Brevet FR2854278A1 — publié le 20041029

PILE A COMBUSTIBLE A HYDROGENE/OXYGENE COMPRENANT DES MOYENS DE GENERATION D'HYDROGENE ET D'OXYGENE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention a pour objet une pile à combustible à hydrogène/oxygène comprenant des moyens de génération d'hydrogène et d'oxygène. Le domaine général de l'invention est donc 10 celui des piles à combustible. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Une pile à combustible comporte, généralement, un empilement de cellules élémentaires, au sein desquelles a lieu une réaction électrochimique 15 entre deux réactifs qui sont introduits de manière continue. Le combustible, tel que l'hydrogène, pour les piles fonctionnant avec des mélanges hydrogène/oxygène, ou le méthanol pour des piles fonctionnant avec des mélanges méthanol/oxygène, est amené au contact de 20 l'anode, alors que le comburant, généralement l'oxygène, pouvant provenir de l'air environnant, est amené au contact de la cathode. L'anode et la cathode sont séparées par un électrolyte, par exemple, de type membrane échangeuse d'ions. La réaction électrochimique, dont l'énergie est convertie en énergie électrique, se scinde en deux demi-réactions: - une oxydation du combustible, se déroulant à l'interface anode/électrolyte produisant, 30 dans le cas des piles à hydrogène des protons H+, qui B 14304.3 FG vont traverser l'électrolyte en direction de la cathode, et produisant des électrons, qui rejoignent le circuit extérieur, afin de concourir à la production d'énergie électrique; - une réduction du comburant, se déroulant à l'interface électrolyte/cathode, avec production d'eau, dans le cas des piles à hydrogène. Pour que la pile à combustible fonctionne, elle doit être pourvue de moyens de fourniture en 10 combustible et en comburant, ces moyens de fourniture se matérialisant, généralement, sous forme de réservoirs attenant à la pile. La présence de ces moyens de fourniture présente les inconvénients suivants: - ils contribuent à l'encombrement de la pile à combustible; du fait de leur volume limité, ils nécessitent un remplacement ou une recharge régulière. Il a également été proposé comme moyens de 20 fournitures en hydrogène et oxygène un électrolyseur à eau distincts de la pile et reliée à celle-ci par des moyens hydrauliques. Toutefois, un tel dispositif présente l'inconvénient de présenter une masse et un volume très élevés, incompatible avec les applications 25 portables pour lesquelles les piles à combustible peuvent être destinées. EXPOSE DE L'INVENTION Le but de la présente invention est de proposer un dispositif de pile à combustible, 30 surmontant les inconvénients rencontrés dans les B 14304.3 FG réalisations de l'art antérieur, et présentant notamment une compacité élevée. Ce but et d'autres sont atteints, selon l'invention, par une pile à combustible à 5 hydrogène/oxygène comprenant au moins une cellule élémentaire, ladite cellule élémentaire comprenant: - une première zone fonctionnant en pile; - une seconde zone fonctionnant en électrolyseur à eau; - des moyens d'acheminement de l'oxygène et de l'hydrogène produit par la seconde zone vers la première zone, caractérisée en ce que la première zone et la seconde zone comprennent un électrolyte commun. 15 La pile à combustible, selon l'invention, présente, notamment du fait de la présence d'un électrolyte commun, les avantages suivants: - une compacité nettement supérieure par 20 rapport aux réalisations de l'art antérieur o les moyens de fourniture en oxygène et en hydrogène sous forme d'un électrolyseur à eau sont distincts de la pile; - une capacité à stocker l'eau produite par 25 la première zone fonctionnant en cellule de pile, au niveau de cet électrolyte commun, l'eau ainsi stockée permettant à la fois l'alimentation de la seconde zone et le maintien de l'humidification de l'électrolyte indispensable à son bon fonctionnement. 30 B 14304.3 FG L'électrolyte commun à la première zone et la seconde zone susmentionnée est, de préférence, une membrane échangeuse de protons. Avantageusement, la pile selon l'invention comprend des moyens d'acheminement de l'eau produite par la première zone vers la seconde zone. Ainsi, grâce à ce mode de réalisation, il n'est pas nécessaire d'approvisionner la pile à 10 combustible en eau, dans la mesure o l'eau provient de la réduction de l'oxygène ayant lieu dans la première zone, cette eau étant ainsi recyclée. Avantageusement, la pile selon l'invention peut comporter, en outre, des moyens de stockage de 15 l'eau produite par la première zone, lesdits moyens de stockage étant, préférentiellement, disposés de telle sorte que l'électrolyte soit en contact avec l'eau stockée. Ainsi, grâce à ce mode de réalisation, l'humidité de l'électrolyte peut être maintenue en 20 continu par capillarité, ce qui permet de contribuer à l'allongement de sa durée d'utilisation. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description non 25 limitative détaillée ci-dessous. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS - La figure 1 représente une vue en coupe d'une pile à combustible, selon un mode de réalisation particulier de l'invention; - La figure 2 représente, selon un mode de réalisation particulier de l'invention, une vue de face B 14304.3 FG des moyens d'acheminement des réactifs et produits intervenant lors du fonctionnement de la pile. EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS Sur la figure 1 est représentée une pile à 5 combustible 1, selon un mode de réalisation préféré de l'invention. La pile à combustible 1 comprend, selon la terminologie de l'invention, une cellule élémentaire 3 comprenant: - une première zone 5 fonctionnant en pile; - une seconde zone 7 fonctionnant en tant qu'électrolyseur à eau; ladite première zone 5 et ladite seconde zone 7 15 comprenant un électrolyte commun 9. La première zone 5 comprend une première électrode 11 apposée sur une face de l'électrolyte 9 et une seconde électrode 13 apposée sur la face opposée de 20 l'électrolyte 9. Comme cela a été mentionné ci-dessus, la première zone fonctionne comme une cellule de pile. Plus précisément, cette première zone est le siège des réactions suivantes: - une réaction de réduction de l'oxygène à l'interface entre la première électrode (fonctionnant ainsi comme une cathode) et l'électrolyte (1/2) 02 + 2H+ + 2e-* H20 (1) 30 B 14304.3 FG - une réaction d'oxydation de l'hydrogène à l'interface entre la seconde électrode (fonctionnant ainsi comme une anode) et l'électrolyte H2 -* 2H+ + 2e- (2) La seconde zone 7 comprend une première électrode 15 apposée sur une face de l'électrolyte 9, ladite première électrode 15 étant distincte de la première électrode 11 et une seconde électrode 17 10 apposée sur la face opposée de l'électrolyte 9, ladite seconde électrode étant distincte de la seconde électrode référencée 13. Cette seconde zone, comme cela a été mentionné plus haut, fonctionne comme un électrolyseur 15 à eau. Plus précisément, cette seconde zone est le siège des réactions suivantes: - une réaction d'oxydation de l'eau à l'interface entre la première électrode 15 (fonctionnant ainsi comme une anode) et l'électrolyte H20 (1/2)02 + 2H+ + 2e (3) - une réaction de réduction des protons, provenant de l'électrolyte, à l'interface entre la seconde électrode 17 (fonctionnant ainsi comme une cathode) et l'électrolyte 9 2H+ + 2e -> H2 (4) B 14304.3 FG La première zone et la seconde zone, partageant l'électrolyte commun 9, sont séparées, selon ce mode de réalisation, par des moyens d'isolation électrique 19, de manière à isoler électriquement la 5 partie génératrice de l'électricité (c'est-à- dire la première zone fonctionnant comme une cellule de pile) de la seconde zone (fonctionnant comme un électrolyseur à eau). De tels moyens d'isolation peuvent être, en 10 particulier, matérialisés par un polymère non conducteur déposé sur l'électrolyte et séparant physiquement les électrodes de la première zone 5 de celles de la seconde zone 7. Ce polymère peut être du Téflon ou un matériau de joint inerte chimiquement. La première zone 5 est reliée à un dispositif extérieur 21 fonctionnant à l'électricité produite par ladite première zone, tandis que la seconde zone 7 est reliée à une source d'alimentation en énergie électrique 23 pour que l'électrolyse de 20 l'eau puisse avoir lieu. Selon le mode de réalisation particulier, l'eau produite par la réaction à la première électrode de la première zone, est acheminée via des moyens 25 d'acheminement 25 à la deuxième zone. Ainsi, l'eau produite est recyclée pour produire de l'oxygène et du dihydrogène, qui viendront alimenter les électrodes adéquates de la première zone, par le biais de moyens d'acheminement référencés 30 respectivement 27 et 29 sur la figure 1, l'oxygène et B 14304.3 FG l'hydrogène ainsi produits pouvant être stockés dans des réservoirs distincts non représentés sur la figure. L'eau en excès peut avantageusement être stockée dans un réservoir, référencée 26 sur la figure 5 1, positionnée, par exemple, en partie basse de la pile. Avantageusement, une des faces de l'électrolyte pourra être en contact avec une ouverture dudit réservoir, de façon à ce que ladite face soit en contact avec l'eau stockée, de manière à ce que ledit 10 électrolyte puisse être humidifié par capillarité. Que ce soit pour ce mode de réalisation ou pour d'autres modes de réalisation, l'électrolyte commun est, de préférence, une membrane échangeuse de 15 protons. Généralement, la membrane échangeuse de protons est une membrane perfluorée comprenant des groupements acides tels que des groupes sulfoniques ou acides carboxyliques. A titre d'exemple de membranes 20 échangeuse de protons, on peut citer celles commercialisées sous la marque Nafion par la société Dupont de Nemours. En ce qui concerne les électrodes, que ce soit les électrodes de la première zone ou de la 25 seconde zone, celles-ci sont généralement en charbon actif imprégné d'un métal précieux, tel que le platine, destiné à catalyser les réactions adéquates aux électrodes. B 14304.3 FG La figure 2 représente des moyens d'acheminement des réactifs et produits intervenant lors du fonctionnement de la pile. Selon ce mode de réalisation, les moyens d'acheminement sont représentés par deux plaques: - une première plaque, représentée sur la partie a) de la figure 2, dont la face référencée 31 est apposée sur la surface de la première électrode de la première zone et sur la surface de la première 10 électrode de la seconde zone; - une seconde plaque représentée sur la partie b) de la figure 2, dont la face référencée 33 est apposée sur la surface de la seconde électrode de la première zone et sur la surface de la seconde 15 électrode de la seconde zone. La première plaque comporte une face 31 comportant: - une partie supérieure 35 en contact avec 20 la première zone, ladite partie comprenant un réseau de canaux de distribution de gaz 37, ces canaux étant organisés de manière à serpenter sur toute la surface de la première électrode, ces canaux étant constitués de tronçons horizontaux séparés par des coudes 25 descendants à 1800 et ladite partie comprenant une trou 39 débouchant dans ledit réseau - une partie inférieure référencée 41 en contact avec la première électrode de la seconde zone 30 fonctionnant comme un électrolyseur à eau, ladite partie comprenant un réseau de canaux 43 prolongeant le B 14304.3 FG réseau 37, ces canaux étant organisés de la même manière que le réseau de la première zone et ladite partie comprenant deux trous respectivement référencés et 47 débouchant dudit réseau; ladite partie supérieure 35 et partie inférieure 41 étant isolées électriquement l'une de l'autre par des moyens d'isolation électrique 49. Lors du fonctionnement de la pile, de 10 l'oxygène arrive par le trou 39 et circule, par le biais du réseau de canaux de distribution de gaz 37, à la surface de la première électrode de la première zone, o a lieu la réduction dudit oxygène en eau. L'eau produite, sous forme de gaz et de gouttelettes, 15 empreinte le même réseau de canaux que l'oxygène en excès et arrive dans la partie inférieure dans le réseau de canaux 43, o l'eau se condense, une partie de cette eau imprégnant la première électrode de la seconde zone et l'électrolyte commun, en vue de la 20 réaction d'électrolyse. L'oxygène en excès est véhiculé vers l'extérieur par le trou 47. Lors de l'électrolyse, l'oxygène produit est évacué par le trou 39 et stocké dans un réservoir non représenté sur la figure. Le trou 45 sert à acheminer de l'eau lors de l'électrolyse si 25 besoin est. L'oxygène ainsi produit est destiné à alimenter ultérieurement la partie supérieure de la plaque par le biais du trou référencé 39. La deuxième plaque comporte une face 51 30 organisée de la même manière que celle de la première plaque, si ce n'est qu'elle comporte dans sa partie B 14304.3 FG supérieure 53 en contact avec la seconde électrode de la première zone un trou 55 débouchant dans un réseau de canaux 57 et dans sa partie inférieure un seul trou 61 sortant du réseau de canaux 63 prolongeant le réseau de canaux 57 précédemment mentionné. Lors du fonctionnement de la pile, de l'hydrogène arrive par le trou 55 de la partie supérieure 53 et circule, par le biais du réseau de canaux 57, à la surface de la seconde électrode de la 10 première zone, o a lieu l'oxydation de l'hydrogène en protons, l'hydrogène en excès progressant, dans la partie inférieure 59, par le réseau de canaux 63, o il est évacué par le trou 61. L'hydrogène produit lors de l'électrolyse, par la réduction des protons compris 15 dans l'électrolyte commun, circule par le réseau de canaux 63 puis le réseau de canaux 57 et est véhiculé vers l'extérieur par le trou 55, en vue d'être stocké dans des réservoirs de stockage non représentés destinés à alimenter la première zone en hydrogène. Les piles à combustible, que ce soit pour le mode de réalisation décrit ci-dessus ou pour d'autres modes de réalisations, peuvent trouver, grâce à leur autonomie, des applications dans de nombreux domaines. Ainsi, les piles, selon l'invention, peuvent trouver un intérêt particulier dans une utilisation en tant que piles de faible puissance (de quelques watts à quelques kilowatts) pour les applications portables et transportables. Les piles à combustible, selon la présente invention, peuvent se révéler intéressantes pour les B 14304.3 FG applications dites de 'jour et nuit', telles que les applications spatiales et maritimes, dans lesquelles des panneaux photovoltaïques, par exemple, peuvent servir pendant le jour à produire de l'hydrogène et de 5 l'oxygène, pour constituer des réserves et à consommer ces réserves de gaz pour continuer à produire de l'électricité pendant la nuit. B 14304.3 FG REVENDICATIONS 1. Pile à combustible à hydrogène/oxygène comprenant au moins une cellule élémentaire, ladite cellule élémentaire comprenant: - une première zone (5) fonctionnant en pile; - une seconde zone (7) fonctionnant en électrolyseur à eau; - des moyens d'acheminement de l'oxygène 10 (27) et de l'hydrogène (29) produit par la seconde zone (7) vers la première zone (5), caractérisée en ce que la première zone (5) et la seconde zone (7) comprennent un électrolyte commun (9). 2. Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce l'électrolyte commun (9) est une membrane échangeuse de protons. 3. Pile à combustible selon la 20 revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en la cellule élémentaire comprend des moyens d'acheminement de l'eau (25) produite par la première zone (5) vers la seconde zone (7). 4. Pile à combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte, en outre, des moyens de stockage (26) de l'eau produite par la première zone. 5. Pile à combustible selon la revendication 4, caractérisée lesdits moyens de B 14304.3 FG stockage (26) sont disposés de telle sorte que l'électrolyte soit en contact avec l'eau stockée. B 14304.3 FG