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"Batterie
EMI1.1
de cellules -â comusì'bTe et procédé pour sa fabrica- tion". Nr définitif 657.320.
Nous vous prions de noter que le texte de la descrip- tion déposé à l'appui de la demande de brevet en rubrique doit être rectifié comme suit: -Page 7, ligne 27 il faut lire "oxygène 6 enfermée dans l'enca- drement de matière plastique 3b" au lieu de "oxygène 3b".
Nous vous prions de bien vouloir verser la présente lettre rectificative au dossier de la demande, d'en délivrer une copie à toute personne désirant obtenir une copie complète du brevet et d'en annexer une copie à la copie imprimée du brevet.
Ci-joint 15 frs en timbres fiscaux en vue du paie- (ment de la taxe perçue pour les régularisations de l'espèce.
27 Veuillez agréer. Messieurs, nos salutations distin- guées.
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"Batterie de cellules à combustible et procédé pour sa fabri- cation"
Une batterie de cellules à combustible est constituée par plusieurs éléments d'anode, de cathode et de joint et aussi souvent des éléments de refroidissement, qui sont empilés en une batterie. Un élément peut alors être constitué par une par-
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tie active agencée au centre, de préférence sous forme d'une plaque qui est fixée dans un châssis ou encadrement entourant fart d'une résine thermoplastique. Les encadrements de l'élé- , ment sont dotés de trous s'étendant dans le sens d'empilage.
Ces trous, conjointement avec des éléments de joint agencés en- tre les trous et formant des connexions continues avec les trous, servent de conduits pour la fourniture de combustible, d'oxydant et éventuellement d'agent de refroidissement aux interstices entre les éléments auxquels l'agent respectif doit être amené.
Pour l'étanchéité, des segments de joint externes sont habituel- lement placés entre les encadrements en résine thormoplastique, .immédiatement à l'intérieur de leurs bords externes. Les élé ments sont maintenus assemblés en un ensemble à l'aide de pla- ques d'extrémité qui sont reliées entre elles à l'aide de longs boulons.
La pression que les boulons de liaison doivent absor- ber dépend dans une large mesure de la pression interne dans la batterie. La compression: des éléments de joint exige également une pression considérable. Ceci exige que les plaques d'extré- mité soient très lourdes et prennent de la place, ce qui est un sérieux désavantage avec les batteries de cellule à combustible du type envisagé. Un autre désavantage important est que l'as- semblage des batteries avec le très grand nombre d'éléments de joint nécessaire, par exemple sous la forme de bourrages ou de segments torodiaux, prend particulièrement beaucoup de temps.
Suivant la présente invention, l'utilisation des pla- ques d'extrémité est totalement évitée ou il devient possible d'utiliser des plaques d'extrémité beaucoup plus petites et lé- gères que précédemment. En outre, il est possible da faire ap- pel à un procédé de fabrication des batteries qui convient pour une production en série.
La présente invention concerne une batterie de cellu- les à combustible au moins deux éléments d'électrode, chacun
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d'eux comportant une électrode active disposée au centre et fi xée dans un encadrement l'entourant, constitué totalement ou partiellement d'une résine thermoplastique et éventuellement des éléments de refroidissement, chacun d'eux comportant des moyens de refroidissement actifs disposés au centre et fixés dans un encadrement les entourant, fait totalement ou partiel- lement d'une résine thermoplastique, lesdits éléments étant em- pilés en un corps avec des espaces intermédiaires entre les par- ties internes,
lesdits éléments dans les encadrements étant do- tés de connexions agencées entre les encadrements pour'limiter les espaces intermédiaires vers l'extérieur et avec des trous s'étendant pratiquement dans le sens d'empilage pour la four- niture du combustible, de l'oxydant et éventuellement de l'agent de refroidissement, des trous avec la même fonction étant dis- posés en combinaison entre eux pour former des conduits s'éten- dant pratiquement dans le sens d'empilage et qui sont formés au moins partiellement par les parois délimitant les trous.
La caractéristique essentielle de l'invention est que les éléments sont reliés directement ou indirectement entre eux, avec des con- nexions passant autour des trous des encadrements et se présen- tant sous la forme d'un produit de fusion solidifié d'une résine thermoplastique et avec des connexions prévaes pour limiter les chambres intermédiaires, sous la forme d'un produit de fusion solidifié de résine thermoplasique.
Dans une batterie suivant l'invention, dans laquelle les connexions entre les différents éléments sont agencées de la façon décrite ci-avant, les forces qui sont nécessaires pour serrer ensemble et maintenir assemblée la batterie sont divisées sur chacun des éléments, ce qui procure l'avantage précité que les plaques d'extrémité lourdes et occupant beaucoup de place peuvent être éliminées. En outre, pour les mêmes raisons, l'on ren-contre l'avantage que les éléments individuels sont soumis à
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beaucoup moins d'effort, de telle sorte que le risque d'endom- magement et de formation de fissures dans ceux-ci devient beau- coup plus petit.
L'encadrement peut avantageusement être fabriqué en- tièrement on une matière à base de résine thermoplastique, tel- .le que du polyéthylène, du polypropylène, des résines thermo- plastiques à base de fluorocarbure des polyéthers chlorés, du chlorure de polyvinyle, des polyamides, etc... L'encadrement peut être renforcé avec des fibres de verre, du tissu, des struc- tures métalliques ou d'une autre façon, afin de réduire les ef- fets de retrait et pour augmenter la solidité. Des encadrements métalliques revêtus de résine thermoplastique peuvent également être utilisés.
Les encadrements en matière plastique des éléments peuvent, entre autres, être reliés directement entre eux dans les zones autour des trous et là où les espaces intermédiaires sont limités vers l'extérieur. Les encadrements peuvent égale- ment être reliés indirectement entre eux, par exemple par,des introductions intermédiaires d'une résine thermoplastique. si- tuée entre eux, avec des connexions sous la forme d'un produit de fusion solidifié d'une résine thermoplastique aux deux extré- mités de l'introduction intermédiaire, chaque introduction in- termédiaire disposée à l'endroit d'un trou dans les encadre- ments étant dotée d'un trou traversant dans le sens de 1;emplia ge des éléments.
Les introductions intermédiaires pourraien': également être faites d'une autre matière, par exemple une @ tière métallique telle que le nickel. Un produit de fusion bo lidifié de résine thermoplastique peut alors relier les int ductions ou garnitures intermédiaires aux encadrements resp tifs en matière plastique. La fusion de la matière tehrmo as- tique peut être effectuée en chauffant la garniture intermé iai- re métallique par voie électrique, en faisant passer un codant
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électrique dans celle-ci. Des courants électriques peuvent également être induits dans les garnitures intermédiaires à l'aide de champs électriques et magnétiques à haute fréquence.
Ces procédés peuvent aussi être utilisés avec des garnitures intermédiaires de résine thermoplastique et lorsqu'aucune gar- . niture ou introduction intermédiaire n'est utilisée, le chauf- fage étant alors effectué de la façon précitée, par exemple a- vec un mince fil métallique ou profilé métallique disposé dans les joints. Le fil ou profilé métallique est alors utilement laissé dans la résine thermoplastique s'il s'agit d'un joint à l'endroit d'un trou dans un encadrement en matière plastique, mais il peut être retiré avantageusement à l'endroit d'un joint périphérique limitant un espace pour l'électrolyte, un espace pour le gaz ou un espace pour 1'agent de refroidissement.
Les joints peuvent alors être réalisés de façon connue en soi par soudure à haute fréquence ou par voie thermique, avec ou sans addition de matière.
Il est pratique d'effectuer toutes les connexions dans un conduit en même temps. Si l'on fait appel à la haute fréquence pour une fusion directe ou indirecte de la matière plastique, une électrode peut être introduite dans,les conduits qui sont formés par des trous dans les encadrements en matière plastique, lorsque ceux-ci sont empilés en un module. La sou- dure par voie thermique peut être effectuée par exemple avec un ,gaz chaud qui est amené à circuler dans le conduit, à l'aide d'une petite flamme de soudure qui est amenée à agir sur les surfaces internes du conduit, à l'aide d'un corps chaud inséré qui se trouve éventuellement en contact direct avec les parois du conduit, etc...
Afin de simplifier la fusion de la résine thermoplastique, les trous peuvent être façonnés de telle sorte qu'une large surface soit exposée à la transmission thermique, par exemple en donnant à la section du trou une forme en étoile.
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Lorsque la matière thermoplastique est mise en fusion à l'in- térieur des trous, les trous peuvent recevoir une section ronde, en faisant passer à travers ceux-ci une barre ronde.
Etant donné que les conduits doivent être mis en liai- son avec les espaces intermédiaires entre certains éléments, un conduit à hydrogène communiquera ainsi avec l'espace à hydrogène dans le module, des trous étant prévus en ces endroits dans le conduit. Ces trous peuvent éventuellement être renforcée par des introductions ou garnitures. De telles garnitures pourraient également 8tre d'un type tel qu'elles soient éliminées par dis- j solution ou d'une autre façon après soudure, ou rester dans le système.
Un procédé très approprié consiste à d'abord fabriquer un conduit continu étanche, qui peut éventuellement encore être renforcé par l'introduction d'un tube de matière plastique, qui peut également être soudé aux parois du conduit par un plongeur ou une barre chauffée qui est amenée à passer à travers le tube cn matière plastique, qui est ainsi mis en fusion et pressé con- tre les parois. Les connexions sont alors percées perpendicu- lairement à travers le conduit depuis le coté des modules, de telle sorte qu'une liaison libre désirée est établie aux en- droits prévus. Les trous à partir de la périphérie peuvent alors être scellés à l'aide d'un bouchon de résine thermoplastique qui est fondu en place.
Des batteries de cellules à combustible constituées suivant la présente invention peuvent être modifiées de nombreu- ses façon différentes. Il est par exemple possible que l'ensem- ble de la batterie soit constitué par un unique module continu ou par plusieurs modules plus petits disposés en série ou connec- tés entre eux pour former une plus grande batterie, d'une autre façon. Des éléments de liaison spéciaux peuvent être nécessai- res dans le dernier cas afin d'établir une liaison fermée entre les plus petits modules à l'endroit des conduits. Les cellules -
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individuelles peuvent être connectées en série ou en parallèle ou elles peuvent être connectées avec une connexion combinée série-parallèle, dans un module individuel.
La connexion peut être effectaée intérieurement éven- tuellement dans des conduits spéciaux de la batterie ou par l'in- termédiaire de conducteurs de courant disposés à l'extérieur des éléments d'électrode.
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description ci-après, donnée à titre d'exem- ple non limitatif et en se référant aux dessins annexés/dans lesquels :
La figure 1 représente une moitié d'une batterie de cellules à combustible suivant l'invention, en coupe transver- sale.
La figure 2 est une vue depuis une surface,d'extrémi- té de la même batterie.
Les figures 3,4 et 5 représentent des plus petites parties des batteries de cellules à combustible, avec différents types de connexions entre les éléments adjacents.
La figure 'la est .une vue en coupe d'une batterie de cellules à combustible contenant deux unités de cellules. Un élément de cathode 1 est constitué par des électrodes à hydro- gène 2, enfermées dans l'encadrement en matière plastique 3a.
Les encadrements de résine thermoplastique présentent des souf- flets 4 pour l'égalisation des variations de dimensions dans le système. Un élément d'anode est constitué par une électrode à oxygène 3b qui, dans le présent exemple, a la même apparence que l'encadrement de matière plastique correspondant pour l'é- lément de cathode. Des électrodes dans les deux éléments d'ano- de 5 peuvent être connectées à une barre de courant par l'inter- médiaire d'un conducteur d courant non représenté, ce qui con- cerne également les électrodes dans les éléments de cathode, les deux cellules étant alors connectées en parallèle. Les cellules
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peuvent aussi être connectées en série.
Ces barres de courant sont avantageusement disposées dans des conduits spéciaux ;lui sont séparés de façon étanche au gaz de toutes les chambres, à l'exception des chambres à gaz qui communiquent avec les conduc- , teurs de courant envisagés. Les barres de courant peuvent être introduites de façon étanche au gaz,grâce à des admissions spé- ciales prévues dans les éléments d'extrémité.? fait de la même résine thermoplastique. La batterie représentée contient égale- ment une poche de refroidissement constituée par deux éléments de refroidissement 9 avec des plaques de refroidissement 10 pla- cées au centre et fixées dans les encadrements 3c.
L'empilage d'éléments est limité par les deux éléments d'extrémité 7 et deux plaques métalliques d'extrémité 11, qui sont vissées ensemble avec des boulons 12 dans la périphérie du corps empilé (figure 1b)
Les électrodes sont fixées de façon étanche au.gaz dans des encadrements en matière plastique*.
A la périphérie des encadrements sont prévus des conduits qui servent à fournir 1'hy drogène ou un autre combustible 13, à éliminer l'eau qui s'est condensée sur les éléments de refroidissement 14, à fournir de l'oxygène ou un autre oxydant 15 à fournir de l'eau de refroi- dissement aux éléments de.refroidissement 16 à retirer l'eau de refroidissement des éléments de refroidissement 17, à fournir de l'électrolyte 18, telle qu'une solution aqueuse contenant 30% en poids de KOH, à retirer l'électrolyte 19 et des conduits pour les barres de courant négatives et positives 20 et 21. Ces con- duits sont mis en liaison avec les chambres à hydrogène, les chambres à oxygène, les poches de refroidissement et les cham bres à électrolyte, respectivement.
Les électrodes à hydrogène sont faites de nickelfrit- té, qui est activé par des métaux inertes. Les électrodes à oxygène sont faites de nickel et d'argent fritté. La matière thermoplastique dans.les encadrements est composée de poléther
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chloré, tel que par exemple celui vendu sous la marque "Penton" (Hercules Power Company, USA).
Les éléments individuels sont fixés l'un à l'autre dans des connexions 27 autour des canaux continus, ainsi que dans des connexions 28 sur la périphérie (figure la). Ces connexions ont été agencées suivant l'invention de la façon sui- vante. Après empilage avec les agencements prévus, les éléments sont pressés ensemble pour former un corps empilé continu, dans un gabarit. Les canaux continus 13 à 21 sont soudés ensemble avec un gaz chaud, qui a été chassé à travers les canaux et ils ont été façonnés avec des plongeurs ou des tiges chauffées qui ont été introduites dans les canaux avec leurs parois internes amenées à fusion.
Les canaux transversaux ont alors été établis par perçage, de telle sorte que les parois des canaux continus ont été percées aux endroits prévus, par exemple en 22 et 23 dans l'agencement représenté à la figure la. Le trou 22 traver- sant les parois de délimitation périphérique de l'encadrement a alors été scellé avec un bouchon de résine thermoplastique 24, qui est représenté à la figure la. La chambre 25 est mise en liaison avec la chambre 26 par un canal qui n'a pas été repré- senté dans la vue en coupe de la figure la. D'une façon analo- gue, des connexions sont disposées entre les autres canaux et les chambres avec lesquelles les canaux doivent être connectés.
L'étanchéité le long de la périphérie a été établie dans ce cas par fusion de la couche externe du corps empilé. Le corps em- pilé a alors été chauffé pratiquement à la température de fusion de la résine thermoplastique, après quoi la couche superficiel- le du corps empilé est chauffée jusqu'à la fusion de la matière thermoplastique. Le chauffage peut être effectué par chaleur rayonnante,par rinçage avec des gaz chauds, etc.. En même temps, ou après cette opération, résine en fusion peut éventuelle- ment être projetée, par exemple à l'aide d'un pistolet à jet de
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plasma.
La batterie est alors utilement maintenue à une tempe- . rature supérieure pendant quelque temps, pour permettre 1'égali sation des efforts. ;
Les figures 2 à 5 présentent des variantes d'établis- seront des connexions. La figure 2 représente une connexion qui est effectuée par soudure avec une bague métallique 29 chauffée par haute fréquence. La figure 3 représente une liaison indirec- te avec une garniture ou introduction intermédiaire métallique, en nickel 30. La garniture intermédiaire est connectée aux en- cadrements de résine thermoplastique 1 et 5, dans une zone 31 du produit de fusion solidifié.
La figure 4 est une vue en coupe transversale d'un conduit 17, dont les parois internes ont été élargies par des fentes 32, afin d'améliorer la transmission thermique lors de la soudure. Après avoir effectué la soudure et le calibrage, ce conduit possède une section transversale circulaire. La figure 5 représente un joint marginal périphérique avec un chauffage à résistance électrique direct, grâce à deux fils résistants. Les fils ont été retirés après la soudure, des chambres en forme de trou étant alors formées dans le conduit. Les éléments 1 et 5 sont fixés l'un à l'autre dans les zones du produit de fusion solidifié 34. Ce dernier procédé d'établissement de la conne- xion périphérique convient tout particulièrement pour des batte-,. ries avec une forme carrée ou une autre forme polygonale.