FR2568412A1

FR2568412A1 - Perfectionnements aux structures des piles a combustible.

Info

Publication number: FR2568412A1
Application number: FR8412013A
Authority: FR
Inventors: Bernard Warzawski; Pierre Fauvel
Original assignee: Occidental Chemical Corp
Current assignee: Occidental Chemical Corp
Priority date: 1984-07-27
Filing date: 1984-07-27
Publication date: 1986-01-31
Also published as: GB2163595A; FR2568412B1; GB8518780D0; DE3526614A1; DE3526614C2; CA1278030C; JPS6142869A; JPH073789B2; US4640876A; GB2163595B

Abstract

LA PILE EST CONSTITUEE PAR UNE PLURALITE D'ELEMENTS DISPOSES EN CONTACT ELECTRIQUE LES UNS AVEC LES AUTRES, CHAQUE ELEMENT COMPORTANT DEUX ELECTRODES POREUSES31, 41, UN ELECTROLYTE REMPLISSANT L'INTERVALLE SITUE ENTRE LESDITES ELECTRODES ET DEUX COLLECTEURS DE COURANT BIPOLAIRES IMPERMEABLES. L'UNE DES ELECTRODES31 EST ASSUJETTIE A UN CADRE32 PRESENTANT UN ORIFICE CENTRAL34. UNE FACE50 DUDIT CADRE32 COMPORTE DES RAINURES51 PERMETTANT D'UNE PART L'ACHEMINEMENT DE L'ELECTROLYTE D'UN ORIFICE D'ENTREE38A VERS UNE CHAMBRE DE DISTRIBUTION COMMUNIQUANT AVEC LE COMPARTIMENT ELECTROLYTIQUE ET D'AUTRE PART L'EVACUATION DE L'ELECTROLYTE VERS UN ORIFICE DE SORTIE38B. LE COMPARTIMENT ELECTROLYTIQUE EST FERME PAR UN AUTRE CADRE ISOLANT42 SUR LEQUEL EST FIXEE LA SECONDE ELECTRODE41. SELON L'INVENTION ON REALISE L'ETANCHEITE DES RESEAUX DE DISTRIBUTION D'ELECTROLYTE ET DE COMBUSTIBLE GRACE A LA MISE EN OEUVRE D'UNE PLURALITE DE NERVURES DEPASSANT LA SURFACE DES CADRES.

Description

- 1 - Perfectionnements aux structures des piles à combustible

La présente invention concerne des perfectionnements aux struc-

tures des piles à combustible. Elle se rapporte en particulier à une pile à combustible constituée essentiellement par une pluralité d'éléments identiques juxtaposés, disposés en contact électrique les uns avec les autres.

Globalement une telle pile comporte, en commun pour tous ses élé-

ments, trois circuits de distribution:

- un circuit de distribution d'électrolyte à partir d'une source exté-

rieure comprenant notamment un canal d'amenée commun et un canal d'éva-

cuation commun,

- un circuit de distribution de combustible à partir d'une source exté-

rieure et comprenant notamment au moins un canal d'amenée de combustible et au moins un canal d'évacuation jusqu'à l'extérieur de la pile, du combustible non consommé et des gaz inertes,

- un circuit de distribution de comburant comportant notamment une plu-

ralité d'orifices d'entrée et de sortie de comburant situés sur les faces

inférieure et supérieure de la pile.

Par ailleurs, chaque élément de pile comporte schématiquement: - une première et une seconde électrodes poreuses présentant une forme de préférence plane et à faces parallèles, respectivement une cathode et une anode comportant chacune un catalyseur spécifique,

- un électrolyte remplissant l'intervalle situé entre lesdites élec-

trodes,

- un premier et un second collecteurs de courant bipolaires imperméa-

bles, comportant respectivement un premier et un second cadres en maté-

riau plastique ayant au moins une zone centrale conductrice portant des cannelures sur chacune de ses faces, le premier collecteur venant, par les sommets de sa face cathodique, en contact électrique avec la surface externe de ladite cathode, et par sa face anodique en contact électrique avec la surface externe de l'anode d'un élément adjacent, et le deuxième

collecteur venant par les sommets de sa face anodique en contact élec-

trique avec la surface externe de ladite anode, et par sa face cathodique en contact électrique avec la cathode de l'autre élément adjacent; le -2 comburant gazeux dudit circuit de distribution commun circule entre ladite cathode et la face cathodique du premier collecteur et alimente ladite cathode, et le combustible gazeux dudit circuit de distribution

commun circule entre ladite anode et la face anodique du second collec-

teur et alimente ladite anode; les premier et second cadres sont munis d'orifices pour la circulation de l'électrolyte et du combustible à

travers la pile, lesdits orifices contribuant à définir par leur juxta-

position lesdits canaux communs d'amenée et d'évacuation. Des moyens sont prévus sur la face anodique du second collecteur pour permettre l'acheminement du combustible des canaux d'amenée sur la surface de l'anode et de cette surface vers les canaux d'évacuation; ces moyens comportent des rainures formant une pluralité de microcanaux, lesdites rainures étant disposées sur les parties inférieure et supérieure dudit

second cadre.

De plus, la première électrode est assujettie à un troisième cadre présentant un orifice central en forme de quadrilatère, réalisé en un matériau plastique, les parties inférieure et supérieure du troisième cadre comportant des orifices pour l'acheminement à travers la pile du combustible et de l'électrolyte, ces orifices correspondant aux orifices ménagés dans les cadres des collecteurs et contribuant également à la formation desdits canaux d'amenée et d'évacuation de combustible et d'électrolyte; des moyens sont prévus sur une face du troisième cadre pour permettre l'acheminement de l'électrolyte du canal d'amenée, vers un compartiment électrolytique situé entre les deux électrodes, et de ce

compartiment vers le canal d'évacuation; ces moyens comportent des rai-

nures débouchant dans des parties évidées formant chambres de réparti-

tion et de distribution et de collationnement d'électrolyte, disposées sur les parties inférieure et supérieure du troisième cadre le long de deux côtés opposés de l'évidement central et communiquant avec le compartiment électrolytique au moyen d'une pluralité de microcanaux

parallèles délimités par des nervures.

La seconde électrode est assujettie sur une face d'un quatrième cadre en regard dudit second collecteur de courant, ce quatrième cadre étant un matériau plastique isolant, présentant un contour identique à celui du troisième cadre sur lequel est assujettie la première électrode - 3 -

et des orifices d'acheminement de combustible et d'électrolyte corres-

pondant à ceux prévus sur ledit troisième cadre; il est appliqué par une face plane sur la face dudit troisième cadre présentant les rainures et les chambres de répartition, de distribution et de collationnement de l'électrolyte. Lorsque l'on réalise un empilement répétitif selon une séquence élémentaire prédéterminée des cadres ainsi définis qui présentent des séries d'orifices superposés, on obtient en particulier une pluralité d'éléments de piles montés en série électrique, ayant un canal commun pour amener l'électrolyte dans chaque compartiment électrolytique et un canal commun pour évacuer cet électrolyte, une pluralité de canaux communs pour alimenter toutes les anodes en combustible et une pluralité

de canaux communs pour évacuer les gaz.

Quant au comburant, il circule dans la pile en traversant directement les compartiments cathodiques dans une direction verticale par des orifices

et des moyens de répartition prévus sur les bords inférieurs et supé-

rieurs des cadres correspondants.

Tous ces cadres en matériau plastique, dont l'épaisseur peut être

choisie entre 0,2 mm et 5 mm, sont avantageusement moulés.

Après qu'ils aient été solidarisés entre eux, par exemple par collage, fusion ou compression, il est impératif que les trois réseaux de

distribution de combustible, de distribution de comburant et de distri-

bution d'électrolyte soient étanches, d'une part les uns vis-à-vis des

autres, et d'autre part vis-à-vis de l'extérieur.

Dans le cas d'un élément selon l'invention o le comburant est l'air, il suffira d'assurer la première condition pour les trois réseaux et la seconde condition pour le réseau de distribution de combustible, et le

réseau de distribution d'électrolyte.

Or, les faces des cadres que l'on juxtapose peuvent présenter des défauts de planéité et de parallélisme suffisants pour créer un problème d&étanchéité. La présente invention a pour but d'éviter cet inconvénient et de réaliser l'étanchéité voulue pour les différents réseaux de distribution

de fluides.

La présente invention a pour objet une pile à combustible dont la

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- 4 - structure vient d'être décrite et qui est caractérisée par le fait qu'au

moins les réseaux de distribution de combustible et d'électrolyte pré-

sentent sur tout leur pourtour, au moins sur une face d'un des cadres qui constituent une séquence élémentaire au moins une nervure en un matériau susceptible de déformation sous contrainte, en surépaisseur par rapport à ladite face, et par le fait que la hauteur de ladite surépaisseur est

telle qu'elle puisse compenser les défauts de planéité et de parallé-

lisme de la totalité desdits cadres définissant ladite séquence, au moins une gorge adjacente étant prévue parallèlement à ladite nervure pour loger la matière excédentaire de cette dernière au cours de la

solidarisation de la pile.

On peut prévoir avantageusement deux nervures parallèles entre

elles avec leurs gorges autour de chacun desdits réseaux.

La nervure et la gorge qui lui est associée peuvent se trouver avantageusement sur une même face du cadre concerné, mais elles peuvent

également être situées sur les faces en regard de deux cadres adjacents.

Pour le réseau de distribution d'électrolyte: ce réseau est constitué d'une part d'un canal d'amenée et d'un canal d'évacuation formés par la coopération des orifices correspondants prévus dans les cadres juxtaposés, et d'autre part de rainures d'amenée et de sortie, de chambres de répartition et de collationnement d'électrolyte et d'un compartiment électrolytique situés entre lesdits troisième et quatrième cadres. Ladite nervure est alors avantageusement située entre lesdits

troisième et quatrième cadres et entoure l'orifice d'entrée de l'élec-

trolyte, les rainures d'amenée, les chambres de répartition et de colla-

tionnement, le compartiment électrolytique, les rainures de sortie et l'orifice de sortie de l'électrolyte. Elle se trouve de préférence sur la face du troisième cadre portant les rainures définissant le compartiment électrolytique, mais elle pourrait aussi se trouver sur la face du quatrième cadre située en regard du troisième cadre et/ou sur toute autre face. Si une telle nervure sur une seule face est insuffisante pour réaliser l'étanchéité, on peut en prévoir sur plusieurs faces. Dans ce dernier cas, la nervure de l'une des faces peut être limitée à une fraction de pourtour du circuit de distribution d'électrolyte. Ainsi, on peut -5- prévoir des nervures supplémentaires autour des orifices d'entrée et de sortie d'électrolyte sur au moins l'une des faces dudit premier et/ou dudit second, et/ou dudit quatrième cadre et/ou sur l'autre face dudit

troisième cadre.

Quant au réseau de distribution de combustible gazeux, il est constitué d'une part d'un canal d'amenée et d'un canal d'évacuation de combustible formés par la juxtaposition des orifices correspondants des cadres, d'autre part du compartiment gazeux se situant entre le second collecteur et la seconde électrode, et enfin d'une pluralité de rainures reliant chaque orifice au compartiment gazeux. Une nervure située tout autour du compartiment gazeux se trouve avantageusement sur la face du quatrième cadre en regard dudit second collecteur. De plus, au moins une nervure est prévue sur au moins une face des cadres au niveau de chaque

canal de circulation de combustible.

Selon un mode de réalisation, cette nervure se trouve sur au moins l'une des faces du premier cadre et/ou du troisième cadre et/ou du quatrième cadre.

Si une nervure sur une seule face est insuffisante pour réaliser l'étan-

chéité, on peut en prévoir sur plusieurs faces. Dans ce dernier cas, la nervure supplémentaire peut être limitée à une fraction du pourtour du circuit de distribution de combustible, par exemple autour des orifices

de circulation de combustible.

Bien entendu, si l'on superpose plusieurs nervures pour réaliser l'étanchéité d'un réseau donné, la somme des hauteurs de ces nervures en chaque point, mesurée dans la direction parallèle à l'axe de la pile, sera équivalente à celle de la nervure unique susceptible de compenser la

moyenne statistique de l'ensemble des défauts de planéité et de parallé-

lisme des trois cadres superposés pour la séquence élémentaire.

Le matériau des cadres peut être choisi parmi les matériaux iso-

lants synthétiques de type polypropylène, polyéthylène, chlorure de polyvinyle, acrylonitrile-butadiène-styrène, polysulfone, polystyrène, ladite nervure étant en même matériau et venue de moulage avec les cadres. Selon un autre mode de réalisation, les nervures sont rapportées sur les cadres et leur matériau est choisi parmi les caoutchoucs naturels et - 6 synthétiques. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention

apparatîtront au cours de la description suivante de modes de réalisation

donnés à titre illustratif mais nullement limitatif. Dans le dessin annexé: - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'une pile conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue schématique en perspective éclatée d'un élément de la pile de la figure 1,

- la figure 3 est une vue schématique en perspective éclatée du compar-

timent électrolytique de l'élément de la figure 2, - la figure 4 est une vue en élévation de la face cathodique d'un collecteur de courant bipolaire appartenant à l'élément de la figure 2, - la figure 5 est une vue en élévation de la face anodique du collecteur de courant bipolaire appartenant à l'élément de la figure 2, - la figure 6 est une coupe schématique agrandie selon la ligne VI-VI de la figure 4, - la figure 7 est une vue en perspective agrandie du détail VII de la figure 4, - la figure 8 est une vue en perspective agrandie du détail VIII de la

figure 5.

- la figure 9 est une vue en élévation d'une face d'un troisième cadre portant la cathode appartenant à l'élément de la figure 2, - la figure 10 est une vue agrandie en élévation d'un détail X de la figure 9, - la figure 11 est une vue schématique en coupe agrandie selon la ligne XI-XI de la figure 10, - la figure 12 est une vue en élévation de la face du troisième cadre opposée à celle qui est illustrée par la figure 9, - la figure 13 est une vue en élévation agrandie de la partie inférieure XIII de la face du troisième cadre apparaissant dans la figure 12, - la figure 14 est une vue en élévation de la face d'un quatrième cadre

portant l'anode appartenant à l'élément de la figure 2.

- la figure 15 est une vue en élévation agrandie du détail XV de la figure 14, - 7 - -les figures 16 à 20 illustrent en coupe des variantes des nervures

montrées dans la figure 11.

On voit sur la figure 1 une pile 1 formée d'un empilement d'élé-

ments selon l'invention; elle est munie de ses plaques d'extrémité 2 et 3 et de ses bornes terminales 4 et 5 reliées chacune à un des collecteurs

d'extrémité terminant l'empilement.

Des orifices 6 et 7 désignent respectivement l'orifice d'introduction et

l'orifice d'évacuation de l'électrolyte.

Des orifices 8 et 9 désignent respectivement l'orifice d'introduction et

l'orifice d'évacuation du combustible gazeuxz, en l'occurence l'hydro-

gène. Le comburant gazeux (l'air) pénètre dans la pile par les extrémités de

rainures 105 apparaissant sur la face supérieure de la pile.

Des orifices analogues sont situés sur la face inférieure de la pile.

La pile 1 est constituée par la juxtaposition d'éléments 20 tel que celui qui apparaît schématiquement en perspective éclatée sur la figure 2; le composant référencé 30 apparaissant dans cette figure est

lui-même montré en perspective éclatée dans la figure 3.

Pour des raisons de clarté, les nervures d'étanchéité faisant l'objet de

l'invention n'apparaissent pas dans les figures 2 et 3 qui sont desti-

nées à montrer les dispositions relatives des différents composants d'un élément de pile, les figures suivantes montrant successivement chacun de

ces composants plus en détail.

L'élément des figures 2 et 3 comporte une cathode 31 ou première électrode associée à la face cathodique 28 d'un premier collecteur de courant bipolaire 21. Ce dernier (voir figure 4) comporte un cadre 22

dit "premier cadre" en matériau plastique et une zone centrale conduc-

trice 23 portant des cannelures, venant en contact électrique contre la face externe de la cathode 31. Le collecteur bipolaire 21 comporte sur sa face non visible sur la figure 2, mais identique à la face illustrée

par la figure 5, une zone centrale conductrice anodique en contact élec-

trique avec la face externe de l'anode d'un élément adjacent. La cathode 31 est en contact avec le comburant gazeux par sa face située en regard du collecteur 21 et en contact avec l'électrolyte par son autre

face.

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8- De même, une anode 41 ou seconde électrode est associée à la face anodique 27 d'un second collecteur de courant bipolaire 24. Comme le collecteur 21, il comporte un cadre 25 dit "second cadre" en matériau plastique et une zone centrale conductrice anodique 26, non visible sur la figure 2 mais visible sur la figure 5 en contact électrique avec l'anode 41. La zone centrale 29 du collecteur 24 visible sur la figure 2 est destinée à être en contact électrique avec la cathode d'un élément adjacent. Une face de l'anode 41 est en contact avec l'électrolyte tandis que l'autre face située en regard du collecteur 24 est en contact avec le

combustible gazeux.

L'anode 41 et la cathode 31 peuvent être à base de carbone et d'une matière plastique, par exemple de polytétrafluoréthylène et comporter

chacune un catalyseur spécifique.

A titre illustratif et nullement limitatif, ces électrodes peuvent pré-

senter une structure souple ainsi que décrit dans le brevet français n 79 25 879 du 18 octobre 1979. Elles peuvent avoir été réalisées, en

particulier, par les procédés décrits dans les brevets français-

n 79 25 877 et 79 25 878 déposés également le 18 octobre 1979.

Les figures 4 à 8 donnent des détails supplémentaires sur les

collecteurs de courant.

La figure 4 montre la face cathodique 28 du collecteur bipolaire 21 tandis que la figure 5 montre la face anodique 27 du collecteur 24. (On pourrait dire aussi que les figures 4 et 5 montrent respectivement la

face cathodique et la face anodique d'un même collecteur 21 ou 24).

Pour le collecteur cathodique 21 on a référencé 88A (dans les figures 2 et 4) l'orifice d'entrée d'électrolyte, 88B l'orifice de sortie d'électrolyte et 89 des orifices destinés à faciliter le montage des composants. De même dans les figures 2 et 5 on a référencé 98A, 98B et 99 les orifices correspondants dans le collecteur anodique 24. La

référence 108 se rapporte aux orifices d'acheminement de combustible.

Les cadres 22 et 25 des collecteurs 21 et 24 sont avantageusement constitués par le même matériau synthétique isolant: polypropylène, polyéthylène, chlorure de polyvinyle, acrylonitrile-butadiène-styrène, polysulfones, polystyrène. Ces matériaux peuvent comporter une charge

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appropriée, par exemple une matière inerte telle que du talc, en vue de modifier leurs propriétés mécaniques et thermiques et particulièrement d'obtenir un coefficient de dilatation thermique proche de celui de la zone centrale conductrice des collecteurs. A titre d'exemples, ces pièces pourront être constituées par du polypropylène chargé de talc,

par exemple de 5 à 90% de talc et de préférence entre 35 et 45%.

La zone centrale conductrice de ces collecteurs est visible en

coupe agrandie dans la figure 6; elle est munie de cannelures 103 défi-

nissant des canaux 104 de direction moyenne verticale pour la circu-

lation des flux gazeux. Le pas et la profondeur des cannelures et donc des canaux peut être compris entre 0,2 mm et 5 mm, et de préférence entre

0,5 mm et 1,5 mm.

La zone centrale conductrice des collecteurs de courant peut avan-

tageusement être réalisée à partir du même matériau plastique que celui entrant dans la constitution des cadres, mais dans lequel on introduit une charge conductrice, par exemple une poudre métallique, une poudre de graphite, de carbone, un noir de four, un noir d'acétylène, des fibres de carbone, de graphite, ou un mélange de ces différents corps. A titre d'exemple elle pourrait être constituée par du polypropylène chargé de

noir de carbone par exemple de 10 à 90%, et de préférence de 30 à 50%.

Le cadre et les collecteurs peuvent être réalisés par thermocom-

pression, par moulage par injection. Ce dernier procédé est particuliè-

rement avantageux dans le cas de la réalisation des collecteurs de courant car on introduit simultanément à l'état fluide dans le moule les matières constituant d'une part la zone centrale conductrice et d'autre part la zone périphérique isolante, ce qui permet d'obtenir une soudure des deux matériaux et donc d'éviter une discontinuité entre les deux

zones. En outre ce procédé est particulièrement économique.

On précise ci-dessous les moyens d'alimentation en fluides de

compartiments cathodique et anodique.

La face 28 du collecteur 21 visible sur la figure 4 est destinée à être alimentée en comburant, par exemple en oxygène, alors que la face 27 du collecteur 24 visible sur la figure 5 est alimentée en combustible,

par exemple en hydrogène.

Comme cela apparalt en perspective agrandie dans la figure 7, la partie

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supérieure de la face 28 du cadre 22 du collecteur 21 est munie de rainures ou évidements tels que 105 communiquant avec l'extérieur et

permettant l'alimentation de la face 28 du collecteur par le comburant.

Des rainures analogues sont prévues dans la partie inférieure du cadre 22 pour l'évacuation du comburant. On réalise ainsi pour ce dernier un parcours quasi rectiligne évitant les pertes de charge dues à

des changements de direction, pertes de charge qui pourraient être par-

ticulièrement importantes avec un comburant tel que l'air atmosphérique

en raison du débit très élevé nécessaire.

Comme cela apparait en perspective agrandie dans la figure 8, la partie supérieure de la face anodique 27 du cadre 25 du collecteur 24 est munie de rainures ou évidements tels que 106 permettant l'alimentation en combustible de la face anodique du collecteur à partir des orifices d'acheminement 108. Des rainures analogues sont prévues dans la partie

inférieure du cadre 25 en vue de l'évacuation du combustible.

Des moyens supplémentaires de répartition des flux. sont disposés

dans lesdites rainures et évidements 105 et 106.

Ces moyens sont constitués par des nervures allongées, formant des canaux de répartition, la face supérieure des nervures affleurant le plan de la face du collecteur portant les rainures et évidements et servant de ce fait à maintenir l'écartement entre le fond du collecteur supportant les nervures et les constituants adjacents de la pile. Les

canaux ainsi formés sont sensiblement verticaux.

Il s'ensuit que, les canaux délimités par les cannelures sur les parties conductrices du collecteur présentant également une direction moyenne

verticale sur la figure, les flux de comburant et de combustible conser-

vent sensiblement la même direction verticale tout le long des faces du collecteur. Comme on peut le constater en se reportant sur la figure 7, les

nervures de répartition 109 du flux de comburant sont allongées et défi-

nissent des canaux de répartition, sensiblement verticaux sur la figure s'élargissant dans leur partie adjacente à la partie conductrice 23 du collecteur 21. Le parcours du comburant le long de la face cathodique du collecteur 21 est quasiment rectiligne, sans changement de direction significatif et sans obstacle. Entre les extrémités des nervures 109

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situées au voisinage de la partie conductrice 23 on dispose des

picots 112.

Les canaux de répartition débouchant de plus sur tout le c8té horizontal de la partie conductrice 23 du collecteur, on obtient une excellente répartition du comburant au niveau de la face cathodique. Comme on peut le constater en se reportant sur la figure 8, les

orifices d'alimentation en combustible 108 présentant une forme oblon-

gue, les rainures ou évidements 106 permettant l'acheminement du combus-

tible débouchent au voisinage des parties des orifices oblongs situées le plus près de la zone centrale conductrice 26 du collecteur 24. Les nervures de répartition de combustible définissent un réseau s'évasant

depuis lesdits orifices 108 vers la partie conductrice 26 du collecteur.

Des nervures 107 situées au voisinage des orifices 108 définissent des

canaux alimentant eux-m8mes un plus grand nombre de canaux intermé-

diaires définis par des nervures 110, de longueur plus importante et conduisant au voisinage des canaux de la partie conductrice 26 du collecteur, un canal intermédiaire alimentant au moins un canal 104 de

la partie conductrice 26 du collecteur 24.

L'allongement des canaux de distribution de combustible permet de réa-

liser des empilements importants d'éléments en ayant de faibles pertes de charge du gaz dans les canaux de circulation communs à tous les éléments.

Les figures 9 à 15 illustrent les différents composants de l'en-

semble 30 des figures 2 et 3.

Ainsi la cathode 31 est assujettie à un troisième cadre 32 présen-

tant un orifice central 34 en forme de quadrilatère et réalisé en maté-

riau plastique isolant. De même, l'anode 41 est assujettie à un

quatrième cadre 42 présentant un orifice central 40 en forme de quadri-

latère et réalisé en matériau plastique. Lorsque les troisième et quatrième cadres sont solidarisés entre eux, à la cathode et à l'anode,

ils définissent entre eux un compartiment électrolytique.

Les cadres 32 et 42 sont avantageusement en même matériau que les cadres 22 et 25. L'épaisseur du cadre 32 peut être de l'ordre de 0,2 à 5 mm et de préférence de 0,5 à 1,5 mm. L'épaisseur du cadre 42 peut être

comprise entre 0,1 et 5 mm et de préférence entre 0,3 et 0,6 mm.

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Dans l'exemple représenté les orifices centraux 34 et 40 sont carrés.

On se reporte aux figures 9 et 12 qui illustrent respectivement la face 72 du cadre 32 située en regard du collecteur cathodique 21, et la

face 50 de ce cadre située du côté du compartiment électrolytique.

Les parties inférieure 35 et supérieure 36 du cadre 32 sont munies d'orifices pour l'acheminement, à travers la pile, du combustible et de l'électrolyte. La référence 37 désigne les orifices de circulation du combustible, qui

dans le cas représenté ont une forme oblongue, et sont destines à coîn-

ecider avec les orifices 108 précédemment définis.

L'orifice 38A, servant à la circulation de l'électrolyte dans la pile et à son acheminement dans le compartiment électrolytique coincide avec les

orifices 88A et 98A. L'orifice 38B, servant à l'évacuation de l'électro-

lyte du compartiment électrolytique et à sa circulation dans la pile, coincide avec les orifices 88B et 98B. Les orifices 39, pouvant être

utilisés par exemple pour le centrage des composants lors de l'assem-

blage et/ou pour l'introduction de tirants de serrage, coincident avec

les orifices 89 et 99.

On voit sur la figure 9 que la partie du cadre 32 délimitant l'orifice central 34 et sur laquelle est assujettie la cathode 31 présente un retrait 71 de manière que la cathode 31 ne déborde pas au-dessus de la

face 72 du cadre 32.

Selon l'invention, et afin de contribuer à assurer l'étanchéité du réseau de distribution de combustible, chaque orifice 37 est entouré sur la face 72 du cadre 32 de deux nervures montrées à l'échelle agrandie en vue de dessus dans la figure 10, et en coupe dans la figure 11. Il s'agit de deux nervures parallèles 73 et 74 venues de moulage avec le cadre 32,

et par conséquent en un matériau susceptible de déformation par compres-

sion. Ces nervures sont en surépaisseur par rapport à la face 72 et sont elles-mêmes entourées de trois gorges parallèles 75, 76, 77 destinées à

loger la matière excédentaire des nervures au moment de la solidarisa-

tion du cadre 32 au cadre 22. A titre d'exemple, l'épaisseur des ner- vures est de l'ordre de 50 microns. Le profil de la figure 11 n'est qu'un

exemple de réalisation. Pour la clarté du dessin et mieux situer les

nervures, on a amorcé des traits pleins dans la figure 10.

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Par ailleurs, pour contribuer à assurer l'étanchéité du réseau de distribution d'électrolyte, les orifices 38A et 38B sont-également munis

sur la face 72 du cadre 32 de nervures 83 et 84 et de gorges périphé-

riques 85, 86, 87 de même nature que celle des nervures et des gorges associées aux orifices 37 (voir figure 10 qui montre l'orifice 38B à

l'échelle agrandie).

On se réfère maintenant aux figures 12 et 13 qui montrent la face 50 du cadre 32 destinée à venir en contact avec la face plane 65 du cadre 42 et à définir avec cette face un compartiment électrolytique

(voir figure 3).

Pour ce qui est de la distribution de combustible, on voit sur la figure 12 que tous les orifices 37 débouchant sur la face 50 présentent des nervures périphériques identiques à celles qui sont prévues sur la

face 72 du cadre 32.

En ce qui concerne le réseau de distribution d'électrolyte, des moyens

sont prévus pour permettre l'acheminement de l'électrolyte de l'ori-

fice 38A vers l'orifice central 34 et de celui-ci vers l'orifice 38B.

Ces moyens comportent des rainures 51 (voir figure 13) débouchant dans des parties évidées formant chambres de répartition et de distribution

et de collationnement d'électrolyte 52 disposées sur les parties infé-

rieure 35 et supérieure 36 du cadre 32, le long de deux c6tés opposés de l'orifice central 34 et communiquant avec le compartiment électrolytique au moyen d'une pluralité de microcanaux parallèles délimités par des nervures 54. Les sommets des nervures 54 affleurent la face 50 du

cadre 32.

Les rainures 51 présentent de préférence un parcours allongé et une faible section. Il est en effet important d'allonger le parcours et de rétrécir la section de l'électrolyte entre les orifices d'admission et d'évacuation et le compartiment électrolytique dans le cas des piles o l'électrolyte est distribué en parallèle aux éléments, de façon à créer une résistance élevée de shuntage entre éléments et diminuer autant que faire se peut la perte énergétique correspondante, Par

ailleurs, le cheminement de l'électrolyte dans un canal de faible sec-

tion et de grande longueur, ayant une perte de charge définie et élevée par rapport à celle des compartiments, permet une répartition uniforme

de l'écoulement de l'électrolyte entre les divers éléments de la pile.

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Dans l'exemple représenté les rainures 51 ont un parcours en forme de U, le fond des U étant situé, par rapport aux orifices 38A et 38B, au delà de l'orifice central 34 délimitant le compartiment électrolytique. A titre d'exemple, la longueur de chaque branche du U peut être égale à la hauteur du compartiment électrolytique, la largeur des rainures 51 pou-

vant varier de 0,5 mm à 10 mm.

Les fonds des rainures 51 et des chambres de répartition et de distribu-

tion et de collationnement d'électrolyte 52 comportent des moyens, tels que picots ou nervures, affleurant le plan de la face 50 du cadre 32 et destinés notamment à maintenir l'écartement entre le cadre 42 et lesdits fonds et à régulariser l'alimentation en fluides. Ainsi dans l'exemple représenté une nervure 56 est disposée dans les rainures 51, tout le long de celles-ci. Par ailleurs, les chambres 52 comportent une pluralité de

nervures 57, disposées parallèlement et ne contrariant pas la circula-

tion de l'électrolyte. Les sommets des nervures 56 et 57 affleurent le

plan de la face 50 du cadre 32.

Afin de réaliser selon l'invention l'étanchéité du compartiment, électrolytique on entoure totalement le réseau de circulation défini sur la face 50 de nervures et de gorges analogues à celles qui entourent les

orifices 37 (même épaisseur, mêmes intervalles).

Ainsi, des nervures parallèles 13 et 14, et des gorges 15, 16, 17 asso-

ciées, entourent l'orifice d'entrée d'électrolyte 38A, suivent le pour-

tour externe du U d'entrée, le bord latéral adjacent et un bord inférieur du compartiment électrolytique, les deux branches internes du U de sortie d'électrolyte, l'orifice 38B, le pourtour externe du U de sortie d'électrolyte, l'autre bord latéral et le bord supérieur du compartiment électrolytique, le pourtour interne du U d'entrée jusqu'à l'orifice

d'entrée 38A.

On réalise ainsi l'étanchéité du réseau de distribution d'électrolyte visà-vis des autres fluides et aussi entre les différentes parties de ce réseau de distribution. Ainsi, l'électrolyte ne peut passer d'une branche d'un U à la branche adjacente, ou directement de l'orifice 38A au

compartiment électrolytique central.

Pour ce qui est du cadre 42, on a dit plus haut que sa face 65

* fermant le compartiment électrolytique était plane et qu'elle ne présen-

- tait dans l'exemple décrit aucune nervure sur sa surface. La face 65 n'est pas illustrée; par contre, la face 66 opposée apparait dans les figures 14 et 15. Elle est destinée à venir au contact de la face 27 du collecteur 24 visible dans la figure 5, afin de définir le compartiment anodique. Les références 67 se rapportent aux orifices destinés à l'acheminement du combustible, les références 68A et 68B aux orifices d'entrée et de sortie d'électrolyte et les références 69 aux orifices correspondant aux

orifices 39, 89, 99.

La partie du cadre 42 délimitant l'orifice central 40 et sur laquelle est assujettie l'anode 41 présente un retrait 70 de manière que l'anode

ne déborde pas la face 66 du cadre 42.

L'étanchéité du réseau de distribution d'électrolyte est assurée selon l'invention autour des orifices 68A et 68B par des nervures 93 et 94 identiques à celles qui entourent les orifices 38A et 38B (voir

figure 15). Des gorges 95, 96, 97 sont associées aux nervures 93 et 94.

L'étanehéité au niveau du compartiment de combustible est assurée

par deux nervures polygonales.parallèles 43, 44, et leurs gorges asso-

ciées 45, 46, 47 entourant le compartiment central 40 et l'ensemble des

orifices 67.

Pour récapituler, on résume ci-dessous les différentes nervures mises en oeuvre dans l'exemple décrit: - Pour le réseau de distribution d'électrolyte: On prévoit au niveau du canal d'amenée de l'électrolyte dans la pile des nervures autour de l'orifice 38A sur les faces 72 et 50 du troisième cadre 32, et autour de l'orifice 68A sur la face 66 du quatrième cadre 42. Il en est de même pour le canal d'évacuation de l'électrolyte et les orifices 38B et 68B. Enfin entre ces canaux le compartiment électrolytique est totalement entouré d'une nervure portée par la

face 50 du troisième cadre 32.

- Pour le réseau de distribution de combustible On prévoit des nervures sur les faces 72 et 50 du troisième cadre 32 autour des orifices 37 de circulation de combustible et des nervures polygonales dans le compartiment anodique sur la face 66 du quatrième

cadre 42.

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Lorsque les quatre cadres sont solidarisés entre eux, on a super-

posé trois doubles nervures autour des tubulures de circulation d'élec-

trolyte et deux doubles nervures combinées à une double nervure polygo-

nale pour les orifices de circulation de combustible.

Dans le cas décrit, le problème de l'étanchéité a été résolu par l'utilisation de trois nervures superposées dont la somme des hauteurs

compense le défaut global de parallélisme des quatre cadres superposés.

Mais selon d'autres modes de réalisations on peut prévoir d'autres types de séquences élémentaires de solidarisation et plus ou moins de nervures superposées, leur épaisseur étant toujours déterminée en fonction du défaut de parallélisme à corriger. On a proposé des doubles nervures, mais une nervure simple associée à une gorge unique qui lui est parallèle

peut également être envisagée.

Le profil des nervures pourra être optimisé en fonction du-mode de

solidarisation choisi pour les cadres (soudage ou collage par exemple).

On peut prévoir par exemple des profils conformes aux profils 216 à 220

apparaissant dans les figures 16 à 20.

On pourra, sans sortir du cadre de l'invention, remplacer tout

moyen par un moyen équivalent.

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Claims

REVENDICATIONS

1/ Pile à combustible constituée par une pluralité d'éléments identi-

ques, juxtaposés, disposés en contact électrique les uns avec les autres, et solidarisés selon une séquence élémentaire déterminée, ladite pile comportant, en commun pour tous ses éléments, trois circuits de distribution:

- un circuit de distribution d'électrolyte à partir d'une source exté-

rieure comprenant notamment un canal d'amenée commun et un canal d'éva-

cuation commun,

- un circuit de distribution de combustible à partir d'une source exté-

- un circuit de distribution de comburant comportant notamment une plu-

ralité d'orifices d'entrée et de sortie de comburant situés sur les faces inférieure et supérieure de la pile, chaque élément comportant par ailleurs: - une première et une seconde électrode poreusesprésentant une forme de préférence plane et à faces parallèles, respectivement une cathode et une anode comportant chacune un catalyseur spécifique,

- un électrolyte remplissant l'intervalle situé entre lesdites électro-

des

- un premier et un second collecteurs de courant bipolaires imperméa-

bles, comportant respectivement un premier et un second cadres en maté-

riau plastique entourant une zone centrale conductrice portant des cannelures sur chacune de ses faces, le premier collecteur venant, par les sommets de sa face cathodique, en contact électrique avec la surface externe de ladite cathode, et par sa face anodique en contact électrique avec la surface externe de l'anode d'un élément adjacent, et le deuxième

collecteur venant par les sommets de sa face anodique en contact élec-

trique avec la surface externe de ladite anode, et par sa face catho-

dique en contact électrique avec la cathode de l'autre élément adjacent,

ledit comburant gazeux circulant entre ladite cathode et la face catho-

dique du premier collecteur et ledit combustible gazeux circulant entre ladite anode et la face anodique second collecteur, lesdits premier et

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second cadres étant munis d'orifices pour la circulation dudit électro-

lyte et dudit combustible à travers la pile, lesdits orifices venant contribuer par leur juxtaposition à la formation desdits canaux communs d'amenée et d'évacuation, ladite première électrode étant assujettie à un troisième cadre présen- tant un orifice central en forme de quadrilatère, réalisé en un matériau plastique, les parties inférieure et supérieure du troisième cadre

comportant des orifices pour l'acheminement à travers la. pile du combus-

tible et de l'électrolyte correspondant auxdits orifices ménagés dans les cadres des collecteurs, des moyens étant prévus sur une face dudit troisième cadre pour permettre l'acheminement de l'électrolyte dudit canal d'amenée, vers un compartiment électrolytique situé entre les deux électrodes et dudit compartiment vers ledit canal d'évacuation, lesdits

moyens comportant des rainures débouchant dans des parties évidées for-

mant chambres de répartition et de distribution et de collationnement d'électrolyte, disposées sur les parties inférieure et supérieure du troisième cadre le long de deux côtés opposés de l'évidement central et

communiquant avec le compartiment électrolytique au moyen d'une plura-

lité de microcanaux parallèles délimités par des nervures, ladite seconde électrode étant assujettie sur une face d'un quatrième cadre en regard dudit second collecteur de courant, ledit quatrième cadre étant un matériau plastique, présentant un contour identique à celui du troisième cadre sur lequel est assujettie la première électrode

et des orifices d'acheminement de combustible et d'électrolyte corres-

pondant à ceux prévus sur ledit troisième cadre, et étant appliqué par une face plane sur la face dudit troisième cadre présentant les rainures et les chambres de répartition et de distribution et de collationnement de l'électrolyte, la solidarisation des cadres selon une séquence élémentaire déterminée réalisant un empilement répétitif desdits éléments et définissant ledit réseau de distribution de combustible, ledit réseau de distribution de comburant et ledit réseau de distribution d'électrolyte, caractérisée par le fait qu'au moins les réseaux de distribution de combustible et d'électrolyte présentent sur tout leur pourtour au moins sur une face d'un des cadres qui constituent ladite séquence élémentaire

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au moins une nervure en un matériau susceptible de déformation sous contrainte, en surépaisseur par rapport à ladite face, la hauteur de cette surépaisseur étant telle qu'elle puisse compenser les défauts de planéité et de parallélisme de la totalité des cadres de ladite séquence, une gorge adjacente étant prévue parallèlement à ladite nervure pour

loger la matière excédentaire de cette dernière au cours de ladite soli-

darisation. 2/ Pile selon la revendication 1, caractérisée par le fait que deux nervures sont prévues avec leurs gorges autour de chacun desdits

réseaux.

3/ Pile selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait

que ladite nervure et ladite gorge associée se trouvent sur une même face

d'un cadre.

4/ Pile selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le

fait que, pour le réseau de distribution d'électrolyte, ladite nervure

est située entre lesdits troisième et quatrième cadres et entoure l'ori-

fice d'entrée de l'électrolyte, les chambres de répartition et de colla-

tionnement, le compartiment électrolytique, et l'orifice de sortie de l'électrolyte. 5/ Pile selon la revendication 4, caractérisée par le fait que ladite nervure se trouve sur la face dudit troisième cadre portant les rainures

et les parties évidées définissant ledit réseau de distribution d'élec-

trolyte.

6/ Pile selon l'une des revendications 4 et 5, caraetérisée par le fait

que d'autres nervures sont prévues autour des orifices d'entrée et de sortie d'électrolyte sur au moins l'une des faces dudit premier et/ou dudit second, et/ou dudit quatrième cadre et/ou sur l'autre face dudit

troisième cadre.

7/ Pile selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le

fait que, pour le réseau de distribution de combustible gazeux, une nervure entoure tout le compartiment gazeux se situant entre ledit

second collecteur et ladite seconde électrode, et qu'au moins une ner-

vure est prévue autour de chaque canal d'amenée et d'évacuation de combustible, ledit canal étant défini par la juxtaposition des orifices

correspondants desdits cadres.

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8/ Pile selon la revendication 7, caractérisée par le fait que ladite nervure entourant tout le réseau de distribution de combustible est

située sur la face dudit quatrième cadre en regard dudit second cadre.

9/ Pile selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisée par le fait

que les nervures prévues autour de chaque canal d'amenée et d'évacuation de combustible se trouvent sur au moins l'une des faces dudit premier

cadre, et/ou dudit troisième cadre, et/ou dudit quatrième cadre.

/ Pile selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le

fait que le matériau desdits cadres est choisi parmi les matériaux iso-

lants synthétiques de type polypropylène, polyéthylène, chlorure de

polyvinyle, acrylonitrile-butadiène-styrène, polysulfones,polystyrène.

11/ Pile selon la revendication 10, caractérisée par le fait que ladite nervure est en même matériau que lesdits cadres et venue de moulage avec eux. 12/ Pile selon la revendication 10, caractérisée par le fait que ladite nervure est rapportée sur le cadre correspondant et que son matériau est choisi parmi les caoutchoucs naturels et synthétiques et les colles thermofusibles.