CA1057819A

CA1057819A - Piles a combustible

Info

Publication number: CA1057819A
Application number: CA230,657A
Authority: CA
Inventors: Jacques Cheron
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1974-07-04
Filing date: 1975-07-03
Publication date: 1979-07-03
Also published as: BE830800A; FR2277443B1; NL7508043A; DE2529470A1; JPS5130328A; IT1039684B; FR2277443A1; CH586960A5; GB1510678A

Abstract

La présente invention a pour objet une pile à combustible perfectionnée comprenant un bloc formé d'un empilement d'électrodes définissant entre elles des espaces pour la circulation d'un électrolyte, des espaces pour la circulation d'un gas combustible et des espaces pour la circulation d'un gas comburant, les espaces pour la circulation des gas étant disposés de part et d'autres des espaces pour la circulation de l'électrolyte, caractérisée en ce que les électrodes comportent sur une de leur face une partie centrale en relief par rapport à la périphérie de cette face et en ce que ces électrodes sont disposées de manière que les espaces pour la circulation de l'électrolyte aient une section réduite par les dites faces dont la partie centrale est en relief de deur électrodes adjacentes du bloc, les espaces pour la circulation de chacun des gas étant limitée par l'autre face de deux électrodes adjacentes du bloc. Les piles A combustible selon l'invention ont, à puissance donnée, un poids considérablement réduit par rapport aux piles actuelles, du fait de la diminution du volume d'électrolyte dans le bloc par unité ?e surface des électrodes.

Description

~ a pré~ente invention concerne u~ per~ectionnement aux pile~ à combustible, permettant une r~duction considérable de leur poids ~ pui~sance donn~e.
~ e~ piles ~ com~u6tible utilisant un oombustible et un .eomburant gazeu~ comprennent un empilement d~électrodes micropo-reuses, étanches ~ lteau~ définissant entre elles de~ espaces pour la circulation d'u~ électrolyte~ par exemple une solution de p3tasse~ des e~paces pour la circulation d~un gaz combustible~
tel que~ par e~emple, l'hydrogane, et des e~paces pour la circu-lation d'un gaz comburant (par exemple oxygène pur ou air).
~es e~paces pour la circulation des ga~ sont disposés de part et dlautre des espaces pour la circulation de llélectro-lyte.
Un incon~énient des piles ~ combust~ble aotuelles de ce type réside dans leur poids relati~em~nt important dont une frac~
tion notable e~t con~tituée par le poids de l~électrolyte.
On peut songer ~ réduire le poids d~électrolyte contenu ~an~ le bloc de pile en diminuant l~cartement des électrodes li-mitant les compartiment~ de la p~le dans lesquels circule ~élec-trolyte~ san~ diminuer la surface de ce~ électrode~ mai~ on est limité dans oette ~oie~ non seulement par l~accrols~ement de la perte de oharge aan~ le o~rou~t d~électrolyte~ mais surtout par la difflcult~ ~u~on renoontre alors pour réali~er l~étanchéité
~ur le~ ~aoe~ lat~rale~ du bloc de pile.
En ef~et~ cette ~tanohéit~ e~t gén~ralement o~tenue en ~aisant reposer le bloo dan~ un bain de résine solidifiable~ sur ohaou~e de ~es f~ces lat~rale~ ~uccessivement~ or, le rapproche-~nt des ~leotrodes ri~ue d~augmenter la hauteur de remontée de la r~ine liquide par capillarité~ ~ partir de la face sur laquelle lo bloo repose dans le baln~ entrainant æinsi une r~duction de la surface actlve de~ éle¢trodes.
Ia pr~ente in~ention a pour ob~et une pile ~ combu~ti-l~S'7~
ble per~ectionn~e dont le poid~ est réduit par diminutio~ du poid~ d~lectrolyte néce~saire, sans augmentation de la distance de pén~tration de 1~ ré~i~e d'étanchéit~ dan~ le bloc à partir dee faces latérale~ de ce dernier.
- ~a pile à combu~tible selon l~invention est caractérisée e~ ce ~ue le~ électrodes comportent sur une de leur face une par-tie centrale en relief par rapport ~ la périphérie de cette face et en ce que ce~ éle¢trode~ sont disposée~ de manière que les es-pace~ pour la circulation de l~électrolyte aient une ~ectio~ ré-duite par les dite~ faces dont la partie centrale est en relief 'de deux électrodes adjacentes du bloc~ le~ e~paces pour la cir-culation de chacun des gaz combustible et comburant étant limités par l~autre face de deux électrodes ad~acentes.
invention a pour autre objet des électrodes pour pile ~ combustible caractérisée e~ ce qu~elles présentent une face dont la partie est en relie~ par rapport à la périphérie de l'~lectrodeO
Y invention ~era bien comprise en se référant au~
dessin~ annexés illustrant des exemples no~ limitatifs de réalisa-tion o~s' - la figure'1 représente~ schématiquement~ en coupe~ u~ bloc de pile ~ comb w tible d~un type oonnu~
- la ~igure 2 illustre une électrode selon l~in~entio~
- la ~gure 2A e~t u~e vue de cette électrode ~elon ~a coupe ~-A~
la fi~ure 3 montre~ ~Ghémat~quement~ une pile ~elon l~inventio~
- la f~uro ~ e~t un~ ~ue de d~tail de ¢ette pile, ~ plu~ grande ~ohelle, - la figure 5 indi~ue le mode ~'~coul0ment de l'~leotrolyte ~ tra~
~or~ le bloo de pile~ et - la ~igure 6 illu~tre la r~aliBation de llétanch~it~ ~ur L~une 3 aes ~aoee l~térale~ dU bloc.
1a figure 1 repré~ente 5ch~matiquement~ e~ coupe~ un bloc de pile à oombu~tible d~un type connu.
.

.

:. . ;' . ` . : :

~` ` , . . .

~5 7 ~ ~

Ce bloc e~t form~ d~un empilement d~lectrodes E1~ E2, E3 ... aes ~lectrode~ d~finissent entre elle~ de~ e~pace~ tels que l~espace 1, pour la circulation d~un électrolyte~ par exemple une solution de potas~e KOH~ des e~pace~9 tels que 2~ pour la circulation dtun gaz combustible~ par exemple de l~hydrogène ~2~
et des espace~, tels que 3, pour la circulation d~un gaz comburant, par exemple de llair.
Ces ~leotrodes sont mieroporeuses, laissant di~fuser le~
ga~ mai6 non l~lectrolyte, et ~ont recouvertes de cataiyseurs m~talliques appropri~s favori~ant le~ r~actions électro-chimiques au contact de l~lectrolyte, co~me il e~t bien connu de~ sp~cia-listes.
Elle~ sont connectée~ entre elles ~lectriquement par des barrette~ 4~ 5 et 6~ le mode de conne~ion repré~enté n~ayant aucun caractare limitati~. ~es r~férence~ P~ et P2 désignent de~
plaques métalliquee.
Ce~ piles renferment un poid~ $mportant d~éle¢trolyte~
pou~ant ê.tre de l~ordre du tier~ du poid~ total de la pile.
~ e poids pourrait ~tre réduit en rapprochant le~ ~lec-trodes E1~ ~2~ E3 ~..... dont ~cartement e~t habituellement de l~ordre du millimatre.
aependant un tel xapprocheme~t re~drait diffioile la r~ali~ation de l~étanah~it~ ~ur le~ face~ lat~rales du bloa de plle~ pour le~ raison~ indiquées plu~ haut.
~a pr~#ente in~ention permet de r~soudre ce probl~me p~r l~utilieabion d~leotrode~ telle~ que l~électrode E repr~sent~e par la ~igur~ 2 et la figure 2 A~ ¢ette derniare étant une ~ue oUi~Qnt la coupo A~A de la figure 2. .`
Oette ~lectrode~ qui ¢omporte de façon connue~ a ~a .
periphérie~ des ~oreillesU de connexion électrique 9~ 10, 11 et 12 ; `
pour permettre son raocordement ~ des barrettea de co~ne on~ .`
telles gue les barrettee 49 5 et 6 de la figure 1~ présente une ..
:
.

78 ~3 ~ace 8 ~ormé~ e~entiellement d~ ments en relief (face infé-rieure ~ur les figures 2 et 2A) et une face 7 sup~xieure.
Dans l~exemple de r~ali~ation illustr~ cette autre face (face ~up~rieure) e~t essentiellement creuse.
Pour simplifier, ces face~ sont respectiveme~t appel~es ~face conve~e" et face n concave" dan~ ce gui suit.
~ a figure 3 illustre une pile construite ~elon l'inven-tlon. ~a figure 4 est une vue de détail ~ plus grande ~chelle.
Sur ces figure~ les mêmes réf~rencés que sur la figure 1 ont été
utilisées pour d~igner les éléments correspondants.
Comme le montrent ces figures, les électrodes selon l~invention~ telles gue E1 et E2, sont dispo~ées de m3~re ~ue le~ e~pace~ pour la circulation de l~lectrolyte, tels que l~es-pace 1~ soient l~mit~s psr les faces convexe~ rapprochée~ de deux électrode~ adjaoentes du bloc et que le~ espaces~ tels gue 2 et 3 pour la circulatlon des gaz~ so~ent llmltés par les f~ce~ concave~
de deux ~le¢trodes adJaoente~ du bloc.
De cette façon~ il est possible de rapprooher con~id~ra-bl~ment lea faoe~ des électrode8~ telle~ que ~1 et ~2~ limitant les ~pao8~ 0~ oircule L~éleotrolyte, en oonservant ~ ces électrodes~
au ~oisinage de leur~ bord~, un écartement ~uffi~ant pour emp8cher u~e remontée de 1~ ré~ine ~!étanoh~it~ par cap~llar~té ~ llint~-rieur du bloo~ lor~ de l~opération qui ~era décrite ci-apra~ en ~e r~éra~t ~ la figure 5.
~éoart~m~t ontre le~ électrode~ El et E2 pourra~
par ~xemple~ 8tro r~duit ~ une valeur sensiblement inf~rieure 1 mm~ par e~emple 0~5 mm et aO préférence de l~ordre de 1/10 de millimatre ou mame moins~ ~?e~pacement entre ces éle¢trodes pou-~ant 8tre maintenu par tout moyen appropr~ par exemple par l~utilisation d~une minoe feuille de feutre 13 qui ~imbibera d~leetrolyte.
~e~ faoes conca~e~ de~ ~lectrodes~ telle~ gue E2 et E3 , ~ 5 7 ~ ~
Bont maintenue~ e~pac~es~ de manlare connue, par des s~parateurs iæolants 14 laissant pas~0r les gaz (gaz oombustible et gaz comburant). ~a comparaison des figures 1 et 2 montre que le volume des e~paces, tels que 2 et 3, o~ circulent les gaz, peut ., 8tre augmente9 ~elon l'invention~ ce qui facilite l'écoulement de ce~ gaz. Selon un mode préféré de réalisation de l'in~ention, le~ faces con~exes~ telles que la face 8, comportent de~ canaux transversaux 15 (vus du côté de la face concave sur la figure 2).
~ ~es canaux ~5 des électrodes, telles que El et E2, sont placés e~ regard dans le bloc de pile (figure~ 3 et 4), de façon ~ue les e~pace~ pour la circulation de l'électrolyte dan9 le bloc de pile comportent des conduitæ 16 facilitant l'écoulement et la répartition de l'électrolyte.
Cet écoulement de l'électrolyte ~ traver~ le bloc de pile est indiqué p&r des fl~ches sur la figure 5. Sur cette figu-re~ la r~férence 17 désigne l?enveloppe de résine assurant l~'étan-oh~it~ du bloc.
Dans cette enveloppe 80nt ménagés deux orifices 18 et 19 pour l'entr~e et la 80rtie de l'électrol~te respecti~ement.
~a fi~ure 6 montre oomment e~t réalisée l'étanohéité des ~aoe~ d~ bloo de pile.
Ce bloc e~t plac~ dan~ un r~cipient 20 co~tenant un bain de m~t~riau i~olant ~olidifiable~ par exemple une r~ine ~po~yde ~ul`~ e~ duro~ant~ a~ure l'~tanch~ité sur la faoe du bloc pos~e da~ le xéo pie~t 20.
Ie xelief des ~leatrode~ e~t r~ali~é en lais~ant sub~is-tor u~ bord d'une oertaine largeur.
Par ~uite, ~'eepacement e~tre ~lectrode~ telle~ que El et E2~ e~t plu~ important au ~o~inage des bord~ comparable oelui de~ électrode9 selon l'art a~térleur (c~. le~ figures 1 et ~)~ oe qui permet d'éviter le~ risque~ de remont~e de la r~sine ll~uide ~ l'intérieur du bloc de pile. .

~ , 7~ ~ ~
~ a largeur ~ de ce bord des électrode~ sexa choi~ie par le sp~cialiste en fonction de la hauteur d du relief et de la te~on ~uperficielle de la r~slne liquide pour que la hauteur de remont~e de la r~ine par ~apillarité, dan~ la position de 18 figur~ 6, æoit inf~rieure ~ la di~tance entre le bord de la pile et l'extrémit~ de lt élément 1~ séparant les éleotrodc~.
~ a co~stitution de~ électrode~ (matériaux, porosité~
catalyseurs) qui ~'entre pas dans le cadre de ~'invention e~t laissée également au choix du spécialisteO
En utilisant la technique selon l~'invention9 il est pos-~ible de réduire con~idérablement le poids d'électrolyte.
Ce poide repr~sente en~iron la moitié du poids du bloc sec (~ans électrolyte) dan9 une pile ~elon l'art antérieur. Dans une pile selon l'in~ention~ 11 peut ne repré~enter ~ue 10 ~ 20 de ce poida du bloc eec.
Par allleur9, cette réduction du poids d~'électrolyte aans la pile se répercute sur le poid~ d'électrolyte ~ecessaire dan~ le bac-tampon placé ~ur le circuit d'alimentation de la pile en éleotrolyte~ ce bac-tampon ~ervant ~ mainte~ir sensiblement oon~tante la ooncentration de l'éleotrolyte au coux~ du fonction-nement de la pile.
~e poid~ d;'éle¢trolyte dans ce bao-tampon peut P~n~i ~tr~ xéduit de pxas de la moiti~.

:.- . -: . . . ~ .
;; , ~ .
,, . . ~ . .. ~ , ..

Claims

Les réalisation 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 comprenant un bloc formé d'un empilement d'électrodes définissant entre elles des espaces pour la circulation d'un électrolyte, des espaces pour la circulation d'un gaz combustible et des espaces pour la cir-culation d'un gaz comburant, les espaces pour la circulation des gaz étant disposés de part et d'autre des espaces pour la circu-lation de l'électrolyte, caractérisée en ce que, afin de diminuer le volume d'électrolyte dans le bloc par unité de surface des électrodes, les électrodes comportent sur une de leur face une partie centrale en relief par rapport à la périphérie de cette face et en ce que ces électrodes sont disposées de manière que les espaces pour la circulation de l'électrolyte aient une section réduite par les dites faces dont la partie centrale est en relief de deux électrodes adjacentes du bloc, les espaces pour la cir-culation de chacun des gaz étant limités par l'autre face de deux électrodes adjacentes du bloc.

2. Pile à combustible selon la revendication 1, carac-térisée en ce que lesdites faces dont la partie centrale est en relief de deux électrodes adjacentes sont séparées par une distan-ce sensiblement inférieure à un millimètre.

3. Pile à combustible selon la revendication 2, carac-térisée en ce que lesdites faces dont la partie centrale est en relief de deux électrodes adjacentes sont séparées par une dis-tance inférieure à 0,5 millimètre.

4. Pile à combustible selon la revendication 3, carac-térisée en ce que lesdites faces dont la partie centrale est en relief de deux électrodes adjacentes sont séparées par une dis-tance inférieure à 0,1 millimètre.

5. Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites faces dont la partie centrale est en relief des deux électrodes adjacentes compo?tent des canaux, de façon que les espaces pour la circulation de l'électrolyte dans le bloc, comportent des conduits facilitant l'écoulement et la répartition de l'électrolyte.

6. Pile à combustible selon la revendication 1, dans laquelle l'étanchéité desdits espaces sur les faces latérales du bloc est assurée en faisant reposer le bloc dans un bain de matériau isolant solidifiable sur chacune desdites faces succes-sivement, caractérisée en ce que les électrodes ont une face qui est en relief à partir d'une distance du bord de largeur suffi-sante pour que, dans la position rapprochée desdites faces des électrodes limitant les espaces pour la circulation de l'électro-lyte, la hauteur de pénétration du matériau dans le bloc, par capillarité à partir de la face sur laquelle ce dernier repose dans le bain, soit au plus égale à ladite largeur du bord des électrodes.

7. Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte des éléments séparateurs isolants entre lesdites électrodes.

8. Pile à combustible selon la revendication 7, caractérisée en ce que chaque électrode comporte des canaux dans ladite face dont la partie centrale est en relief.

9. Pile à combustible selon la revendication 8, caractérisée en ce que chaque électrode est en creux dans sa partie centrale, sur sa face opposée à celle dont la partie centrale est en relief.