 2 représente une coupe perpendiculaire à la précédente de cette même pile. La figure 3 représente en agrandissement une coupe de la bande défilante multicouche. La figure 4 représente une coupe d'une boîte vide étanche aux parois légèrement bombées constituant une anode (4) ou une cathode (5) suivant le compartiment dans lequel elle est installée. En référence à ces dessins, cette pile à combustible comporte une enveloppe extérieure hermétique (l) en matériaux isolant, divisée en plusieurs compartiments verticaux séparés entre eux par des cloisons (16) hermétiques, elles aussi en matériaux isolant, sur 90% de la hauteur. En effet dans le plan de ces cloisons et en dessous de celles-ci, sont disposés les rouleaux inférieurs (3) d'entraînement et de guidage de la bande qui lui permettent de passer sous la cloison pour changer de compartiment. Au sommet des compartiments, d'autres rouleaux (2) parfaitement parallèles entre eux assurent eux aussi le guidage et la mise sous tension de la bande (6) de manière à ce que celle-ci face un aller-retour vertical dans chaque compartiment en exposant sa couche superficielle (14) au gaz contenu dans ce compartiment. Les rouleaux inférieurs (3) sont immergés dans le bain (11) catalytique. Ils sont solidairement entraînés par une chaîne les reliant entre eux au moyen de leur pignon (17) latéral. C'est l'un de ces pignons qui est entraîné par un petit moteur électrique (7) à vitesse variable permettant ainsi de moduler le défilement de la bande entre les compartiments et donc de moduler le débit de la pile donc sa puissance. Entre les rouleaux situés au sommet des compartiments et ceux immergés dans le bain catalytique (11) à la base des cloisons (16) de séparation des compartiments, des plaques conductrices (12) inoxydables, légèrement courbes sont disposées verticalement de manière à ce que la bande glisse sur toute leur surface. Ces plaques sont en fait les parois de boîtes vides hermétiques (12) maintenues légèrement bombées par de légères entretoises internes. Une de leurs faces latérales comporte un plot conducteur destiné à établir la liaison électrique avec l'extérieur de l'enveloppe de la pile. Ces boîtes sont identiques, qu'elles soit utilisées en anode ou en cathode. Si le plot de connexion latérale est excentré il suffira d'inverser la position de cette boîte à la construction de la pile pour que le plot soit un plot de cathode (5) en position haute soit un plot d'anode (4) en position basse. Ainsi chaque compartiment par ces boîtes lisses verticales (12) présentera soit une anode soit une cathode. On pourra alors relié les anodes entre elles et les cathodes entre elles. Il ne restera plus qu'à gérer, moduler et transformer ce flux d'électrons entre cathodes et anodes pour générer un courant électrique approprié aux applications (tension intensité..). Un ensemble de composants électriques (9) tout à fait classiques et sans originalité sera installé à cet effet directement sur une des faces de cette pile. Un boîtier de sortie (10) de courant électrique conventionnel et normalisé permettra une connexion simple. Le retour de la bande du dernier vers le premier compartiment se fait sur le fond de l'enveloppe générale Le gaz remplissant les compartiments étant alternativement de l'oxygène puis de l'hydrogène dans le compartiment suivant, les compartiments sont donc en nombre pair. L'alimentation en gaz peut se faire facilement par un tuyau d'oxygène débouchant au sommet des compartiments impairs cathodiques, en les reliant donc entre eux, et un tuyau d'hydrogène débouchant au sommet dans les compartiments pairs anodiques. La pression des deux gaz devant être parfaitement équilibrée pour éviter tout refoulement par la base des compartiments et ce malgré la consommation deux fois plus importante d'hydrogène par rapport à l'oxygène, cette alimentation sera équipée d'un détendeur précis couplé à un comparateur de pression entre les deux gaz. Cette pile à combustible selon l'invention est donc particulièrement adaptée à la production d'électricité à partir d'hydrogène et d'oxygène à condition de ne pas dépasser un certain angle de basculement. REVENDICATIONS 1) Pile à combustible caractérisée en ce qu'elle est constituée par une bande (6) souple multicouche défilant dans une succession de compartiments verticaux contenant soit de l'oxygène soit de l'hydrogène, séparés entre eux par des cloisons (16) et un bain de solution catalytique (11) de manière à ce que la couche superficielle (14) du film soit soumise alternativement à une réaction d'oxydation puis de réduction absorbant ou libérant des électrons qui transitent au travers de la bande jusqu'aux plaques de glissement (12) qui constituent les anodes (4) et les cathodes (5) de cette pile. 2) Pile à combustible selon la revendication 1 caractérisée en ce que la bande (6) souple défilant dans la succession de compartiments verticaux est constituée de trois couches de nature et de fonctions différentes, à savoir : une couche support (15) non conductrice et non extensible percée d'un maillage de microtrous, une deuxième couche conductrice (13) d'électricité disposée en rayures perpendiculaires à l'axe de défilement de la bande et pénétrant par des picots les microtrous de la première couche support, une troisième couche (14) constituée d'un matériau poreux ayant la particularité chimique de s'oxyder très facilement et très rapidement en présence d'oxygène et inversement de se réduire en présence d'hydrogène. Ces réactions d'oxydation et de réduction étant favorisée par la présence d'un catalyseur adapté. 3) Pile à combustible, selon la revendication 1 caractérisée en ce que cette bande souple multicouche (6) est tendue, guidée et entraînée par un ensemble de rouleaux parfaitement parallèles situés au sommet des compartiments pour les uns (2) et à la base des cloisons (16) de séparation pour les autres (3), immergés dans le bain (11) de solution catalytique et comportant chacun une rainure latérale qui sert de guide à un bourrelet appartenant à la face inférieure de la première couche support de la bande afin de lui éviter un dérapage latéral. Ces rouleaux sont entraînés par une chaîne reliant entre eux leur pignon (17) latéral solidaire de leur axe. 4) Pile à combustible selon la revendication 3 caractérisée en ce que l'un des axes des rouleaux inférieurs qui sont reliés entre eux par une chaîne, est entraîné par un moteur (7) à vitesse variable situé dans un logement extérieur étanche. La variation de la vitesse du moteur permet d'agir sur la vitesse de défilement de la bande donc d'agir sur le débit de la pile c'est-à-dire de faire varier sa puissance. 5) Pile à combustible selon la revendication 1 caractérisée en ce que la séparation entre compartiments successifs contenant oxygène pour les uns et hydrogène pour les autres est constituée à la fois par les cloisons (16) de séparations verticales sur 90% de la hauteur environ et par le bain de solution ) catalytique (11), qui permet le passage de la bande sous les cloisons entre deux compartiments contigus en empêchant le mélange des gaz. 6) Pile à combustible selon la revendication 1 caractérisée en ce que dans les compartiments d'hydrogène, l'anode (4) est constituée par les surfaces conductrices des faces verticales légèrement bombées de boîtes hermétiques (12) contre lesquelles glisse la bande multicouche (6). La réaction de réduction libère des électrons qui sont drainés par la deuxième couche conductrice (13) en rayures. Ces électrons transitent par les picots traversant les micro-trous de la bande support (15) jusqu'à l'anode (4) qui les conduit à l'extérieur du compartiment d'H2 par un plot de connexion (4) et les met à la disposition du système de gestion du flux pour produire le courant électrique. 7) Pile à combustible selon la revendication 1 caractérisée en ce que dans les compartiments d'oxygène, la cathode est constituée par les surfaces conductrices des faces verticales légèrement bombées de boîtes hermétiques (12) contre lesquelles glisse la bande multicouche (6). La réaction d'oxydation de la couche superficielle (14) absorbe des électrons qui sont fournis par la 2e couche conductrice (13) en rayures. Ces électrons ont transité par les picots traversant les micro-trous de la bande support (15) depuis la cathode qui les a introduit à l'intérieur du compartiment d'oxygène par un plot de connexion (5) traversant la paroi latérale de l'enveloppe extérieure (1) en matériau isolant. 8) Pile à combustible selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif d'épuration (8) du bain catalytique (11) immergeant la base des compartiments destiné à éliminer l'eau qui se forme en permanence par la réaction d'oxydoréduction de l'oxygène et de l'hydrogène par l'intermédiaire du matériau de la couche superficielle (14). 9) Pile à combustible selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'alimentation en oxygène des compartiments cathodiques et en hydrogène en volume double des compartiments anodiques se fait par deux tubes débouchant et reliant tous les compartiments impairs pour 1'02 et tous les compartiments pairs pour l'H2 et ce en maintenant avec précision une même pression dans l'ensemble des compartiments afin d'avoir le même niveau de bain de solution catalytique à la base de ces compartiments. 10) Pile à combustible selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comporte directement sur une face latérale, un ensemble de composants électriques (9) destinés à gérer le flux d'électrons, à moduler et à transformer le courant électrique de manière à lui donner les caractéristiques précises exigées par ses applications.