CA1057816A

CA1057816A - Piles a combustible

Info

Publication number: CA1057816A
Application number: CA246,455A
Authority: CA
Inventors: Jacques Cheron; Alain Grehier
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1975-02-25
Filing date: 1976-02-24
Publication date: 1979-07-03
Also published as: FR2302600B1; FR2302600A1; US4037023A; NL7601892A; JPS51109443A; GB1499963A; CH607338A5; IT1067505B; DE2607690A1; BE838819A

Abstract

Pile à combustile perfectionnée comportant un bloc formé d'un empilement d'électrodes qui délimitent entre elles des premiers compartiments destinés à contenir un électrolyte et des seconds compartiments à travers lesquels peuvent circuler des fluides réactifs, les seconds compartiments étant situés de part et d'autre des premiers compartiments. Dans cette pile chacune des électrodes est munie, sur sa face située du côté du second compartiment, de protubérances qui sont en contact avec la face opposée de l'électrode adjacente de l'empilement.

Description

~05'7~

La présente invention concerne un perfectionnement aux piles à combustible.
Ce type de pile comporte un empilement d'éléments définissant entre eux des espaces pouvant contenir un électro- ;
lyt, tel qu~une solution de potasse KOH, ~es espaces pour la circulation d'un combustible tel que de l'hydrogène, et des espaces pour la circulation d'un comburant tel que de l'oxygène pur ou l'oxygène de l'air, les espaces pour la circulation de ces réactifs étant disposés de part et d'autre des espaces contenant l'électrolyte.
Dans un premier cas de réalisation, tous les éléments sont constitués par des électrodes qui ont généralement une faible épaisseur et nécessitent l'emploi de dispositifs dénommés séparateurs isolants dont le but est de maintenir l'écartement entre les électrodes, et d'empêcher leur déformation, dans le cas d'électrodes déformables.
L'utilisation de séparateurs, qui n'ont qu'un rôle m~canique, et n'interviennent pas dans le phénomène de production de l'énergie électrique fournie par la pile, présente en fait des inconvénients.
Tout d'abord, ces séparateurs augmentent le poids de la pile, ce qui se traduit par une diminution de la puissance mas-sique ~e la pile.
De plus, comme ils ~ont placés dans les compartiments de~la pile à travers lesquels circulent les réacti~s~ il9 créent, dan~ coulem~nt des r~actifs, des pertes de charge riotables qui doivent atre compens~es par un dimensionnement plus important des compartiments contenant les réactifs, ou lorsque ces réactifs sont gazeux, oblige à utiliser des gaz SOU9 une pression plus ~levée.
Dans d'autres c~s de réalisation des blocs de piles, seu~s les el~ments constituant une séparation entre un -1- ~

~57~1~
compartiment contenant l'électrolyte et un compartiment contenant un réactif sont constitués par des électro~es. Les éléments assurant la séparation entre deux compartiments tra-versés par des réactifs sont constitués par des plaques métal-liques étanches et conductrices, placées entre deux électrodes.
Ces plaques ont généralement une forme ondulée et assurent aus-si la connexion électrique entre deux électrodes consécutives avec lesquelles elles sont en contact, et ont également pour but de maintenir l'écartement entre ces électrodes.
L'objet essentiel de la présente invention est donc de permettre la suppression des sépara~eurs isolants, généralement utilisés dans les piles à combustible du premier type indiqué
ci-dessus, dans le but de réduire le poids et/ou les dimensions ..
de la pile à combustible et, dans tous les cas de réalisation du ::
bloc de pile, l'objet de l'invention est de simplifier ou de faciliter les opérations d'empilement des éléments du bloc de pile.
Selon des modes particulièrement avantageux de réali-sation de l'invention applicable aux piles utilisant un élec- :
trolyte liquide qui circule dans les espaces contenant l'élec-trolyte, il est également possible de réduire consid~rablement le volume des espaces où circule l'électrolyte, ce qui permet une diminution importante du poids de ces piles ~ combustible.
Llinvention pourra ~tre bien comprise et ses avantages apparait~ont à la lecture de la description de modes non limita-tlfs de r~alisation de l'invention, illustrée par les figures ann~x~es, dans lesquelles :
- La figure 1 représente schématiquement, vue en coupe, un premier type de pile à combustible selon l'art antérieur, - La figure 2 est une vue en perspective d'une élec-trode équipant une pile à combustible selon l'invention, - La figure 3 représe~te schématiquement, et en coupe, une pile à combustible selon l'invention,' l ; .

11~57~
- Lafigure 4 illustre une variante de la figure 3, - Les figures 5, 6 et 7, montrent différents profils possibles pour les bossages 13, - La figure 8 montre un autre mode de réalisation d'une électrode pour une pile à combustible selon l'invention, - La figure 9 schématise une variante de la figure 8, - La figure 10 montre partiellement un empilement d'électrodes vues en coupe, dans lequel le volume des comparti-ments recevant l'électrolyte est considérablement réduit, et - La figure 11 représente un autre mode de réalisation de l'empilement d'éléments du bloc de pile.
Sur ces figures les mêmes références ont été utilisées pour désigner des éléments identiques.
La figurel représente schématiquement, vue en coupe, un premier type de pile selon l'art antérieur.
Cette pile comporte un bloc formé d'un empilement d'électrodes planes El, E2, E3... qui délimitent des espaces tels que 1 pour contenir un électrolyte, par exemple une solution de potasse KOH, des espaces tels que 2, dans desquels circule ~n combustible, par exemple de l'hydrogènel~l2, et des espaces tels que 3, où circule un comburant, par exemple de 1'oxygène pur ~2 ou ~c l'air, le9 e~pace9 recevant ces reactifs ~tant dispos~q de part et d'autre de l'espace QU est introduit l'électrolyte.
L'alimentation du bloc de pile est r~alisée suivant une direction perpendiculair~ au plan de la figure.
Les ~lectrode~ ~ont recouvertes de catalyseurs appro-pri~ favorisant les réactions électro-chimiques au contact de 1'~lectrolyte~ comme il est bien connu des spécialistes.
Les électrodes sont électriquement reliées entre elles par exemple, mais non exclusivement, comme le montre la figure 1, au moyen de barrettes électriquement conductrices 4, 5, 6, 7.

i~)5~
Les références Pl et P2 désignent des plaques métalliques placées aux extrémités de l'empilement des électrodes.
Dans les compartiments aliment~s en combustible, et ceux alimentés en comburant, sont placés des séparateurs 8 qui maintiennent les électrodes.
La présence de ces séparateurs augmente le poids du bloc de pile, et provoque une perte de charge notable dans l'écoulement des fluides réactifs, surtout lorsque ceux-ci sont gazeux.

La présente invention permet de supprimer l'utilisation de ces séparateurs en utilisant des électrodes telles que celle représentée en perspective sur la figure 2.
Cette électrode, munie à sa périphérie d'oreilles 9 à
12 pour permettre son raccordement à des barrettes de connexion électrique, telles que celles référencées 4 à 7 sur la figure 1, illustrant à titre d'exemple non limitatif seulement un mode possible de connexion entre les différentes électrodes, porte des protubérances en forme de bossages 13 sur sa face délimitant un compartiment alimenté en fluide réactif pendant le fonction-nement de la pile.
Les bossages 13 sont répartis de telle sorte quelors de l'empilement des électrodes, les bossages d'une électrode prennent appui sur les bossages de l'électrode qui lui fait face pour délimiter un compartiment contenant un fluide réactif, comm~ le montre la figure 3 qui représente schématiquement, vue en coupe, une pile ~ combustible selon l'invention.
Ces bossages seront de préférence obtenus par une opé-ration d~emboutissage. Le nombre de bossages, leur forme et leur répartition seront choisis en fonction des dimensions des ~lectrodes (épaisseur, longueur largeur, etc...). du matériau constituant ces électrodes et de la perte de charge maximale admissible dans l'écoulement des fluides réactifs à travers le ~,~st;~

bloc de pile, etc...
Dans l'exemple représenté sur la figure 3, la hauteur h des bossages est égale à la moitié de l'écartement H entre deux électrodes délimitant un compartiment alimenté en fluide réactif.
Cependant, on ne sortirait pas du cadre de la présente invention en faisant des bossages 13 dont la hauteur soit égale à la totalité de l'écartement ci-dessus défini, sur l'une au moins des électrodes délimitant ces compartiments, comme le représente la figure 4.

Bien entendu, il est aussi possible de réaliser sur deux électrodes consécutives des bossages de hauteurs h différen-tes pourvu que ces bossages prennent appui les uns sur les autres et que la somme des hauteurs de deux bossages opposés soit égale à l'écartement H qu'il faut maintenir entre les électrodes.
Les figures 5, 6 et 7 représentent une électrode E vue en coupe selon la lA gne A-A de la figure 2, et illustrent à
tltre d'ex~mple non limitatifs, différents profils possibles pour réaliser les bossages 13.
Sur la figure 5, les bossages ont une forme de tronc de cône cylindrique.
Sur la figure 6, le profil des bossages 13 est celui d'une calotte sphérique, tandi5 que sur la flgure 7, les bossages 13 ont un profil en calotte 9ph~rique dont le ~ommet es~ aplati.
~ a figure a montre un autre mode de réalisation d'une ~lectrode ~ dans laquelle le4 bossages 13 sont remplacés par de~ redents 1~ obtenus par emboutissage.
De pr~férence, mais non exclusivement, ces redents ~'~tendent dans la direction F du sens d'écoulement des produits r~actifs lorsqu'ils traversent le bloc de pile ou sont orientés suivant une direction ayant au moins une composante dirigée selon la direction F d'éc~ulement des produits réactifs.

``105~81f~
Les redents 14 sont rectilignes et peuvent avoir une longueur a égale à celle A de 1'électrode E, comme repr~sent~
sur la partie gauche de la figure 8. Cependant, il sera égale-ment possible de réaliser des redents de longueur a inférieure à la longueur A de l'électrode E (partie droite de la figure 8).
Le profil des redents pourra être trapèzoidal, cylin-drique, etc... sans que ces exemples puissent être considérés comme limitatifs.
Comme pour les bossages 13, fig. 2 à 7, la hauteur h -~
10des redents pourra être égale à H ou H/2, H étant la distance ~
entre deux électrodes délimitant un compartiment contenant un --fluide réactif dans le bloc de pile à combustible.
La figure 9 montre un autre exemple de réalisation des redents 14 d'une électrode E. ~es redents ont la forme g~nérale d'une ligne brisée.
L'électrode faisant face à l'électrode E représentée sur la figure 8 pourra avoir des redents similaires disposés de telle sorte que dans la position d'empilement des électrodes, les redents d'une électrode recouvrent exactement les redents de l'électrode opposée. De préférence, on réalisera sur l'élec-trode El opposée à l'électrode E, des redents disposés de telle sorte que dans la position de rapprochement des électrodes E et E~, les redents ~ui se font face n'aient tout au plus que quel-ques points de contact entre eux.
Les redents 14 des électrodes adjacentesE et El peu-ven~ aussi ~tre inclin~e5 symétriquement par rapport à la di-xection F de la figure 8, ayant ainsi entre elles une pluralité
de point9 de contact dans leur position de rapprochement.
Bien entendu, il sera également possible d'utiliser des électrodes dont les redents présentent une géométrie dif-f~rente, pourvuque dans la position de rapprochement des ~lectro-des, les redents opposés aient quelquespoints decontact entre eux.

Par exemple, on pourra associer dans un même em~ilement une électrode .

~ . , .

7~
telle que celle représentée sur la fi~ure 8 et une électrode telle que celle désignée par E sur la figure 9.
Les redents ainsi réalisés présentent, par rapport aux bossages 13 (fig. 2) l'avantage de raidir les électrodes qui généralement ont une faible épaisseur.
Il est aisé de comprendre de ce qui précède que la suppression des séparateurs procure, pour une puissance nominale constante de la pile à combustible, les avantages suivants :
- réduction du poids de la pile, - réduction des pertes de charge dans l'écoulement des produits réactifs alimentant le bloc de pile, ce qui autorise une réduction de l'écartement entre les électrodes délimitant les compartiments où circulent les produits réactif 9, et en con-séquence une diminution des dimensions du bloc de pile, et - simplification des opérations d'empilement des électrodes.
Les électrodes du type de celles illustrées par les figures 8 et 9, pour lesquelles les redents s'étendent sensi-blement dans la direction d'écoulement des fluides, présentent un avantage supplémentaire dans le cas des piles utilisant un électrolyte liquide circulant dans les compartiments à électro-lyte. En ef~et, la formation des redents 14 par emboutissage laisse apparaitre de~ canaux sur la face des ~lectrodes délimi-tant les compartiments d'~lectrolyte. Ce9 canaux ~acilitent la circulation de l'électrolyte liquide.
Il est alors possible, comme le montre la figure 10, de r~duire l'~cart entre les électrodes El et E2 délimitant les com-partiments d'électrolyte, à une valeur de l'ordre du dixième de millim~tre, l'espacement entre ces électrodes pouvant être main-tenu par tout moyen approprié, par exemple par l'utilisation d'une mince feuille de feutre 15 qui s'imbibera d'électrolyte.

Vne telle disposition permet ainsi de diminuer les dimensions du bloc de pile, de r~duire la quantité d'électrolyte ~)578~
nécessaire, ainsi ~ue le poids de la pile.
FJn effet, le poids de l'électrolyte contenu dans une pile selon l'invention schématisée par la figure 9 peut ne représenter que 10 à 20% du poids du bloc sec, alors que pour une pile, selon l'art antérieur, de meme performances, le poids de l'électrolyte contenu dans le bloc de pile représente environ 50% du poids du bloc sec.
Par ailleurs, cette réduction du poids d~électrolyte dans la pile se répercute sur le poids d'électrolyte nécessaire dans le bac tampon placé sur le circuit d'alimentation de la pile en électrolyte, ce bac tampon servant ~ maintenir sensi-blement constante la concentration de l'électrolyte au cours du fonctionnement de la pile.
Grâce au perfectionnement selon l'invention, le poids d'électrolyte dans ce bac tampon peut être réduit de près de la moitié.
Toutefois, un rapprochement important des électrodes El et E2 pourrait conduire à des difficultés technologiques lors de la fabrication de la pile. Pour évi-ter cet inconvénient, les extrémités des électrodes pourront avantageusement être défor-mées de sorte que dans l'empilement, ces extrémit~s aient en-tre elles un écartement supérieur ~ celui des portions d'élec-trode ~lectrochimiquement actives.
La ~igure 11 représente schématiquement un autre mode de r~allsation du bloc de pile, composé de l'empilement d'élé-mants dif~rents comportant des électrodes El, E2, ... qui d~limitent un compartiment contenant l'électrolyte et un com-partiment traversé par un fluide réactif~
Dans ce mode de réalisation, des éléments plans Sl, S2 sont interposés entre les faces de deux électrodes consécutives qui poxtent les bossages-ou les redents . Ces plaques sont en contact avec ces bo~sages et délimitent avec chacune des élec-trodes voisines un compartiment dans lequel peut circuler un l~)S7~

fluide réactif.
Suivant le mode de connexion électrique que l'on désire obtenir, ces plaques pourront être isolantes ou conduc-trices de l'électricité. Dans ce dernier cas, elles pourront être en contact électrique avec les bossages des électrodes adjacentes, les hauteurs de ces bossages étant alors égales à
l'épaisseur des compartiments alimentés-en ~luides réactifs.
Dans un tel mode de réalisation, les plaques Sl uti-lisées peuvent être d'une très faible épaisseur, et donc de poids inférieur à celui des séparateurs ondulés utilisés selon l'art antérieur.
Des modifications pourront être apportées sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. Par exemple, on pourra utiliser des électrodes embouties de telle sorte que sur la face de chaque électrode délimitant un compartiment con-tenant un fluide réactif apparaissent simultanément des bossages, tels que ceux représentés sur la igure 2, et des redents, tels que ceux repr~sentés sur les figures 8 ou 9, les redents et les bossages pouvant être, ou non, sécants.

-8a-:

Claims

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Pile à combustible perfectionnée comportant un bloc formé d'un empilement d'électrodes qui délimitent entre elles des premiers compartiments destinés à contenir un électrolyte et des seconds compartiments à travers lesquels peuvent circuler des fluides réactifs, les seconds compartiments étant situés de part et d'autre des premiers compartiments, caractérisée en ce que chacune desdites électrodes est munie, sur sa face située du côté du second compartiment, de protubérances qui sont en con-tact avec la face opposée de l'électrode adjacente de l'empile-ment.

2. Pile à combustible selon la revendication 1, carac-térisée en ce que chacune des deux électrodes est munie de pro-tubérances sur sa face délimitant ledit second compartiment, les protubérances de l'une des électrodes prenant appui sur les pro-tubérances de l'autre électrode.

3. Pile à combustible selon la revendication 2, caractérisé en ce que les protubérances ont une hauteur égale à
la moitié de l'épaisseur du second compartiment délimité entre les deux électrodes.

4. Pile à combustible selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les protubérances sont consti-tuées par des bossages obtenus par emboutissage des électrodes.

5. Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que les protubérances sont constituées par des redents obtenus par emboutissage des électrodes.

6. Pile à combustible selon la revendication 5, caractérisée en ce que les redents sont rectilignes.

7. Pile à combustible selon la revendication 5, caractérisée en ce que les redents ont la forme d'une ligne brisée.

8. Pile à combustible selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que les redents sont orientés dans une direction ayant au moins une composante parallèle à la direction d'écoulement des fluides circulant dans le bloc de pile.

9. Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'écartement entre les faces des électro-des consécutives de l'empilement, délimitant lesdits premiers compartiments a une très faible valeur, en ce qu'un matériau isolant et poreux est interposé entre ces faces, et en ce que les extrémités de ces électrodes sont déformées pour présenter entre elles des écartements supérieurs à ceux séparant les por-tions des électrodes électrochimiquement actives.

10. Pile à combustible selon la revendication 2, dans laquelle les protubérances sont constituées par des redents, ca-ractérisée en ce que les redents d'une électrode sont en contact en au moins un point avec les redents de l'électrode adjacente.

11. Pile à combustible selon la revendication 1, ca-ractérisée en ce que lesdites protubérances sont constituées simultanément par des redents et des bossages.

12. Pile à combustible selon la revendication 10, caractérisée en ce que les redents des électrodes adjacentes sont inclinées symétriquement par rapport à une direction commune.