Brevet FR2952757A1 — publié le 20110520

MODULE DE PILE À COMBUSTIBLE MÉTAL-AIR La présente invention concerne une pile à combustible, et plus particulièrement un module de pile à combustible métal-air. La figure 1 illustre une voiture électrique d'enfant 1 qui comprend un corps de voiture 11, une unité motrice 13, et une pile à combustible métal-air conventionnelle 12 connectée électriquement à l'unité motrice 13 pour lui fournir une puissance électrique. La pile à combustible métal-air conventionnelle 12 comprend : une structure d'empilage qui constitue une couche métallique 121 servant d'anode, une couche de diffusion gazeuse 122 servant de cathode, et une couche isolante 123 disposée entre la couche métallique 121 et la couche de diffusion gazeuse 122 ; un film de couverture 124 pour recouvrir la structure d'empilage, et un amortisseur 125 pour serrer un ensemble du film de couverture 124 et de la structure d'empilage. La pile à combustible 12 doit être désassemblée pour enduire un électrolyte (non représenté) sur la couche isolante 123 avant l'utilisation, ce qui n'est pas pratique. En outre, un fonctionnement défaillant peut entraîner un court-circuit entre la couche de diffusion gazeuse 122 et la couche métallique 121. En outre, la quantité de l'électrolyte enduit sur la couche isolante 123 est très faible, et la puissance électrique produite par la pile à combustible 12 est limitée et ne peut pas se conformer aux nécessités de l'utilisateur. C'est pourquoi, un objet de la présente invention est de proposer un module de pile à combustible métal-air qui puisse résoudre les désavantages susmentionnés de l'art antérieur. Selon la présente invention, un module de pile à combustible métal-air capable de fournir une puissance électrique à un appareil électrique est proposé. Le module de pile à combustible comprend : un boîtier configuré avec un espace de logement intérieur, et possédant une extrémité supérieure formée avec une ouverture, et une surface latérale formée avec une pluralité d'entrées d'air, l'ouverture et les entrées d'air étant en communication spatiale avec l'espace de logement intérieur ; un siège de coiffe connecté au boîtier de façon séparable, et possédant une partie obturateur qui s'étend vers le bas dans l'espace de logement intérieur à travers l'ouverture dans l'extrémité supérieure du boîtier pour obturer l'ouverture ; une unité d'électrolyse comprenant : - une feuille de diffusion gazeuse conductrice disposée dans le boîtier pour recouvrir les entrées d'air de façon étanche, et permettant à l'air de passer à travers, - une solution électrolytique remplissant l'espace de logement intérieur dans le boîtier, et - une feuille métallique disposée dans l'espace de logement intérieur dans le boîtier et montée sur le siège de coiffe de façon séparable ; une première plaque électrode montée sur le boîtier et possédant une partie d'extrémité qui s'étend dans l'espace de logement intérieur dans le boîtier et qui est en contact électrique avec la feuille de diffusion gazeuse ; et une seconde plaque électrode montée dans le siège de coiffe, espacée de la première plaque électrode, et possédant une partie d'extrémité qui s'étend dans l'espace de logement intérieur dans le boîtier et qui est en contact électrique avec la feuille métallique. L'unité d'électrolyse produit la puissance d'électrode en réponse à une oxydation et une réduction électrolytique de sorte que la puissance électrique produite par l'unité d'électrolyse est fournie à l'appareil électrique lorsque l'appareil électrique est connecté électriquement entre les première et seconde plaques électrodes. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention deviendront évidents dans la description détaillée du mode de réalisation préféré qui suit en référence aux dessins joints, sur lesquels : la figure 1 est une vue en perspective représentant une pile à combustible métal-air conventionnelle montée sur une voiture électrique d'enfant ; la figure 2 est une vue en perspective partiellement en éclaté représentant le mode de réalisation préféré d'un module de pile à combustible métal-air selon la présente invention ; la figure 3 est une vue en perspective assemblée représentant le mode de réalisation préféré ; la figure 4 est une vue en coupe schématique du mode de réalisation préféré prise le long de la ligne VI-VI sur la figure 3 ; la figure 5 est une vue en coupe schématique du 5 mode de réalisation préféré prise le long de la ligne V-V sur la figure 3 ; les figures 6a et 6b sont des vues en perspective représentant un siège de coiffe du mode de réalisation préféré ; 10 la figure 7 est une vue en perspective représentant une voiture électrique d'enfant pourvue du mode de réalisation préféré ; et la figure 8 est une vue en perspective représentant un jouet combinatoire électrique pourvu 15 d'une connexion en série de deux modules de pile à combustible métal-air du mode de réalisation préféré. En faisant référence aux figures 2 à 5, le mode de réalisation préféré d'un module de pile à combustible métal-air selon la présente invention est représenté 20 comme comprenant un boîtier transparent 3, un siège de coiffe 5, une unité d'électrolyse, une première plaque électrode 7, et une seconde plaque électrode 8. Le boîtier 3 est configuré avec un espace de logement intérieur 30 (voir figure 4). Comme représenté 25 sur la figure 2, le boîtier 3 comporte une extrémité supérieure 31, une surface latérale 32, et des côtés latéraux opposés dans une première direction (A). L'extrémité supérieure 31 est formée avec une ouverture 311 en communication spatiale avec l'espace de logement 30 intérieur 30. La surface latérale 32 est formée avec une pluralité d'entrées d'air 321 en communication spatiale avec l'espace de logement intérieur 30. Dans ce mode de réalisation, chaque côté latéral est formé avec une rainure d'insertion 33 s'étendant vers le bas à partir de l'extrémité supérieure 31. La rainure d'insertion 33 dans chaque côté latéral du boîtier 3 est définie par une paroi en boucle 36 qui est formée avec un orifice d'entrée en prise 361. En outre, l'extrémité supérieure 31 est formée avec deux orifices d'entrée 34 en communication spatiale avec l'espace de logement intérieur 30, et deux obturateurs 37 pour obturer respectivement les orifices d'entrée 34. Le boîtier 3 comporte en outre une oreille de positionnement 39 s'étendant vers le haut à partir de l'extrémité supérieure 31. Le siège de coiffe 5 est relié au boîtier 3 de façon séparable, et comporte une partie obturateur 51, et une paire de bras de liaison s'étendant vers le bas 52. La partie obturateur 51 s'étend vers le bas dans l'espace de logement intérieur 30 dans le boîtier 3 à travers l'ouverture 311 dans l'extrémité supérieure 31 du boîtier 3 pour obturer l'ouverture 311, comme cela est mieux représenté sur la figure 4. Les bras de liaison 52 sont opposés l'un à l'autre dans la première direction (A). Chaque bras de liaison 52 s'étend dans et entre en prise de façon libérable avec la rainure d'insertion 33 dans un côté latéral correspondant du boîtier 3. Dans ce mode de réalisation, chaque bras de liaison 52 comporte une partie d'extrémité agrandie 521 s'étendant dans et entrant en prise de façon libérable avec l'orifice d'entrée en prise 361 dans la paroi en boucle 36 du côté latéral correspondant du boîtier 3, comme cela est mieux représenté sur la figure 5. En outre, le siège de coiffe 5 est formé avec une rainure de positionnement s'étendant verticalement 59 entrant en prise de façon coulissante avec l'oreille de positionnement 39 du boîtier 3. En faisant référence à la figure 4, l'unité d'électrolyse comprend une feuille de diffusion gazeuse conductrice 2, une solution électrolytique 6, et une feuille métallique 4. La feuille de diffusion gazeuse 2 est disposée dans le boîtier 3 pour recouvrir les entrées d'air 421 de façon étanche et permettre à l'air de passer à travers. La solution électrolytique 6 remplit l'espace de logement intérieur 30 dans le boîtier 3. La feuille métallique 4 est disposée dans l'espace de logement intérieur 30 dans le boîtier 3, et est montée sur le siège de coiffe 5 de façon séparable. La feuille métallique 4 comporte une première surface latérale 41, et une seconde surface latérale 42 opposée à la première surface latérale 41 dans une seconde direction (B) qui est transversale à la première direction (A). Dans ce mode de réalisation, la feuille de diffusion gazeuse 2 est faite de carbone, et la feuille métallique 4 est faite d'aluminium (Al) ou de magnésium (Mg). Dans ce mode de réalisation, en référence en outre aux figures 6a et 6b, le siège de coiffe 5 comporte en outre une unité de serrage pour serrer la feuille métallique 4. L'unité de serrage comprend un cadre en forme de U 53, un premier bloc de positionnement oblong 54, deux deuxièmes blocs de positionnement 55, et deux troisièmes blocs de positionnement 56. Le cadre en forme de U 53 est défini par deux plaques latérales 531 opposées l'une à l'autre dans la première direction (A) et s'étendant vers le bas à partir d'une surface inférieure 511 de la partie obturateur 51 de sorte que la feuille métallique 4 soit serrée entre les plaques latérales 331 dans la première direction (A) (voir figure 5), et une tige intermédiaire 532 reliant mutuellement les plaques latérales 531 et prenant appui contre la première surface latérale 41 de la feuille métallique 4. Le premier bloc de positionnement 54 est formé sur la surface inférieure 511 de la partie obturateur 51 et s'étend dans la première direction (A). Le premier bloc de positionnement 54 prend appui contre la seconde surface latérale 42 de la feuille métallique (voir figure 4). Les deuxièmes blocs de positionnement 55 s'étendent vers le bas à partir de la surface inférieure 511 de la partie obturateur 51, et sont opposés l'un à l'autre dans la première direction (A). En outre, les deuxièmes blocs de positionnement 55 sont espacés du premier bloc de positionnement 54 dans la seconde direction (B), et prennent appui contre la première surface latérale 42 de la feuille métallique 4. Les troisièmes blocs de positionnement s'étendent respectivement à partir des plaques latérales 531 du cadre en forme de U 53 l'un vers l'autre dans la première direction (A), et sont disposés entre les deuxièmes blocs de positionnement 55, et la tige intermédiaire 532 du cadre en forme de U 53. Les troisièmes blocs de positionnement 56 prennent appui contre la seconde surface latérale 42 de la feuille métallique 4. Ainsi, la feuille métallique 42 est serrée par le premier bloc de positionnement 54, les deuxièmes blocs de positionnement 55, les troisièmes blocs de positionnement 56, et la tige intermédiaire 532 du cadre en forme de U 53 dans la seconde direction (B) (voir figure 4). La première plaque électrode 7 est montée sur le boîtier 5, et comporte une partie d'extrémité 71 qui s'étend dans l'espace de logement intérieur 30 dans le boîtier 3 et qui est en contact électrique avec la feuille de diffusion gazeuse 2. En outre, la première plaque électrode 7 s'étend vers le haut le long de et est fixée à l'oreille de positionnement 39. La seconde plaque électrode 8 est montée dans le siège de coiffe 5, et est espacée de la première plaque électrode 7. La seconde plaque électrode 8 comporte une partie d'extrémité 81 qui s'étend dans l'espace de logement intérieur 30 dans le boîtier 3 et qui est en contact électrique avec la feuille métallique 4. Dans ce mode de réalisation, le siège de coiffe 5 est formé avec un premier orifice de montage de borne 57 et un second orifice de montage de borne 58. Le premier orifice de montage de borne 57 est formé pour qu'une partie 82, à savoir, une partie supérieure, de la seconde plaque 8 soit exposée à travers le premier orifice de montage de borne 57. Le second orifice de montage de borne 58 est un orifice de passage qui est en communication spatiale avec la rainure de positionnement 59, et est formé pour qu'une partie 72, à savoir, une partie d'extrémité supérieure, soit exposée à travers le second orifice de montage de borne 58. Pour l'unité d'électrolyse, la feuille métallique 4 et la feuille de diffusion gazeuse 2 servent respectivement d'anode et de cathode de la réaction électrolytique de sorte que l'unité d'électrolyse produise une puissance électrique en réponse à une oxydation électrolytique au niveau de la feuille métallique 4 et une réduction électrolytique au niveau de la feuille de diffusion gazeuse 2. Dans ce cas, la première plaque électrode 7 et la seconde plaque électrode 8 servent respectivement d'électrode positive et d'électrode négative du module de pile à combustible métal-air. Ainsi, la puissance électrique produite par le mode de réalisation préféré peut être fournie à un appareil électrique lorsque l'appareil électrique est connecté électriquement entre les première et seconde plaques électrodes 7, 8. En d'autres termes, la puissance électrique est fournie sous forme de courant qui passe à partir de la première plaque électrode 7 à travers l'appareil électrique et retourne à la seconde plaque électrode 8. En faisant référence à la figure 7, le module de pile à combustible métal-air est représenté comme fournissant la puissance électrique à une voiture électrique d'enfant 200 servant d'appareil électrique. La voiture électrique d'enfant 200 comprend un corps de voiture 202 constituant une pluralité de briques combinatoires, et une brique moteur 201 pour entraîner la rotation de roues montées sur le corps de voiture 202. Le module de pile à combustible métal-air comprend en outre des premier et deuxième fils de borne 91, 92. Chacun des premier et deuxième fils de borne 91, 92 est connecté électriquement entre une plaque correspondante des première et seconde plaques électrodes 7, 8, et la brique moteur 201 de la voiture électrique d'enfant 200. Le premier fil de borne 91 comporte des parties d'extrémité d'insertion opposées 911, dont une est insérée dans le second orifice de montage de borne 58 dans le siège de coiffe 5 et en contact électrique avec la partie 72 de la première plaque électrode 7, et dont l'autre est insérée dans la brique moteur 201 et en contact électrique avec un moteur d'entraînement (non représenté) dans la brique moteur 201. Le deuxième fil de borne 92 comporte des parties d'extrémité d'insertion opposées 921, dont une est insérée dans le premier orifice de montage de borne 57 dans le siège de coiffe 5 et en contact électrique avec la partie 82 de la seconde plaque électrode 8, et dont l'autre est insérée dans la brique moteur 201 et en contact électrique avec le moteur d'entraînement. En outre, le boîtier 5 comporte en outre deux éléments de connexion 35 formés sur une extrémité inférieure de celui-ci, comme représenté sur la figure 5, et adaptés pour être connectés à une brique correspondante du corps de voiture 202. Dans un exemple, lorsque la feuille métallique 4 est faite d'Al et de Mg, et a une taille de 0,5 mm x 40 mm x 30 mm, le module de pile à combustible métal-air de la présente invention peut produire une puissance électrique d'environ 1,4 à 1,8 V et 600 à 700 mAh. Dans un autre exemple, lorsque la feuille métallique 4 est sous forme de feuille d'aluminium à couches multiples, et a une taille de 0,72 mm x 270 mm x 80 mm, le module de pile à combustible métal-air de la présente invention peut produire une puissance électrique d'environ 0,75 à 0,85 V et 53 à 60 mAh. Dans un exemple supplémentaire, lorsque la feuille métallique 4 est faite d'Al, et a une taille de 0,8 mm x 40 mm x 30 mm, le module de pile à combustible métal-air de la présente invention peut produire une puissance électrique d'environ 0,72 à 0,83 V et 50 à 60 mAh. En faisant référence à la figure 8, deux modules de pile à combustible métal-air du mode de réalisation préféré connectés en série sont représentés montés sur un jouet combinatoire électrique 300 qui sert d'appareil électrique. Un troisième fil de borne 93 est utilisé pour connecter électriquement et mutuellement l'électrode positive d'un module de pile à combustible métal-air et l'électrode négative de l'autre module de pile à combustible métal-air. En bref, pour la feuille métallique 4 et la solution électrolytique 6 utilisée en tant que combustible, la feuille métallique 4 peut être facilement obtenue et peut être facilement remplacée en séparant le siège de coiffe 5 du boîtier 3, et la solution électrolytique 6 peut facilement remplir l'espace de logement intérieur 30 par l'intermédiaire des orifices d'entrée 34. En outre, le module de pile à combustible métal-air peut être facilement assemblé et connecté mécaniquement et électriquement à l'appareil électrique. REVENDICATIONS1. Module de pile à combustible métal-air capable de fournir une puissance électrique à un appareil électrique (200), ledit module de pile à combustible métal-air étant caractérisé par : un boîtier (3) configuré avec un espace de logement intérieur (30), et possédant une extrémité supérieure (31) formée avec une ouverture (311), et une surface latérale (32) formée avec une pluralité d'entrées d'air (321), ladite ouverture (311) et lesdites entrées d'air (321) étant en communication spatiale avec ledit espace de logement intérieur (30) ; un siège de coiffe (5) relié audit boîtier (3) de façon séparable, et possédant une partie obturateur (51) qui s'étend vers le bas dans ledit espace de logement intérieur (30) à travers ladite ouverture (311) dans ladite extrémité supérieure (31) dudit boîtier (30) pour obturer ladite ouverture (311) ; une unité d'électrolyse comprenant - une feuille de diffusion gazeuse conductrice (2) disposée dans ledit boîtier (3) pour recouvrir lesdites entrées d'air (321) de façon étanche et permettre à l'air de passer à travers, - une solution électrolytique remplissant ledit espace de logement intérieur (30) dans ledit boîtier (3), et - une feuille métallique (4) disposée dans ledit espace de logement intérieur (30) dans ledit boîtier (3) et montée sur ledit siège de coiffe (5) de façon séparable ;une première plaque électrode (7) montée sur ledit boîtier (3) et possédant une partie d'extrémité (71) qui s'étend dans ledit espace de logement intérieur (30) dans ledit boîtier (3) et qui est en contact électrique avec ladite feuille de diffusion gazeuse (2) ; et une seconde plaque électrode (8) montée dans ledit siège de coiffe (5), espacée de ladite première plaque électrode (7), et possédant une partie d'extrémité (81) qui s'étend dans ledit espace de logement intérieur (30) dans ledit boîtier (3) et qui est en contact électrique avec ladite feuille métallique (4) ; dans lequel ladite unité d'électrolyse produit la puissance d'électrode en réponse à une oxydation et une réduction électrolytique de sorte que la puissance électrique produite par ladite unité d'électrolyse soit fournie à l'appareil électrique (200) lorsque l'appareil électrique (200) est connecté électriquement entre lesdites première et seconde plaques électrodes (7, 8). 2. Module de pile à combustible métal-air selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit boîtier (3) est transparent. 3. Module de pile à combustible métal-air selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite extrémité supérieure (31) dudit boîtier (3) est formée avec au moins un orifice d'entrée (34) en communication spatiale avec ledit espace de logement intérieur (30), et au moins un obturateur (37) pour obturer ledit orifice d'entrée (34). 4. Module de pile à combustible métal-air selon la revendication 1, caractérisé en ce que : ledit boîtier (3) comporte des côtés latéraux opposés dans une première direction (A), chacun desdits côtés latéraux étant formé avec une rainure d'insertion (33) qui s'étend vers le bas à partir de ladite extrémité supérieure (31) dudit boîtier (3) ; et ledit siège de coiffe (5) comporte en outre une paire de bras de liaison s'étendant vers le bas (52) opposés l'un à l'autre dans la première direction (A), chacun desdits bras de liaison (52) étant inséré dans et entrant en prise de façon libérable avec ladite rainure d'insertion (33) dans une plaque correspondante desdits côtés latéraux dudit boîtier (3). 5. Module de pile à combustible métal-air selon la revendication 4, caractérisé en outre en ce que : chacune desdites rainures d'insertion (33) est définie par une paroi en boucle (36) formée avec un orifice d'entrée en prise (361) ; et chacun desdits bras de liaison (52) comporte une partie d'extrémité agrandie (521) s'étendant dans et entrant en prise de façon libérable avec ledit orifice d'entrée en prise (361) dans ladite paroi en boucle (36) du côté correspondant desdits côtés latéraux dudit boîtier (3). 6. Module de pile à combustible métal-air selon la 30 revendication 4, caractérisé en outre en ce que ledit siège de coiffe (5) comporte en outre une unité deserrage pour serrer ladite feuille métallique (4), ladite unité de serrage comprenant : un cadre en forme de U (53) défini par deux plaques latérales (531) opposées l'une à l'autre dans la première direction (A) et s'étendant vers le bas à partir d'une surface inférieure (511) de ladite partie obturateur (51) de sorte que ladite feuille métallique (4) soit serrée entre lesdites plaques latérales dans la première direction (A), et une tige intermédiaire (532) reliant mutuellement lesdites plaques latérales (531) et prenant appui contre une première surface latérale (41) de ladite feuille métallique (4) ; un premier bloc de positionnement oblong (54) formé sur ladite surface inférieure (511) de ladite partie obturateur (51), s'étendant dans la première direction (A) et prenant appui contre une seconde surface latérale (42) de ladite feuille métallique (4) opposée à ladite première surface latérale (41) dans une seconde direction (B) qui est transversale à la première direction (A) ; deux deuxièmes blocs de positionnement (55) s'étendant vers le bas à partir de ladite surface inférieure (511) de ladite partie obturateur (51), opposés l'un à l'autre dans la première direction (A), espacés dudit premier bloc de positionnement (54) dans la seconde direction (B), et prenant appui contre ladite première surface latérale (41) de ladite feuille métallique (4) ; et deux troisièmes blocs de positionnement (56) s'étendant respectivement à partir desdites plaques latérales (531) dudit cadre en forme de U (53) l'unvers l'autre dans la première direction (A), disposés entre lesdits deuxièmes blocs de positionnement (55) et ladite tige intermédiaire (532) dudit cadre en forme de U (53), et prenant appui contre ladite seconde surface latérale (42) de ladite feuille métallique (4) ; ladite feuille métallique (4) étant serrée par ledit premier bloc de positionnement (54), lesdits deuxièmes blocs de positionnement (55), lesdits troisièmes blocs de positionnement (56), et ladite tige intermédiaire (532) du cadre en forme de U (53) dans la seconde direction. 7. Module de pile à combustible métal-air selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit boîtier (3) est pourvu d'au moins un élément de connexion (35) adapté pour être connecté à l'appareil électrique (200). 8. Module de pile à combustible métal-air selon la revendication 7, caractérisé en outre en ce que ledit boîtier (3) comporte une extrémité inférieure formée avec ledit élément de connexion (35). 9. Module de pile à combustible métal-air selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit siège de coiffe (5) est formé avec un premier orifice de montage de borne (57) de sorte qu'une partie (82) de ladite seconde plaque électrode (8) soit exposée à travers ledit premier orifice de montage de borne (57). 10. Module de pile à combustible métal-air selon la revendication 9, caractérisé en outre en ce que :ledit boîtier (3) comporte en outre une oreille de positionnement (39) s'étendant vers le haut à partir de ladite extrémité supérieure (31) ; ladite première plaque électrode (7) s'étendant 5 vers le haut le long de et fixée à ladite oreille de positionnement (39) ; et ledit siège de coiffe (5) est formé avec une rainure de positionnement s'étendant verticalement (59) entrant en prise de façon coulissante avec ladite 10 oreille de positionnement (39) dudit boîtier (3), et un second orifice de montage de borne (58) en communication spatiale avec ladite rainure de positionnement (59) de sorte qu'une partie (72) de ladite première plaque électrode (7) soit exposée à 15 travers ledit second orifice de montage de borne (58). 11. Module de pile à combustible métal-air selon la revendication 10, caractérisé en outre par des premier et deuxième fils de borne (91, 92), dont chacun 20 est connecté électriquement entre une plaque correspondante desdites première et seconde plaques électrodes (7, 8), et l'appareil électrique (200) ; dans lequel ledit premier fil de borne (91) comprend une partie d'extrémité d'insertion (911) 25 insérée dans ledit second orifice de montage de borne (58) dans ledit siège de coiffe (5) et en contact électrique avec ladite partie (71) de ladite première plaque électrode (7) ; et dans lequel ledit deuxième fil de borne (92) 30 comprend une partie d'extrémité d'insertion (921) insérée dans ledit premier orifice de montage de borne(57) dans ledit siège de coiffe (5) et en contact électrique avec ladite partie (82) de ladite seconde plaque électrode (8).