FR3014118A1

FR3014118A1 - ELECTROCHEMICAL REACTOR

Info

Publication number: FR3014118A1
Application number: FR1362036A
Authority: FR
Inventors: Florent Beille
Original assignee: Areva Stockage dEnergie SAS
Current assignee: Elogen SAS
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2015-06-05
Anticipated expiration: 2033-12-03
Also published as: WO2015082829A1; FR3014118B1

Abstract

Ce réacteur électrochimique comprend au moins une cellule électrochimique (6) possédant un assemblage membrane/électrode (10) pris en sandwich entre une première plaque séparatrice (24) et une deuxième plaque séparatrice (26), l'assemblage membrane/électrode (10) possédant une membrane électrolytique (12) prise en sandwich entre deux électrodes (14, 16). Chaque cellule électrochimique possède une couche de diffusion (32, 34) poreuse respective interposée entre l'assemblage membrane/électrode (10) et chaque plaque séparatrice (24, 26). La ou chaque cellule électrochimique comprend une bague d'espacement (36) interposée entre une région périphérique (20) de l'assemblage membrane/électrode (10) et la première plaque séparatrice (24), et est dépourvue de bague d'espacement entre l'assemblage membrane/électrode (10) et la deuxième plaque séparatrice (26), la bague d'espacement étant configurée pour maintenir un écartement et assurer l'étanchéité entre l'assemblage membrane/électrode (10) et la première plaque séparatrice (24) autour de la région active (18).This electrochemical reactor comprises at least one electrochemical cell (6) having a membrane / electrode assembly (10) sandwiched between a first separator plate (24) and a second separator plate (26), the membrane / electrode assembly (10). having an electrolyte membrane (12) sandwiched between two electrodes (14, 16). Each electrochemical cell has a respective porous diffusion layer (32, 34) interposed between the membrane / electrode assembly (10) and each separator plate (24, 26). The or each electrochemical cell comprises a spacer ring (36) interposed between a peripheral region (20) of the membrane / electrode assembly (10) and the first separator plate (24), and is devoid of a spacer ring between the membrane / electrode assembly (10) and the second separator plate (26), the spacer ring being configured to maintain a gap and seal between the membrane / electrode assembly (10) and the first separator plate ( 24) around the active region (18).

Description

Réacteur électrochimique La présente invention concerne le domaine des réacteurs électrochimiques à membrane électrolytique. Elle concerne en particulier le domaine des électrolyseurs à membrane électrolytique, notamment pour la génération du dioxygène et de dihydrogène par électrolyse de l'eau. Il est possible de prévoir un électrolyseur à membrane électrolytique comprenant au moins une cellule électrochimique, la ou chaque cellule électrochimique comprenant un assemblage membrane/électrode (AME) comprenant une membrane électrolytique prise en sandwich entre une anode et une cathode, l'assemblage membrane/électrode étant lui-même pris en sandwich entre deux plaques séparatrices, chaque plaque séparatrice possédant sur sa face tournée vers l'assemblage membrane/électrode des canaux pour la circulation de fluides le long des deux faces de l'assemblage membrane/électrode.The present invention relates to the field of electrochemical reactors with an electrolytic membrane. It relates in particular to the field of electrolytic membrane electrolysers, in particular for the generation of dioxygen and dihydrogen by electrolysis of water. It is possible to provide an electrolytic membrane electrolyzer comprising at least one electrochemical cell, the or each electrochemical cell comprising a membrane / electrode assembly (AME) comprising an electrolytic membrane sandwiched between an anode and a cathode, the membrane assembly. electrode being itself sandwiched between two separator plates, each separator plate having on its face facing the membrane / electrode assembly channels for the flow of fluids along the two faces of the membrane / electrode assembly.

En fonctionnement, des fluides sous pression circulent dans les canaux. Il est nécessaire d'assurer une étanchéité entre les plaques séparatrices et l'assemblage membrane/électrode de chaque cellule électrochimique. Un des buts de l'invention est de proposer un réacteur électrochimique possédant une étanchéité satisfaisante, tout en étant facile et peu coûteux à fabriquer.In operation, pressurized fluids circulate in the channels. It is necessary to ensure a seal between the separator plates and the membrane / electrode assembly of each electrochemical cell. An object of the invention is to provide an electrochemical reactor having a satisfactory seal, while being easy and inexpensive to manufacture.

A cet effet, l'invention propose un réacteur électrochimique comprenant au moins une cellule électrochimique comprenant, en superposition suivant une direction d'empilement, un assemblage membrane/électrode pris en sandwich entre une première plaque séparatrice et une deuxième plaque séparatrice, l'assemblage membrane/électrode possédant une membrane électrolytique prise en sandwich entre deux électrodes, l'assemblage membrane/électrode comprenant une région active entourée par une région périphérique, dans lequel la ou chaque cellule électrochimique comprend une couche de diffusion poreuse respective interposée entre la région active de l'assemblage membrane/électrode et chaque plaque séparatrice, dans lequel la ou chaque cellule électrochimique comprend une bague d'espacement interposée entre la région périphérique de l'assemblage membrane/électrode et la première plaque séparatrice, la ou chaque cellule électrochimique étant dépourvue de bague d'espacement entre l'assemblage membrane/électrode et la deuxième plaque séparatrice, la bague d'espacement étant configurée pour maintenir un écartement entre la région périphérique de l'assemblage membrane/électrode et la première plaque séparatrice et assurer l'étanchéité entre l'assemblage membrane/électrode et la première plaque séparatrice autour de la région active, la bague d'espacement entourant la région active de l'assemblage membrane/électrode. Selon des modes de réalisation particuliers, le réacteur comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - dans la ou chaque cellule électrochimique, l'écartement entre l'assemblage membrane/électrode et la première plaque séparatrice, est supérieur à l'écartement entre l'assemblage membrane/électrode et la deuxième plaque séparatrice ; - dans la ou chaque cellule électrochimique, la couche de diffusion interposée entre l'assemblage membrane/électrode et la première plaque séparatrice est plus épaisse que la couche de diffusion interposée entre l'assemblage membrane/électrode et la deuxième plaque séparatrice ; - la première plaque séparatrice est situé du côté d'une électrode formant l'anode et la deuxième plaque séparatrice est située du côté d'une électrode formant la cathode ; - la bague d'espacement comprend des stries sur une face tournée vers l'assemblage membrane/électrode, les stries pénétrant dans l'assemblage membrane/électrode ; - la bague d'espacement comprend des stries sur une face tournée vers la première plaque séparatrice ; - la ou chaque cellule électrochimique comprend un film d'étanchéité interposé entre la bague d'espacement et la première plaque séparatrice ; - la ou chaque cellule électrochimique comprend un film d'étanchéité interposé entre l'assemblage membrane/électrode et la deuxième plaque séparatrice ; et - le réacteur est un électrolyseur, en particulier un électrolyseur pour la génération de dioxygène et de dihydrogène par électrolyse de l'eau. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence au dessin annexé, sur lequel : - la Figure 1 est une vue schématique en élévation d'un électrolyseur à membrane électrolytique comprenant un empilement de cellules électrochimiques élémentaires ; et - la Figure 2 est une vue schématique en coupe d'une cellule électrochimique de l'électrolyseur de la Figure 1.For this purpose, the invention provides an electrochemical reactor comprising at least one electrochemical cell comprising, superimposed in a stacking direction, a membrane / electrode assembly sandwiched between a first separator plate and a second separator plate, the assembly membrane / electrode having an electrolytic membrane sandwiched between two electrodes, the membrane / electrode assembly comprising an active region surrounded by a peripheral region, wherein the or each electrochemical cell comprises a respective porous diffusion layer interposed between the active region of the membrane / electrode assembly and each separator plate, wherein the or each electrochemical cell comprises a spacer ring interposed between the peripheral region of the membrane / electrode assembly and the first separator plate, the or each electrochemical cell being devoid of esp ring between the membrane / electrode assembly and the second separator plate, the spacer ring being configured to maintain a gap between the peripheral region of the membrane / electrode assembly and the first separator plate and to seal between the assembly membrane / electrode and the first separator plate around the active region, the spacer ring surrounding the active region of the membrane / electrode assembly. According to particular embodiments, the reactor comprises one or more of the following characteristics, taken separately or in any technically possible combination: in the or each electrochemical cell, the spacing between the membrane / electrode assembly and the first separating plate is greater than the spacing between the membrane / electrode assembly and the second separator plate; in the or each electrochemical cell, the diffusion layer interposed between the membrane / electrode assembly and the first separator plate is thicker than the diffusion layer interposed between the membrane / electrode assembly and the second separator plate; the first separator plate is situated on the side of an electrode forming the anode and the second separator plate is situated on the side of an electrode forming the cathode; the spacer ring comprises grooves on a face facing the membrane / electrode assembly, the grooves penetrating into the membrane / electrode assembly; the spacer ring comprises ridges on one side facing the first separating plate; the or each electrochemical cell comprises a sealing film interposed between the spacer ring and the first separator plate; the or each electrochemical cell comprises a sealing film interposed between the membrane / electrode assembly and the second separator plate; and the reactor is an electrolyzer, in particular an electrolyzer for generating dioxygen and dihydrogen by electrolysis of water. The invention and its advantages will be better understood on reading the description which follows, given solely by way of example and with reference to the appended drawing, in which: FIG. 1 is a diagrammatic elevational view of a electrolytic membrane electrolyzer comprising a stack of elementary electrochemical cells; and - Figure 2 is a schematic sectional view of an electrochemical cell of the electrolyzer of Figure 1.

Tel que représenté sur la Figure 1, l'électrolyseur 2 comprend un empilement 4 de cellules 6 électrochimiques élémentaires analogues, empilées suivant une direction d'empilement E. L'électrolyseur 2 comprend deux plaques de maintien 8 disposées aux extrémités de l'empilement 4 pour maintenir les cellules 6. De manière connue en soi, l'électrolyseur 2 comprend un dispositif de serrage (non représenté) pour serrer les plaques de maintien 8 l'une vers l'autre suivant la direction d'empilement E. Le dispositif de serrage comprend par exemple des tirants s'étendant entre la plaque de maintien 8, en passant à côté ou à travers l'empilement 4.As represented in FIG. 1, the electrolyser 2 comprises a stack 4 of similar elementary electrochemical cells 6, stacked in a stacking direction E. The electrolyser 2 comprises two holding plates 8 arranged at the ends of the stack 4 to maintain the cells 6. In a manner known per se, the electrolyser 2 comprises a clamping device (not shown) for clamping the holding plates 8 towards each other in the stacking direction E. The device of FIG. clamping comprises for example tie rods extending between the holding plate 8, passing next to or through the stack 4.

La Figure 2 qui est une vue en coupe d'une cellule 6 de l'empilement 4. La cellule 6 comprend un assemblage membrane/électrode 10 stratifié, comprenant une membrane 12 électrolytique échangeuse de protons prise en sandwich entre deux électrodes 14, 16, l'une formant une anode et l'autre une cathode. L'assemblage membrane/électrode 10 comprend une région active 18 centrale et une région périphérique 20 entourant la région active 18. Dans la région active 18, la membrane 12 est recouverte par les deux électrodes 14, 16, chacune sur une face respective de la membrane 12. La membrane 12 est par exemple une membrane échangeuse de proton (PEM pour « Proton Exchange Membrane » en anglais) pour la réalisation d'une électrolyse de l'eau. L'assemblage membrane/électrode 10 est pris en sandwich entre une première plaque séparatrice 24 et une deuxième plaque séparatrice 26. L'assemblage membrane/électrode 10 et les plaques séparatrices 24, 26 sont superposés suivant la direction d'empilement E.FIG. 2 which is a sectional view of a cell 6 of the stack 4. The cell 6 comprises a laminated membrane / electrode assembly, comprising an electrolyte membrane 12 proton exchange sandwiched between two electrodes 14, 16, one forming an anode and the other a cathode. The membrane / electrode assembly 10 comprises a central active region 18 and a peripheral region 20 surrounding the active region 18. In the active region 18, the membrane 12 is covered by the two electrodes 14, 16, each on a respective face of the membrane 12. The membrane 12 is for example a proton exchange membrane (PEM for "Proton Exchange Membrane" in English) for performing electrolysis of water. The membrane / electrode assembly 10 is sandwiched between a first separator plate 24 and a second separator plate 26. The membrane / electrode assembly 10 and the separator plates 24, 26 are superposed in the stacking direction E.

Chacune de la première plaque séparatrice 24 et de la deuxième plaque séparatrice 26 délimite avec la région active 18 de l'assemblage membrane/électrode 10 une chambre 28, 30 respectivement. La première plaque séparatrice 24 est ici située du côté de l'électrode 14 formant l'anode. La deuxième plaque séparatrice 26 est située du côté de l'électrode 16 formant la cathode. La cellule 6 comprend une première couche de diffusion 32 et une deuxième couche de diffusion 34 interposées respectivement entre l'assemblage membrane/électrode 10 et la première plaque séparatrice 24, et entre l'assemblage membrane/électrode 10 et la deuxième plaque séparatrice 26. Chaque couche de diffusion 32, 34 recouvre seulement la région active 18 de l'assemblage membrane/électrode 10, en laissant la région périphérique 20 découverte. Chaque couche de diffusion 32, 34 est reçue dans une chambre 28, 30 respective. Les plaques séparatrices 24, 26 sont munies de canaux ou d'orifices pour l'alimentation des chambres 28, 30 en réactif et l'évacuation d'espèces générées hors des chambres 28, 30. Chaque couche de diffusion 32, 34 est poreuse pour permettre la diffusion, au travers de la couche de diffusion 32, 34, du réactif alimentant les chambres 28, 30 vers l'assemblage membrane/électrode 10, et la diffusion des espèces générées au niveau de l'assemblage membrane/électrode 10 hors des chambres 28, 30 pour leur évacuation.Each of the first separator plate 24 and the second separator plate 26 defines with the active region 18 of the membrane / electrode assembly 10 a chamber 28, 30 respectively. The first separating plate 24 is here located on the side of the electrode 14 forming the anode. The second separator plate 26 is located on the side of the electrode 16 forming the cathode. The cell 6 comprises a first diffusion layer 32 and a second diffusion layer 34 interposed respectively between the membrane / electrode assembly 10 and the first separator plate 24, and between the membrane / electrode assembly 10 and the second separator plate 26. Each diffusion layer 32, 34 covers only the active region 18 of the membrane / electrode assembly 10, leaving the peripheral region 20 uncovered. Each diffusion layer 32, 34 is received in a respective chamber 28, 30. The separator plates 24, 26 are provided with channels or orifices for feeding the chambers 28, 30 in reagent and the evacuation of species generated outside the chambers 28, 30. Each diffusion layer 32, 34 is porous for allow diffusion, through the diffusion layer 32, 34, of the reagent supplying the chambers 28, 30 to the membrane / electrode assembly 10, and the diffusion of the species generated at the membrane / electrode assembly 10 out of the rooms 28, 30 for their evacuation.

La première couche de diffusion 32 est en contact avec la région active 18 de l'assemblage membrane/électrode 10 et avec la première plaque séparatrice 24. La deuxième couche de diffusion 34 est en contact avec la région active 18 de l'assemblage membrane/électrode 10 et avec la deuxième plaque séparatrice 26. La cellule 6 comprend une bague d'espacement 36 interposée entre l'assemblage membrane/électrode 10 et la première plaque séparatrice 24. La bague d'espacement 36 est configurée pour maintenir un écartement entre l'assemblage membrane/électrode 10 et la première plaque séparatrice 24 et assurer une étanchéité entre l'assemblage membrane/électrode 10 et la première plaque séparatrice 24. La bague d'espacement 36 est ici rapportée entre l'assemblage membrane/électrode 10 et la première plaque séparatrice. La bague d'espacement 36 entoure la région active 18. La bague d'espacement 36 est plus spécifiquement interposée entre la région périphérique 20 de l'assemblage membrane/électrode 10 et la première plaque séparatrice 24. La bague d'espacement 36 est en contact étanche avec l'assemblage membrane/électrode 10, plus spécifiquement avec la membrane 12, dans la région périphérique 20. La bague d'espacement 36 entoure la première couche de diffusion 32. La bague d'espacement 36 comprend des stries 38 sur sa face tournée vers l'assemblage membrane/électrode 10. Les stries 38 ont pour fonction d'assurer une étanchéité entre la bague d'espacement 36 et l'assemblage membrane/électrode 10. Les stries 38 sont configurées pour pénétrer dans la région périphérique 20 de l'assemblage membrane/électrode 10 pour assurer l'étanchéité. Les stries 38 s'étendent linéairement, avantageusement chacune suivant un contour fermé. La bague d'espacement 36 comprend ici trois stries 38 parallèles. Les stries 38 possèdent une hauteur H2 inférieure à l'épaisseur E2 de la membrane 12. Les stries 38 possèdent par exemple une hauteur comprise entre 50 et 100 lm.The first diffusion layer 32 is in contact with the active region 18 of the membrane / electrode assembly 10 and with the first separator plate 24. The second diffusion layer 34 is in contact with the active region 18 of the membrane assembly. electrode 10 and with the second separator plate 26. The cell 6 comprises a spacer ring 36 interposed between the membrane / electrode assembly 10 and the first separator plate 24. The spacer ring 36 is configured to maintain a spacing between assembly membrane / electrode 10 and the first separator plate 24 and ensure a seal between the membrane / electrode assembly 10 and the first separator plate 24. The spacer ring 36 is here reported between the membrane / electrode assembly 10 and the first separator plate. The spacer ring 36 surrounds the active region 18. The spacer ring 36 is more specifically interposed between the peripheral region 20 of the membrane / electrode assembly 10 and the first separator plate 24. The spacer ring 36 is sealing contact with the membrane / electrode assembly 10, more specifically with the membrane 12, in the peripheral region 20. The spacer ring 36 surrounds the first diffusion layer 32. The spacer ring 36 comprises streaks 38 on its The function of the grooves 38 is to provide a seal between the spacer ring 36 and the membrane / electrode assembly 10. The grooves 38 are configured to penetrate the peripheral region 20. the membrane / electrode assembly 10 to ensure sealing. Streaks 38 extend linearly, advantageously each in a closed contour. The spacer ring 36 here comprises three parallel grooves 38. The streaks 38 have a height H2 less than the thickness E2 of the membrane 12. The streaks 38 have for example a height of between 50 and 100 μm.

La cellule 6 comprend un film d'étanchéité 40 interposé entre la bague d'espacement 36 et la première plaque séparatrice 24. Le film d'étanchéité 40 est en contact étanche avec la bague d'espacement 36 et avec la première plaque séparatrice 24. Le film d'étanchéité 40 est réalisé dans un matériau souple, déformable en compression. Le film d'étanchéité 40 est par exemple un film d'étanchéité réalisé en PTFE (polytétrafluoroéthylène). La bague d'espacement 36 comprend des stries 42 sur sa face tournée vers la première plaque séparatrice 24. Les stries 42 sont configurées pour pénétrer dans l'épaisseur du joint d'étanchéité 40 pour assurer l'étanchéité entre la bague d'espacement 36 et le film d'étanchéité 40. Les stries 42 possèdent une hauteur H2 inférieure à l'épaisseur E2 du film d'étanchéité 40. Les stries 38, 42 sont moulées ou usinées dans la bague d'espacement 36. En variante, les stries 38, 42 sont remplacées par des joints d'étanchéité interposée entre la bague d'espacement 36 et le film d'étanchéité 40 et l'assemblage membrane/électrode 10. La bague d'espacement 36 est réalisée dans un matériau dur, plus dur que celui de la membrane 12 et plus dur que celui du film d'étanchéité 40. La bague d'espacement 36 est par exemple réalisée en PEI (Polyrtherimide) ou en PPSU (Polyphenylsulfone). La cellule 6 est dépourvue de bague d'étanchéité interposée entre l'assemblage membrane/électrode 10 et la deuxième plaque séparatrice 26. La cellule 6 comprend un film d'étanchéité 44 interposé entre la région périphérique 20 de l'assemblage membrane/électrode 10 et la deuxième plaque séparatrice 26, pour assurer l'étanchéité entre ceux-ci. Le film d'étanchéité 44 entoure la deuxième couche de diffusion 34. Le film d'étanchéité 44 est en contact étanche avec l'assemblage membrane/électrode 10, plus spécifiquement avec la membrane 12, d'une part, et en contact étanche avec la deuxième plaque séparatrice 26, d'autre part. Le film d'étanchéité 44 est analogue au film d'étanchéité 40. De préférence, il est réalisé dans le même matériau. De préférence, il possède la même épaisseur. La bague d'espacement 36 est prévue pour ne pas se comprimer, et ainsi conserver son épaisseur lors de l'empilement des composants pour former la cellule 6, et de l'empilement et de la mise en compression des cellules 6 pour former l'empilement 4. Les films d'étanchéité 40, 44 et l'assemblage membrane/électrode 10 sont au contraire prévus pour se déformer. L'écartement Cl entre l'assemblage membrane/électrode 10 et la première plaque séparatrice 24 est supérieur à l'écartement C2 entre l'assemblage membrane/électrode 10 et la deuxième plaque séparatrice 26.The cell 6 comprises a sealing film 40 interposed between the spacer ring 36 and the first separator plate 24. The sealing film 40 is in sealing contact with the spacer ring 36 and with the first separator plate 24. The sealing film 40 is made of a flexible material that is deformable in compression. The sealing film 40 is for example a sealing film made of PTFE (polytetrafluoroethylene). The spacer ring 36 includes ridges 42 on its side facing the first separator plate 24. The ridges 42 are configured to penetrate the thickness of the seal 40 to seal between the spacer ring 36 and the sealing film 40. The grooves 42 have a height H2 less than the thickness E2 of the sealing film 40. The grooves 38, 42 are molded or machined in the spacer ring 36. As an alternative, the grooves 38, 42 are replaced by seals interposed between the spacer ring 36 and the sealing film 40 and the membrane / electrode assembly 10. The spacer ring 36 is made of a hard, harder material that of the membrane 12 and harder than that of the sealing film 40. The spacer ring 36 is for example made of PEI (Polyrtherimide) or PPSU (Polyphenylsulfone). The cell 6 has no sealing ring interposed between the membrane / electrode assembly 10 and the second separator plate 26. The cell 6 comprises a sealing film 44 interposed between the peripheral region 20 of the membrane / electrode assembly 10 and the second separator plate 26, to seal between them. The sealing film 44 surrounds the second diffusion layer 34. The sealing film 44 is in sealing contact with the membrane / electrode assembly 10, more specifically with the membrane 12, on the one hand, and in sealing contact with the membrane the second separator plate 26, on the other hand. The sealing film 44 is similar to the sealing film 40. Preferably, it is made of the same material. Preferably, it has the same thickness. The spacer ring 36 is provided not to compress, and thus retain its thickness during the stacking of the components to form the cell 6, and the stacking and compression of the cells 6 to form the stacking 4. The sealing films 40, 44 and the membrane / electrode assembly 10 are instead provided to deform. The gap C1 between the membrane / electrode assembly 10 and the first separator plate 24 is greater than the gap C2 between the membrane / electrode assembly 10 and the second separator plate 26.

Chaque écartement C1, C2 entre l'assemblage membrane/électrode 10 et une plaque séparatrice 24, 26 est pris entre les faces en regard de l'assemblage membrane/électrode 10 et de cette plaque séparatrice au droit de la région active 18, suivant la direction d'empilement E.Each spacing C1, C2 between the membrane / electrode assembly 10 and a separating plate 24, 26 is taken between the facing faces of the membrane / electrode assembly 10 and of this separating plate to the right of the active region 18, according to the stacking direction E.

A l'état libre, la première couche de diffusion 32 présente une épaisseur supérieure à l'épaisseur de la deuxième couche de diffusion 34. L'épaisseur à l'état libre désigne ici l'épaisseur des couches de diffusion 32, 34 avant empilement et mise en compression des composants pour former la cellule 6. L'épaisseur à l'état libre de la première couche de diffusion 32 est par exemple compris entre 1 et 2 mm. Cette première couche de diffusion 32 est peu compressible. La compression de la première couche de diffusion 32 est inférieur à 10 % entre l'état libre et l'état comprimé. L'épaisseur à l'état libre de la deuxième couche de diffusion 34 est par exemple compris entre 200 et 300 lm. La compression de la deuxième couche de diffusion 32 est d'environ 20 % entre l'état libre et l'état comprimé. Après mise en compression, la première couche de diffusion 32 présente une épaisseur à l'état comprimé sensiblement égale à la somme de l'épaisseur de la bague d'espacement 36 et du film d'étanchéité 40 interposé entre la bague d'espacement 36 et la première plaque séparatrice 24.In the free state, the first diffusion layer 32 has a thickness greater than the thickness of the second diffusion layer 34. The thickness in the free state here refers to the thickness of the diffusion layers 32, 34 before stacking and compressing the components to form the cell 6. The thickness in the free state of the first diffusion layer 32 is for example between 1 and 2 mm. This first diffusion layer 32 is not very compressible. The compression of the first diffusion layer 32 is less than 10% between the free state and the compressed state. The thickness in the free state of the second diffusion layer 34 is, for example, between 200 and 300 μm. The compression of the second diffusion layer 32 is about 20% between the free state and the compressed state. After compression, the first diffusion layer 32 has a thickness in the compressed state substantially equal to the sum of the thickness of the spacer ring 36 and the sealing film 40 interposed between the spacer ring 36 and the first separator plate 24.

Après mise en compression, la deuxième couche de diffusion 34 présente une épaisseur sensiblement égale à celle du joint d'étanchéité 44 interposé entre l'assemblage membrane/électrode 10 et la deuxième plaque séparatrice 26. La première couche de diffusion 32 et la deuxième couche de diffusion 34 sont constituées différemment. La première couche de diffusion 32 est par exemple formée d'un assemblage de grilles et de frittés en métal, par exemple en titane ou en alliage de titane. La deuxième couche de diffusion 34 est par exemple formée en tissé, en non-tissé ou en feutre, par exemple à partir de fibres de carbone, tel qu'utilisé pour la pile à combustible. En variante elles sont de constitutions analogues. Les plaques séparatrices 24, 26 sont conductrices d'électricité et sont par exemple réalisées en métal. Chaque plaque séparatrice 24, 26 d'une cellule 6 est en contact électrique avec l'électrode formant anode ou la l'électrode formant cathode de la cellule 6. Les plaques séparatrices 24, 26 d'une cellule 6 sont isolées électriquement par la membrane 12 de la cellule 6. Les cellules 6 sont reliées fluidiquement en parallèle. Plus particulièrement, les chambres 28 des premières plaques séparatrices 24 sont reliés fluidiquement en parallèle et définissent ensemble un premier compartiment fluidique, et les chambres 30 des deuxièmes plaques séparatrices 26 sont reliés fluidiquement en parallèle et définissent ensemble un deuxième compartiment fluidique. Le premier compartiment fluidique, formé par les chambres 28, et le deuxième compartiment fluidique, formé par les chambres 30, sont séparés par les assemblages membrane/électrode 10 des cellules 6. Les cellules 6 sont reliées électriquement en série. L'électrode 14 formant l'anode de chaque cellule 6 est reliée électriquement à l'électrode 16 formant cathode de la cellule 6 suivante dans l'empilement 4. Les cellules 6 sont reliées de proche en proche jusqu'au bornes électriques de l'électrolyseur 2.After compression, the second diffusion layer 34 has a thickness substantially equal to that of the seal 44 interposed between the membrane / electrode assembly 10 and the second separator plate 26. The first diffusion layer 32 and the second layer 34 are made differently. The first diffusion layer 32 is for example formed of an assembly of grids and sintered metal, for example titanium or titanium alloy. The second diffusion layer 34 is for example formed of woven, nonwoven or felt, for example from carbon fibers, as used for the fuel cell. Alternatively they are of similar constitutions. The separator plates 24, 26 are electrically conductive and are for example made of metal. Each separator plate 24, 26 of a cell 6 is in electrical contact with the anode electrode or the cathode electrode of the cell 6. The separator plates 24, 26 of a cell 6 are electrically isolated by the membrane 12 of the cell 6. The cells 6 are fluidly connected in parallel. More particularly, the chambers 28 of the first separator plates 24 are fluidically connected in parallel and together define a first fluid compartment, and the chambers 30 of the second separator plates 26 are fluidically connected in parallel and together define a second fluid compartment. The first fluid compartment, formed by the chambers 28, and the second fluid compartment, formed by the chambers 30, are separated by the membrane / electrode assemblies 10 of the cells 6. The cells 6 are connected electrically in series. The electrode 14 forming the anode of each cell 6 is electrically connected to the electrode 16 forming the cathode of the following cell 6 in the stack 4. The cells 6 are connected step by step to the electrical terminals of the electrolyser 2.

L'électrolyseur 2 comprend une source de tension 46 pour appliquer une force électromotrice aux bornes de l'électrolyseur 2. Dans un empilement de cellules électrochimiques, une plaque séparatrice est bipolaire ou monopolaire. Une plaque séparatrice bipolaire est commune à deux cellules adjacentes empilées. Elle est disposée entre deux assemblages membrane/électrode.The electrolyser 2 comprises a voltage source 46 for applying an electromotive force across the electrolyser 2. In a stack of electrochemical cells, a separating plate is bipolar or monopolar. A bipolar separator plate is common to two adjacent stacked cells. It is arranged between two membrane / electrode assemblies.

Une plaque séparatrice bipolaire peut former la première plaque séparatrice d'une cellule et la deuxième plaque séparatrice de la cellule adjacente. Une plaque séparatrice monopolaire est dédiée à une cellule. Dans un mode de réalisation, l'empilement 4 est formé d'une alternance d'assemblages membrane/électrode et de plaques séparatrices bipolaires, avec des plaques séparatrices monopolaires aux extrémités de l'empilement. En variante, chaque cellule comprend des plaques séparatrices monopolaires propres à cette cellule. L'électrolyseur 2 comprend au moins une entrée pour le fluide réactif et des sorties pour les fluides produits résultant de l'électrolyse. L'électrolyseur 2 comprend ici une entrée 2A d'eau, une sortie d'oxygène 2B et une sortie de dihydrogène 2C. L'entrée 2A alimente en eau la chambre 28 de chaque cellule 6 délimités entre la première plaque séparatrice 24 et l'assemblage membrane/électrode 10. Les entrée 2A et sorties 2B, 2C sont ici formées dans les plaque de maintien 8 qui forment des collecteurs fluidiques. L'entrée 2A est formée dans une plaque de maintien 8, et les sorties 2B, 2C sont formées dans l'autre plaque de maintien 8. Les bagues d'espacement 36 représentent une part importante du coût de fabrication d'un réacteur électrochimique. La prévision d'une seule bague d'espacement dans chaque cellule 6 entre l'assemblage membrane/électrode 10 et une plaque séparatrice, et l'omission d'une bague d'espacement entre l'assemblage membrane/électrode 10 et l'autre plaque séparatrice permet ainsi de limiter le coût de fabrication et facilite en outre le montage de l'électrolyseur 2.A bipolar separator plate can form the first separator plate of a cell and the second separator plate of the adjacent cell. A monopolar splitter plate is dedicated to a cell. In one embodiment, the stack 4 is formed of an alternation of membrane / electrode assemblies and bipolar separating plates, with monopolar separating plates at the ends of the stack. Alternatively, each cell comprises monopolar separator plates specific to that cell. The electrolyser 2 comprises at least one inlet for the reactive fluid and outlets for the produced fluids resulting from the electrolysis. The electrolyser 2 here comprises a water inlet 2A, an oxygen outlet 2B and a 2C hydrogen outlet. The inlet 2A supplies water to the chamber 28 of each cell 6 delimited between the first separator plate 24 and the membrane / electrode assembly 10. The inputs 2A and outputs 2B, 2C are here formed in the holding plates 8 which form fluidic collectors. The inlet 2A is formed in a holding plate 8, and the outlets 2B, 2C are formed in the other holding plate 8. The spacer rings 36 account for a large part of the cost of manufacturing an electrochemical reactor. Providing a single spacer ring in each cell 6 between the membrane / electrode assembly 10 and a separator plate, and omitting a spacer ring between the membrane / electrode assembly 10 and the other separator plate thus makes it possible to limit the manufacturing cost and also facilitates the assembly of the electrolyser 2.

En outre, les couches de diffusion épaisses sont moins répandues et par conséquent généralement plus coûteuses que les couches de diffusion fines déjà utilisées en quantité pour l'application à des piles à combustibles. L'utilisation d'une couche de diffusion fine du côté de la seconde plaque séparatrice permet d'assurer une étanchéité du fait du seul joint d'étanchéité interposé entre l'assemblage membrane/électrode 10 et la deuxième plaque séparatrice 26, tout en en contrôlant l'épaisseur résiduelle de la couche de diffusion interposée entre ceux-ci pour obtenir une diffusion satisfaisante des fluides. La prévision d'une couche de diffusion 32 plus épaisse et d'une couche de diffusion 34 plus fine permet d'alimenter en fluide réactif uniquement la chambre 28 délimitée par la première plaque séparatrice 24 de chaque cellule 6 tout en conservant un fonctionnement satisfaisant, notamment avec des pertes de charges limitées dans la chambre 28 de la première plaque séparatrice. L'invention n'est pas limitée à un électrolyseur. Elle s'applique également à une pile à combustible, dont la structure est analogue à celle de l'électrolyseur, mais le fonctionnement est inverse : la pile à combustible est alimentée en dioxygène et dihydrogène et fournit de l'électricité et de l'eau. Ainsi, de manière générale, l'invention concerne un réacteur électrochimique à membrane électrolytique.20In addition, the thick diffusion layers are less widespread and therefore generally more expensive than the thin diffusion layers already used in quantity for application to fuel cells. The use of a thin diffusion layer on the side of the second separator plate makes it possible to ensure a seal because of the single seal interposed between the membrane / electrode assembly 10 and the second separating plate 26, while controlling the residual thickness of the diffusion layer interposed therebetween to achieve satisfactory diffusion of the fluids. The provision of a thicker diffusion layer 32 and a thinner diffusion layer 34 makes it possible to supply reactive fluid only to the chamber 28 delimited by the first separating plate 24 of each cell 6 while maintaining a satisfactory operation, in particular with limited losses in the chamber 28 of the first separator plate. The invention is not limited to an electrolyser. It also applies to a fuel cell, whose structure is similar to that of the electrolyser, but the operation is the opposite: the fuel cell is supplied with dioxygen and dihydrogen and provides electricity and water . Thus, in general, the invention relates to an electrochemical electrolytic membrane reactor.

Claims

1. An electrochemical reactor comprising at least one electrochemical cell (6) having, superimposed in a stacking direction E, a membrane / electrode assembly (10) sandwiched between a first separator plate (24) and a second separator plate (FIG. 26), the membrane / electrode assembly (10) having an electrolyte membrane (12) sandwiched between two electrodes (14, 16), the membrane / electrode assembly (10) comprising an active region (18) surrounded by a peripheral region (20), wherein the or each electrochemical cell (6) comprises a respective porous diffusion layer (32, 34) interposed between the active region (18) of the membrane / electrode assembly (10) and each separating plate (24, 26), wherein the or each electrochemical cell comprises a spacer ring (36) interposed between the peripheral region (20) of the membrane / electrode assembly (10) and the first separate plate (24), the or each electrochemical cell being devoid of a spacer ring between the membrane / electrode assembly (10) and the second separator plate (26), the spacer ring being configured to maintain a spacing between the region peripheral (20) of the membrane / electrode assembly (10) and the first separator plate (24) and sealing between the membrane / electrode assembly (10) and the first separator plate (24) around the active region (18), the spacer ring (36) surrounding the active region (18) of the membrane / electrode assembly (20).

2. Electrochemical reactor according to claim 1, wherein, in the or each electrochemical cell (6), the spacing (C1) between the membrane / electrode assembly (10) and the first separating plate (24) is greater than at the spacing (C2) between the membrane / electrode assembly (10) and the second separating plate (26).

3. Electrochemical reactor according to claim 1 or 2, wherein, in the or each electrochemical cell (6), the diffusion layer (32) interposed between the membrane / electrode assembly (10) and the first separating plate (24). ) is thicker than the diffusion layer (34) interposed between the membrane / electrode assembly (10) and the second separator plate (26).

4. An electrochemical reactor according to any one of the preceding claims, wherein the first separator plate (24) is located on the side of an electrode forming the anode and the second separator plate (26) is located on the side of an electrode forming the cathode.

5. Electrochemical reactor according to any one of the preceding claims, wherein the spacer ring (36) comprises grooves (38) on a face facing the membrane / electrode assembly, the grooves penetrating into the membrane assembly. /electrode.

An electrochemical reactor as claimed in any one of the preceding claims, wherein the spacer ring (36) comprises ridges (42) on one side facing the first separator plate (24).

7. The electrochemical reactor of claim 6, wherein the or each electrochemical cell comprises a sealing film (40) interposed between the spacer ring (36) and the first separator plate (24).

8. Electrochemical reactor according to any one of the claims, wherein each electrochemical cell (6) comprises a sealing film (44) interposed between the membrane / electrode assembly (10) and the second separator plate (26).

9. Electrochemical reactor according to any one of the preceding claims, constituting an electrolyzer, in particular an electrolyzer for the generation of dioxygen and dihydrogen by electrolysis of water.