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~t~8~3~
Pe Pectionnement3 aux stru ~
La présente invention conoerne de~ perPectionnements aux struc-
tures des piles à combustible. Elle se rapporte en particulier à une pile
à combustible constituée e3sentiellement par une pluralité d'éléments
identique3 ~uxtaposé3, disposé3 en contact électrique le3 un3 avec les
autres.
Globalement une telle pile comporte, en commun pour tous ses élé-
ment3, trois circuit3 de distribution :
. un oircuit de distribu~ion d'electrolyte à partir d'une source exté-
rieure comprenant notamment un canal d'a~enée commun et un canal d'éva-
cuation com~un,
- un circuit de distribution de combustible à partir d'une ~ource exté-
rieure et comprenant nota~ment au moins un canal d'amenée de combustible
et au moins un canal d'évacuation Jusqu'à l'extérieur de la pile, du
combustible non consommé et de~ gaz inertes,
- un clrcuit de di3tribution de comburant comportant notamment une plu-
ralité d'ori~ice~ d'entrée et de sortie de oomburant situé~ sur les Pacea
in~érieure et ~upérleure de la pile.
Par allleurs, chaque élement de pile comporte s~hématiquement :
- une première et une seconde électroda~ poreuses présentant une Porme de
préPérence plane et à faces parallèles, respectivement une cathode et
une anode comportant chacune un catalyseur 3pécifique,
- un électrolyto remplissant 1'intervalle situé entre lesdites élec-
trodes,
- un premier et un second collecteurs de courant bipolaireq imperméa-
bles, comportant respe¢tlvement un premier et un second cadres en maté-
riau pla~tique ayant au moinq une zone centrale conductrice portant des
cannelures sur chacune de se~ Paces, le premier collecteur venant, par
le3 30mmet3 de 3a Pace cathodique, en contact électrique avec la 3urPace
externe de ladite cathode, et par 3a face anodique en contact électrique
avec la surface externe de l'anode d'un élément ad~acent, et le deuxième
collecteur venant par les sommet3 de ~a Pace anodique en contact élec-
trique avec la surface externe de ladite anode, et par 3a Pace cathodique
en contact électrique avec la cathode de l'autre élément adjacent ; le
78~3~
- 2 -
comburant gazeux du~it circuit de distribution co~mur. circule entre
ladite cathode et la ~ace cathodique du premier collecteur et alimente
ladite cathode, et le combuYtible gazeux dudit circuit de distribution
commun oircule entre ladite anode et la ~ace anodique du seoond collec-
teur et alimente ladite anode ; les premier et second cadres sont munisd'ori~ices pour la circulation de l'électrolyte et du combuqtible à
travers la pile, lesdits ori~ices contribuant à définir par leur juxta-
po~ition lesdits canaux communs d'amenée et d'évacuation. Des moyens
sont prévuq sur la face anodique du ~econd collecteur pour permettre
1'acheminement du combustible des canaux d'amenée sur la ~urface de
l'anode et de cette sur~ace vers les canaux d'évacuation ; ces moyens
comportent des rainures ~ormant une plurallté de microcanaux, lesdites
rainures étant disposées ~ur les parties inférieure et supérleure dudit
second cadre.
De plus, la première électrode est assujet~ie à un troisième cadre
présertant un ori~ice central en ~orme de quadrilatère, réalisé en un
matériau plastique, les parties inférieure et supérieure du troisième
cadre ¢omportant de~ ori~ice~ pour l'ac}leminement à traver~ la pile du
combustible et de l'électrolyte, ce~ oriXices correspondant aux orifices
ménagés dans les cadres des collecteurs et contribuant également à la
formation desdits canaux d'amenée et d'évacuation de combustible et
d'éleatrolyte ; des moyenq ~ont prévus ~3ur une ~ace du troisième cadre
pour permettre l'acheminement de l'électrolyte du oanal d'amenée, vers
u~ compartiment électrolytique situé entre les deux électrodes, et de ce
compartiment vers lq canal d'évacuation ; ces moyens comportent des rai-
nures débouchant dans des parties évidées formant chambres de réparti-
tion et de distribution et de collationnement d'électrolyte, disposée~
sur les parties in~érieure et supérieure du troisième cadre le long de
deux côtés opposés de l'évidement central et communiquant avec le
compartiment électrolytique au moyen d'une pluralité de microcanaux
parallèles délimités par des nervures.
La seconde électrode est assujettie sur une~~ace d'un quatrième
cadre en regard dudit second collecteur de courant, ce quatrième cadre
étant un matériau plastique isolant, présentant un contour identique à
celui du troisième cadre sur lequel e3t assu~ettie la première électrode
7~3~
-- 3 --
et de~ orifices d'acheminement de combuqtible et d'électrolyte corres-
pondant à ceux prévus sur ledit troisième cadre ; il est appliqué par une
face plane ~ur la face dudit troi~ième cadre présentant leq rainures et
les chambre~ de répartition, da distribution et de collationnement de
l'électrolyta.
Lorsque llon réalise un empilement repétitiP selon une Yéquence
élémentaire prédéterminée des cadres aln~i dé~iniq qui présentent des
séries d'orifioes superposéq, on obtient en parti¢ul~er une pluralité
d'eléments de pileq monté~ en 3érie él~otrique, ayant un canal com~un
pour amener l'électrolyte dan~ chaque compartiment électrolytique et un
canal commun pour évacuer cet électrolyte, une pluralité de canaux
communs pour alimenter toutes les anode~ en combustible et ~le pluralité
da canaux commu~9 pour évacuar les gaz~
Quant au comburant, il circule dans la pile en traYersant direotement le~
compartiments cathodiqueq dans une direction verticale par des orifices
et deq moyen~ de répartition prévus sur le~ bord~ inférieurs et supé-
rieurY des oadres correspondaat~.
Tous ces cadre~ en ~atériau plastlque~ dont l'épai~3eur peut être
choisie entre 0,2 ~ et 5 mm, ~ont avantageusement moulé~.
Aprèq qu'ils aient été solidarisé~ entre eux, par exemple par
collage, fu~ion ou compre~sion, il est impératif que les troiq réseaux de
distribution de combustiblet de distribution de ¢omburant et de distri-
bution d'électrolyte solent etanche~, d'une part le~ un~ vis-à-vis des
autre~, et d'autre part vis-à-viq de l'extérieur.
Dan~ le ca~ d'un élément selon l'inventiorA où le comburant est l'air, il
~uffira d'a~surer la première oondition pour les trois reseaux et la
~econde condition pour le réseau de diqtribution de combustible, et le
ré~eau de distribution d'électrolyte.
Or, les faces des cadre~ que l'on juxtapo~e peuvent présenter des
défauts de planéité et de parallélisme ~uffisants pour créer un problème
d'étanchéité~
La présente invention a pour but d'éviter cet inconYénient et de
r~aliser l'étanchéité voulue pour le~ différents ré~eaux de distribution
de fluide~.
.
~ Z~7~
Selon la présente invention, il est prévu une pile
à combustible, comprenant:
- une pluralité d'éléments disposés en contact
électrique les uns avec les autres, chaque élément
comportant deux électrodes,
- un électrolyte remplissant l'intervalle situé
entre lesdites électrodes,
- deux collecteurs de courant bipolaires
imperméables,
- l'une des électrodes étant assujettie à un cadre
présentant un orifice central,
- une face dudit cadre comportant des rainures
permettant d'une part l'acheminement de l'électrolyte d'un
orifice d'entrée vers une chambre de distribution
communiquant avec le compartiment électrolytique et d'autre
part l'évacuation de l'électrolyte vers un orifice de
sortie,
- le compartiment électrolytique étant fermé par
un autre cadre isolant sur lequel est fixée la seconde
2~ électrode, et
- une pluralite de nervures dépassant la surface
du cadre pour réaliser l'étancheité des réseaux de
distribution d'électrolyte et de combustible.
La présente invention a également pour objet une
pile à combustible dont la structure vient d'être décrite au
début et qui est caractérisée par le fait qu'au moins les
réseaux de distribution de combustible et d'électrolyte
présentent sur tout leur pourtour, au moins sur une face
d'un des cadres qui constituent une séquence élémentaire au
moins une nervure en un matériau susceptible de déformation
sous contrainte, en surépaisseur par rapport à ladite face,
et par le fait que la hauteur de ladite surépaisseur est
telle qu'elle puisse compenser la moyenne statistique des
défauts de planéité et de parallélisme de la totalité
, ....
~78n.!3~
- 4a -
desdits cadres définissant l a d i t e s é q ue nc e , une
gorge adjacente étant prévue parallèlement à ladite nervure
pour loger la matière excedentaire de cette dernière au
cours de la solidarisation de la pile.
On peut prévoir avantageusement deux nervures
parallèles entre elles avec leurs gorges autour de chacun
desdits réseaux.
La nervure et la gor~e qui lui est associée
peuvent se trouver avantageusement sur une même face du
cadre concerné, mais elles peuvent egalement être situées
sur les ~aces en regard de deux cadres adjacents.
Pour le reseau de distribution d'électrolyte: ce
réseau est constitué d'une part d'un canal d'amenée et d'un
canal d'évacuation ~ormés par la coopération des orifices
correspondants prévus dans les cadres juxtaposés, et d'au-tre
part de rainures d'amenée et de sortie, de chambres de
répartition et de collationnement d'électrolyte et d'un
compartiment électrolytique situés entre lesdits troisième
et quatri ème cadres. Ladite nervure est alors
avantageusement située entre lesdits troisième et quatrième
cadres et entoure l'orifice d'entrée de l'électrolyte, les
rainures d'amenée, les chambres de répartition et de
collationnement, le compartiment électrolytique, les
rainures de sortie et l'orifice de sortie de l'électrolyte.
Elle se trouve de préférence sur la face du troisième cadre
portant les rainures définissant le compartiment
électrolytique, mais elle pourrait aussi se trouver sur la
face du quatrième cadre située en regard du troisième cadre
et/ou sur toute autre face.
3~ Si une telle nervure sur une seule face est
insuffisante pour réaliser l'étanchéité, on peut en prévoir
sur plusieurs faces. Dans ce dernier cas, la nervure de
l'une des faces peut être limitée à une fraction de pourtour
du circuit de distribution d'électrolyte. Ainsi, on peut
3~
-- 5 --
prévoir des nervures supplémentaire~ autour des orifices d'entrée et de
sortie d'électrolyte sur au ~oins l'une de~ faces dudit premiar et/ou
dudlt second, et~ou dudit quatrième cadre et/ou 3ur l'autre face dudit
troisième cadre.
Quant au réseau de di~tribution de cc~mbu~tible gazeux~ il est
constitué d~une part d'un canal d'amenée et d'un canal d'évacuation de
combustible for~és par la ~uxtapo~ition de ori~ices correspondants de~
cadres, d'autre part du compartiment gazeux se situant entre le second
colle¢teur et la seconde électrode~ et en~in d'une pluralité de rainures
reliant chaque ori~ice au compartiment gazeux. Une nervure située tout
autour du compartiment gazeux se trouve avantageusement ~ur la ~aca du
quatrième oadre en regard dudit ~econd colleateur. De plu~, au molns une
nervure ast prévue sur au moins une faae des cadr~s au niveau de ohaquo
can~l de airaulation de oombustible.
Selon un mode de réalisation, cetta nervure ae trouve sur au moins l'une
de~ ~aaes du prem~er aadre et/ou du ~roi~ième cadre et/ou du quatriàme
cadre.
Si une nervure ~ur une ~eule ~ace e3t insu~fisante pour réaliser l'étan-
chéité, on peut en prévoir sur plusieurs ~ace~ Dans ce dernier cas, la
nervure ~upplémentaire peut être limltée à une fraction du pourtour du
circuit de di~tribution de combustible, par exemple autour des orifice~
de circulation de combustible.
Bien sntendu, 9i l'on superpo~e plusieur~ nervures pour réali~er
l'étanchéité d'un réseau donné, la somme de~ hauteurs de ces nervures .en
chaque point, mesurée dans la direction parallèle à l'axe de la pile,
sera équivalente à celle de la nervure unique susceptible de compenser la
moyenne statistique de l'ensemble des dé~auts de planéité et de parallé-
lisme des trois cadres ~uperposés pour la séquence élémentaire.
Le matériau des cadres peut etrs choisi parmi le~ matériaux i~o-
lants synthétiques de type polypropylène, polyéthylène, chlorure de
polyvinyle, acrylonitrile-~utadiène-3tyrène, polysul~one, polystyrène,
ladite nervure étant en mê~e matériau et venue de moulage avec les
cadres.
Selon un autre mode de réalisation, les nervures sont rapportées sur les
cadres et leur matériau est choisi par~i les caoutchoucs naturels et
8~3~
6 -
~ynthetique~.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
apparaitront au cours de la description ~uivanta de modes de réallsation
donnés à titre illu~tratiP mal3 nullement l:LmitatiP. Dans le de~in
annexé :
- la Pigure 1 95t une vue schématique en perspective d'une pile conforme
à l'invention,
- la figure 2 e~t une vue ~chématique en per~qpective éclatee d'un élément
de la pile de la figure 1,
- la figure 3 e~t une vue schématique en perspective éclatée du compar-
timent électrolytlque de l'élément de la figure 2,
- la figure 4 est une vue cn éloYation de la faae oathodlque d'un
collecteur de courant bipolaire appartenant à l'élament de la ~lgure 2,
- la ~igure 5 e9t une vue en élévatlon de la face anodique du colleeteur
de caurant bipolaire appartenant à l'~lement de la figure 2,
- la Pigure 6 est une QoUpe schématique agrandie selon la ligne VI~I de
la ~igure 4,
- la ~igure 7 e~t une vue en p~r~peative agrandie du détail VII de la
figure 4,
- la ~igure 8 est une vue en perspective agrandie du détail ~III de la
~igure 5.
- la ~igure 9 e3t une vue en élévation d'una face d'un troiqième cadre
portant la cathode appartenant à l'él~ment de la ~igure 2,
- la figure 10 est une vue agrandie en élévation d'un détail X de la
figure 9,
- la figure 11 e~t une vue schématique en coupe agrandie ~elon la ligne
XI-XI de la figure 10,
- la figure 12 est une vue en élévation de la face du troi~ième cadre
opposée à celle qui e~t illu3trée par ia figure 9,
- la figure 13 e~t une vue en élévation agrandie de la partie inférieure
XIII de la ~ace du troisième cadre apparaissant dans la ~igure 12,
- la figure 14 est une vue en élévation de la face d'un quatrième cadre
portant l'anode appartenant à l'élément de la ~igure 2.
- la figure 15 est une vue en elévation agrandie du détail XY de la
figure 14,
a?~
-- 7 --
- les figures 16 à 20 illustrent en coupe de~ variantes de~ nervures
montrée~ dan~ la figure 11.
On Yoit sur la figure 1 une pile 1 formee d'un empilement d'élé-
ment3 ~elon l'invention ; elle est munie de se~ plaques d'extrémité 2 et
3 et de ~es bornas tarmlnaleq 4 et S reliées chacune à un de~ collecteurs
d'extrémité terminant l'empilement.
Des orifices 6 et 7 désignent respectivement l'orifice d'introduction et
l'oriflce d'évacuation de l'électrolyte.
De~ orifices 8 et 9 désignent respectivement l'orifice d'introduction et
l'orifice d'évacuation du combu tible gazeux~ en l'occurence l'hydro-
~ène.
Le comburant ga~eux (l'air) pénètre dans la pile par les extrémltés de
rainures 105 apparals~ant ~ur la faae supérieure de la plle~
Des orifices analogues ~ont situés sur la Pace inférLeure de la pile.
La pile 1 e~t constituée par la ~uxtapositlon d'éleme,nt~ 20 tel
que celui qui appara~t schématiquement en per~peotive eclatée sur la
figure 2 ; le oompo~ant référencé 30 apparalssant dan~ cette figure est
lui-meme montré en perspectlve éclatée dans la figure 3.
Pour des raisons de clarté, les nervures d'étanchéité faisant l'ob~et de
l'invention n'apparai~sent pas danq les figures 2 et 3 qui sont desti-
néeY à montrer les disposition~ relati~es des différents compo~ants d'un
élément de pile, les figures ~uivanteq montrant 3uccessivement chacun de
ces compo~ants plu9 en détail.
L'élément des figure~ 2 et 3 aomporte une oathode 31 ou première
électrode asqociée à la ~ace cathodique 28 d'un premier collecteur de
courant bipolaire 21. Ce dernier (voir figure 4) comporte un cadre 22
dit ~premier cadre" en matériau plastique et une zone centrale conduc-
trice 23 portant des cannelures, venant en contact électrique contre la
face externe de la cathode 31. Le collecteur bipolaire 21 comporte sur
3a face non visible sur la figure 2, mais identique à la face illustrée
par la figure 5, une zone centrale conductrice anodique en contact élec-
trique avec la face externe de l'anode d'un élément adjacent. La
cathode 31 est en contact avec le comburant gazeux par sa face située en
regard du collecteur 21 et en contact avec l'électrolyte par son autre
face.
3f~
-- 8 --
De meme, une anode 41 ou seconde électrode e~t a~sociée à la face
anodique 27 d'un secand colleateur de courant bipolaire 24. Comme le
oollecteur 21, il comporta un cadre 25 dit "second cadre" en matériau
plastique et une zone central3 conductrice anodlque 26, non visible ~ur
la figure 2 mais vi~ible sur la figure 5 sn contact électrique a~ec
l'anode 41. La zone centrale 29 du collecteur 24 visible sur la figure 2
est destinée à être en contact électrique avec la cathode d'un élément
adjacent.
Une face de l'anode 41 est en contact avec l'électrolyte tandis que
l'autre face située en regard du collecteur 24 est en contact avec le
combust~ble gazeux.
L'anode 41 et la oathode 31 peuvent ~tre à base de carbone et d'une
matière plastiqu~, par exemple de polytétraPluoréthylène et compor~er
ohacune un oatalyseur spécifique.
A titre illustratif et nullement limitatif, ce~ électrodes peuvent pré-
santer une ~tructure ~ouple ainsi que décri~ dana le brev~t français
n 79 25 879 du 18 octobre 1979. Elles peuvent avolr étc réalisées, en
particulier, par les procédés déori~s dans le~ brevets françai3-
n 79 25 877 et ~9 25 878 dépo~és également le 18 octobre 1979.
Les fi~ures 4 à 8 donnent des détails supplémentaire3 ~ur le~
collecteurs de courant.
La figure 4 montrs la ~ace cathodique 28 du collecteur bipolaire 21
tandis que la figure 5 montre la ~ace anodique 27 du collecteur 24. (On
pourrait dire aussi que les figures 4 et 5 montrent reqpe¢tivement la
~ace cathodique et la face anodique d'un même collecteur 21 ou 24).
Pour le collecteur cathodique 21 on a référencé 88A (dans les
~igures 2 et 4) l'orifice d'entrée d'électrolyte, 88B l'orifice de
sortie d'électrolyte et 89 des orifices destinés à faciliter le montage
des composants. De même dans les figures 2 et 5 on a référencé 98A, 98B
et g9 les orifices correspondants dans le collecteur anodique 24. La
référence 108 se rapporte aux orifices d'acheminement de combustible.
Les cadres 22 et 25 de~ collecteurs 21 et 24 sont avantageusement
constitués par le même matériau ynthétique isolant : polypropylène,
polyéthylène, chlorure de polyvinyle, acrylonitrile-butadiène-styrène,
polysulfones, polystyrène. Ces matériaux peuvent comporter une charge
_ 9 _
appropriée, par exemple une ~atière inerte telle que du talc, en vue de
modifier leur~ propriété~ mécaniques et thermiques et particulièrement
d'obtenir un coe~Picient de dilatation thermique proche de celul de la
zone centrale aonductrice des collecteurs. A titre d'exemples, ces
pièces pourront être constituée~ par du polypropylène chargé de talc J
par exemple de 5 à 90~ de talc et de préférence entre 35 et 45~.
La zone centrale conductrice de ceY collecteurs e~t vi~ible en
coupe agrandie dan3 la figure 6 ; elle est munie de cannelures 103 défi-
nissant des canaux 104 de direction moyenne verticala pour la circu-
lation des flux gazeux. Le pas et la pro~ondeur des cannelure3 et donc
de~ canaux peut etre compri~ entre 0,2 mm et 5 mm, et de préférence entre
0,5 mm et 1,5 mm.
La zone centrale aondu¢trice deq aollecteurs de courant peut aval~-
tageusement être réalisée à partir du meme materiau plastique que cel~i
entrant dans la oonstitution de~ cadre~, mais dans lequel on introduit
une charge conductrlce, par exemple une poudre métallique, une poudrq de
graphite, de carbone, un noir de four, un noir d'acétylène, de~ Pibre~ de
carbone, de graphita, ou un mélange de ceq dl~férents corps. A titre
d'exemple elle pourrait atre con~tituée par du polypropylène chargé de
noir de carbone par exemple de 10 à 90~, et de préférence de 30 à 50%.
Le cadre et le9 collecteurs peuvent être réali~és par thermocom-
pre~3ion, par moula~e par in3ection. Ce dernier proaédé est particuliè-
remant a~antageux dans le ca~ de la réalisatlon deq collectsurs de
courant car on introduit simultanément à l'état ~luide dans le moule les
matières conqtituant d'une part la ~ne centrale conductrice et d'autre
part la zone périphérique isolante, ce qui permet d'obtenir une ~oudure
des deux materiaux et donc d'éviter une discontinuité entre les deux
zones. En outre ce procédé e~t particulièrement économique.
On préci~e ci-dessous le3 moyens d'alimentation en fluide3 de
compartimentq cathodique et anodique.
La face 28 du coll~cteur 21 visible jur la figure 4 eqt destinée à
être alimentée en comburant, par exemple en oxygène, alor~ que la face 27
du collecteur 24 viqible 3ur la figure 5 est alimentée en combu~tible,
par exemple en hydrogène.
Comme cela apparalt en per~pective agrandie dans la figure 7, la partie
- 10 -
supérieure de la face 28 du cadre 22 du collecteur 21 est ~unie de
rainures ou évidements tels que 105 communiquant avec l'extérieur et
permettant llalimentation de la Pace 28 du co:Llectaur par le oomburank.
Des rainures analogues qont prévues dans la partie inférieure du
cadre 22 pour l'évacuatlon du comburant. On reali~e ainsi pour ce
dernier un parcour~ quasi rectiligne évitant les pertes de charge dues à
des changements de direction~ pertes de charge qui pourraient être par-
ticulièrement importantes avec un comburant tel que l'a1r atmosphérique
en rai~on du débit trè~ élevé necesqaire.
Comme cela appara;t en per~pective agrandie dans la figure 8 9 la partie
supérieure de la face anodique 27 du cadre 25 du collecteur 24 est munie
de rainureq ou evidement~ tels que 106 permettant l'alimentation en
combu~tible de la faae anodique du collecteur à partir des orifices
d'aoheminement 108. Des rainure~ analo~ues sont prévues dan~l la partie
in~ericure du oadre 25 an vue de ltévacuation du oombustible.
Des moyens ~upplémentaires de repartition de3 ~lu~ sos1t dlsposés
dan~ lesditeq rainure~ et évidements 105 ~t 106.
Cas moyens ~ort conqtitués par de~ nervures allongées, formant de~
canaux de répartition, la face supérieure des nervures affleurant le
plan de la face du collecteur portant les rainures et évidement~ et
servant ds Qe fait à maintenir l'écartement entre le fond du collecteur
supportant les nervures et les con~tituants adjacents de la pile. Les
canaux ain3i ~ormés sont sensiblement verticaux.
Il ~'ensuit queJ les canaux délimités par les cannelures sur les parties
conductrices du collecteur présentant également une direction moyenne
verticale sur la figure, les flux de comburant et de combustible conser-
vent sensiblement la même direction verticale tout le long des faces du
collecteur.
Comme on peut le constater en se reportant sur la ~igure 7, les
nervure~ de répartition 109 du flux de comburant 30nt allongées et defi-
nissent des canaux de répartition, 3en3iblement verticaux 3ur la figure
s'élargi~3ant dans leur partie adjacente à la partie conductrice 23 du
collecteur 21. Le parcours du comburant le long de la face cathodique du
collecteur 21 est quasiment rectiligne, sans changement de direction
significatif et 3ans obstacle. Entre le3 extrémités des nerv~1res 109
ituées au voisinage de la partie conductrlce 23 on dispose deq
picats 112.
Les canaux de répartition débouchant de plu9 sur tout le côté horizontal
de la partie conductrice 23 du colleotaur, on obtient une excsllente
répartition du comburant au niveau de la face cathodique.
Comme on peut le constater en se reportant sur la figure 8, les
ori~ices d'alimentation en combustible 108 p!~ésentant une forme oblon-
gue, les rainure~ ou évidements 106 permettant l'acheminement du combus-
tible débouchent au voisina~e des parties des ori~ices oblongs situées
le plus près de la zone oentrale conductrice 26 du collecteur 24. Les
nervures de répartition de combustible dé~ini~sent un ré~eau s'évasant
depuis lesdits oriPices 108 vers la partie conduatrlce 26 du oollecteur.
Des nervures 107 situées au voislnage des orifices 108 définissent de~
canaux alimantant eux-mêmes un plus grand nombre de aanaux interme-
dialres défiris par des ner~ure~ 110, de longuaur plu3 importante et
conduisant au voi~ina~e dos caraux de la partle conductrice 26 du
collecteur, un canal intermédialre alimentant au moin~ un canal 104 de
la partie conductrice 26 du collecteur 24.
L'allongement de~ canaux de distribution de combustible permet de réa-
liser des empilements importants d'élément~ en ayant de faibles pertes
de aharge du gaz dans les canaux de circulation communs à tou~ les
eléments.
Les figures 9 à 15 illustrent les dlf~érents composants de l'en-
~emble 30 des figure~ 2 et 3.
Ainsi la cathode 31 est assu~ettie à un troislème cadre 32 présen-
tant un orifice central 34 en forme de quadrilatère et réalisé en maté-
riau plastique isolant. De même, l'anode 41 est assujettie à un
quatrième cadre 42 présentant un orifice central 40 en forme de quadri-
latère et réalisé en matériau plastique. Lorsque les troisième et
quatrième cadres sont solidarisés entre eux, à la cathode et à l'anode ?
ils définissent entre eux un compartiment électrolytlque.
Les oadres 32 et 42 sont aYantageusement en même matériau que les
cadres 2Z et 25. L'épaisseur du cadre 32 peut être de l'ordre de 0,2 à
5 mm et de préférence de 0,5 à 1,5 ~m. L'épaisseur du cadre 42 peut être
comprise entre 0,1 et 5 mm et de préférence entre 0,3 et 0,6 mm.
3~
1~ -
Dans l'exempla représanté les orifices centraux 34 et 40 sont carrés.
On sa reporte aux figures 9 et 12 qui illustrent respec~ivement la
~ace 72 du cadre 32 située en regard du colleoteur cathodique 21, et la
~ace 50 de ce cadre située du coté du compartiment éleotrolytlque.
Les partles in~érieure 35 et 3upérieure 36 du eadre 32 sont munias
d'orifices pour l'acheminement, à travers la pile, du ccmbustible et de
l'éleatrolyte.
La référence 37 déYigne les orifices de circu:Lation du combustible, qui
danY le ca~ repré~enté ont une forme oblongue, et 90nt destinés à coin-
cider avec les orifices 108 précédemment défini~.
L'orifice 38A, servant à la circulation de l'électrolyte dans la pile et
à son ache~inement dans le oompartiment éleotrolytique coincide avec les
orifices 88A et 98A. L'orifice 38P, ~ervant à l'évacuation de l'ëlectro-
lyte du compartiment électrolytique et à sa airoulatlon dans la pile,
coincide aveo les ori~ioes 88B et 98B. Les ori~`ices 39, pou~ant être
utilisés par exemple pour le esntrage des oomposants lor~ de l'assem-
blage et/ou pour l'introduction de tirants de serrage, c~lncident a~ec
}es ori~ices 89 et 99.
On voit sur la ~igure 9 que la partie du cadre 32 delimitant l~oriP~ce
central 34 et aur laquelle est assu~ettie la cathode 31 présente ur.
retrait 71 de manière que 12 cathode 31 ne déborde pas au-dessus de la
face 72 du cadre 32.
Selon l'invention, et afin de contribuer à a3surer l'étanchéité du
réseau de di~trlbution de oombustible, chaque orifice 37 est entoure sur
la ~ace 72 du cadre 32 de deux nervures montrée~ à l'échelle agrandie en
vue de dessus dans la fi~ure 10, et en coupe dans la ~i~ure 11. Il s'agit
de deux nervure~ parallèles r3 et 74 venues de moulage avec le cadre 3Z,
et par conséquent en un matériau 3uYceptible de déformation par compres-
sion. Ces nervures sont en surépaisseur par rapport à la face 72 et 30nt
elles-memes entourées de troi~ gorge~ parallèles 75, 76, 77 de~tinées à
loger la matiere excédentaire des nervures au moment de la solidarisa-
tion du cadre 32 au cadre 22. A titre d'exemple, l'épaisseur des ner-
vure~ est de l'ordre de 50 micron~. Le profi~ de la figure 11 n'est qu'un
exemple de réalisation. Pour la clarté du dessin et mieux situer les
nervures, on a amorcé des traits plein3 dan3 la figure 10.
Par ailleurs, pour contri~uer à aqsurer l'étancheité du réseau de
distribution d'électrolyte, les ori.~ice~ 38A et 388 30nt egalement munis
sur la face 72 du cadre 32 de nervures 83 et 84 et de gorges périphé~
riques 85, 86, 87 de même nature que celle des nervures et de~ gor~e.~
associées aux ori~ioes 37 tvoir figure 10 qui montre l'oriflce 38B à
l'échelle agrandie).
On se réfère maintenant aux figures 12 et 13 qui montrent la
~ace 50 du cadre 32 de~tinée à venir en contact avec la face plane 65 du
cadre 42 et à définir a~ec cetta face un compartiment électrolytique
(Yoir figure 3).
Pour ce qui est de la distribu~ion de combustible~ on voit sur la
figure 12 que tous le~ ori~ices 37 débouchant sur la face SO présentent
des nervursY périphériques idantiques à celles qui ~ont pre~uea sur la
~ace 72 du cadre 32.
En ce qui concerne le réseau de di3tribution d'electrolyt3, des moyens
sont prévus pour permettre l'aohel~inement de l'électrolyte de l'ori-
fioe 38A vers l'oriEice central 34 et de celui-ci ver~ l1oririce 38B.
Ces moyens comportent des r-ainure~ 51 (voir .~igure 13) débouchant dans
des parties é~ldéeq formant chambreY de répartition et de di~tribution
et de collationnement d'éleatrolyte 52 disposées sur les parties infé-
rieure 35 et supérieure 36 du cadre 32, le long de deux cotés opposés de
l'orifice central 34 et communiquant avec le compartiment electrolytique
au moyen d'une pluralité de microcanaux parallèles delimités par des
nervures 54. Le3 sommet3 deq nervureY 54 affleurent la ~ace 50 du
cadre 32.
Le~ rainures 51 présentent de préférence un parcour~ allongé et
une faible section. Il est en effet important d'allonger le parcours et
de rétrécir la section de l'électrolyte entre les ori~ices d'admission
et d'évacuation et le compartiment électrolytique dans le ca~ deQ piles
où l'électrolyte est distribué en parallèle aux éléments, de façon à
créer une résistance élevée de shuntage entre élé~ents et diminuer
autant que faire se peut la perte énergétique oorrespondante. Par
ailleurs, le cheminement de l'électrolyte dans un canal de ~aible sec-
tion et de grande longueur, ayant une perte de charge définie et élevée
par rapport à celle des compartimentY, permet une répartition uni~orme
de l'écoulement de l'électrolyte entre les diver~ élément3 de la pile.
~ 14 _
Dans l'exemple représenté les rainure~ 51 ont ~m parcour~ en forme de U,
le ~ond des U etant situé, par rapport aux orifices 38A et 38B, au delà
de l'orif~ce central 34 délimitant le compartiment aleatrolytique. A
titre dlexemple, la longueur de ohaque branche du U peut être égale à la
hauteur du compartiment électrolytique~ la largeur des rainureq 51 pou-
vant varier de O,5 mm à 10 mm.
Le~ fonds des rainures 51 et des chambres de répartition et de distribu-
tion et de collationnement d'électro}yte 52 comportent des moyens, tels
que picots ou nervures, affleurant le plan de la ~ace 50 du cadre 32 et
destinés nota~ment à maintenir l'écartemant entre le cadre 42 et lesdits
fonds et à régulariser l'alimentation en fluides. Ainsi dans l'exemple
représenté une nervure 56 eqt dispo~ée dans les rainurs~ 51, tout le lon~
de celles-ci. Par ailleurq, le9 chambres 52 oomportent une pluralité de
nervures 57, disposées parallèlement et ne contrariant pa~ la circula-
tion de l'électrolyte. Les sommets des nervures 56 et 57 affleurent lepl-an de la Pace 50 du cadre 32.
APin de réaliser selon llin~ention l'étanchélté du compartiment,
électrolytique on entoure totalemant le réseau de oirculation dé~ini sur
la face 50 de nervures et de gorge~ analogues à celles qui entourent les
oriPices 37 (même épaisseur, memes intervalles).
Ainsi, des nerYures parallèles 13 et 14, et des gorges 15, 16, 17 asso~
ciées, entourent l'orifice d'entrée d'électrolyte 38A, 3uivent le pour-
tour externe du U d'entrée, le bord latéral adjacent et un bord inférieur
du compartiment électrolytique, les deux branches internes du U de
sortie d'électrolyte, l'orifice 38B, le pourtour externe du U de sortie
d'électrolyte, l'autre bord latéral et le bord supérieur du compartiment
electrolytique, le pourtour interne du U d'entrée jusqu'à l'orifice
d'entrée 38A.
On réalise ainsi l'étanchéité du réseau de distribution d'électrolyte
vis-a-~is des autres Muides et aussi entre les diP~érentes parties de ce
réseau de distribution. Ainsi, l'électrolyte ne peut passer d'une
branche d'un U à la ~ranche adjacente, ou directement de l'orifice 38A au
compartiment électrolytique central.
Pour ce qui est du cadre 42, on a dit plus haut que sa face 65
fermant le compartiment électrolytique était plane et qu'elle ne présen-
~7~C?3 ~
-- 15 --
tait dans 1'exemple décrit aucune nervure ~ur ga 9urface. La face 65n'est pa~ lllu~tree; par contre, la ~ace 66 opposée apparait dans les
figures 14 et 15. Elle est destinée à venir au contact de la face 27 du
collecteur 24 visible dans la flgure 5, af~in de def`inir le compartimerlt
5 anodique.
Les ré~érences 67 se rapportent aux ori~ices destinés à l'acheminement
du combustible, les références 68A et 68B aux orifices d'entrée et de
sortie d'éleotrolyte et le3 ré~érences 69 aux oriîices corre~pondant aux
orifices 39, 89, 99.
10 La partie du cadre 42 délimitant l'orifice central 40 et sur laquelle
est as3u~ettie l'anode 41 présente un retrait 70 de manière que l'anode
ne déborde pas la f`ace 66 du cadre 42.
L'étanchéité du ré~eau de distribution d'électrolyte e3t assuree
selon l'invention autour des ori~ces 68A et 68B par de3 ~er-vure3 93 et
15 94 identiques à celle~ qui entourent le~ orl~ices 38A et 38B (voir
figurc 15). De3 gorgcq 95, g6, 97 sont as30ciées aux ner~rures 93 et 94.
L'étanchéité au niveau du compartiment de combustible est assurée
par deux nervures polygonales parallèles 43, 44, et leurs gorge~ asso-
ciées 45~ 46, 47 0ntourant le compartiment central 40 et l'en~emble des
20 orifices 67.
Pour réoapituler, on résume ci-dessous le~ différentes nervures
mises en oeuvre dans l'exemple décrit
- Pour le ré~eau de distribution d'électrolyte
On prévoit au niveau du canal d'amenee de l'électrolyte dans la pile des
25 nervures autour de l'ori~ice 3BA sur les faaes 72 et 50 du troisième
cadre 32, et autour de l'orifice 68A sur la face 65 du quatrième
cadre 42. Il en est de meme pour le canal d'évacuation de l'électrolyte
et les orifices 38B et 68B. Enfin entre ces canaux le compartiment
électrolytique est totalement entouré d'une nervure portée par la
30 face 50 du troisième cadre 32.
- Pour le ré~eau de distribution de combustible -
On prévoit des nervures sur les faces 72 et 50 du troisième cadre 32
autour des ori~ices 37 de circulation de combustible et des nervures
polygonales dans le compartiment anodique sur la face 66 du quatrième
35 cadre 42.
- 16 -
Lorqque leq quatre cadres sont solidari3é~ entre ~ux, on a super-
poqé trois doubles nervures autour des tubulures de circulation d'élec-
trolyte et ~eux double~ ner~ures combinées à une double nervure polygo-
nale pour les oriPices de oiroulation de combustlble.
Dars le ca~ déorit, le problème de l'étanchaita a eté résolu par
l'utili~ation de trois nervure~ superpo~ées dont la somme des hauteurq
compen~e le défaut global de parallélisme des quatre cadres superposé3.
Mais selon d'autres modes de réali~ation, on peut prévoir d'autreq types
de ~équence~ élémentaires de solidarisation et plus ou moins cle nervures
superpo~ées, leur épaisseur étant toujours déter~inée en ~onction du
dé~aut de parallélisme à corriger. On a proposé des doubles nervure~,
mais une ner~ure ~imple as30ciée à una gorge unique qui lui esl; parallèle
peut également être envisagée.
Le profil des nervure~ pourra êtra optimisé en ~onction du ~ode de
lS solidarisation choisi pour le~ cadres (qoudage ou collage par exemple).
On peut prévoir par exemple des pro~ils conPormes aux profil~ 216 a 220
apparaissant dans les ~igurss 16 à 20.
On pourra~ sans sortir du oadre de l'invention, remplacer tout
moyen par un moyen équivalent.
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