FR2920593A1 - Cartouche pour pile a combustible et pile a combustible comportant une telle cartouche - Google Patents
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Abstract
Une cartouche (19) pour pile à combustible (1) comporte au moins :- un premier réservoir (20) contenant au moins un composé liquide source d'oxygène, se décomposant, en présence d'un catalyseur (28), pour former de l'oxygène et de l'eau,- une chambre de réaction (21) contenant au moins ledit catalyseur (28) et connectée par son entrée (26) au premier réservoir (20),- un second réservoir (22) contenant un matériau source d'hydrogène, réagissant, en présence d'eau, pour former de l'hydrogène- et des moyens de transfert sélectif de l'eau depuis la chambre de réaction (21) vers le second réservoir (22).La chambre de réaction (21) comporte, avantageusement, des moyens d'autorégulation de la pression (27), à l'entrée (26) de la chambre de réaction (21). Une telle cartouche forme in situ l'hydrogène et l'oxygène nécessaires au fonctionnement d'une pile à combustible, l'eau produite lors de la décomposition du composé liquide servant de réactif pour la réaction produisant l'hydrogène.
Description
Cartouche pour pile à combustible et pile à combustible comportant une telle cartouche.
Domaine technique de l'invention
L'invention concerne une cartouche pour pile à combustible et une pile à combustible comprenant une enceinte étanche comportant une chambre cathodique et une chambre anodique séparées par au moins un ensemble Electrode-Membrane-Electrode.
État de la technique Dans le cadre des applications portables, les piles à combustible fonctionnant avec de l'hydrogène comme combustible et de l'oxygène comme comburant sont celles qui permettent d'obtenir les plus fortes densités de puissance.
Pour la production d'oxygène, celui-ci provient, le plus souvent, de l'air.
L'hydrogène peut-être stocké sous haute pression, dans des hydrures métalliques tels que Mg2Ni, Mg2Co, LaNi2, LaNi5, LaCu5.... Il peut également être généré à partir d'hydrures chimiques tels que CaH2, MgH2, NaBH4, NaAIH4, LiAIH4, LiBH4, KBH4..., ce qui permet d'obtenir une plus grande capacité de stockage de cet hydrogène. En pratique, l'hydrogène contenu dans un hydrure chimique est libéré, lorsque celui-ci entre en contact avec un catalyseur et de l'eau. À titre d'exemple, dans le cas du tétrahydroborate de sodium ou borohydrure de sodium (NaBH4), la réaction permettant de générer de l'hydrogène est la suivante : NaBH4 + 4H2O Catalyseur >NaBO2(2H2O) + 4H2 (1)
La demande de brevet WO-A-2006/093735 décrit, comme représenté sur la figure 1, un appareil 1 générant du gaz et en particulier de l'hydrogène. L'appareil comprend une chambre de réaction 2 contenant un premier réactif et un réservoir 3 comportant un deuxième réactif tel que l'hydrure NaBH4. Un conduit 4 assure le transport du second réactif depuis le réservoir 3 vers la chambre de réaction 2, afin de permettre la formation de l'hydrogène lors du mélange et la réaction entre les premier et second réactifs. L'appareil peut également comporter une couche poreuse 5 disposée entre la chambre de réaction 2 et le réservoir 3 et une membrane 6 perméable au gaz et éventuellement imperméable au liquide disposé entre la sortie de la chambre de réaction 2 et une vanne 7 contrôlant la sortie de l'hydrogène.
L'appareil 1 décrit dans la demande de brevet WO-A-2006/093735 comporte également un dispositif d'autorégulation de débit 8 pour le second réactif, comportant un ressort 9 surmonté par un disque 10 entouré d'un joint 11 et disposé dans une enceinte 12. Le dispositif d'autorégulation de débit 8 contrôle le débit du second réactif entrant dans la chambre de réaction. Ainsi, il coupe le débit du second réactif contenu dans le réservoir 3, lorsque la pression de la chambre de réaction 2 atteint un niveau prédéterminé par la vanne 7. Lorsque la pile à combustible a besoin d'hydrogène, la vanne 7 s'ouvre et la pression en hydrogène dans la chambre de réaction 2 diminue. Lorsque cette pression est inférieure à un seuil prédéterminé, le ressort 9 pousse le disque 10 et permet le contact du conduit 4 avec la couche poreuse 5. Par effet mèche, le réactif contenu dans le conduit 4 entre en contact avec le réactif contenu dans la chambre de réaction 2, générant ainsi de l'hydrogène. Lorsque la pile à combustible n'a pas besoin d'hydrogène, la vanne 7 est fermée et la pression dans la chambre 2 augmente jusqu'au seuil prédéterminé, puis le ressort 9 ferme l'arrivée du second réactif.
L'appareil, dans la demande de brevet WO-A-2006/093735, présente l'inconvénient d'utiliser des pièces mécaniques très sensibles (vannes, clapets, ressorts, joints...), en particulier, lorsque le premier réactif comporte
des particules fines solides, formant par exemple un hydrure tel NaBH4. Dans ce cas, même si la couche poreuse 5 et la membrane 6 ont pour objectif de ne laisser passer respectivement que le second réactif contenu dans réservoir 3 et que l'hydrogène, de fines particules solides risquent de s'insérer au niveau des pièces mécaniques, rendant leur efficacité très limitée dans le temps.
L'ensemble des appareils actuellement utilisés avec un hydrure chimique comme moyen de stockage de l'hydrogène se heurte au problème du 1 o confinement des particules solides et de leur insertion dans des pièces mécaniques sensibles qui sont au coeur du système de régulation du débit d'hydrogène.
15 Objet de l'invention
L'invention a pour but une cartouche pour pile à combustible remédiant aux inconvénients de l'art antérieur.
20 Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que la cartouche comporte au moins : un premier réservoir contenant au moins un composé liquide source d'oxygène, se décomposant, en présence d'un catalyseur, pour former de l'oxygène et de l'eau, 25 une chambre de réaction contenant au moins ledit catalyseur et connectée par son entrée au premier réservoir, un second réservoir contenant un matériau source d'hydrogène, réagissant, en présence d'eau, pour former de l'hydrogène et des moyens de transfert sélectif de l'eau depuis la chambre de réaction 3o vers le second réservoir.
Selon un développement de l'invention, le premier réservoir comporte des moyens de mise en pression du composé liquide source d'oxygène.
L'invention a également pour but une pile à combustible comprenant une enceinte étanche comportant une chambre cathodique et une chambre anodique séparées par au moins un ensemble Electrode-Membrane-Electrode et présentant un rendement amélioré.
Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que la pile comporte une cartouche telle que mentionnée ci-dessus, le second réservoir et la chambre de réaction de ladite cartouche comportant chacun une sortie connectée respectivement à la chambre anodique et à la chambre cathodique.
Description sommaire des dessins
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 représente un appareil générant un gaz selon l'art antérieur. - la figure 2 représente un mode particulier d'une pile à combustible comportant une cartouche selon l'invention. Description de modes particuliers de réalisation
Selon un mode particulier de réalisation représenté sur la figure 2, une pile à 30 combustible 13 comporte une enceinte 14 étanche aux gaz présents dans l'atmosphère. L'enceinte 14 renferme une chambre anodique 15 et une chambre cathodique 16 séparées par au moins un ensemble Electrode-25
Membrane-Electrode 17, également appelé ensemble EME ou cellule élémentaire. Les ensembles EME sont avantageusement des ensembles EME de type PEMFC ( Proton Exchange Membrane Fuel Cell ou pile à membrane polymère échangeuse de protons) Sur la figure 2, trois ensembles EME 17 sont représentés. Ils sont disposés sur un support de pile 18, avantageusement poreux à l'hydrogène et présentant une largeur égale à la largeur de l'enceinte 14. Le support de pile 18 comporte deux faces opposées 18a et 18b : la face 18a correspond à la face supportant les ensembles EME 17 et elle délimite, avec une partie supérieure des parois de l'enceinte 14, la chambre cathodique 16 - et la face 18b correspond à la face libre du support de pile 18 et elle délimite, avec une partie inférieure des parois de l'enceinte 14, la 15 chambre anodique 15.
La chambre cathodique 16 est destinée à contenir de l'oxygène, afin de permettre la réaction auprès des cathodes des ensembles EME 17, tandis que la chambre anodique 15 est destinée à contenir de l'hydrogène afin de 20 permettre la réaction auprès des anodes des ensembles EME 17.
De plus, la pile à combustible 13 comporte une cartouche 19 permettant non seulement de délivrer de l'hydrogène à la chambre anodique 15, mais également de délivrer de l'oxygène à la chambre cathodique 16, l'hydrogène 25 et l'oxygène étant formés in situ, de telle sorte que le produit de la réaction formant l'oxygène (H2O) serve de réactif pour la réaction formant l'hydrogène.
La cartouche 19 comporte : 30 - un premier réservoir 20, - une chambre de réaction 21, un second réservoir 22
et des moyens de transfert sélectif de l'eau depuis la chambre de réaction 21 vers le second réservoir 22, constitués avantageusement par une membrane conductrice d'eau 23 disposée entre la chambre de réaction 21 et le second réservoir 22.
Le premier réservoir 20 contient au moins un composé liquide, source d'oxygène et se décomposant, en présence d'un catalyseur, pour former de l'oxygène et de l'eau. Le composé liquide, source d'oxygène, est, avantageusement, du peroxyde d'hydrogène (H202). Dans ce cas, il peut également être mélangé avec de l'eau pour augmenter sa stabilité ou avec d'autres composants stabilisants tels que les ions phosphates, les ions tartrates, les ions salicylates...
Par ailleurs, le premier réservoir 20 comporte, avantageusement, un système de mise en pression 24 du composé liquide. Le système 24 peut être un ressort comprimé ou une poche de gaz, par exemple l'isobutane, sous pression.
Le premier réservoir 20 comporte également une sortie 20a connectée, par 20 exemple par un tube capillaire 25, à l'entrée 26 de la chambre de réaction 21, pour amener le composé liquide dans ladite chambre 21.
La chambre de réaction 21 est, avantageusement, munie à son entrée 26, de moyens d'autorégulation de la pression à l'intérieur de ladite chambre 21. 25 Les moyens d'autorégulation de la pression sont, par exemple constitués par une vanne de régulation en pression 27, avantageusement réalisée à partir d'un ressort comprimé.
La chambre de réaction 21 contient également au moins un catalyseur 28. 30 Ainsi, lorsque le composant liquide source d'oxygène entre en contact avec le catalyseur 28, une réaction se produit. Lorsque le composant liquide est H202, la réaction est la suivante : 211202 Catalyseur , 2H2O + 02 (2) Le catalyseur 28 peut, de plus, être sous forme solide (catalyse hétérogène) ou sous forme liquide (catalyse homogène). À titre d'exemple, dans le cas d'une catalyse hétérogène et avec H2O2 comme source d'oxygène, le catalyseur 28 peut être un métal tel que Pt, Pd, Fe, Cu, Cr, Pb, Ag, Mn, Mg, Na, K, Ni ou Au, un métalloïde, un oxyde tel que MnO2, CuO, CeO2 ou MgO, un sel de métal ou tout autre catalyseur de la réaction. De plus, le catalyseur 28 peut être constitué par un mélange de plusieurs de ces éléments. Dans le cas d'une catalyse homogène et avec H2O2 comme source d'oxygène, le catalyseur 28 peut être sous une forme ionique en solution, avantageusement sous la forme d'un ion métallique, tel que Fei+, mis en solution.
De plus, le catalyseur 28 peut être sous forme d'une mousse, par exemple une mousse en nickel ou bien il peut être dispersé dans une matrice poreuse, telle qu'une matrice poreuse en polymère, en céramique ou métallique. Dans ce cas, lorsque le composant liquide source d'oxygène pénètre dans la mousse ou dans la matrice poreuse, il se décompose en eau et en oxygène. Par capillarité, l'eau est ensuite acheminée jusqu'à la membrane 23.
Le catalyseur 28 peut aussi être sous la forme d'un lit catalytique ou bien être déposé directement sur au moins une des parois de la chambre de réaction 21 ou sur la membrane 23. II peut, aussi, être inséré dans une matrice polymère dense, dans laquelle le composant liquide source d'oxygène peut diffuser.
La réaction de décomposition du composant liquide source d'oxygène produisant de l'eau, l'eau diffuse, comme illustré par la flèche en pointillé sur la figure 2, à travers la membrane conductrice d'eau 23 vers le second réservoir 22.
La membrane conductrice d'eau 23, également appelée membrane hydrophile, peut être constituée d'une membrane en polymère de type Nafion ou Hyflon ou d'une membrane nano-poreuse constituée par un matériau choisi parmi les polymères, les céramiques, les métaux, du graphite, du silicium, du carbure de silicium, les verres. La membrane 23 doit être sélective à l'eau. Ainsi, elle doit permettre le passage de l'eau de la chambre de réaction 21 vers le second réservoir 22, mais elle ne doit pas faire rétro-diffuser les réactifs ou les produits de réaction se trouvant dans le ~o second réservoir 22. En particulier, le phénomène d'électro-osmose peut être utilisé pour favoriser le transfert d'eau, en appliquant une différence de potentiel de part et d'autre de la membrane conductrice d'eau 23.
Le catalyseur 28 et la membrane 23 sont représentés sur la figure 2 comme 15 deux éléments distincts disposés côte à côte. La membrane 23 est en contact à la fois avec la chambre de réaction 21 et avec le second réservoir 22. Comme indiqué ci-dessus, ils peuvent, cependant, former un seul et même élément, sous la forme par exemple d'une membrane possédant un gradient de porosité et contenant au moins le catalyseur de la réaction de 20 décomposition du composant liquide source d'oxygène.
La chambre de réaction 21 comporte également une sortie 29 pour l'évacuation de l'oxygène produit. Cette sortie 29 est connectée sur la figure 2, par un conduit 30, à la chambre cathodique 16, de manière à alimenter 25 ladite chambre en oxygène (flèche FI sur la figure 2). Avantageusement le conduit 30 comporte une membrane 31 perméable à l'oxygène et imperméable aux liquides. Une telle membrane 31 est, en particulier, nanoporeuse. Elle peut être constituée par un des matériaux généralement hydrophobes, communément connus sous les noms commerciaux de 30 GORE-TEX et de CELGARD .
La chambre de réaction 21 partage, sur la figure 2, la membrane sélectivement conductrice d'eau 23 avec le second réservoir 22. Ainsi, la membrane sélectivement conductrice d'eau 23 est disposée entre la chambre de réaction 21 et le second réservoir 22, afin d'être en contact à la fois avec le contenu de la chambre de réaction 21 et du second réservoir 22. Dans une variante de réalisation, la chambre de réaction 21 peut comporter une sortie additionnelle, constituée par un orifice formé dans une paroi de la chambre de réaction 21 et reliée par un conduit à une entrée constituée par un orifice formé dans une paroi du second réservoir 22. Dans ce cas, la membrane sélectivement conductrice d'eau 23 est disposée dans le conduit, entre l'entrée de la chambre de réaction 21 et la sortie du second réservoir 22.
Le second réservoir 22 contient un matériau source d'hydrogène, réagissant ou apte à réagir, en présence d'eau, pour former de l'hydrogène. Le matériau source d'hydrogène est, avantageusement, choisi parmi les matériaux suivants : - les hydrures tels que LiH, NaH, KH, CaH2, BeH2 et MgH2 - les hydrures tels que NaBH4, NaAIH4, LiAIH4, KAIH4, LiBH4 et KBH4, les hydrures tels que Na3AIH6, Li3AIH6, Li3Be2H7, Li2Be2H4, NaMgH4, NH4BH4, Be(BH4)2, Ca(BH4)2, Mg(BH4)2, Zn(BH4)2, AI(BH4)3, (CH3)2NHBH3, NaCNBH3 - les hydrures de formule MB3H8, M2B1oH1o, MB10H13, M2B12H12 ou M2B20H18 avec M=Li, Na, K, NH4, Be 112, Cal/2, Mg1/2, Zn1/2 ou AI1/3 les métaux tels que Li, Na, K les alliages métalliques tels que AlLi - du silicium poreux, par exemple obtenu par gravure à l'acide fluorhydrique et contenant de nombreuses liaisons hydrogène - ou tout mélange de ces matériaux.
Le matériau source d'hydrogène peut rester sous forme solide, en poudre ou compacte, ou bien il peut être mis sous forme liquide, par exemple en le
mélangeant avec un liquide, tel que l'ammoniac, un alcool, la soude, ou tout autre liquide permettant la dispersion et/ou la stabilisation du matériau source d'hydrogène. De plus, il peut être mélangé à un ou plusieurs catalyseurs métalliques, tels que Pt, Ru, Ni, Co, Fe, à des acides, à des sels métalliques, à des chlorures, à des borures...Il peut également être inséré dans une matrice polymère, céramique ou métallique. Enfin, des capillaires ou des mèches peuvent être introduits dans le second réservoir 22, pour favoriser la diffusion de l'eau dans tout le second réservoir 22, de manière à assurer la réaction de l'ensemble du matériau source d'hydrogène.
L'eau générée dans la chambre de réaction 21, lors de la décomposition du composé liquide source d'oxygène, sert ainsi de réactif pour la formation de l'hydrogène, dans le second réservoir 22. Le second réservoir 22 comporte, de plus, une sortie 32 connectée par un conduit 33 à la chambre anodique 15, afin d'alimenter la chambre anodique 15 avec l'hydrogène produit dans le second réservoir 22 (Flèche F2 sur la figure 2).
À titre d'exemple, le schéma réactionnel dans la cartouche 19 est le suivant dans le cas où le composant liquide source d'oxygène est H202 et le 20 matériau source d'hydrogène est NaBH4: 211202 Catalyseur(28) , 2H2O + 02 (2) NaBH4 + 4H20 Catalyseur >NaBO2(2H20) + 4H2 (1) 25 Ainsi, lorsque 4 molécules d'H202 réagissent, dans la chambre de réaction 21, sur le catalyseur 28, elles libèrent 4 molécules d'eau et 2 molécules d'oxygène. Les 4 molécules d'eau sont transférées dans le second réservoir 22, avec NaBH4 pour former 4 molécules d'H2 qui sont transférées dans la 30 chambre anodique 15. Les 2 réactions successives selon les formules (2) et (1) génèrent donc 2 fois plus d'hydrogène que d'oxygène.
Or c'est cette stoechiométrie qui régit le fonctionnement d'une cellule élémentaire d'une pile à combustible, puisque la réaction relative au fonctionnement d'une pile à combustible est la suivante : H2+ 2 102ùH20 (3) On constate donc que la cartouche 19 telle que représentée sur la figure 2 ne surproduit pas, dans cet exemple, un gaz par rapport à l'autre.
Par contre, dans le cas où H2O2 est mélangé avec de l'eau dans le premier 1 o réservoir 20, pour augmenter sa stabilité, il y a surproduction d'hydrogène par rapport à la quantité d'oxygène produit.
Un moyen de répondre à ce problème est d'utiliser un composé source d'hydrogène dont la réaction produit moins d'hydrogène. C'est, par exemple, 15 le cas avec le lithium dont la réaction avec l'eau est la suivante : H2O + Li --> LiOH + 2 H2 (4) Par conséquent, en utilisant un mélange H2O/H2O2 pour former l'oxygène, le matériau source d'hydrogène peut avantageusement être un mélange de plusieurs matériaux source d'hydrogène, un tel mélange étant choisi de sorte 20 que sa composition soit fonction de la quantité d'eau présente dans le composant liquide source d'oxygène (H2O2). Ainsi, le lithium et NaBH4 peuvent être utilisés conjointement. Etant tous les deux solubles dans l'ammoniac liquide, le mélange du lithium et de NaBH4 peut s'effectuer dans ce liquide. 25 Selon une variante de réalisation, le risque de surproduction de l'hydrogène par rapport à l'oxygène peut être évité en faisant fonctionner une ou plusieurs des cellules élémentaires 17 avec l'hydrogène fourni par la cartouche 19 et de l'oxygène provenant d'une autre source que celle de la
cartouche 19, par exemple l'oxygène de l'air. Ainsi, le nombre de cellules 17 fonctionnant selon ce principe permet de compenser la surproduction d'hydrogène, dans le cas d'un mélange H202/H20.
Selon une autre variante de réalisation, l'excédent d'hydrogène produit peut être évacué dans l'atmosphère, notamment dans le cas de débits très faibles (<3 cc/min) ou être brûlé sur un catalyseur.
Enfin, les piles à combustible selon l'art antérieur fonctionnant avec l'oxygène de l'air, évacuent l'eau fabriquée par les cellules élémentaires (réaction (3)) par évaporation avec l'air ambiant. Avec une pile à combustible et une cartouche selon l'invention, le système fermé ne permet plus cette évaporation. L'eau fabriquée par les cellules élémentaires 17 doit donc être stockée dans l'enceinte 14 et être évacuée entre deux utilisations.
Selon une première variante de réalisation et comme représenté sur la figure 2, l'eau produite par la pile à combustible peut être re-transférée sélectivement dans le premier réservoir 20, par l'intermédiaire d'un capillaire 34 reliant la chambre cathodique 16 au premier réservoir 20. Dans ce cas, le capillaire 34 peut acheminer l'eau dans la partie du premier réservoir 20 comportant le système de mise en pression 24. La face 18a du support de pile 18 est, avantageusement recouverte d'un film hydrophile ou d'une membrane nano-poreuse, de façon à faire diffuser l'eau de la chambre cathodique 16 vers le premier réservoir 20. Le fait de connecter la chambre cathodique 16 au système de mise en pression 24 du premier réservoir 20 par l'intermédiaire du capillaire 34 permet, en outre, d'éviter de mettre le premier réservoir 20 en dépression, lors de l'utilisation d'un système de mise en pression 24, autre qu'une poche de gaz comprimée.
Selon une deuxième variante de réalisation, l'eau produite peut être rétro-diffusée depuis la chambre anodique 15 vers le second réservoir 22 par
l'intermédiaire du conduit 33, destiné au passage de l'hydrogène depuis le second réservoir 22 vers la chambre anodique 15. Dans ce cas, les parois internes du conduit 33 ainsi que la face 18b du support de pile 18 sont, avantageusement, recouvertes d'un film hydrophile ou d'une membrane nano-poreuse, de façon à faire diffuser l'eau de la chambre cathodique 15 vers le second réservoir 22. Cette diffusion de l'eau vers le second réservoir présente l'avantage de favoriser la réaction de génération de l'hydrogène (voir réaction 1 par exemple).
Dans les deux variantes ci-dessus, le phénomène d'éléctromouillage peut être utilisé pour la diffusion de l'eau.
À titre d'exemple, lorsque la pile à combustible 13 représentée sur la figure 2 fonctionne, le composant liquide source d'oxygène (par exemple H2O2) contenu dans le premier réservoir 20 est mis sous pression par l'intermédiaire du système 24, il circule à travers le tube capillaire 25 pour atteindre la chambre de réaction 21. Dans la chambre de réaction 21, le composant liquide se décompose, lorsqu'il entre en contact avec le catalyseur 28, par exemple suivant la réaction (2) dans le cas d'H2O2, produisant de l'oxygène et de l'eau. L'oxygène est dirigé par l'intermédiaire du conduit 30 vers la chambre cathodique 16 et l'eau circule à travers la membrane conductrice d'eau 23 pour atteindre le second réservoir 22. Dans le second réservoir 22, l'eau réagit avec le matériau source d'hydrogène, par exemple suivant la réaction (1) dans le cas de NaBH4, pour former de l'hydrogène, qui est alors dirigé par l'intermédiaire du conduit 33 vers la chambre anodique 15.
Lorsque la pile à combustible ne débite plus, la pression dans les parties de la pile où se trouve l'oxygène (chambre cathodique 16, chambre de réaction 21 et conduit 30) augmente. Une force de compression s'exerce alors sur la vanne 27 et, lorsque la pression atteint une valeur seuil (par exemple de 5 quelques bars), la vanne 27 bloque le passage du composant liquide source d'oxygène vers la chambre de réaction 21, arrêtant la décomposition du composant liquide (réaction 2 par exemple) et la réaction de formation de l'hydrogène (réaction 1 par exemple). Par contre, lorsque la pile débite, la pression d'O2 diminue, la vanne 27 autorise le passage du composant liquide source d'oxygène dans la chambre de réaction 21 et les deux réactions successives (2 et 1 par exemple) peuvent se dérouler. 10 Ainsi, l'eau arrive progressivement sur le matériau source d'hydrogène, ce qui permet un bon contrôle de la réaction générant l'hydrogène (réaction 1 par exemple) et évite les phénomènes d'emballement. Par ailleurs, la cartouche 19 peut présenter l'avantage d'avoir un système de régulation en 15 pression, réalisé sur la réaction générant l'oxygène (réaction 2 par exemple) et non sur la réaction générant l'hydrogène (réaction 1 par exemple). Or, la réaction générant l'oxygène se déroulant en phase liquide/gaz, aucune particule solide ne peut, comme dans l'art antérieur, interférer sur ou obstruer le système d'autorégulation, ce qui améliore le rendement de la pile à 20 combustible par rapport aux piles à combustible selon l'art antérieur.
De plus, le fait d'utiliser de l'oxygène pur, à la place de l'air, permet d'améliorer le rendement de la pile à combustible. En effet, des études ont montré l'influence de la stoechiométrie en oxygène sur les performances des 25 piles à combustible. Dans l'article Investigation of oxygen gain in polymer electrolyte membrane fuel celis , Prasanna et al. (Journal of Power Sources 137 (2004) 1-8) indiquent l'évolution des performances d'un coeur de pile en fonction de la concentration en oxygène à la cathode. Les performances obtenues en oxygène pur sont plus de 2 fois supérieures à celles obtenues 30 avec l'air ambiant. Par conséquent, une cartouche selon l'invention permet
d'améliorer les performances du coeur de pile, en fournissant la chambre cathodique en oxygène pur.
La pile à combustible comportant une cartouche selon l'invention présente également l'avantage de pouvoir fonctionner dans un système fermé, sans nécessiter d'apport extérieur d'oxygène. Ce système fermé est particulièrement intéressant pour un fonctionnement en immersion. Par ailleurs, l'absence de contact direct air ambiant/cathode permet à la pile à combustible d'être moins sensible aux conditions extérieures de température, de pollution et d'humidité. La gestion de l'eau générée par les cellules élémentaires 17 est également facilitée, dans la mesure où les problèmes d'assèchement ne se posent plus. En effet, la présence continue d'eau permet un redémarrage plus rapide de la pile après une longue période de non-utilisation. Les performances obtenues en oxygène pur étant supérieures à celles obtenues avec de l'air, il est possible de faire débiter la pile à un meilleur rendement. Ceci permet de diminuer les débits d'hydrogène et d'oxygène nécessaire, donc d'augmenter les densités d'énergie, et de diminuer les pertes thermiques. Enfin, la diminution des pertes thermiques associées à un système fermé permet de diminuer le nombre de périphériques nécessaires à la gestion des problèmes thermiques et d'humidité.
Les pressions en oxygène et en hydrogène de part et d'autre du coeur de pile peuvent, également, être augmentées sans déchirer la membrane de la pile, dans la mesure où les pressions s'exercent des deux côtés de la membrane. Cette augmentation des pressions permet d'améliorer l'activité des catalyseurs et d'augmenter les cinétiques de réaction, donc d'améliorer les performances du coeur de pile.
Claims (19)
1. Cartouche (19) pour pile à combustible (1) caractérisée en ce qu'elle comporte au moins : - un premier réservoir (20) contenant au moins un composé liquide source d'oxygène, se décomposant, en présence d'un catalyseur (28), pour former de l'oxygène et de l'eau, une chambre de réaction (21) contenant au moins ledit catalyseur (28) et connectée par son entrée (26) au premier réservoir (20), un second réservoir (22) contenant un matériau source d'hydrogène, réagissant, en présence d'eau, pour former de l'hydrogène - et des moyens de transfert sélectif de l'eau depuis la chambre de réaction (21) vers le second réservoir (22).
2. Cartouche selon la revendication 1, caractérisée en ce que le premier réservoir (20) comporte des moyens de mise en pression (24) du composé liquide source d'oxygène.
3. Cartouche selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le composé liquide est H202.
4. Cartouche selon la revendication 3, caractérisée en ce que le composé liquide est mélangé à au moins un composant stabilisant.
5. Cartouche selon la revendication 4, caractérisée en ce que le composant stabilisant est l'eau.
6. Cartouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée 3o en ce que la chambre de réaction (21) comporte au moins une sortie (29) pour l'évacuation de l'oxygène. 1625
7. Cartouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la chambre de réaction (21) comporte des moyens d'autorégulation de la pression (27) à l'entrée (26) de ladite chambre de réaction (21).
8. Cartouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le catalyseur (28) étant sous forme liquide, il est formé par un ion métallique mis en solution. 10
9. Cartouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le catalyseur (28) étant sous forme solide, il est choisi parmi un métal, un métalloïde, un oxyde, un sel métallique et leurs mélanges.
10. Cartouche selon la revendication 9, caractérisée en ce que le catalyseur 15 (28) est déposé sur au moins une paroi de la chambre de réaction (21).
11. Cartouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que le catalyseur (28) est sous forme d'une mousse ou il est dispersé dans un matériau additionnel.
12. Cartouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que les moyens de transfert sélectif de l'eau sont constitués par une membrane conductrice d'eau (23), en contact avec la chambre de réaction (21) et le second réservoir (22). 25
13. Cartouche selon la revendication 12, caractérisée en ce que la membrane conductrice d'eau (23) comporte le catalyseur (28).
14. Cartouche selon l'une des revendications 12 et 13, caractérisée en ce ao que la membrane conductrice d'eau (23) est une membrane polymère ou une membrane nano-poreuse constituée par un matériau choisi parmi les 20 polymères, les céramiques, les métaux, le graphite, le silicium, le carbure de silicium et les verres.
15. Cartouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisée en ce que le matériau source d'hydrogène comporte au moins un matériau choisi parmi les hydrures, le lithium, le sodium, le potassium, l'alliage à base de lithium et d'aluminium, le silicium poreux hydrogéné et leurs mélanges.
16. Pile à combustible (13) comprenant une enceinte étanche (14) comportant une chambre cathodique (16) et une chambre anodique (15) séparées par au moins un ensemble Electrode-Membrane-Electrode (17), pile caractérisée en ce que la pile (13) comporte une cartouche (19) selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, le second réservoir (22) et la chambre de réaction (21) de ladite cartouche (19) comportant chacun une sortie (32, 29) connectée respectivement à la chambre anodique (16) et à la chambre cathodique (15).
17. Pile selon la revendication 16, caractérisée en ce que la sortie (29) de la chambre de réaction (21) est connectée à la chambre cathodique (15) par un conduit (30) comportant une membrane (31) perméable à l'oxygène et imperméable aux liquides.
18. Pile selon l'une des revendications 16 et 17, caractérisée en ce qu'elle 25 comporte des moyens de transfert sélectif de l'eau (34) de la chambre cathodique (16) vers le premier réservoir (20).
19. Pile selon l'une des revendications 16 et 17, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de transfert sélectif de l'eau de la chambre anodique 30 (15) vers le second réservoir (22).
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