Brevet FR2869160A1 — publié le 20051021

La présente invention concerne une pile à combustible, conçue spécialement pour utiliser un matériau formant couche en film poreux, avec une ventilation de gaz, mais avec une isolation aux liquides, afin de former une couche iso- lante pour que la pile à combustible puisse être étanche à l'eau et empêcher les fuites de liquide et, également, pour que les gaz produits après la réaction de la pile à combustible puissent s'échapper. La pile à combustible utilisée doit respectivement fournir un combustible dans lequel est inclus de l'hydrogène et un combustible dans lequel est inclus de l'oxygène sur les deux côtés d'une membrane échangeuse de protons, afin de former une boucle électrique après la réaction d'oxydoréduction, pour la demande d'offre de puissance. Les réactants nécessaires pour ce type de pile à combustible comprennent un combustible liquide, tel qu'un combustible de type méthanol, et les produits principaux issus de la réaction sont l'eau et le dioxyde de carbone, pour que la pile à combustible empêche que de tels liquides fuient vers l'extérieur, vers les dispositifs électroniques de travail, et il faut également laisser s'échapper les gaz produits pour maintenir à l'intérieur de la pile à combustible une composition d'air stable et une pression constante. La pile à combustible utilisée, usuellement, fait utilisation d'une conception structurelle de mécanisme, telle qu'une soupape de décharge de pression, pour résoudre ce problème; cependant, ce type de conception présente toujours une contrainte directionnelle en utilisation et influe sur la conception structurelle de la pile à combustible. Il a été recherché les inconvénients de la pile à combustible utilisée et souhaite améliorer et inventer une pile à combustible qui présente une structure gaz/liquide qui soit isolée. Le but principal de la présente invention est de four- nir une pile à combustible assurant les fonctions d'étanchéité à l'eau, d'empêchement de fuite de liquide et d'échappement du gaz produit. Pour atteindre le but ci-dessus, la présente invention fournit une pile à combustible ayant une structure gaz/liquide isolée, comprenant: un composant formant noyau de pile à combustible, utilisé pour produire de l'électri- cité par une réaction électrochimique; une couche isolante, formée d'une couche à film poreux ayant une fonction de ventilation gazeuse mais avec une fonction d'isolation des liquides, placée à l'intérieur de la pile à combustible et utilisée pour isoler le liquide du composant formant noyau de pile à combustible, dans une réaction électrochimique, et le liquide produit après la réaction électrochimique, par la couche isolante, et également utilisée pour ventiler le gaz du composant formant noyau de pile à combustible dans la réaction électrochimique, et le gaz pro- duit après la réaction électrochimique, à travers la couche isolante, pour assurer les fonctions d'étanchéité à l'eau, d'anti-fuite et d'empêchement de fuite de liquide. De préférence, le composant formant noyau de la pile à combustible comprend une couche de collecte de courant d'anode, une couche d'ensemble d'électrode à membrane et une couche de collecte de courant de cathode. Avantageusement, la couche isolante est placée sur la surface supérieure, ou sur la surface inférieure de la couche de collecte de courant d'anode. Selon un autre mode de réalisation, la couche isolante est placée sur la surface supérieure, ou sur la surface inférieure de la couche de collecte de courant de cathode. Avantageusement, la pile à combustible comprend en outre: une unité d'alimentation en combustible d'anode, reliant au composant formant noyau de la pile à combustible, utilisée pour fournir et guider le combustible d'anode vers les anodes du composant formant noyau de pile à combustible; une unité d'alimentation en combustible de cathode, reliant au composant formant noyau de le pile à combustible, utilisée pour fournir et guider le combustible de cathode vers les cathodes du composant formant noyau de pile à combustible. De préférence, la couche isolante est placée sur la surface supérieure, ou sur la surface inférieure, ou sur les faces périphériques de l'unité d'alimentation en combustible d'anode. Avantageusement, la couche isolante est placée sur la surface supérieure, ou sur la surface inférieure, ou sur les faces périphériques de l'unité d'alimentation en corn- bustible de cathode. De préférence, la pile à combustible est une pile à combustible à méthanol direct. Avantageusement, la couche isolante est utilisée pour faire passer l'air externe à travers la couche isolante et empêcher l'eau produite par la réaction, se produisant dans la pile à combustible à méthanol direct, de fuir vers l'extérieur de la pile à combustible. Selon une variante de réalisation, la couche isolante est utilisée pour faire passer le gaz de dioxyde de carbone produit par la réaction et empêcher que la solution de méthanol ne fuie vers l'extérieur de la pile à combustible en passant par la couche isolante. De préférence, la couche isolante est en polytétrafluoro-éthylène (PTFE). Les buts et avantages ci-dessus de la présente invention vont devenir mieux évidents en référence aux dessins annexés, parmi lesquels: La figure 1 représente la pile à combustible selon la présente invention, ayant une structure gaz/liquide iso-30 lée; la figure 2 représente, en coupe longitudinale, la pile à combustible, selon la figure 1; la figure 3A représente le mode de réalisation de la couche isolante selon la présente invention, placée sur la surface supérieure de l'unité d'alimentation en combustible d'anode; la figure 3B représente le mode de réalisation de la couche isolante selon la présente invention, placée sur la surface inférieure de l'unité d'alimentation en combustible d'anode; la figure 3C représente le mode de réalisation de la couche isolante selon la présente invention, placée autour des faces périphériques de l'unité d'alimentation en combustible d'anode; la figure 4A représente le mode de réalisation de la couche isolante selon la présente invention, placée sur la surface supérieure de l'unité d'alimentation en combustible de cathode; la figure 4B représente le mode de réalisation de la couche isolante selon la présente invention, placée sur la surface inférieure de l'unité d'alimentation en combustible de cathode; la figure 4C représente le mode de réalisation de la couche isolante selon la présente invention, placée autour des faces périphériques de l'unité d'alimentation en corn- bustible de cathode; et la figure 5 représente comment les couches isolantes sont respectivement placées sur la surface supérieure de la couche de collecte de courant d'anode, et la surface inférieure de la couche de collecte de courant, selon la pré- sente invention. La figure 1 représente la vue structurelle de la pile à combustible selon la présente invention, comprenant la structure gaz/liquide isolée. La pile à combustible 10 selon la présente invention, comprenant une structure gaz/liquide isolée, est conçue principalement pour placer une couche isolante 21, 23 à l'intérieur de la pile à com- bustible 10, afin d'empêcher une transmission de liquide combustible mais en permettant encore une ventilation du gaz pour obtenir un empêchement d'une fuite de liquide, et une ventilation du gaz produit après la réaction de la pile à combustible pour conserver une pression constante à l'in- térieur de la pile à combustible 10. La pile à combustible 10 selon la présente invention comprend principalement un composant formant noyau de pile à combustible 11, une unité d'alimentation en combustible d'anode 13 et une unité d'alimentation en combustible de cathode 15. Le composant formant noyau de pile à combustible 11 est principalement formé d'une couche de collecte de courant d'anode 111, d'une couche d'ensemble d'électrode à membrane 113, et d'une couche de collecte de courant de cathode 115. Sur la figure 1, la couche de collecte de courant d'anode 111 et la couche de collecte de courant de cathode 115 sont respectivement empilées sur les deux faces de la couche 113, certaines unités de pile à combustible 113a de la couche d'ensemble d'électrode à membrane 113 précédant la réaction électrochimique, et collectant répétitivement des courants sur la couche de collecte de courant d'anode 111 et la couche de collecte de courant de cathode 115. L'unité d'alimentation en combustible d'anode 13 est reliée au côté anode du composant formant noyau de pile à combustible 11 pour fournir et guider le courant d'anode vers les anodes du composant formant noyau de pile à combustible 11. L'unité d'alimentation en combustible de cathode 15 est reliée au côté cathode du composant formant noyau de pile à combustible 11, pour fournir et guider le courant de cathode vers les cathodes du composant formant noyau de pile à combustible 11. Les couches isolantes 21, 23 sont placées dans l'unité d'alimentation en combustible d'anode 13 ou dans l'unité d'alimentation en courant de cathode 15 et, également, les couches isolantes 21, 23 sont en mesure d'utiliser la couche en film poreux, ayant une fonction de ventilation des gaz mais d'isolation des liquides, pour que la pile à combustible 10 accomplisse les fonctions d'étanchéité à l'eau, d'anti-fuite et d'empêchement de fuite de liquide grâce à la propriété physique d'une telle couche en film poreux. La figure 2 représente la vue en coupe longitudinale du mode de réalisation de pile à combustible, selon la construction de la figure 1. Sur la figure 2, la pile à combustible 10 à méthanol direct, qui est concrètement l'objet de l'unité d'alimentation en combustible d'anode 13, est capable d'être un composant à champ d'écoulement, par exemple un composant à champ d'écoulement construit par une auge à combustible et le canal d'écoulement de combustible, l'unité d'alimentation en courant d'anode 13 injecte la solution de méthanol du combustible d'anode, depuis l'entrée d'injection 13a, et la solution de méthanol injectée de combustible d'anode passe par les trous llla, pour alimenter suffisamment l'anode de chaque unité de pile à combustible 113a. La couche isolante 21 est placée sur l'unité d'alimentation en combustible d'anode 13, la position de placement étant en surface supérieure, en surface inférieure ou sur les côtés périphériques de l'unité d'alimentation en combustible d'anode 13, en se référant aux modes de réalisation représentés sur les figures 3A à 3C de la couche isolante placée sur l'unité d'alimentation en combustible d'anode. La solution de méthanol, s'écoulant tout autour, est en mesure d'être isolée de toute fuite vers l'extérieur, de l'unité d'alimentation en combustible d'anode 13, grâce à la propriété physique apportée par la couche en film poreux de la couche isolante 21. Entretemps, le gaz de dioxyde de carbone, produit autour de la borne d'anode de l'unité de pile à combustible 113A par la réaction chimique, est en mesure de passer à travers la couche isolante 21 et de s'échapper à l'extérieur en passant par la sortie de gaz (non représentée sur la figure). Sur la figure 2 de la pile à combustible à méthanol direct 10, la couche isolante 23 est placée sur l'unité d'alimentation en combustible de cathode 15, la position choisie pour l'emplacement étant la surface supérieure, la surface inférieure ou les côtés périphériques de l'unité d'alimentation en combustible de cathode 15, en se référant aux modes de réalisation représentés sur les figures 4A à 4C de la couche isolante placée sur l'unité d'alimentation en combustible de cathode. L'air externe (ou l'oxygène) est en mesure de passer à travers la couche isolante 23 par les trous 115a, pour arriver à la cathode de chaque unité de pile à combustible 113a, grâce à la propriété physique offerte par la couche en film poreux de la couche isolante 23. Entre-temps, l'eau produite par la borne de cathode de l'unité de pile à combustible 113a, sous l'effet de la réaction chimique, est en mesure d'être isolée par la couche isolante 23 et de fuir vers l'extérieur de l'unité d'alimentation en combustible de cathode 15, puis de s'échapper par la sortie d'eau (non représentée sur la figure). La figure 5 représente les couches isolantes placées respectivement sur la surface supérieure de la couche de collecte de courant d'anode et la surface inférieure de la couche de collecte de courant, selon l'esprit de la pré-sente invention. Selon l'esprit de la présente invention, la présente invention est en mesure de placer une couche isolante 25 sur la surface supérieure de la couche de col- lecte de courant de cathode 115 ou de placer une couche isolante 26 sur la surface inférieure de la couche de collecte de courant de cathode 115, de façon similaire, en plaçant une couche isolante 27 sur la surface inférieure de la couche de collecte de courant d'anode 111 ou en plaçant une couche isolante 28 sur la surface supérieure de la couche de collecte de courant d'anode 111. Le gaz, tel que du dioxyde de carbone ayant été produit après la réaction électrochimique de la couche 113, est en mesure de passer par les trous lllb et les couches isolantes 27, 28 pour s'écouler vers l'extérieur. Le liquide, tel que de l'eau, produit après la réaction électrochimique de la couche 113, ne peut s'échapper par les trous 115b du fait d'être éventuellement isolé par les couches isolantes 25, 26. La totalité des matériaux poreux, ayant une fonction de ventilation par les gaz, mais d'isolation aux liquides, sont éventuellement utilisés pour la présente invention, tel que du polytétrafluoro-éthylène (PTFE), en tant que matériau utilisé pour la couche isolante dans la présente invention. En outre, la pression à la fois à l'intérieur et à l'extérieur de la pile à combustible 10 selon la présente invention est en mesure d'être maintenue constante, du fait de l'effet de ventilation assuré par la couche isolante. Selon l'esprit de la présente invention, la couche isolante selon la présente invention, se plaçant à la position décrite ci-dessus, est également éventuellement placée en une autre position à l'intérieur de la pile à combusti- ble 10, telle que la sortie d'échappement de gaz, pour empêcher que le liquide externe ne s'écoule à l'intérieur, depuis la sortie d'échappement de gaz, et risque d'endommager la pile à combustible 10. La pile à combustible selon la présente invention, 15 ayant une structure gaz/liquide isolée, présente les avantages suivants. a. La structure gaz/liquide isolée de la pile à combustible selon la présente invention, utilisant le matériau poreux ayant une fonction de ventilation pour les gaz mais d'isolation aux liquides, pour former la couche isolante, permet d'atteindre aisément les buts d'empêchement de fuite de liquide combustible, par la pile à combustible, d'échappement des gaz produits par la réaction chimique et, égale-ment, de pénétration d'air externe. b. La structure gaz/liquide isolée de la pile à combustible selon la présente invention, ayant une fonction de ventilation pour les gaz mais d'isolation aux liquides, est en mesure d'empêcher qu'une fuite de liquide combustible se produise dans la pile à combustible équipée à l'intérieur du dispositif électronique, en tant que puissance interne. c. La structure gaz/liquide isolée de la pile à combustible selon la présente invention, ayant une ventilation pour les gaz mais une isolation aux liquides est en mesure de laisser s'échapper le gaz ayant été produit, sous un angle quelconque, et de ne jamais subir de fuite de liquide dans une direction quelconque, faisant qu'elle n'est pas influencée par la direction nominale pour l'usage de la pile à combustible, permettant que la pile à combustible bénéficie d'un usage plus populaire; et d. En utilisant la structure gaz/liquide isolée de la pile à combustible selon la présente invention, pour utili- ser une couche isolante en film, on peut aisément obtenir une ventilation pour les gaz mais une isolation face aux liquides, de la structure, dans la construction correspondant à la conception d'origine, et obtenir de ne pas beau-coup augmenter le volume nécessaire à la pile à combusti- ble. REVENDICATIONS 1. Pile à combustible ayant une structure gaz/liquide isolée, caractérisée par le fait qu'elle comprend: un composant formant noyau de pile à combustible (11), 5 utilisé pour produire de l'électricité par une réaction électrochimique, une couche isolante (21, 23), formée d'une couche à film poreux ayant une fonction de ventilation gazeuse mais avec une fonction d'isolation des liquides, placée à l'in- térieur de la pile à combustible et utilisée pour isoler le liquide du composant formant noyau de pile à combustible (11), dans une réaction électrochimique, et le liquide pro-duit après la réaction électrochimique, par la couche isolante (21, 23), et également utilisée pour ventiler le gaz du composant formant noyau de pile à combustible (11) dans la réaction électrochimique, et le gaz produit après la réaction électrochimique, à travers la couche isolante (21, 23), pour assurer les fonctions d'étanchéité à l'eau, d'anti-fuite et d'empêchement de fuite de liquide. 2. Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le composant formant noyau de la pile à combustible comprend une couche de collecte de courant d'anode (111), une couche d'ensemble d'électrode à membrane (113) et une couche de collecte de courant de cathode (115). 3. Pile à combustible selon la revendication 2, caractérisée par le fait que la couche isolante (21, 23) est placée sur la surface supérieure de la couche de collecte de courant d'anode (111). 4. Pile à combustible selon la revendication 2, caractérisée par le faut que la couche isolante (21, 23) est placée sur la surface inférieure de la couche de collecte de courant d'anode (111). 5. Pile à combustible selon la revendication 2, 35 caractérisée par le fait que la couche isolante (21, 23) est placée sur la surface supérieure de la couche de collecte de courant de cathode (115). 6. Pile à combustible selon la revendication 2, caractérisée par le fait que la couche isolante (21, 23) est placée sur la surface inférieure de la couche de collecte de courant de cathode (115). 7. Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comprend en outre: une unité d'alimentation en combustible d'anode (13), reliant au composant formant noyau de la pile à combustible, utilisée pour fournir et guider le combustible d'anode vers les anodes du composant formant noyau de pile à combustible (11) ; une unité d'alimentation en combustible de cathode (15), reliant au composant formant noyau de le pile à combustible, utilisée pour fournir et guider le combustible de cathode vers les cathodes du composant formant noyau de pile à combustible (11). 8. Pile à combustible selon la revendication 7, caractérisée par le fait que la couche isolante (21, 23) est placée sur la surface supérieure de l'unité d'alimentation en combustible d'anode (13). 9. Pile à combustible selon la revendication 7, caractérisée par le fait que la couche isolante (21, 23) est placée sur la surface inférieure de l'unité d'alimentation en combustible d'anode (13). 10. Pile à combustible selon la revendication 7, caractérisée par le fait que la couche isolante (21, 23) est placée sur les faces périphériques de l'unité d'ali- mentation en combustible d'anode (13). 11. Pile à combustible selon la revendication 7, caractérisée par le fait que la couche isolante (21, 23) est placée sur la surface supérieure de l'unité d'alimentation en combustible de cathode (15). 12. Pile à combustible selon la revendication 7, caractérisée par le fait que la couche isolante (21, 23) est placée sur la surface inférieure de l'unité d'alimentation en combustible de cathode (15). 13. Pile à combustible selon la revendication 7, caractérisée par le fait que la couche isolante (21, 23) est placée sur les faces périphériques de l'unité d'alimentation en combustible de cathode (15). 14. Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la pile à combustible est une pile à combustible à méthanol direct. 15. Pile à combustible selon la revendication 14, caractérisée par le fait que la couche isolante (21, 23) est utilisée pour faire passer l'air externe à travers la couche isolante (21, 23) et empêcher l'eau produite par la réaction, se produisant dans la pile à combustible à métha- nol direct, de fuir vers l'extérieur de la pile à combustible. 16. Pile à combustible selon la revendication 14, caractérisée par le fait que la couche isolante (21, 23) est utilisée pour faire passer le gaz de dioxyde de carbone produit par la réaction et empêcher que la solution de méthanol ne fuie vers l'extérieur de la pile à combustible en passant par la couche isolante (21, 23). 17. Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la couche isolante (21, 23) 25 est en polytétrafluoro-éthylène (PTFE).