Dispositif convertisseur d'énergie par voie électrochimique
L'invention a pour objet un dispositif convertisseur d'énergie par voie électrochimique, comprenant une zone de réaction anodique, une anode dans ladite zone de réaction anodique, une zone de réaction cathodique, et une cathode dans ladite zone de réaction cathodique, caractérisé en ce qu'il comprend un électrolyte solide placé entre la zone de réaction anodique et la zone de réaction cathodique et constitué par une structure cristalline, ladite structure étant essentiellement constituée par des ions aluminium et oxygène disposés en un réseau cristallin et des cations qui émigrent par rapport audit réseau cristallin sous l'influence d'un champ électrique.
La fl-alumine ou la fl-alumine sodique est une substance classiquement représentée par la formule Na20 11 Al203, et on peut la considérer comme une série de couches d'Al2O3 maintenues séparées par des colonnes de chaînes linéaires à liaison Al-O avec des ions sodium occupant des sites entre les couches et colonnes précitées. Elle est largement utilisée dans la fabrication de briques réfractaires pour le revêtement intérieur de fours sujets à la corrosion par une masse fondue et/ou un laitier basiques.
On a découvert que des oxydes bimétalliques présentant le réseau cristallin du type de la ss-alumine sont des séparateurs de cellules et/ou électrolytes solides efficaces à utiliser dans les dispositifs de conversion d'énergie, particulièrement dans ceux utilisant comme réactifs des métaux fondus et/ou des sels de métaux fondus. Comme exemple de ces oxydes bimétalliques contenant du sodium on citera, à titre non limitatif, la concentration en oxyde de sodium correspondant à Na2O. il Al20a. Les ions sodium de l'oxyde bimétallique peuvent être remplacés par d'autres ions positifs, comme illustré ci-dessous. Les cations monovalents d'autres métaux alcalins sont les produits de remplacement préférés pour le sodium lorsque la substance doit être utilisée comme électrolyte solide pour engendrer de l'énergie électrique.
Lorsqu'on utilise un oxyde bimétallique dans une cellule pour la séparation d'un métal fondu d'un de ses sels métalliques, l'ion métallique migrateur peut être l'ion sodium, un autre métal alcalin, ou dériver d'autres métaux qui pour diverses raisons ne seraient pas pratiques pour remplacer le sodium dans un dispositif pour engendrer de l'énergie électrique. L'ion migrateur peut être remplacé par l'ion ammonium, et ce remplacement peut être utilisé dans certaines applications pour piles à combustible. Il est bien entendu que lorsque l'oxyde bimétallique est utilisé comme moyen de transfert sélectif de cations, comme illustré ci-dessous par une description détaillée de divers dispositifs de conversion d'énergie, l'ion migrateur de l'oxyde bimétallique est remplacé par les cations qui sont transférés à travers lui.
Dans les cellules décrites ci-dessous, l'oxyde bimétallique utilisé comme séparateur de la cellule fournit une barrière efficace au transport massif non ionique des réactifs, anions de réactifs électrolytiques liquides (dans les modes de réalisation utilisant de tels électrolytes) et à l'écoulement des électrons.
L'utilisation d'électrolytes solides dans les dispositifs de conversion d'énergie pour la production d'énergie électrique est bien connue dans la technique.
Voir, par exemple, Galvanic Cells With Solide Electrolytes Involving Ionic and Electronic Conduction, C.
Wagner, Department of Metallurgy, Massachusetts Institute of Technology, pp. 361-377, dans International
Committee of Electro-chemical thermodynamics and
Kinetics, Proceedings of the Seventh Meeting at
Lindau 1955, Butterworth Scientific Publications,
London, England, 1957, et Solid Electrolyte Fuel
Cells, J. Weissbart et R. Ruka, Fuel Cells, G. J.
Young, Editor, Reinhold Publishing Corporation, New
York, 1963.
Les électrolytes solides tels qu'utilisés ici fournissent une communication par cation ou cationique entre les zones de réaction anodique et cathodique du dispositif et sont essentiellement imperméables aux réactifs fluides utilisés dans le dispositif lorsque lesdits réactifs sont à l'état d'éléments, de composés ou d'anions.
Le dessin annexé, représente, à titre d'exemple, divers modes de réalisation du dispositif objet de l'invention.
La fig. 1 illustre l'utilisation d'un oxyde bimétallique conducteur par ions à titre de séparateur et d'électrolyte solide dans une simple cellule d'accumulateur ayant une anode à réactif liquide et une cathode en contact avec un électrolyte à réactif liquide;
la fig. 2 illustre l'utilisation d'un oxyde bimétallique conducteur par ions dans un accumulateur primaire, c'est-àtdire dans un générateur thermoélectrique dans lequel la chaleur est convertie en énergie électrique à l'aide d'une différence de pression entre les faces anodique et cathodique de l'oxyde bimétallique utilisé comme séparateur;
la fig. 3 illustre l'utilisation d'un oxyde bimétallique conducteur par ions, dans un autre mode de réalisation d'un accumulateur primaire, c'est-à-dire dans une pile à combustible régénérée par voie thermique.
Des plaques de fi-alumine sodique polycristalline utilisables peuvent être fabriquées selon l'un quelconque des modes opératoires suivantes:
1. Selon un premier mode opératoire, des briques réfractaires de fi-alumine existant dans le commerce sont écrasées et/ou broyées en une poudre dont les particules sont inférieures à 1 micron environ et, de préférence, non sensiblement plus grosses qu'3/3 de micron de diamètre au maximum.
A la poudre en résultant, on ajoute de la poudre de Na2CO3 ou d'Al2O3 de même granulométrie, si nécessaire, pour amener la concentration de NaO à environ 5 à 6 /o du poids du mélange, et, par là, obtenir une composition presque stoéchiométrique pour Na2O. il Au203. La poudre est comprimée en pastilles, à environ 632 kg/ cm3, par exemple en pastilles ayant environ 19 mm de diamètre 12,7 mm de long et une densité à vert d'environ 1,98 cm3.
On effectue le frittage des pastilles dans un creuset clos, en platine-rhodium, en présence d'une poudre grossière de alumine, c'est-à-dire ayant des particules de plus d'1 micron de diamètre, à une température comprise entre 1953 et 18150 C environ, pendant un laps de temps compris entre 5 minutes et 1 heure environ. La pastille frittée a une densité d'environ 3,0 g/cm3 et est découpée en fines plaques puis est utilisée comme électrolyte solide dans les cellules décrites ci-dessous.
Ces substances sont également frittées et mises sous forme de tubes qui, outre qu'ils servent d'électrolytes soi lides, servent également de récipients pour un réactif sous forme d'élément ou de composé. Ils fournissent une aire élevée par unité de volume lorsqu'ils sont plongés dans un autre réactif. La conductivité ionique de cette substance, à 3000 C, est d'environ 1,5X10-2 (ohm cm)-1. Bien qu'elle soit préférable, on peut faire varier dans certaines limites la composition stoéchiométrique précitée.
Par exemple, des essais ont montré que lorsque la concentration en Na20 est aussi basse que 3,25 lo en poids, la conductivité ionique de l'alumine obtenue à partir de celle-ci existe encore, mais est environ le 1/3 de celle d'une plaque de Na2O 11 Al2Oi-, probablement à cause de la formation d'un peu
de Na#O ¯ Altos lorsqu'il y a excès de sodium, et d'un peu d'Al2O3 lorsque le sodium présent est insuffisant.
Il est préférable de maintenir la concentration en oxyde de sodium entre 8 et 12 moles o/o environ. Les briques de ss-alumine de qualité industrielle contiennent des quantités mineures de SiO2. Les résultats d'essais effectués démontrent que cette substance affecte de façon nuisible les propriétés électriques des plaques, en fonction du temps, lorsqu'elles sont utilisées dans des cellules. D'où il est préférable d'utiliser une fl-alumine ayant la concentration la plus basse possible en SiO2.
2. Selon un deuxième mode opératoire, on mélange du Na2CO3 et du Al203 pulvérulents en des proportions telles qu'on obtient un mélange équivalent à 600/o en poids de NaAlO2 et 40oxo en poids de Na2O 11
Al203. On chauffe ce mélange jusqu'à 15930 C environ, et on obtient un eutectique fondue qui, lorsqu'on le refroidit à température ambiante, donne un produit constitué par des particules de ss-alumine sodique noyées dans NaAlO2. On dissout la NaAlO2 dans l'eau, il reste la fi-alumine sodique pulvérulente qui est ensuite écrasée et/ou broyée et frittée comme dans le mode opératoire précédent.
Des plaques préparées de cette manière ont présenté une conductivité ionique d'environ 3 x 10 2 (ohm-cm)-1 à 3000 C et d'environ 1 X 10-3 (ohm-cm)-1 à 250 C.
3. Selon un troisième mode opératoire, on prépare des plaques de fi-alumine présentant une résistance améliorée à l'attaque chimique par le sodium fondu en procédant comme dans l'un ou l'autre des modes opératoires précédemment décrits, à cette unique différence près qu'à la poudre de ss-alumine on ajoute environ O,1 /o en poids de B2O3. Bien que les plaques préparées de cette manière fassent preuve d'une plus grande résistance à l'attaque par le sodium fondu, elles présentent des caractéristiques de conductivité quelque peu inférieures.
Des plaques typiques préparées de cette manière et à partir de fi-alumine du commerce de qualité pour briques présentent des conductivités de l'ordre de 10-2 à 0,5 X 10-2 (ohm-cm)-3.
On prépare d'autres plaques d'oxyde bimétallique conducteur par ions en suivant d'abord l'un des modes opératoires décrits ci-dessus, puis en mettant la fl-alumine sodique ainsi obtenue en contact avec un sel fondu d'un autre métal, ou bien, on peut réaliser la substitution de l'ion ammonium, à partir d'un composé d'ammonium approprié, par exemple à partir de nitrate d'ammonium liquide.
Les exemples suivants sont donnés à titre d'illustration de quelques modes de réalisation de l'invention.
Exemple 1
En se référant maintenant à la fig. 1, un accumulateur secondaire à cellule unique est construit à partir de tubes de verre 11 et 31, une plaque de fl-alumine sodique 21 séparant les tubes 11 et 31 et étant fixée à ceux-ci de manière étanche aux liquides par des joints
13 et 33 en verre. Les tubes 11 et 31 ont un diamètre
intérieur de 12 mm environ. Ceux-ci, ainsi que les joints d'étanchéité 13 et 33 en verre sont faits d'un verre ayant un coefficient de dilatation proche de celui de la fl-alumine, par exemple en Corning 7052, Kovar.
Le tube 11 est partiellement rempli de sodium fondu
15 et le tube 31 est rempli d'un réactif 35 fondu contenant du sodium et du soufre tel que le pentasulfure de
sodium (Na2S ). Le sodium et le Na3S3 sont maintenus
à l'état fondu par un dispositif de chauffage classique non représenté. L'air, dans les tubes 11 et 31, peut être essentiellement évacué et les tubes peuvent être hermétiquement fermés, ou bien, on peut faire fonctionner la cellule dans une atmoshpère inerte, d'argon par exemple. La plaque 21 de p-alumine a environ 12mm de diamètre et environ 2mm d'épaisseur, la face exposée aux réactifs dans chacun des tubes il et 31 étant d'environ 1,13 cm2, en supposant une surface parfaitement plane.
Toutes les autres aires indiquées ci-dessous sont mesurées sur cette base, qui peut être dite aire géométrique.
Dans cette cellule, le sodium fondu sert à la fois de réactif anodique et d'électrode tandis que le réactif au sodium et au soufre sert à la fois de réactif cathodique et d'électrolyte liquide qui est en contact avec une électrode 19. D'ordinaire, on fait débuter la réaction lorsque le réactif cathodique présente un rapport de sodium à soufre de 2/5 environ, et on arrête la décharge de la cellule lorsque ce rapport est au moins de 2/8 environ. Un conducteur 17 en fil de cuivre s'étendant dans l'électrode de sodium 15 et l'électrode 19 en acier inoxydable s'étendant dans le pentasulfure de sodium 35 illustrent les extrémités d'un circuit extérieur, non représenté de façon plus complète qui peut comprendre un voltmètre, un ampèremètre, etc.
Dans le demi-cycle de décharge de cette cellule, le sodium est attiré par le soufre situé de l'autre côté de la membrane de fi-alumine, abandonne un électron, traverse la membrane comme ion sodium et se combine avec un ion sulfure formé à la cathode 19 en acceptant un électron, provoquant ainsi le passage d'un courant électrique dans le circuit extérieur précité. On effectue la recharge en branchant le circuit à une source extérieure d'énergie électrique, avec écoulement inversé des électrons, par rapport à celui du demi-cycle de décharge.
La tension à vide de la cellule décrite ci-dessus est de 2 volts environ. A une température de 3120 C, cette cellule présente les caractéristiques suivantes de charge-décharge:
Décharge Charge
El 12 Et 12
2,1 0 2,1 0
1,75 10 2,45 10
1,42 20 2,77 20
1,1 30 3,14 30
0,84 40 3,45 40
0,38 60 4,1 60 1 - volts 2 - milliampères
Une cellule telle que décrite ci-cessus, la plaque 21 de fl-alumine sodique étant préparée à partir de briques de fi-alumine du commerce en poudre comme décrit ci-dessus (premier mode de fabrication), est soumise à un essai de vie constitué par des cycles de charge et de décharge d's/2 heure, à une température de 3120 C environ. Un accroissement de la résistance interne de la cellule par un facteur de 2 est mis en évidence au bout de 360 heures.
On répète l'essai avec une cellule identique à celle utilisée à l'essai précédent, à cette exception près que la plaque de fl-alumine est préparée à partir de briques de fl-alumine du commerce auxquelles on a ajouté O,50/o en poids de B2O3, comme décrit ci-dessus (troisième mode de fabrication).
On note comme suit la modification de la résistance interne en fonction du temps:
Résistance interne en utilisant
comme électrolyte de la
ss-alumine modifiée par B2O0
Temps (heures) (Ohm)
0 32
190 26
360 24
425 22 le verre craque on referme
hermétiquement la cellule
0 47
240 37
408 32
460 31
575 27
Une cellule du type utilisé dans les essais précédents et contenant comme électrolyte une plaque de ss-alumine préparée à partir de l'eutectique formé à partir de Na2CO3 et d'Al2O3 essentiellement comme décrit ci-dessus, dans le deuxième mode de fabrication, est soumise à des essais à 2950 C pour mettre en évidence ses caractéristiques de charge-décharge, comme dans les essais précédents.
La dimension particulaire, avant frittage, est d'environ 0,16 micron. Les pastilles vertes sont frittées à 17870 C pendant 5 minutes, en récipient clos, en présence d'une poudre grossière de ss-alumine sodique. La plaque utilisée dans cette cellule a environ 2,8 mm d'épaisseur et présente une face de 1,5cm2 à chaque réactif. La teneur en Na,O de la plaque finie est de S,750/o environ, en poids (environ 9,1 moles /o). La teneur en SiO2 est environ de O,050/o en poids.
Les caractéristiques de chargeadecharge de cette cellule sont notées comme suit:
Décharge Charge
Er 12 Er 12
1,95 0 1,95 0
1,80 20 2,06 10
1,62 40 2,40 50
Décharge Charge
El 12 El 12
1,13 100 2,61 75
0,30 200 i - volts 2 - milliampères
On fait d'autres essais avec des électrolytes de fl-alumine préparés par les divers modes opératoires décrits ci-dessus, pour vérifier la résistance électrique des plaques à diverses températures et on note les résultats suivants:
1. On prépare des plaques de fl-alumine sodique à partir de l'eutectique, comme décrit ci-dessus (deuxième mode de fabrication).
La poudre de ss-alumine, avant frittage, a une dimension particulaire moyenne de 0,16 micron environ. On effectue le frittage à environ 18070 C pendant environ il2 heure. On obtient une pastille ayant une densité d'environ 3,05 g/cm3 et contenant, en poids, environ S,750/o (environ 9,1 moles /o) de Na,O et environ O,050% de
SiO2, le restant étant essentiellement totalement du Al2O8.
Résistivité
Température, C (ohm-cm)
25 750
100 168
150 88,0
200 52,0
300 27,5
400 18,5
2. On prépare des plaques de fl-alumine sodique modifiée par du B203 à partir de fl-alumine de qualité industrielle, comme décrit ci-dessus (troisième mode de fabrication). La poudre de ss-alumine, avant frittage, a une dimension particulaire moyenne d't/ micron environ. On effectue le frittage à 16620 C environ, pendant environ i/z heure.
La pastille qui en résulte a une densité d'environ 3,01 g/cm3 et contient environ, en poids, 6,37 % de
Na2O (environ 10,1 moles %), 0,69 % de SiO2, entre 0,5 et 1,00/o de B2O8, le restant étant essentiellement constitué par Al203.
Résistivité
Température, C (ohm-cm)
25 22.000
100 4.200
Résistivité
Température, OC (ohm-cm)
150 1.300
200 500
300 200
400 90
3. On prépare des plaques de ss-alumine sodique modifiée par du B2O3 à partir de l'eutectique comme décrit ci-dessus (second mode de fabrication) en y ajoutant B203 comme décrit ci-dessus (troisième mode de fabrication). La poudre de ss-alumine, avant frittage, a une dimension particulaire moyenne d'environ 0,16 micron. On effectue le frittage à environ 18010 C, pendant environ 40 minutes.
La pastille qui en résulte a une densité d'environ 3,02g/cm3 et contient environ, en poids, S,750/o de Na20 (environ 9,1 moles /o), 0,O40/o de SiO2 et 0,160/o de B2O3, le restant étant essentiellement constitué par Au203.
Résistivité
Température, C (ohm-cm)
25 7900
100 1500
150 570
200 240
300 70
4. On prépare des plaques de ss-alumine sodique à partir d'une brique du commerce à basse teneur en
SiO2, comme décrit ci-dessus (premier mode de fabrication). La dimension particulaire moyenne, avant frittage, est d'environ 1/3 de micron. On effectue le frittage à environ 17260 C pendant 40 minutes. La pastille en résultant a une densité d'environ 3,09 g/cm3 et contient, en poids, 4,78 /o environ de Na,O (environ 7,71 moles o/o) et 0,30/o de SiO2.
Résistivité
Température, C (ohm-cm)
25 5900
100 2400
150 570
200 190
300 59
On fait fonctionner ce type de cellule comme précédemment décrit, aux modifications suivantes près: le conducteur positif 19 est relié à un écran en alliage chrome-fer plongé dans l'oxydant, la plaque de fl-alumine expose vers chacun des réactifs une face de 0.64 cm2 et a une épaisseur de 2 mm, l'agent oxydant 35 est constitué par 75 /o en poids de soufre et 25 /o en poids de graphite, et la cellule est chauffée jusqu'à 3090 C environ.
La cellule présente les caractéristiques de débit suivantes:
Courant de 54 milliampères en court-circuit décharge initial
Courant de 80 milliampères après une décharge court-circuit d'environ 240 milliampères-heures
Courant de 120 milliampères après une décharge court-circuit d'environ 2000 milliampères-heures
Les caractéristiques de charge-décharge de la cellule sont ensuite mesurées, et on obtient les résultats suivants:
Décharge Charge
Et 12 Ei 12
2,1 0 2,1 0
1,80 20 2,38 19
1,73 25 2,51 28
1,53 38 2,90 51
1,20 60 3,11 65
0,83 83 3,50 87
0,23 115 4,0 116 1 - volts 2 - milliampères
On fait fonctionner ce type de cellule comme précédemment décrit, aux modifications suivantes près:
le conducteur positif 19 est relié à un tamis de cuivre plongé dans l'oxydant, la plaque de fi-alumine expose vers chaque réactif une face de 1,3 cm2 et a une épaisseur de 2 mm, l'agent oxydant 35 est constitué par ICI3,
NaCI et Cucul en un rapport molaire de 1/0,5/0,5. La cellule chauffée jusqu'à 2000 C présente un potentiel à vide de 2,9 volts et un courant de court-circuit de 20 milliampères environ.
On prépare une cellule constituée par un récipient de verre dans lequel un sandwich constitué par un centre formé d'un amalgame à 50oxo en poids de Na et 50 /o en poids de Hg est maintenu entre deux plaques de fl-alumine de 2,5 cm de large et de 3,5 mm d'épaisseur. Les plaques sont placées à environ 1,58 mm l'une de l'autre. Un conducteur négatif en fil de platine est inséré dans l'amalgame. Les pourtours des plaques sont munis de joints hermétiques de verre, par exemple de verre Corning 7052. L'oxydant est constitué par 70 moles O/o de Zinc12 et 30 moles o/o de NaCl. Le sandwich est plongé dans l'oxydant jusqu'à une profondeur de 5 cm. Une électrode en fil de Zn constituant le conducteur positif est plongée dans l'oxydant.
On fait fonctionner la cellule à 3400 C, et elle présente les caractéristiques de débit électrique suivantes:
Courant' Potentiel 2
0 2,22
Charges 540 4,6 Décharge 680 - o (court-circuit) 1 - milliampères 2 - volts
On prépare une fi-alumine à basse teneur en silice, frittée jusqu'à présenter une densité élevée, présentant une résistivité aussi basse que 500 ohm-cm à température ambiante. Lorsqu'on effectue des essais avec des électrolytes alcalins aqueux de part et d'autre d'une plaque de 2mm de cette substance, on n'observe pas de polarisation mesurable jusqu a environ 100 milliampères/cm2.
Cela permet l'utilisation d'oxydantes aqueux basiques dans une cellule séparée par cette substance, par exemple NiOH-NiOOH, l'électrode de nickel d'un accumulateur classique nickelcadmium ou AgO-Ag, l'électrode d'oxyde d'argent d'un accumulateur classique argent-zinc, ainsi que des anodes aqueuses basiques telles que du zinc dans NaOH.
Les plaques de fi-alumine sodique préparées selon les modes de fabrication décrits ci-dessus sont converties en plaques de ss-alumine substituée par du lithium, de la manière suivante:
A. On plonge les plaques de ss-alumine sodique, pendant une nuit, dans du nitrate d'argent liquide, sous une atmosphère d'argon, puis on les retire du bain.
B. On plonge les plaques de fl-alumine substituées par de l'argent qui en résultent, pendant une nuit, dans du chlorure de lithium liquide, sous une atmosphère d'argon, puis on les retire du bain.
On fait fonctionner une cellule construite et agencée comme la cellule représentée à la fig. 1 avec de la fi-alumine substituée par du lithium à titre d'électrolyte solide. Le réactif anodique de cette cellule est du lithium fondu et le réactif cathodique est constitué par du soufre et du graphite.
Les accumulateurs classiques utilisent des électrodes solides et un électrolyte liquide. Leur fonctionnement est gêné par l'impossibilité de maintenir les tolérances dimensionnelles des électrodes au cours de cycles répétés de charge et de décharge. Lorsque de la ss-alumine sodique solide, ou une fl-alumine substituée par un cation approprié remplace l'électrolyte, on peut utiliser des électrodes liquides, ce qui élimine ce problème d'ordre dimensionnel. En outre, comme la conductivité de la fl-alumine et autres oxydes bimétalliques utilisés comme électrolytes solides selon l'invention résulte purement d'un mouvement ionique à travers un réseau atomique, l'électrolyte ne peut être court-circuité par suite de la formation de petits ponts métalliques entre les électrodes.
Exemple 2
On se référera maintenant à la fig. 2 du dessin qui
représente un récipient 101 en acier inoxydable, ayant
environ 2,54 cm de diamètre et 27,94 cm de long. Le tube 101 comporte une collerette 103 à son extrémité ouverte. La collerette 103 est munie d'une rainure ou gorge 105 dans laquelle repose un anneau de caoutchouc en O 107 formant joint d'étanchéité au vide lorsqu'un couvercle inoxydable formé par une plaque
109 est fixé au tube 101 par vissage, boulonnage ou autre dispositif de fixation classique non représenté.
Placé à l'intérieur du tube 101, et fixé à la plaque 109 formant couvercle, se trouve un tube 111 plus petit,
ayant environ 1,27 cm de diamètre intérieur et
15,24 cm de long. L'extrémité inférieure du tube 111 est fermée par une plaque circulaire 113 de ss-alumine sodique. Des joints de verre 115 étanches au vide sont prévus pour fixer la plaque 113 au tube 111 et empêcher le passage des fluides entre la plaque 113 et le tube 111. Le bord inférieur de la plaque 113 est muni d'une mince couche conductrice 117 de peinture brillante au platine, par exemple de chlorure de platine dans un agent réducteur organique, qui à la fig. 2 est montrée avec une épaisseur disproportionnée par rapport aux autres constituants, pour permettre de la situer et de l'identifier.
En pratique, cette couche de platine est suffisamment poreuse pour permettre à la vapeur de sodium de la traverser, et suffisamment épaisse et continue pour conduire l'électricité.
Le tube 101 est muni d'un conduit de sortie 119 comportant une vanne 121. Une pompe à vide, non représentée, est raccordée au conduit 119 pour réduire la pression dans le tube 101.
Le tube 101 est encore muni d'un élément chauffant 123 et d'un conduit de sortie 125 comportant une vanne 127 pour en retirer du liquide.
Un conduit d'entrée 129 et une vanne 131 permettent d'introduire un liquide dans le tube 111.
Dans le mode de réalisation dans lequel la plaque 113 est en ss-alumine sodique, le tube 111 est partiellement rempli de sodium fondu 133. Un conducteur négatif 135, en fil de cuivre, relié à un circuit extérieur, non représenté, traverse un isolateur 137 et pénètre dans le sodium fondu 133. L'isolateur 137 s'étend à travers le couvercle 109. Un conducteur positif 139 en fil de cuivre relié au circuit extérieur traverse un isolateur 141 qui s'étend à travers la plaque 109 formant couvercle et est en communication électrique avec la pellicule de platine 117. Ou bien, le conducteur 135 peut être relié directement au tube 111. lorsque le tube 111 est un bon conducteur.
Lorsqu'on fait fonctionner cette cellule, la chaleur est convertie directement en énergie électrique. Le tube 101 est mis sous vide à l'aide d'un dispositif de pompage par le conduit 121, jusqu'à obtention d'une pression inférieure à 0.1 mm de Hg environ, et est herméti quement fermé. Le sodium 133 dans le tube 111 est chauffé jusqu'à une température de 3000 C ou plus, tandis que l'extrémité inférieure du tube 101 est maintenue à environ 1000 C par la température ambiante.
Une différence dans la pression de vapeur de sodium, de part et d'autre de la plaque de fl-alumine 113, a pour résultat la création d'une différence de potentiel électrique de part et d'autre de la plaque. Lorsque les électrons s'écoulent dans le circuit extérieur, le sodium 133 passe à travers la plaque 113 sous forme d'ions
sodium acceptant un électron à partir de l'électrode de platine 117 et retourne à l'état d'élément.
Comme la partie inférieure du tube 101 est main
tenue à la température relativement basse de 1000 C
environ, le sodium s'y condense et la pression dans le
tube externe 101 devient la pression de vapeur du
sodium à 100o C environ modifiée par toute chute de pression produite par l'écoulement massif de vapeur de
sodium du platine 117 vers les parois plus fraîches du tube extérieur 101.
L'un des avantages de ce générateur thermo-électrique est que les parties chaude et froide peuvent être séparées jusqu'à des distances presque arbitraires, ce
qui réduit au minimum les effets de gaspillage de
conduction thermique entre les parties chaude et froide. Lorsqu'on procède en continu, le sodium condensé au fond du tube 101 est réchauffé et renvoyé à la zone chaude dans le tube 111.
On fait fonctionner la cellule qu'on vient de décrire, en chauffant le sodium 133 dans le tube 111
à, respectivement 350, 406 et 4480 C, et celle-ci engendre de l'énergie électrique comme indiqué cidessous.
Intensité (milliampères)
Voltage 3500 C 4060 C 4480 C
(),1 2,9 7,9 12,7
0,2 1,7 5,5 9,7
0,3 0,7 3,4 7,0
0,4 0,0 1,5 4,7
0,5 0,0 0,5 2,5
0,6 0,0 0,0 0,9
La plaque 113 est convertie en fi-alumine substituée par du lithium, comme décrit ci-dessus, et on utilise du lithium à la place de sodium dans le tube 111.
Le lithium dans le tube 111 est maintenu à une température supérieure au point de fusion du lithium.
Exemple 3
On se référera maintenant à la fig. 3 qui représente en coupe, un récipient 201 contenant de l'étain fondu 203. S'étendant dans l'étain fondu 203 se trouve un récipient 205 plus petit, également montré en coupe, dont l'extrémité inférieure est fermée par une plaque 207 de fl-alumine sodique et un joint d'étanchéité en verre, non représenté. Lorsque l'appareil fonctionne, les récipients 201 et 105 sont fermés à leurs extrémités supérieures et/ou recouverts d'une atmosphère de gaz inerte. Le récipient 205 contient du sodium fondu 209.
Un conducteur 211 constitue un conducteur négatif vers un circuit extérieur, non représenté de façon plus complète, et s'étend dans le sodium fondu tandis qu'un conducteur positif, 213, s'étend dans l'étain fondu.
Le récipient 2001 est en communication de fluide avec une chambre de décomposition 219, via un conduit supérieur 215 et un conduit inférieur 217. La chambre de décomposition 219 est en communication de fluide avec le récipient 205, via un conduit 221 passant au-dessus, et est munie d'un dispositif de chauffage, non représenté.
Ce dispositif convertit la chaleur en énergie électrique. Les ions sodium de la plaque 207 sont attirés vers l'étain fondu dans le récipient 201, et le contenu de ce récipient est alors représenté par la formule Nain,. Les atomes de sodium 209 libèrent des électrons vers le conducteur 211 et, sous forme d'ions, remplacent les ions sodium attirés de la plaque 207 vers l'étain 203. Ces électrons sont renvoyés via le circuit externe et le conducteur 213 pour être acceptés pour la formation de Nain, dans le récipient 201. Le produit réactionnel Nain, passe, par le conduit 217, dans la chambre de décomposition 219 et est chauffé à la température de décomposition.
La vapeur de sodium passe en tête, de la chambre de décomposition 219 vers le récipient 205 par le conduit 221, tandis que l'étain fondu est renvoyé au récipient 201 par le conduit 215.
Jusqu'à présent, les cellules correspondant à ce type général présentaient des défaillances car les membranes perméables aux ions utilisées pour séparer les réactifs ne pouvaient résister à l'attaque chimique des métaux utilisés. Les électrolytes solides de type fl-alumine selon l'invention résolvent ce problème.