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: Bloc de pile à combustible alimenté par convection, avec conservation de l'humidité.
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La présente invention concerne un bloc de pile à combustible utilisant une alimentation en réaotif par oonveo- tion et construit pour empêcher la dessication de l'élec- trolyte..
Le résumé que l'on fait habituellement de la théorie des'piles à combustible dit qu'une pile 4 combustible est constituée d.'une première et d'une 'seconde électrodes espacées qui sont actives du point de vue électrocatalytique et qui sont conductrices par voie électronique. Un électrolyte est intercalé entre les électrodes pour établir entre elles un trajet conducteur par voie d'ions. On a prévu des moyens pour ' fournir de façon oontinue un combustible électrocatalytique- ment oxydable à la première électrode ,l'anode de la pile, et des moyens semblables sont prévus pour fournir un oxydant électrooatalytiquement réductible à l'électrode restante , la cathode de la pile.
Si l'un ou l'autre des agents de réaction est ambiant, on peut se dispenser de parler de son alimenta- tion. Si de l'air ambiant, par exemple, doit servir d'oxydant, on peut se dispenser des moyens pour le fournir. Lorsqu'une charge électrique est mise aux bornes des électrodes ,le combustible et l'oxydant sont consommés à l'anode et à la cathode respectivement , et de l'énergie électrique est engendrée.
Les électrodes et l'électrolyte restent en théorie invariante pendant l'emploi de la pile et ne sont pas évacués ni consumée comme cela se produit dans des piles classiques
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primaires et secondaires, Ceci est commodément illustré par les réactions d'une demi-pile et les réactions d'ensemble d'une pile à combustible que l'on peut donner à titre d'exemple, comportant un électrolyte acide, de l'hydrogène comme combustible et de l'oxygène comme oxydant ,suivant les réaotions suivantes :
EMI3.1
Lorsqu'un électrolyte alcalin est substitué à l'électrolyte précédent, les réactions valables pour une demi-pile et pour la pile dans son ensemble s'écrivent comme suit
EMI3.2
De ce qui précède, il est visible que le seul changement d'ensemble auquel on s'attend théoriquement est la combinaison de l'oxydant et du combustible pour fournir un produit de réaction et comme ni les électrodes ni l'électrolyte ne sont consumée par leur emploi, il n'y a pas de raisons théoriques pour lesquelles une pile à combustible ne fonctionnerait pas indéfiniment.
En passant aux applioations pratiques des piles à combustible, on a constaté qu'un facteur d'importance ori- tique pour un fonctionnement efficace d'un bloc de pile à combustible pendant une période étendue est l'équilibre de l' humidité . En considérant l'emploi d'un'bloc de pile à combustible qui comprend Lui éleotrolyte immobilisé, c'est-à-
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dire lorsque les moyens à électrolyte ne contiennent pas un électrolyte en circulation, comme c'est le cas pour une mem- brane éohangeuse d'anions, de cations ou un éleotrolyte acide aqueux ou alcalin maintenu dans les intervalles capillaires d'une matrice interte,
la perte d'humidité à partir des moyens à électrolyte conduira à réduire sensiblement la mobilité des ions, en augmentant ainsi la résistivité du moyen à éleotro- lyte.Pour un oourant donné, ceci augmentera les pertes de puissance internes en échauffant ainsi la pile à combustible et en accélérant encore la perte d'humidité. Laissée à elle seule, la pile à combustible a un rendement qui tombe progres- sivement, et elle peut être endommagée par surchauffe. Au contraire, si une quantité d'humidité excessive est obtenue sur une électrode,comme cela peut résulter du fait que l'on manque d'eau au débit auquel elle est formée comme produit de réac- tion, l'humidité en excès jouera le rôle de barrière à diffu- sion entre l'électrode et l'agent réactif.
Dans ces circons- tances, l'électrode est ordinairement dite "noyée", et dans ces conditions, la puissance de sortie électrique d'une pile à combustible, comprenant une électrode dans cet état, est réduite de façon importante.
L'attention a été attirée sur l'application pratique de piles à combustible à électrolyte immobilisé, capables d'utiliser de l'air ambiant comme oxydant. Ces piles sont simples et compactes parce qu'elles éliminent l'obligation de dispositifs accessoires pour faire circuler de façon continue l'électroylte, comme cela se présente ordinairement avec des piles comprenant un électrolyte fluide'libre.
En outre, l'emploi d'air ambiant offre les avantages manifestes de réduire les équipements logistiques nécessaires pour le fono-'
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tionnement des piles à combustible à un réaotif unique, tout en augmentant le poids et l'efficacité ou rendement en volume du système générateur d'énergie électrique considéré dans son ensemble.
Un obstacle qui se présente au développement d'un bloc de pile à combustible à électrolyte immobilisé pratique , capa- ble d'utiliser de l'air ambiant , de grande fiabilité et d'une grande longévité,est le fait que l'atmosphère varie largement en'température et en humidité. Pour beaucoup d'appli- cations pratiques, il est nécessaire qu'un bloc de pile à combustible soit capable de maintenir un équilibre de l'humidité dans des conditions atmosphériques très différentes aussi bien en coure d'emploi qu'en dehors de celui-ci. En étudiant cette question, on a remarqué que des blocs de pile à combustible à électrolyte immobilisé tendent à se dessécher en fonctionnant dans l'air ambiant ,dans la plupart des condi- tions de fonctionnement.
Il en est ainsi parce que les piles à combustible engendrent de la chaleur en cours d'emploi et augmentent ainsi aptitude à transporter de l'humidité de l'air qui se trouve immédiatement près de la cathode. Ceci provoque la vaporisation de l'humidité par la pile à une vitesse plus grande que celle du remplacement de l'eau par formation d'eau comme produit de réaction. Cette vitesse de dessication est aggravée par le fait que.la cathode chauffée provoque 'des courants d'air de oonvection qui dépassent sensi- blement les nécessités en oxydant ,et qui balayent et sèchent la pile.
Une autre question que l'on doit considérer en cons- truisant un bloc de pile à combustible destiné à de larges applications pratiques (y compris l'emploi dans des régions
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soue-développées ), est la sécurité de fonctionnement du bloc , non seulement lorsqu'on en fait usage convenablement, mais aussi lorsqu'on l'utilisa mal. Lorsqu'on fait fonctionner une , pile à combustible , il est souhaitable de purger au moins périodiquement la pile à combustible près de l'anode pour empêcher l'accumulation d'impuretés du combustible,non réagis- santesou réagissant lentement* En laboratoire, ceci se réalise ordinairement en laissant fuir une partie du combustible dans l'atmosphère.
Il est cependant reconnu que cette action de purge, lorsqulle est pratiquée sur des blocs de pile combustible du commerce par des utilisateurs peu soigneux ou peu instruits, peut donner lieu à un danger d'incendie ou d'explosion.
Dans un de ses aspects, l'invention vise un bloc de pile à combustible constitué d'une première et d'une seconde électrodes espacées et dans lequel des moyens à électrolyte font communiquer les électrodes par voie d'ions. On a prévu des moyens pour fournir un premier agent réactif à la première électrode, et des moyens pour commander l'écoulement de convec- tien vers le haut d'un second réactif ambiant proohe de la seconde électrode. Ces derniers moyens sont constitués de préférence de moyens propres à fournir une ouverture d'entrée pour la oonveotion en dessous de la seconde électrode et une ouverture de sortie pour la conveotion au-dessus de la seconde électrode , et des moyens pour commander de façon sélective au moins l'une des ouvertures pour la convection.
On comprendra mieux l'invention en se reportant à la description détaillée suivante oonsidérée avec les dessins dans lesquels :
Figure 1 est une vue en perspective explosée d'un bloc de pile à combustible construit suivant l'invention.
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Figure 2 est une vue en perspective détaillée d'une Bastion de plaque d'extrémité dont la configuration est celle d'une gaufre.
Figure 3 est une élévation ,aveo des parties brisées et arrachées, dans un ensemble de commande de convection,
Figure 4 est une coupe détaillée faite suivant la ligne.
4-4 de la figure 3.
Figure 5 est une coupe détaillée faite suivant la aigns
5-5 de la figure 3,
Figure 6 est une coupe détaillée faite suivant la ligne 6-6 de la figure 3, et
Figure 7 est une vue schématique, avecdes parties en coupe, d'un système de commande de pression et de purge cons- truit suivant 1'.invention.
Figure 1 représente un bloc de pile à combustible A, . qui est une forme de réalisation préférée de l'invention. Le bloc est constitué de deux sous-unités B-A et B-2 de pile à combustible et d'un ensemble 0 de commande de la convection*
Chaque sous-ensemble de pile à combustible est montré comme constitué d'une plaque d'extrémité 10, d'un joint extérieur
20, de deux ensembles électrodes -électrolyte orientés différemment ,30 et 40, et d'un joint intérieur 50.
Chaque plaque d'extrémité 10 comprend à la surface intérieure deux sections 101 -et 103 dont la configuration est en forme de gaufres. Ces dispositifs sont représentes schémati- quement à la figure 1 et sont montrés agrandis à la figure 2 qui en montre le détail. La configuration en forme de gaufres des sections est réalisée par l'intersection d'un ensemble de rainures verticales parallèles 105, avec un ensemble de rainu- res horizontales parallèles 107 pour former des tablettes 109,
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Les tablettes sont montrées comme s'étendant vers l'intérieur à partir de la périphérie 111 de chaque plaque d'extrémité sur une distance qui est environ l'épaisseur du joint exté- rieur 20.
La surface extérieure de chaque plaque d'extrémité est de préférence munie d'un ensemble d'ailettes de dissipa- tion de chaleur 113. Chaque plaque d'extrémité est faite d'une matière de grande conductivité thermique, telle que d'un métal.
Lorsque chaque sous-ensemble de pile à combustible est assemblé, les tablettes s'étendent à travers les fenêtres 115 et 117 des joints extérieurs 20 pour presser contre les ensembles électrodes-électrolyte dans des circonstances qui permettent un transfert de chaleur effectif entre ces éléments.
Chacune des sections à configuration de gaufre est isolée électriquement de l'ensemble électrodes-électrolyte voisin par un mince revêtement d'une matière isolante inerte (non montré), telle qu'une matière céramique ou une résine synthé- tique. Les revêtements sont suffisamment minces pour fournir un isolement électrique effectif mais sans constituer aucune barrière thermique sensible entre les tablettes et les ensem- bles électrodes-électrolyte*
Chacun des ensembles électrodes-électrolyte est formé;) dans la forme de réalisation préférée, suivant les enseigne- ments de Dantowitz dans la demande de brevet belge No. 39.606 appartenant à la demanderesse.
Comme montré, le moyen à électrolyte 119 est constitué d'une membrane échangeuse d'ions ou d'une matrice capillaire retenant un électrolyte aqueux par action capillaire. Cinq électrodes séparées 121A, 121B,
1210, 121D et 121E sont montées sur une face de chaque moyen à électrolyte, Sur la face opposée de chaque moyen à élec-
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trolyte et en opposition directe avec des électrodes affectées des mêmes lettrée, il y a des électrodes 123A, 123B, 1230, 123D et 123E, Chaque électrode 121A comporte une oreille de connexion faisant corps avec elle, 125. alors que chaque électrode 1233 comporte une oreille de connexion faisant corps aveo elle, 127.
Les électrodes 121B, 1210, 121D et 1213 sont reliées aux électrodes 123A, 123B, 1230 et 123D , respeo- tivement, par des oreilles de connexion faisant corps avec les électrodes ,129, 131, 133 et 135..
En considérant le sous-ensemble de pile à combustible B-2, il est visible que les paires opposées d'électrodes, constituant chaque ensemble électrodes-électrolyte,sont reliées entre elles électriquement en série. Ainsi, un poten- tiel peut être obtenu entre les oreilles de connexion 125 et 127 de chaque ensemble , égal à peu près à cinq fois celui que l'on pourrait obtenir si une électrode unique était montée sur chaque face des moyens à électrolyte. Chaque ensemble fournit l'équivalent électrique d'une batterie de piles à combustible à cinq éléments.
Les sous-ensembles de pile à, combustible B-1, B-2 sont construits de façon semblable mais non identique. La plaque d'extrémité 10 du sous-ensemble B-2 est munie d'un conduit fournissant du réactif,137, qui comporte des passages 139 et 141 et un conduit de purge 143 ayant des passages 145 et 147, Comme montré, ceux-ci sont omis dans la plaque d'extrémité du sous-ensemble B-1.
A cette différence près,les plaques d'extrémité des soue-ensembles se présentent comme des images spéculaires, Les joints et les ensembles à électro- des-électrolyte de chaque sous-ensemble sont identiques ; cependant, la face intérieure des ensembles montrés dans le
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sous-ensemble ou sous-bloo B-2 correspond à la face extérieure des ensembles du sous-ensemble B-1 et vice-versa.
L'ensemble de commande de oonveotion 0 comprend une enveloppe 149 ayant des fenêtres 151 et 153. Les fenêtres de l'enveloppe correspondent en dimensions aux fenêtres 115 et 117 du joint extérieur et aux fenêtres 155 et 157 du joint intérieur des sous-ensembles, L'enveloppe est munie de deux passages pour réactif 159 et 161 qui sont destinés à être alignés avec les passages semblables 163 et 165 de chaque joint intérieur. Le joint extérieur de chaque sous-ensemble est muni de prolongements de fenêtres alignées 167 et 169, Ces prolongements de fenêtres du joint extérieur du sous- ensemble B-2 se trouvent au-dessus des passages 139 et 141 du conduit de fourniture de réactif.
L'enveloppe est également munie de passages de purge 171 et 173 qui sont alignés avec des passages semblables 175 et 177 de chaque joint intérieur et des prolongements 179 et 181 des fenêtres de chaque joint extérieur. Dans le sous-ensemble B-2, les prolongements de fenêtres sont au-dessus des passages du conduit de purge.
L'enveloppe est munie de plusieurs passages d'entrée de convection 183 partant du bord inférieur jusqu'aux fenêtres.
Les passages de sortie pour la convection 185 s'étendent à partir des fenêtres vers le bord supérieur de l'enveloppe.
Des tampons adsorbant l'humidité 187 sont montés dans chacune des fenêtres d'enveloppe près des passages d'entrée de con- vection. Comme montré, les tampons sont munis de passages 189 qui sont alignés avec les passages d'entrée pour la convection.
Pour commander l'éooulement de l'agent réactif ambiant à travers les passages pour la oonveotion, les ensembles de valve à coulissement 191 et 193 sont montés à proximité des
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bords inférieur et supérieur ,respectivement, d" l'enveloppe.
Chaque système de valve à coulissement est muni d'une voie de guidage 195 ayant des passages 197 en alignement avec les passages pour la convection. Des languettes 199 et 201 coopè- rent avec les voies de guidage des systèmes de valve à coulis- sement inférieur et supérieur .Chacune des languettes est équipée d'un joint constitué par une bague en 0 203 et un passage décalé 205 pour commander chaque passage de la voie de guidage.
Un bras basculant 207 coopère aveo des rainures 209 et 211 dans les languettes inférieure- et supérieure .Le braa basculant est muni d'un bras de pivotement 213 qui s'étend dans une pochette latérale 215 de l'enveloppe et qui est monté au moyen d'une broche-pivot 217. Une boucle pour doigt 218 fait partie de la partie aupérieure du bras basculant* Les bagues en 0 et les passages sont situés dans les languettes de telle façon que lorsque l'ensemble est mis en place avec le bras basculant sur le bord droit, et que l'on fait tourner le bras dans le sens des aiguilles d'une montre,comme montré, les bagues en 0 ferment chacun des passages 197. Lorsque le bras basculant est tourné en sens contraire à celui des aiguilles . d'une montre au maximum, les passages 205 des languettes s'alignent avec les passages 197.
Un conduit d'évacuation des produits de purge 219 est monté de façon étanche dans une encoche 221 à l'extrémité inférieure de l'enveloppe , ce qui n'est pas visible à la figure 4. Le conduit d'évacuation est muni de passages 223 qui communiquent aveo les passages d'entrée pour la convection, Ces passages sont montrés par des pointillés à la figure 3.
L'ensemble de commande de oonveotion est porté par un support
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225 comportant un tampon adsorbant l'humidité,227, à sa surface en dessous des passages pour la convections
En assemblant le bloc de pile à combustible on monte les joints intérieur et extérieur de chaque sous-ensemble de pile à combustible en mettant en coopération étanche les parties périphériques. Les électrodes intérieure et exté- rieure de l'ensemble électrodes-électroylte 30 sont alignées ! avec les fenêtres 115 et 155 du joint intérieur et du joint extérieur, respectivement.
L'ensemble 40 se présente de façon semblable par rapport aux fenêtres 117 et 157.La partie de chaque moyen à électrolyte qui se trouve à l'extérieur des électrodes est intercalée entre les joints et réunie de façon étanche à ceux-ci. Les joints extérieurs s'appliquent de façon étanche contre les plateaux d'extrémité $tandis'que les joints intérieurs s'appliquent de façon étanche contre l'enveloppe.
Dans la forme de réalisation préférée, plusieurs boulons de serrage, non montrée à la figure 1 et à la figure 3, s'étendent à travers un certain nombre de passages espacés 229 traver- sant les sous-ensembles et l'enveloppe. L'aotion de serrage de ces boulons assure une étanchéité aux gaz entre les parties correspondantes des plaques d'extrémité des joints et de l'enveloppe..
Les quatre ensembles éleotrodes-éleotrolyte incorporée. au bloc de pile à combustible sont reliés électriquement en série en sorte que la potentiel entre les bornes de l'ensemble est approximativement 20 fois celui d'une pile à combustible unique.Les connexions électriques entre les parties sont représentées aux figures 1 et 3 à 6 inclusivement.
Des plaques à bornes 231 auxquelles sont soudés des connecteurs électriques 233 sont montées près des plateaux
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d'extrémité. Les plaquée à bornes 231 sont chacune en contact électrique avec une oreille de connexion 127 d'un ensemble électrodes-électrolyte 30. L'oreille de connexion s'étend vers le bas à partir de l'électrode inférieure 123E de chaque ensemble 30 et elle est isolée de la plaque d'extrémité par un revêtement isolant mince 235. Le boulon de serrage isolant 237 assure la fonction du maintien des plaques à bornes en position à la face extérieure des plaques d'extrémité.
Les ensembles électrodes-électrolyte de chaque sous- ensemble sont reliés électriquement par des oreilles de connexion 125. Les oreilles de connexion 125 de chaque sous- ensemble sont repliées sur le bord supérieur de la plaque d'extrémité. Les oreilles sont isolées de la plaque d'extré- mité par le revêtement 239, Une bande de connexion 241 s'étend entre les oreilles voisines de chaque sous-ensemble en reliant ainsi électriquement les ensembles voisins.
Les oreilles de connexion 127 des ensembles à électrodes électrolyte 40 sont reliées électriquement en repliant 1 es oreilles au-dessus du bord supérieur des plaques d'extrémité.
]la revêtement isolant 243 se trouve en dessous des oreilles.
Les plaques de connexion 245 se trouvent au-dessus des oreilles Un ensemble de boulons de serrage conducteurs du point de vue électrique,247, s'étend entre les plaques de connexion et sert comme moyen connecteur électrique entre elles. Pour empêcher le contact du boulon conducteur aveo les plaques d'extrémité, on a prévu un manchon isolant 249.
Pour faire comprendre l'emploi du bloc de pile à combustible A, ce bloc est placé dans une ambiance de gaz électrochimiquement réductible ou de gaz électrochimiquement oxydable. Dans la plupart des applications ordinaires, le gaz
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ambiant sera de l'air. En même temps, un second produit de réaction électrochimique est fourni à l'ensemble ou au bloc de pile par un conduit d'amenée de réactif 137.
Ce réactif est,
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un combustible oxydable électroohimiuement , par exemple de l'hydrogène ,lorsque la réactif ambiant est de l'air, et pour la simplicité de la description, on l'indiquera ci-après par ce nom,
Le combustible est fourni à la face extérieure de
EMI14.2
chaque ensemble électrodes-èlectrolyte# Ceci se ai3se par l'évacuation du combustible à partir des passages 139 et 141 pour pénétrer dans les prolongements de fenêtres 167 et 169 de chaque joint 20, et en se déplaçant verticalement vers le bas dans les fenêtres.115 et 117. Le combustible atteint le joint 20 du sous-ensemble B-1 par les passages 159' 161, 163 et 165 des joints 50 et de l'enveloppe 149.
Les rainures 105 et 107 des sections à configuration en gaufres 101 et 103 permettent une distribution uniforme du combustible sur la surface des électrodes. Si on le désire, la distribution peut être encore améliorée en introduisant une ou plusieurs grilles ou des espaceure poreux semblables entre les plaques 109 et les électrodes. Les grilles ou espaceurs doivent, naturellement, être thermiquement conducteurs.
En même temps, on fait tourner le bras pivotant 207 pour aligner les passages 205 dans les languettes avec les passages pour la convection, L'agent réactif ambiant peut être présent initialement dans les fenêtres de l'enveloppe ou peut pénétrer dans les fenêtres par les passages de conveotion , par diffusion.
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Pour engendrer de l'énergie électrique, on place une charge électrique entre les connecteurs électriques 233.
Le bloc développe une différence de potentiel représentant à peu près celle que développeraient vingt piles à combus- tible montées en eérie. Lorsque de l'énergie électrique est fournie par le bloc, une quantité sensible de ohaleur sera engendrée par chaque ensemble électrodes-éleotrolyte. De la chaleur est dissipée par chaque ensemble à travers les tablettes 109, la plaque d'extrémité 10 et les ailettes de transfert de chaleur 113, Du fait que les ailettes de transfert de chaleur sont verticales, des courants de convection peuvent balayer constamment les ailettes.
Au surplus, les plaques d'extrémité peuvent être douées d'une capacité d'emmagasinement de (chaleur sensible, si bien que l'échauffement sur de courtes périodes de fonctionnement est évité simplement par le trans- ! fert de chaleur des ensembles aux plaques. l'échauffement pendant le fonotionnement produira des courants de oonveotion dans le réactif ambiant fourni aux ensembles. Si un sous-ensemble de pile à combustible était mis en activité dans l'air sans être attaché au bloc de commande de convection, les moyens à électrolyte seraient desséchés dans la plupart des conditions de température et d'humidité. Ceci réduirait le rendement du fonctionnement en produisant ainsi un échauffement excessif et/ou une dété- rioration des éléments de pile.
Le bloc ou ensemble de commande de convection suivant l'invention réduit l'écoulement du réactif aotif vers les ensembles électrodes-éleotrolyte. Le réactif ambiant est aspiré par voie de convection dans l'enve- loppe du bloc de commande à travers les passades d'entrée de convection 183, et évacué par voie de convection à travers
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les passages de sortie de convection 185. Dans des conditions de fonctionnement supposant une température extrêmement élevée! et/ou un fonctionnement à sec, il peut être souhaitable d'ajouter à l'effet de resserrement des passages de convec- tion ,en créant un léger défaut d'alignement des passages dans les languettes des blocs à valve.
Comme le réactif ambiant s'échappe du bloc avec à peu près un pour cent d'humidité, la réduction du débit d'évacuation contribue sensiblement à la conservation de 1'humidité.
Si le bloc de pile à combustible est stocké pendant de longues durées aveo les ensembles électrodes-éleotrolyte exposée à l'atmosphère, ceux-ci peuvent être desséchés de façon importante. Pendant les périodes où le bloc n'engendre pas d'énergie électrique) on peut penser qu'on fera tourner le bras pivotant de façon que les passages de convection soient fermés, Ceci ferme de façon étanohe le bloc en empêchant les pertes d'humidité et permet de stocker le bloc ou de le tenir en réserve pendant de longues périodes sans risquer de l'endommager.
Une autre particularité de l'invention réside en ce qu'une contribution importante à la conservation de l'humidité est obtenue en montant les ensembles électrodes-électrolye de façon qu'ils s'opposent. Si, par exemple, les ensembles électrodes-électrolyte étaient omis dans un sous-ensemble, le réactif ambiant fourni aux électrodes dirigées vers l'intérieur des ensembles restants, viendrait en même temps au oontaot des tablettes mises à nu par l'enlèvement des ensembles. Il en résulterait que l'humidité s'échapperait des ensembles et se condenserait sur les tablettes relativement plus froides, en accélérant ainsi considérablement le degré
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de perte d'humidité des ensembles.
Lorsque, cependant, le réactif ambiant se trouve entre deux ensembles électrodes. électrolyte maintenus à la même température de fonctionnement, l'humidité n'a pas tendance à diffuser à partir d'un semble et à se condenser sur un autre. L'enveloppe elle-même, natu- rellement, étant formée d'une matière relativement isolante du point de vue thermique, ne joue pas le rôle d'une surface de condensation importante.
Dans certaines conditions de fonctionnement, il peut être formé plus d'humidité,comme produit de réaction du bloc de pile à combustible,que ce qui peut être enlevé de la surface des ensembles éleotrodes-électrolyte par le réactifambiant.
Dans ces circonstances, l'eau produite s'écoulera vers le bas dans les fenêtres de l'enveloppe. Une partie de cette eau sera reprise par les tampons adsorbants 187 et une partie le sera par le tampon 227. L'écoulement de réactif ambiant par voie convective, qui arrive, passera sur ces tampons et reprendra une partie au moins de l'humidité qui y est contenue. Ceci ajoute au contenu en humidité du réactif à l'instant où il atteint les ensembles et réduit encore l'aptitude du réactif à sécher les ensembles.
Les tampons agissent aussi comme réservoirs d'humidité protégeant les ensembles de la dessica- tion pendant les intervalles où le bloc de pile à combustible peut être appelé à fonctionner dans des conditions provoquant la dessication comme pendant l'intervalle d'une puissance de pointe. On supposera que lors du démarrage du bloc de pile à combustible dans la plupart des conditions atmosphériques, il se condensera suffisamment d'humidité sur les tablettes froide: pour mouiller les tampons.
Après que le bloc ait atteint sa température de fonctionnement d'équilibre, l'apport d'humidité
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aux tampons peut être arrête ou inversa par l'accroissement d'aptitude d'emporter de l'humidité propre au réactif ambiant chauffa
Pour empêcher l'accumulation d'impuretés non réagissan- tes ou lentement réagissantes à l'intérieur du bloc de pile à. combustible, on préfère purger de façon continue ou périodique le réactif non ambiant fourni au bloc. Le conduit de purge 143 est prévu à cette fin. Les prolongements des fenêtres 179 et 181 dans les pointa 20 s'alignent avec les passages de purge 145 et 147.
Les passages 171, 173, 175 et 177 dans les joints 50 et dans l'enveloppe permettent la communication des parties de purge avec le joint 20 du sous-ensemble B-1. Ceci permet de purger lea deux sous-ensembles* Dans la forme préférée de l'invention, le conduit de purge est en communication avec le conduit d'élimination 219. Les ga de purge évacués de la proximité des électrodes dirigées vers l'extérieur des ensem- bles, sont conduits à travers .les passages 223 et entraînés avec le réactif ambiant d'alimentation qui arrive. Les parties du gaz de purge qui peuvent réagir se combinent alors avec le réactif ambiant sur les électrodes qui sont dirigées vers l'intérieur.
Dans le fonctionnement, un réactif non ambiant est fourni par la source D. Il peut s'agir d'une alimentation conti. nue ou d'une alimentation à la demande. Il est préférable que la source soit un générateur de Kipp. Au début, le réactif est fourni à la chambre 305, mais il est empêché de pénétrer dans la chambre 303 et dans le conduit de réaotif 313 par la tête de valve 317. Le bras de commande 361 est abaissé pour per- mettre l'écoulement du réactif non ambiant par le conduit 313 et à travers les sous-ensembles B-1 et B-2 du bloc de pile
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à combustible.
Le réactif non ambiant traverse le bloc de pile à combustible en entraînant avec lui toutes les impuretés gazeuses qui pouvaient exister initialement dans le bloc* Le réactif passe par le conduit 335, par la ohambre 327, le siège de valve 339, la chambre 329 et le conduit 337 pour être mélangé au réactif ambiant et être mis en réaction par voie catalytique sur les électrodes du sous-ensembles, dirigées vers l'intérieur. De cette façon, les impuretés sont purgées du bloc de pile à combustible tout en éliminant tout risque d'explosion et/ou d'incendie résultant du mélange des réactifs ambiant et non ambiant.
Une fois que le système est purgé, on permet au bras de commande de prendre sa position normale, comme montr , et on branche une charge électrique entre les bornes du bloo de pile à combustible. La consommation du réactif non ambiant fera diminuer la pression dans la chambre 303 et fera que la pression atmosphérique oblige le diaphragme inférieur, le chapeau 323 et la tige d'aotionnement 321 à descendre pour comprimer le ressort 319 et déplacer la tête de valve 317 du siège de valve 315, Ceci permet au réactif non ambiant de s'écouler de la source au bloc de pile à combustible jusqu'à ce que la différence de pression entre la chambre 303 et l'atmosphère ait diminué.
Bien que les chambres de la première enveloppe soient mises périodiquement en communication en réponse à la consommation du réactif, on remarquera que les chambres de la seconde enveloppe ne communiquent que lorsque l'on abaisse le bras de commande, Ceci peut se faire aussi souvent qu'on le désire pour purger l'ensemble.-
Un agencement préféré adopté pour purger le bloc A de pile à combustible est représenté à la figure 7 qui montre
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la combinaison d'une source D de réaotif non ambiant, un régulateur E de pression et de purge, et le bloc A de pile à combustible.
Le régulateur de pression et de purge E est équipé d'une première enveloppe 301 munie d'une chambre 303 s'ouvrant vers le haut et d'une ohambre 305 s'ouvrant vers le bas. La chambre qui s'ouvre vers le haut est fermée par un diaphragme flexible 307, alors .Que la chambre qui s'ouvre vers le bas est fermée par une plaque d'extrémité 309.la chambre qui s'ouvre vers le bas communique avec un conduit d'entrée de réactif 311, et la chambre qui s'ouvre vers le haut communique avec un conduit de sortie de réaotif 313. Les deux chambres communi- quent par un siège de valve 315. Une tête de valve 317 est sollicitée par un ressort 319 à venir en contact avec le siège de valve et porte une tige d'actionnement 321 munie d'un chapeau 323.
Une seconde enveloppe 325 est munie d'une chambre 327 qui s'ouvre vers le bas et d'une chambre 329 qui s'ouvre vers' le haut. Le diaphragme flexible 331 ferme la chambre qui s'ouvre vers le haut, tandis qu'une plaque d'extrémité 333 ferme la chambre qui s'ouvre vers le bas. Un conduit d'entrée de purge 335 oommunique aveo la ohambre qui s'ouvre vers le bas, tandis qu'un conduit de sortie de purge 337 communique aveo la ohambre qui s'ouvre vers le haut. Un siège de valve 339 permet la communication entre les ohambres. Une tête de valve 341 sollicitée vers le haut par le ressort 343 commande la communication à travers le siège de valve.
Une tige d'ac- tionnement 345 s'étendant vers le haut et portant un ohapeau 347 est en contact aveo le diaphragme supérieur 331, tandis qu'une tige d'aotionnement 349 s'étendant vers le bas et
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portant un chapeau 351 est en contact avec le diaphragme infé- rieur 307. Un joint à bague en 0353 empêche la fuite entre la plaque d'extrémité 333 et la tige d'actionnement 349.
Un anneau cylindrique 355 est placé entre la plaque d'extrémité 333 et le diaphragme inférieur. l'anneau présente plusieurs passages 357. Au-dessus du diaphragme supérieur se trouve un second anneau 359. A ce second anneau est relié à pivotement, par une broche 363, un bras de commande 361; tandis que le bras de commande, à son tour, porte un chapeau 365 qui lui est relié à pivotement par la broche 367.
Bien que l'on ait décrit l'invention en se rapportant à une forme de réalisation préférée, on comprend que l'on peut envisager de nombreuses modifications sans s'écarter des enseignements de l'invention. Par exemple, un sous-ensemble pourrait être entièrement omis du bloc de pile à combustible et remplacé par une plaque, de préférence une plaque thermique- ment isolante. Les sous-ensembles pourraient être modifiés en enlevant les ailettes des plaques d'extrémité. La fonction des ailettes peut être réalisée par des serpentins de refroidisse- ment ou simplement en mettant le bloc en contact avec un puita de chaleur. Les seotions à forme de gaufres peuvent être omises et être remplacées par d'autres moyens conducteurs de la cha- leur, par exemple une grille ou une autre matière poreuse.
Les ensembles électrodes-électrolyte pourraient être formés en un seul ensemble pour chaque sous-ensemble ou se présenter comme un nombre plus grand d'ensembles. Chaque ensemble pour- rait être formé avec une électrode seulement par face ou aveo un nombre d'électrodes par face plus grand ou plus petit que les cinq montrés. Les électrodes des ensembles pourraient être reliées électriquement en série ou en parallèle, tout comme
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pourraient l'être les divers ensembles du bloc.
Les oreilles de connexion ne doivent pas faire partie intégrante des éleo- trodes, maie pourraient être formées séparément et attachées à celles-ci suivant la demande, Plusieurs oreilles de conne- xion pourraient être utilisées pour conduire le courant électrique entre les électrodes, plutôt qu'une oreille unique, comme montré, Les sous-ensembles ne doivent pas nécessairement' être boulonnés, comme montré, mais pourraient être colles.
Le bloc de commande de convection ne doit pas néces- sairement être formé avec deux fenêtres, mais il pourrait l'être avec une seule fenêtre ou avec plus de deux fenêtres.
Les blocs de valve particuliers montrés pour le bloc de commande ne sont pas essentiels pour le fonctionnement du bloc de commande et pourraient être remplacés par des blocs de valve de construction différente. Il n'est pas nécessaire que les valves supérieure et inférieure soient actionnables simultanément, comme montré. Il n'est pas nécessaire que les passages d'entrée et de sortie de convection soient prévue de même nombre et de mêmes dimensions. Comme il y a moins de réactif ambiant qui part qu'il n'en arrive, les passages de sortie de convection pourraient être de dimensions plus petite..
Le bloc de oommande de oonnexion a été représenté comme formé avec deux faces principales portant chacune un sous-ensemble de pile à combustible. Il est reconnu qu'on pourrait substituer à l'enveloppe une autre enveloppe oomportant plus de deux faoes principales, chacune d'elles portant un ou plusieurs sous-ensembles. Les faces de l'enveloppe pourraient,par exemple, se présenter entre elles comme les côtés d'un triangle, d'un carré , d'un pentagone, eto, au lieu d'être parallèles, comme montré. Les tampons d'adsorption de l'humidité de
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l'enveloppe et du pied ne sont pas nécessaires. En variante, les passages partant des tampons 187 pourraient être omis pour ; donner un contact intime entre le réactif ambiant et l'humi- dite dans les tampons.
Le pied, bien entendu, représente seulement un moyen de support possible. Le conduit de purge pour le bloc de pile à combustible n'est pas essentiel, Le bloc pourrait fonctionner avec un écoulement sans issue du réactif non ambiant, bien que cela ne soit pas à préférer.
Le bloc pourrait être modifié facilement pour purger le gaz de façon continue directement des sous-ensembles vers les passages 183 sans faire passer la purge par les séduits 143 et 219. En variante, les conduits 143 et 219 pourraient être reliée par une certaine longueur de tube de petit diamètre pour permettre une purge continue à débit commandé tout en empêchant toute chance de diffusion en retour. Le régulateur de pression et de purge E est simplement un exemple d'un moyen qu'on pourrait utiliser pour permettre une purge intermittente.
On considère qu'une personne d'habileté ordinaire, une fois instruite de la fonction à réaliser, pourrait concevoir une grande variété de blocs régulateurs automatiques et manuels équivalents. Pour empêcher l'échauffement des électrodes dirigées vers l'intérieur, il peut être souhaitable d'inoor- porer un corps catalyseur distinct pour combiner les réaotifs ambiant et non ambiant. Ce bloc catalyseur serait situé de préférence à l'intérieur du bloc de pile à combustible et plus souhaitablement encore à l'intérieur des passages d'entrée de oonveotion 183.
La combinaison du réactif purgé à l'inté- rieur du bloc de pile à combustible offre l'avantage d'isoler la réaotion pour éviter un risque d'incendie qui pourrait se présenter à l'extérieur du bloc de pile à combustible dane diverses applioations.
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: Fuel cell block powered by convection, with conservation of humidity.
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The present invention relates to a fuel cell block utilizing convection reactant supply and constructed to prevent desiccation of the electrolyte.
The usual summary of fuel cell theory states that a fuel cell consists of first and second spaced apart electrodes which are electrocatalytically active and conductive. electronically. An electrolyte is interposed between the electrodes to establish between them a conductive path by way of ions. Means have been provided for continuously supplying an electrocatalytically oxidizable fuel to the first electrode, the anode of the cell, and similar means are provided for supplying an electro-catalytically reducible oxidant to the remaining electrode, the cathode of the cell. the battery.
If one or the other of the reaction agents is ambient, one can dispense with speaking of its food. If ambient air, for example, is to be used as an oxidizer, the means to supply it can be dispensed with. When an electrical charge is placed across the electrodes, fuel and oxidant are consumed at the anode and cathode respectively, and electrical energy is generated.
The electrodes and the electrolyte remain in theory invariant during the use of the battery and are not evacuated nor consumed as happens in conventional batteries
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primary and secondary, This is conveniently illustrated by the reactions of a half-cell and the overall reactions of a fuel cell which can be given by way of example, comprising an acid electrolyte, hydrogen as fuel and oxygen as oxidant, according to the following reactions:
EMI3.1
When an alkaline electrolyte is substituted for the previous electrolyte, the reactions valid for a half-cell and for the cell as a whole are written as follows
EMI3.2
From the above it is visible that the only overall change which is theoretically expected is the combination of the oxidant and the fuel to provide a reaction product and as neither the electrodes nor the electrolyte are consumed by their use, there are no theoretical reasons why a fuel cell would not run indefinitely.
Turning to practical applications of fuel cells, it has been found that a factor of theoretical importance for efficient operation of a fuel cell stack for an extended period is moisture balance. Considering the use of a fuel cell block which includes the immobilized electrolyte, that is
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say when the electrolyte means do not contain a circulating electrolyte, as is the case for an anion or cation exchanger membrane or an aqueous or alkaline acid electrolyte maintained in the capillary intervals of an internal matrix,
the loss of moisture from the electrolyte means will result in significantly reducing the mobility of the ions, thereby increasing the resistivity of the electrolyte means. For a given current, this will increase the internal power losses thereby heating the cell to combustible and further accelerating moisture loss. Left on its own, the fuel cell has an output that gradually drops, and it can be damaged by overheating. On the contrary, if an excessive amount of moisture is obtained on an electrode, as may result from running out of water at the rate at which it is formed as a reaction product, the excess moisture will play a role. role of diffusion barrier between the electrode and the reactive agent.
In these circumstances, the electrode is ordinarily said to be "flooded", and under these conditions, the electrical output power of a fuel cell, including an electrode in this state, is greatly reduced.
Attention has been drawn to the practical application of immobilized electrolyte fuel cells capable of using ambient air as an oxidant. These cells are simple and compact because they eliminate the need for accessory devices to continuously circulate the electrolyte, as is usually the case with cells comprising a free fluid electrolyte.
In addition, the use of ambient air offers the obvious advantages of reducing the logistical equipment required for the fono- '
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operation of fuel cells to a single reactive, while increasing the weight and the efficiency or volume efficiency of the electrical power generating system considered as a whole.
One obstacle to the development of a practical immobilized electrolyte fuel cell block capable of using ambient air, of high reliability and long life, is the fact that the atmosphere varies. largely in temperature and humidity. For many practical applications it is necessary that a fuel cell stack be able to maintain a moisture balance under very different atmospheric conditions both in and out of use. this. In studying this question, it has been observed that immobilized electrolyte fuel cell blocks tend to dry out when operating in ambient air, under most operating conditions.
This is because fuel cells generate heat in use and thus increase the moisture-carrying ability of the air immediately near the cathode. This causes moisture to vaporize from the cell at a rate greater than the replacement of water by formation of water as a reaction product. This rate of desiccation is aggravated by the fact that the heated cathode causes convection air currents which significantly exceed oxidizer requirements, and which sweep and dry the cell.
Another issue that must be considered when constructing a fuel cell block for wide practical applications (including employment in areas
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is the operational safety of the unit, not only when used properly, but also when used improperly. When operating a fuel cell, it is desirable to at least periodically purge the fuel cell near the anode to prevent the build-up of unreacting or slowly reacting fuel impurities. is usually done by letting some of the fuel escape into the atmosphere.
It is recognized, however, that this purging action, when performed on commercial fuel cell blocks by careless or poorly educated users, may give rise to a fire or explosion hazard.
In one of its aspects, the invention relates to a fuel cell block made up of a first and a second spaced apart electrodes and in which electrolyte means cause the electrodes to communicate by means of ions. Means are provided for supplying a first reactive agent to the first electrode, and means for controlling the upward convection flow of a second ambient reactant near the second electrode. The latter means preferably consist of means suitable for providing an inlet opening for the convection below the second electrode and an outlet opening for the convection above the second electrode, and means for selectively controlling at least one of the openings for convection.
The invention will be better understood by referring to the following detailed description oonsidered with the drawings in which:
Figure 1 is an exploded perspective view of a fuel cell block constructed according to the invention.
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Figure 2 is a detailed perspective view of an End Plate Bastion configured as a waffle.
Figure 3 is an elevation, with parts broken and torn away, in a convection control assembly,
Figure 4 is a detailed section taken along the line.
4-4 of Figure 3.
Figure 5 is a detailed section taken along the aigns
5-5 of figure 3,
Figure 6 is a detailed section taken along line 6-6 of Figure 3, and
Figure 7 is a schematic view, with parts in section, of a pressure and purge control system constructed in accordance with the invention.
Figure 1 shows a fuel cell block A,. which is a preferred embodiment of the invention. The block consists of two fuel cell subunits B-A and B-2 and a convection control unit 0 *
Each fuel cell subassembly is shown to consist of an end plate 10, an outer seal
20, two sets of electrodes -electrolyte oriented differently, 30 and 40, and an inner seal 50.
Each end plate 10 comprises on the inner surface two sections 101 -and 103 the configuration of which is in the form of waffles. These devices are shown schematically in Figure 1 and are shown enlarged in Figure 2 which shows the detail. The waffle-shaped configuration of the sections is achieved by the intersection of a set of parallel vertical grooves 105, with a set of parallel horizontal grooves 107 to form shelves 109,
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The shelves are shown to extend inward from the periphery 111 of each end plate a distance which is approximately the thickness of the outer seal 20.
The outer surface of each end plate is preferably provided with a heat dissipating fin assembly 113. Each end plate is made of a material of high thermal conductivity, such as a metal. .
As each fuel cell subassembly is assembled, the shelves extend through windows 115 and 117 of the outer seals 20 to press against the electrode-electrolyte assemblies under circumstances which allow effective heat transfer between them.
Each of the waffle-shaped sections is electrically isolated from the neighboring electrode-electrolyte assembly by a thin coating of an inert insulating material (not shown), such as ceramic material or synthetic resin. The coatings are thin enough to provide effective electrical insulation but without constituting any sensitive thermal barrier between the tablets and the electrode-electrolyte assemblies *
Each of the electrode-electrolyte assemblies is formed;) in the preferred embodiment, following the teachings of Dantowitz in Belgian patent application No. 39,606 belonging to the Applicant.
As shown, the electrolyte means 119 consists of an ion exchange membrane or a capillary matrix which retains an aqueous electrolyte by capillary action. Five separate electrodes 121A, 121B,
1210, 121D and 121E are mounted on one side of each electrolyte means, On the opposite side of each electrolyte means.
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trolyte and in direct opposition with the electrodes affected by the same letters, there are electrodes 123A, 123B, 1230, 123D and 123E, Each electrode 121A has a connecting ear integral with it, 125. while each electrode 1233 has a connecting ear forming body with her, 127.
The electrodes 121B, 1210, 121D and 1213 are connected to the electrodes 123A, 123B, 1230 and 123D, respectively, by connection lugs integral with the electrodes, 129, 131, 133 and 135.
Considering the fuel cell sub-assembly B-2, it can be seen that the opposite pairs of electrodes, constituting each electrode-electrolyte assembly, are electrically connected to each other in series. Thus, a potential can be obtained between the connection ears 125 and 127 of each set, equal to approximately five times that which could be obtained if a single electrode were mounted on each side of the electrolyte means. Each set provides the electrical equivalent of a five-cell fuel cell battery.
The B-1, B-2 fuel cell subassemblies are constructed in a similar but not identical fashion. The end plate 10 of the B-2 sub-assembly is provided with a reagent supply line 137 which has passages 139 and 141 and a purge line 143 having passages 145 and 147. these are omitted in the end plate of sub-assembly B-1.
With this difference, the end plates of the sub-assemblies appear as mirror images. The seals and the electro-electrolyte assemblies of each sub-assembly are identical; however, the interior face of the assemblies shown in the
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sub-assembly or sub-bloo B-2 corresponds to the exterior face of the assemblies of sub-assembly B-1 and vice versa.
The oonveotion control assembly 0 comprises an envelope 149 having windows 151 and 153. The windows of the envelope correspond in dimensions to the windows 115 and 117 of the outer seal and to the windows 155 and 157 of the inner seal of the sub-assemblies, The envelope is provided with two reagent passages 159 and 161 which are intended to align with like passages 163 and 165 of each interior seal. The outer seal of each sub-assembly is provided with aligned window extensions 167 and 169. These window extensions of the outer seal of sub-assembly B-2 are located above the passages 139 and 141 of the reagent supply conduit.
The casing is also provided with purge passages 171 and 173 which are aligned with like passages 175 and 177 of each interior seal and extensions 179 and 181 of the windows of each exterior seal. In Subassembly B-2, the window extensions are above the purge duct passages.
The casing is provided with several convection inlet passages 183 extending from the lower edge to the windows.
The outlet passages for convection 185 extend from the windows to the upper edge of the casing.
Moisture adsorbing pads 187 are mounted in each of the casing windows near the convection inlet passages. As shown, the buffers are provided with passages 189 which are aligned with the inlet passages for convection.
To control the flow of the ambient reactant through the oonveotion passages, the slide valve assemblies 191 and 193 are mounted near the tubes.
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lower and upper edges, respectively, of the envelope.
Each slide valve system is provided with a guide track 195 having passages 197 in alignment with the passages for convection. Tabs 199 and 201 cooperate with the guide tracks of the upper and lower slide valve systems. Each of the tabs is fitted with a seal consisting of a ring at 0 203 and an offset passage 205 to control each passage of the guideway.
A swing arm 207 cooperates with grooves 209 and 211 in the lower and upper tongues. The swing arm is provided with a pivot arm 213 which extends into a side pocket 215 of the casing and which is mounted by means of a pivot pin 217. A finger loop 218 is part of the upper part of the swing arm * The 0 rings and the passages are located in the tabs so that when the assembly is put in place with the arm tilting to the right edge, and the arm is rotated clockwise, as shown, the 0-rings close each of the passages 197. When the rocker arm is rotated counterclockwise. needles. maximum of a watch, the passages 205 of the tabs align with the passages 197.
A drain pipe 219 for the purge products is fitted in a sealed manner in a notch 221 at the lower end of the casing, which is not visible in FIG. 4. The drain pipe is provided with passages. 223 which communicate with the inlet passages for convection, These passages are shown by dotted lines in figure 3.
The oonveotion control assembly is carried by a stand
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225 having a moisture-adsorbing pad, 227, on its surface below the passages for convections
By assembling the fuel cell block, the inner and outer gaskets of each fuel cell subassembly are mounted by putting the peripheral parts in sealed cooperation. The inner and outer electrodes of the electrode-electrode assembly 30 are aligned! with windows 115 and 155 of the inner seal and the outer seal, respectively.
The assembly 40 is presented in a similar fashion with respect to the windows 117 and 157. The part of each electrolyte means which is located outside the electrodes is interposed between the seals and joined in a sealed manner thereto. The outer gaskets seal tight against the end plates while the inner gaskets seal tight against the casing.
In the preferred embodiment, several clamping bolts, not shown in Figure 1 and Figure 3, extend through a number of spaced passages 229 through the subassemblies and the casing. The tightening action of these bolts ensures a gas tightness between the corresponding parts of the end plates of the gaskets and the casing.
The four eleotrode-eleotrolyte sets incorporated. to the fuel cell block are electrically connected in series such that the potential between the terminals of the assembly is approximately 20 times that of a single fuel cell. The electrical connections between the parts are shown in Figures 1 and 3 through 6 inclusive.
Terminal plates 231 to which electrical connectors 233 are welded are mounted near the trays
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end. The terminal pads 231 are each in electrical contact with a connection lug 127 of an electrode-electrolyte assembly 30. The connection lug extends downward from the lower electrode 123E of each assembly 30 and it is insulated from the end plate by a thin insulating coating 235. The insulating clamp bolt 237 performs the function of holding the terminal plates in position to the outer face of the end plates.
The electrode-electrolyte assemblies of each sub-assembly are electrically connected by connection ears 125. The connection ears 125 of each sub-assembly are folded over the upper edge of the end plate. The ears are isolated from the end plate by the covering 239. A connection strip 241 extends between the neighboring ears of each sub-assembly, thus electrically connecting the neighboring assemblies.
The connection ears 127 of the electrolyte electrode assemblies 40 are electrically connected by folding the ears over the upper edge of the end plates.
] the insulating coating 243 is located below the ears.
The connection plates 245 are located above the ears. An electrically conductive clamp bolt assembly, 247, extends between the connection plates and serves as an electrical connector means between them. To prevent contact of the conductive bolt with the end plates, an insulating sleeve 249 is provided.
To understand the use of the fuel cell block A, this block is placed in an atmosphere of electrochemically reducible gas or electrochemically oxidizable gas. In most common applications, gas
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ambient will be air. At the same time, a second electrochemical reaction product is supplied to the assembly or to the battery pack via a reagent supply line 137.
This reagent is,
EMI14.1
an electroohymmetric oxidizable fuel, for example hydrogen, when the ambient reagent is air, and for the simplicity of the description, it will be indicated below by this name,
Fuel is supplied to the outer face of
EMI14.2
each electrode-electrolyte assembly # This is facilitated by evacuating fuel from passages 139 and 141 to enter the window extensions 167 and 169 of each joint 20, and moving vertically downward through the windows. 115 and 117. The fuel reaches joint 20 of sub-assembly B-1 through passages 159, 161, 163 and 165 of joints 50 and shell 149.
The grooves 105 and 107 of the waffle-shaped sections 101 and 103 allow uniform distribution of the fuel over the surface of the electrodes. If desired, the distribution can be further improved by introducing one or more grids or similar porous spacers between the plates 109 and the electrodes. The grids or spacers must, of course, be thermally conductive.
At the same time, the swivel arm 207 is rotated to align the passages 205 in the tabs with the convection passages. The ambient reactant may be present initially in the windows of the casing or may enter the windows through the windows. passages of conveotion, by diffusion.
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To generate electrical energy, an electrical charge is placed between the electrical connectors 233.
The block develops a potential difference roughly representing that developed by twenty fuel cells installed in series. When electrical energy is supplied by the block, a substantial amount of heat will be generated by each electrode-electrolyte assembly. Heat is dissipated by each assembly through shelves 109, end plate 10, and heat transfer fins 113. Because the heat transfer fins are vertical, convection currents can constantly sweep through the fins. .
In addition, the end plates may be endowed with a sensible heat storage capacity, so that heating over short periods of operation is avoided simply by the transfer of heat from the assemblies to the plates. . heating during operation will produce oonveotion currents in the ambient reagent supplied to the assemblies. If a fuel cell subassembly was activated in air without being attached to the convection control block, the means to electrolyte would dry out under most temperature and humidity conditions This would reduce operating efficiency thereby producing excessive heating and / or deterioration of the cell cells.
The convection control unit or assembly according to the invention reduces the flow of the aotive reagent towards the electrode-electrolyte assemblies. The ambient reagent is drawn by convection into the casing of the control unit through the convection inlet passages 183, and discharged by convection through
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the convection outlet passages 185. Under operating conditions involving extremely high temperature! and / or dry running, it may be desirable to add to the constricting effect of the convection passages, by creating a slight misalignment of the passages in the tabs of the valve blocks.
Since the ambient reagent escapes from the block with about one percent humidity, reducing the discharge rate contributes significantly to moisture retention.
If the fuel cell pack is stored for long periods of time with the electrode-electrolyte assemblies exposed to the atmosphere, these can be severely dried out. During periods when the block does not generate electrical energy) it is possible to think that the swivel arm will be rotated so that the convection passages are closed, This closes the block in a steadfast way preventing moisture loss and allows the block to be stored or held in reserve for long periods of time without risking damage.
Another feature of the invention resides in that an important contribution to the conservation of humidity is obtained by mounting the electrode-electrolye assemblies so that they oppose each other. If, for example, the electrode-electrolyte assemblies were omitted from a subassembly, the ambient reagent supplied to the inwardly directed electrodes of the remaining assemblies, would at the same time flow to the tablets exposed by the removal of the assemblies. . As a result, moisture would escape from the assemblies and condense on the relatively cooler shelves, thereby greatly accelerating the degree.
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loss of moisture from the assemblies.
When, however, the ambient reagent is between two sets of electrodes. electrolyte kept at the same operating temperature, moisture does not tend to diffuse from one look and condense on another. The envelope itself, of course, being formed of a relatively thermally insulating material, does not act as a large condensing surface.
Under certain operating conditions, more moisture may be formed as a reaction product of the fuel cell block than can be removed from the surface of the electrode-electrolyte assemblies by the reagent ambient.
Under these circumstances, the produced water will flow downward into the windows of the envelope. A part of this water will be taken up by the adsorbent pads 187 and a part will be taken up by the pad 227. The flow of ambient reagent by convective route, which arrives, will pass over these pads and will take up at least part of the humidity which is present. is contained therein. This adds to the moisture content of the reagent as it reaches the sets and further reduces the ability of the reagent to dry the sets.
The buffers also act as moisture reservoirs protecting the assemblies from drying out during the intervals when the fuel cell pack may be called upon to operate under conditions causing desiccation such as during the peak power interval. Assume that when starting the fuel cell block in most weather conditions, enough moisture will condense on the cold shelves: to wet the pads.
After the block has reached its equilibrium operating temperature, the moisture input
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buffers can be stopped or reversed by increasing the ability to remove moisture inherent to the ambient reagent being heated
To prevent the build-up of unreacting or slowly reacting impurities inside the battery pack at. fuel, it is preferred to continuously or periodically purge the non-ambient reagent supplied to the block. The purge duct 143 is provided for this purpose. The extensions of windows 179 and 181 in points 20 line up with purge passages 145 and 147.
The passages 171, 173, 175 and 177 in the seals 50 and in the casing allow the communication of the purge portions with the seal 20 of the sub-assembly B-1. This makes it possible to purge the two sub-assemblies. In the preferred form of the invention, the purge duct is in communication with the elimination duct 219. The purge ga evacuated from the proximity of the electrodes directed towards the outside of the pipes. together, are led through passages 223 and entrained with the incoming ambient feed reagent. The parts of the purge gas which can react then combine with the ambient reagent on the electrodes which are directed inward.
In operation, a non-ambient reagent is supplied from source D. This may be a continuous supply. naked or on demand. It is preferable that the source is a Kipp generator. At first, reagent is supplied to chamber 305, but is prevented from entering chamber 303 and reagent line 313 through valve head 317. Control arm 361 is lowered to allow flow. non-ambient reagent through line 313 and through battery pack sub-assemblies B-1 and B-2
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fuel.
The non-ambient reagent passes through the fuel cell block, carrying with it all the gaseous impurities which may initially exist in the block * The reagent passes through line 335, through chamber 327, valve seat 339, chamber 329 and the conduit 337 to be mixed with the ambient reagent and to be reacted by the catalytic route on the electrodes of the sub-assembly, directed inwards. In this way, impurities are purged from the fuel cell block while eliminating any risk of explosion and / or fire resulting from the mixing of ambient and non-ambient reactants.
Once the system is purged, the control arm is allowed to assume its normal position, as shown, and an electrical load is connected across the terminals of the fuel cell block. Consumption of the non-ambient reagent will decrease the pressure in chamber 303 and cause atmospheric pressure to force the lower diaphragm, cap 323, and actuator rod 321 to descend to compress spring 319 and displace valve head 317 from the valve. valve seat 315. This allows non-ambient reagent to flow from the source to the fuel cell pack until the pressure difference between chamber 303 and atmosphere has decreased.
Although the chambers of the first shell are periodically placed in communication in response to consumption of reagent, it will be appreciated that the chambers of the second shell communicate only when the control arm is lowered. This can be done as often as 'we want it to purge the whole.
A preferred arrangement adopted for purging fuel cell block A is shown in Figure 7 which shows
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the combination of a non-ambient reagent source D, a pressure and purge regulator E, and the fuel cell block A.
The pressure and purge regulator E is equipped with a first casing 301 provided with a chamber 303 opening upwards and an ohambre 305 opening downwards. The upward opening chamber is closed by a flexible diaphragm 307, so that the downward opening chamber is closed by an end plate 309. The downward opening chamber communicates with a reagent inlet conduit 311, and the upwardly opening chamber communicates with a reagent outlet conduit 313. The two chambers communicate by a valve seat 315. A valve head 317 is biased by a spring 319 to come into contact with the valve seat and carries an actuating rod 321 provided with a cap 323.
A second envelope 325 is provided with a chamber 327 which opens downward and with a chamber 329 which opens upward. The flexible diaphragm 331 closes the upward opening chamber, while an end plate 333 closes the downward opening chamber. A purge inlet conduit 335 communicates with the chamber which opens downward, while a purge outlet conduit 337 communicates with the chamber which opens upward. A valve seat 339 allows communication between chambers. A valve head 341 biased upward by spring 343 controls communication through the valve seat.
An upwardly extending actuator rod 347 carrying a cap 347 contacts the upper diaphragm 331, while a downwardly extending actuator rod 349 and
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bearing a cap 351 is in contact with the lower diaphragm 307. A ring seal 0353 prevents leakage between the end plate 333 and the actuating rod 349.
A cylindrical ring 355 is placed between the end plate 333 and the lower diaphragm. the ring has several passages 357. Above the upper diaphragm is a second ring 359. This second ring is pivotally connected, by a pin 363, a control arm 361; while the control arm, in turn, wears a cap 365 which is pivotally connected to it by pin 367.
Although the invention has been described with reference to a preferred embodiment, it is understood that many modifications can be envisioned without departing from the teachings of the invention. For example, a sub-assembly could be omitted entirely from the fuel cell block and replaced with a plate, preferably a thermally insulating plate. The sub-assemblies could be modified by removing the fins from the end plates. The function of the fins can be performed by cooling coils or simply by bringing the block into contact with a heat sink. Waffle shaped dishes can be omitted and replaced by other heat conducting means, for example a grid or other porous material.
The electrode-electrolyte assemblies could be formed as a single assembly for each subset or be presented as a greater number of assemblies. Each set could be formed with one electrode only per side or with a number of electrodes per side greater or less than the five shown. The electrodes of the assemblies could be connected electrically in series or in parallel, just like
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could be the various sets of the block.
The connection ears should not be an integral part of the electrodes, but could be formed separately and attached to them as required. Several connection ears could be used to conduct the electric current between the electrodes, rather than 'a single ear, as shown, Subassemblies need not be' bolted, as shown, but could be glued.
The convection control unit does not necessarily have to be formed with two windows, but it could be formed with a single window or with more than two windows.
The particular valve blocks shown for the control block are not essential to the operation of the control block and could be replaced with valve blocks of different construction. It is not necessary that the upper and lower valves be operable simultaneously, as shown. It is not necessary that the convection inlet and outlet passages be provided of the same number and the same dimensions. As there is less ambient reagent leaving than arriving, the convection outlet passages could be of smaller dimensions.
The connection control block has been shown as formed with two main faces each carrying a fuel cell subassembly. It is recognized that one could substitute for the envelope another envelope oomportant more than two main faoes, each of them carrying one or more subsets. The faces of the envelope could, for example, appear to each other as the sides of a triangle, square, pentagon, eto, instead of being parallel, as shown. The moisture adsorption buffers
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the casing and the foot are not necessary. Alternatively, the passages from the buffers 187 could be omitted for; give intimate contact between the ambient reagent and the moisture in the buffers.
The foot, of course, is only one possible means of support. The purge conduit for the fuel cell block is not essential. The block could operate with a dead end flow of the non-ambient reagent, although this is not to be preferred.
The block could be easily modified to purge gas continuously directly from the subassemblies to the passages 183 without passing the purge through the sediments 143 and 219. Alternatively, the conduits 143 and 219 could be connected by a certain length of Small diameter tube to allow continuous purging at controlled flow rate while preventing any chance of back diffusion. The pressure and purge regulator E is simply an example of a means that could be used to allow intermittent purging.
It is believed that a person of ordinary skill, once instructed in the function to be performed, could design a wide variety of equivalent automatic and manual control units. To prevent heating of the inwardly directed electrodes, it may be desirable to infiltrate a separate catalyst body to combine ambient and non-ambient reagents. This catalyst block would preferably be located inside the fuel cell block and more desirably still inside the oonveotion inlet passages 183.
The combination of the reactant purged inside the fuel cell block offers the advantage of isolating the reaction to avoid a risk of fire which could arise outside the fuel cell block in various applications. .