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La présente lnvention a pour ob~et un générateur électrochimique
air-zlnc.
Les générateurs électrochimiques d'un tel type sont bien connus, et
font à l'heure actuelle l'ob~et de nombreuses rscherches en vue d'équiper
des véhicules non polluants.
On rappells brièvement qu'une cellule élémentaire ou ~lément d'un
tel g~nérateur comporte une partie active catalytique, et dans cette cellule
élémentaire clrcule une solution alcaline renfermant de la poudre de zinc en
suspension, achemlnée au moyen de pompes J l'oxydation du ~inc et la consom-
mation de l'oxygène de l'air extérieur engendrsnt une force électromotrice.
Dans le but de constituer un générateur, il est donc nécessaire de
coupler électriquement et hydrauliquement de telles cellules élémentaires ou
éléments entre eux.
On peut envisager d'alimenter les éléments en parallèle par la
solution, mais dans ce cas on canstate que si l'on couple électriquement les
~léments en série il apparait des courants de bouclage pouvant entrainer
des perturbations dans le fonctionnement du générateur.
On est donc conduit 3 alimenter les ~léments en série par la
solution alcaline dans le cas où l'on désirs connecter ces mêmes éléments en
série électrique.
De la sorte, on réalise des ensembles d'éléments ou mo~ules
w mportant chacun un nombre limité d'éléments, et, il sst bien entendu
possible de coupler de tels modules entre eux en vue de réaliser un géné-
rateur de caractéristiques électriques nominales prédéterminées.
Cependant les générateurs réalisés de la sorte présentent un
certain nombre d'inconvénients,
Un premier inconvénient découle du fait que dans de tels générateurs,
la mise en circuiation de la suspsnsion de poudre dans les divers éléments
nécessite de mettre en oeuvrs un nombre important de pompes et canalisations
ce qui grève d'autant leur prix de revient.
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Un autre inconvénient résulte du fait qu'3 l'arret du générateur,
il demsure dans les éléments une certaine quantité de solution alcaline et
de poudre de zinc., Il en résulte un suintement appréclable vers l'extérieur
de ladite solution alcaline à travers les électrodes poreuses et également
la difficulté de remplacer la totalité de la solution usée par de la solution
régénérée.
La présente invention psrmet de remédier aux inconv~nients ma~eurs
schsmatisks dans ce qui préc2de et elle a pour obJet un générateur él~ctro-
chimique air-zinc dans lsquel ou mst sn oeuvr~ un nombre mlnim l de pompss
et canallsations st dont l'encombrement pour une puissance électrique donnée
présente de meme une valeur minimals.
En outre, dans un tel génératsur la vidange de la solution alcaline
renfermant la poudre de zinc en suspenslon s'effectue dès l'arret et celà de
faQon immédiate totale et spontanée.
L'invention a donc pour but un générateur élsctrochimique du type
comprenant uns pluralité d'éléments allmsntés par une solutlon électrolytlque
comportant une matière actlve sn suspension et notamment de la poudre de
zinc, acheminée par circulation forcée dans lssdits éléments, ces élémsnts
étant groupés en modules, connsctés électriquement sn série et alimentés par
ladite solution également en série au sein de chacun desdits modules,
générateur électrochlmique caractérisé par le fait qu'11 comporte au moins
un bloc générateur unitaire comprenant deux modules sensiblement identiques
disposés lSun au-dessus de l'autre, interconnectés électriquement en parallèle,
le module situé au niveau supérieur recevant ladite solution électrolytique
à l'entrée de son élément supérieur, cette solution après traversée dudit
module situé au niveau supérieur étant transférée à l'entrée de l'~lément
supérieur du deuxième module situé au niveau inférieur et enfin débouchant
de ce deuxième module après traversée de ce dernier par l'intermédiaire de
la sortie de son élément inférieur.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortent
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de la description qui suit donn~e 3 titre d'exemple purement illustratif
mais nullement li~itatif en reférence aux dessins et schémas annexés dans
lesquels :
La figure 1 précise la structure d'un module mis en oeuvre dans le
procédé selnn l'invention.
La figure 2 représente un bloc générateur unitaire selon l'inven-
tion.
La figure 3 représente un premier mode de réalisation d'un groupe
~énérateur selon l'invention,
La fi~ure 4 repr~sente encore un autre mode ds rkalisation d'un
groupe générateur selon l'invention,
La figure S repr~ssnte encore un mode de réalisation d'un géné-
rateur électrachimique selon l'invention.
La figure 6 représente une disposition avantageuse des éléments
d'un groupe générateur selon l'invention.
La figure 1 illustre donc un module 1 constitué par un certain
nombre n d'éléments 2 sensiblement identiques sntre eux, chacun délivrant
une force électromotrice u et alimentés en série par une solution de potasse
renfermant de la poudre de zinc en suspension, une telle alimentation
s'effectuant par l'intermédiaire de canalisation9 3 et étant matérialisée
par les flèches F.
De tels éléments sont p/a5 exemple du type décrit par la Oemanderesse
B dans sa demande au Canada n. 1 ~ déposée le 30 novembre 1972,
pour "Générateur`électroc~imique à circulation forcée".
Rappelons ~ ce su~et que chacun desdits éléments 2 comporte une
grille collectrice négative à, un séparateur poreux b, une couche active
catalytique poreuse c, une grille collectrice positive d enrobée dans une
couche hydrofuge poreuse e. De tels éléments sont donc traversés sur toute
3n leur longueur par la solution de potasse et de zinc à la manière indiquée.
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L'oxydation du zinc et la consommation d'oxygène de l'air extérieur au
niveau de la couche catalytique c engendre une force électromotrice entre
les grilles a Pt d. Dien entendu, les éléments représentés sont connectés
électriquement en s~rie au moyen de conductsurs 4, la force électromotrice
engendrée par un tel module étant recueillie aux bornes des connexions
externes 5.
On rappelle à ce suJet que, dans la demande au Canada n~
2~5~334~ pour :~Procédé et dispositif de raccordement d'éléments de
g~nér~teur électrochimique à circulatlon forcée", la Demanderesse a exposé
le moyen pour connecter électriquement en série des éléments tout en évitant
des phénomènes parasitss électriques néfastes.
On notera cependant que le nombre d'éléments 2 dans un module est
limité par suite des pertes de charge engendrées dans lesdits éléments par
le flux de solution.
En effet, si l'on désigne par po la pression de la solution à
l'entr~e et par ~p la perte de charge dans un élément on voit que dans le
dernier élément ~en l'occurrence l'élément du bas figure 1) la pression est
de po - n~p, n étant le nombre d'éléments du module. Gr il est n~cessaire
que cette pression demeure entre certaines limites pour qu'une électrode à
air poreuse fonctionne correctement. On conçolt donc que la valeur de n est
lim;tée par une telle sujétion.
On rappelle cependant que dans la demande au Canada
n 213,898, pour ~Procédé et dispositif d'alimentation d'éléments de
générateur électrochimique à circulation forcée", la Demanderesse a exposé
les causes et les effets de cette difficulté, puis à décrit un procédé et
dispositif de circulation d'électrolyte permettant :
- de mettre en série hydraulique un nomore théoriquement illimité de modules
et
- de placer ces électrndes à air des éléments dans les conditions optimum de
pression, tout en conservant les avantages du procédé et dispcsitif de
coupla~e éleotrique en serie précédemment mentionné.
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Avantageusement, le flux de liquide entre par l'élément
superieur et sort par l'élément inferieur, tel que représenté sur
la figure. En effet, si l'on désigne la hauteur totale du module
par h et la densite de la solution par p,la différence de la
pression statique entre le haut et le bas est donc égale à ph.
La perte de charge étant comme précédemment indiqué n~ p, la dif-
férence de pression résultant est n~ p - ph. Ainsi on compense
partiellement la perte de charge n~ p par la différence de pres-
sion statique ph, ce qui est avantageux car le nombre n d'éléments
par module peut être de la sorte un peu plus élevé que si l'on
avait choisi le sens d'écoulement inverse.
Pour realiser un generateur, il est donc necessaire de
coupler electriquement et hydrauliquement de tels modules.
Un tel couplage électrique est avantageusement effectué
à la manière decrite par la Demanderesse dans son brevet canadien
No 1,014,609 du 26 juillet 1977 pour "Couplage électrique de sécu-
rité pour générateur électrochimique à circulation forcée".
RappelonS que ce brevet concerne en conséquence, un
couplage électrique de sécurité pour générateur électrochimique,
du type comprenant une pluralité d'éléments alimentés en série par
une solution électrolytique comportant une matière active en
suspension et notamment de la poudre de zinc, ladite solution
étant acheminée par circulation forcée dans lesdits éléments à
partir d'un réservoir de stockage et refluée dans ledit réservoir
après traversee du dernier élément, lesdits éléments étant groupés
en modules et connectés électriquement en série au sein desdits
modules, lesdits modules étant eux-mêmes alimentés en série par
ladite solution, ledit générateur étant apte à délivrer une force
électromotrice mU et un courant nominal I, lesdits modules étant'
eux-mêmes groupés en p ensembles et connectés électriquement en
série dans chaque ensemble, caractérisé par le fait que le nombre
p d'ensembles est un nombre pair et de préférence égal a 2, les-
, A`: 5
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dits ensembles comportant chacun le même nombre m de modules apteschacun a délivrer une force électromotrice U et un courant nomi-
nal I/p, ces ensembles se trouvant en outre interconnect~s en
parallele, de sorte que le potentiel de la solution acheminée a
partir du réservoir vers le premier élément du génerateur soit
égal au potentiel de la solution débouchant du dernier élément
dudit générateur et refluée dans ledit réservoir.
Conformément a la présente lnvention, et en se référant
à la figure 2, on a représenté un bloc générateur unitaire.
A cet effet, on met en oeuvre 2 modules lA et lB, sensi-
blement identiques délivrant chacun une force électromotrice U et
un courant nominal I/2. Ces modules sont connectés électrique-
ment en parallele par l'intermédiaire de leurs connexions de
sortie 5. Un tel mode de réalisation correspond au cas ou m = 1
et p = 2, m et p étant tels que définis dans ce qui précede.
Comme représenté, ces deux modules sont disposés l'un
au-dessus de l'autre et alimentés par une solution alcaline 7
renfermée dans un réservoir 8.
Une telle alimentation est effectuée au moyen d'une
premiere pompe 10 compensant la différence de pression statique
ph et acheminant ladite solution du réservoir 8 a l'entrée de
l'element supérieur du module lA et cela par l'intermédiaire de
la canalisation 11, tandis qu'une deuxieme pompe 12 reflue par
l'intermédiaire de la canalisation 13 la solution 7 dans le réser-
voir 8 apres traversée des deux modules, cette deuxieme pompe
compensant la différence (2n~ p-ph).
En outre, la canalisation 14 assure llecoulement de la
solution 7 du module lA vers le module 18 tel que représenté sur
la figure 2.
On voit donc qu'une telle disposition selon l'invention
permet d'éviter l'utilisation d'une pompe intermédiaire entre les
modules lA et lB, apte a compenser la perte de charge n~ p dans
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le module lA.
En outre, et conformément à la description faite dan5
le brevet canadien No 1,014,609, la solution 7 débouchant par
l'intermédiaire de la canalisation 13 du module lB se trouve
portce au même potentiel que la -- -
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solutian empruntant la canallsation 10 pour alimenter le module 1. On voit
donc qu'au sein du réservoir 8 la totalité de la solution 7 se trouve au
meme potentiel ce qui permet d'éviter las inconvénients précédemment mentionnés
dans ladite demande.
Autrement dlt, la solution alcaline 7 est acheminée au sein des
modules 1A et 1B de sorte que son potentiel qui augmente au sein du module
1A diminue ensulte au sein du module 1~ pour recouvrer sa valeur initiale.
La figure 3 montre un premier mode de réalisatlon d'un groupe
gén~rateur selon l'invention obtenu en groupant deux blocs générateurs
unitairss identlques à celui précédemment décrlt en réf~rence à la figure 2.
Plus précisément, la figure 3 montre qu'au bloc générateur unitaire décrit
figure 2 on a associé un autre bl w identique comportant les memes éléments
repérés par les mêmes numérotations mais affectées de l'indice ~prime~.
Ces blocs générateurs unitalres sont connectés électriquement en
série au moyen de la connexion 18.
Dans un tel groupe générateur. on constate que la solution acheminée
dans les canalisations 11, 11', 13 et 13' se trouve au meme potentiel,
savoir U, un tel groupe gén~rateur délivrant une tension 2U.
Il est donc logique d'envisager l'alimentation hydraulique d'un
tel groupe générateur uniquement au moyen d'un réservoir et de deux pompes
et de deux canalisations tel qu'illustré figure 4.
On a donc représenté figure 4 les deux blocs générateurs unitaires
donc les modules 1A, 1'A, 1B et 1'B, tels que précédemment illustrés,
constituant un mode avantageux de réalisation d'un groupe générateur selon
l'invention.
Du point de vue électrique, les modules 1A et 1B d'une part et 1'A
et 1'B, d'autre part, sont connectés en parallèle au moyen des connexlons 5
5' et les deux blocs générateurs unitaires connectés en série au moyen, en
outre, des connexions extrêmes 20, la tension du groups générateur étant
délivrée entre les connexions 5, 5'~
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Du point de vue hydraulique, la solution alcaline 7 renfermant de
la poudre de zinc en suspension et contenue dans un unique réservoir 21 est
acheminée au moyen d'une pompe unique 22 et par l'intermédlaire d'une unlque
canalisation 23 dont l'extrémité se subdivlse en deux branchss 23' et 23"
vers les entrées supérlsures des modules 1A et 1'A respectlvement,
Ladlta pompe 22 est apte à compenssr à la fols la dlfférence de
pression statique, et la perte de o~arge dans les modules,
A la sortie lnférieure des modules 1B et 1'P. ladlte solution
emprunte deux branches 24 et 24' se réunlssant en une canallsatlon 24
refluant la solution dans le réservolr 21. Comme dans le cas précédent, le
potentiel d'entrée de l'électrolyte dans les modules 1A et 1'A est le même
que c81ul de sortie des modules 1~ et 1'B.
Il est également posslble sans pour autant se départlr de l'esprlt
de l'inventlon d'assocler des groupes générateurs tels que décrlts en
référence à la flgure 4, et cela à la manlère lllustrée flgure 5.
Selon la flgure 5 des groupes générateurs 4 à tltre nullement
limitatlf, globalement référencés par l'indice 3û et tels que précédemment
décrits sont connectés en s~rle électrique par l'lntermédlalre de leurs
connexions 5 pour former un générateur électrochlmlque,
Du point de vue hydraulique, une telle alimentatiDn est effectuée
comme précédemment indiqué, mais en croisant le flux de solution entre deux
groupes générateurs voislns donc en mettant en oeuvre entre les modules des
canalisations telles que 31.
Plus précisément, ladite solution électrolytique est dans chaque
groupe g~nérateur transférée après traversée des modules disposés au niveau
sup~rieur à l'entrée des modulss inférieurs ad~acents des blocs générateurs
unitaires des dsux groupes générateurs disposés de part et d'autre, tandis
que les modules dudlt groupe générateur disposés au nlveau inférieur recoivent
la solution électrolytique provenant des modules supérieurs ad~acents des
blors générateurs unitaires des deux groupss générateurs disposés de part et
d'autre ainsi que l'illutre la figure 5.
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On notera qu'un tel croisement des flux de la solutlon électro-
lytique est rendu possible par le fait que ladlte solution ne subit aucune
variation de potentiel en passant d'un ~roupe gén~rateur à l'autre, ni
aucune variation sensible de pression.
De la sorte on assure une melllsure uniformité de r~partition de
la solution alcaline dans les groupes générateurs 30 et un fonctionnement
équlllbré de ceux-ci du polnt de vue électrique.
La figure 6 illustre une disposition particulièrement avantageuse
des éléments tels que 2 tfigure 1) constituant lss modules d'un groupe
générateur, par exemple à titre nullement limitatif les kléments dss modules
1A st 1'A, 1B et 1'B, w nstituant le groupe générateur décrit en référence à
la figure 4.
Une telle disposition permet d'assurer d'une part una vidange
immédiate et totale des éléments en solution alcaline, dès l'arrat du
générateur et, ceci, sans augmentation de l'encomorement.
A cet sffet, comme illustr~ figure 6, un groupe générateur tel que
celui représenté figure 4 présente la configuration suivante :
Les éléments 2A w nstituant 18 madule 1A et les éléments 2B
constituant le module 1B sont connectés hydrauliquement en série et élec-
triquement en parallèle tconnexion 51) et sont, de plus, lnclinés vis-à-vis
de l'h~rizontals.
Les éléments 2'A formant le module 1'A et les éléments 2'B formant
le module 1'B sont de meme connectés hydrauliquement et électriquement en
parallèle tconnexion 52~ et de plus inclinés par rapport à l'horizontale
mais en sens inverse des éléments précédents.
De P1USJ lesdits éléments 2A et 2~ d'une part, et 2'A et 2'B
d'autre part, sont entrelacés à la manière indiquée sur la figure.
La figure 6 représente également la pompe 22 acheminant la solution
7 du réservoir 21 par l'intermédiaire des canalisations 23, 23' et 23~ ainsi
que les canalisations 24, 24' et 24n refluant ladite solution 7 dans le
réservoir après traversée du groupe générateur.
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Les connaxions élsctriques 20 entre 1BS modules 1A et 1'A d'uns
part, st 1B st 1'B d'autrs part ont été représentées. ainsi que les conne-
xions intsrmédiaires 5 tflgure 4~ référencées dans C8 cas 51 et 52 comme
précédemment indiqué,
On notera par ailleurs que dans le but de faciliter la vidange une
tubulure 35 de faible diamètre est prévue sur la canalisation 23 au voisinage
de la pompe 22. Cstts tubulure dont l'oriflce est dlspQsé au-dessus du
niveau de la solution 7 débite uns falble quantité de solution en période de
marchs. Par contre, dès l'arr~t de la pompe 22, elle se remplit d'air et
a~sure ainsi la vidange totale des éléments des modules formant le groupe
générateur.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de
réallsations décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple.
En particulier, on peut, sans sortir du cadre de l'inventlon, apporter des
modifications de détall, cbanger certaines dispositions ou remplacer certains
moyens par des moyens équivalents.
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