FR2553582A1 - Pile a combustible a oxyde solide comportant un noyau a ecoulement transversal et un systeme de distribution - Google Patents

Abstract

DANS LA PILE A COMBUSTIBLE A OXYDE SOLIDE, DE L'HYDROGENE OU UN HYDROCARBURE SUPERIEUR EST UTILISE COMME COMBUSTIBLE ET DE L'OXYGENE OU DE L'AIR EST UTILISE COMME OXYDANT, LES TEMPERATURES DE FONCTIONNEMENT DE LA PILE A COMBUSTIBLE ETANT COMPRISES ENTRE 700 ET 1100C. ON DECRIT UNE STRUCTURE MONOLYTIQUE DE NOYAU COMPORTANT DES PASSAGES 13, 14 POUR L'ECOULEMENT DE GAZ COMBUSTIBLE ET OXYDANT DISPOSES TRANSVERSALEMENT L'UN PAR RAPPORT A L'AUTRE PERMETTANT D'OBTENIR UN SYSTEME DE DISTRIBUTION SUR LA TOTALITE DE LA FACE DU NOYAU 11 POUR LES GAZ ET LEURS PRODUITS REACTIONNELS. CETTE STRUCTURE DU NOYAU PERMET DE FAIRE EN SORTE QUE CHAQUE PASSAGE DE COMBUSTIBLE NE SOIT ENTOURER QUE DE MATIERE ANODIQUE ET QUE CHAQUE PASSAGE D'OXYDANT NE SOIT ENTOURE QUE DE MATIERE CATHODIQUE, ET EN OUTRE, CHAQUE ANODE ET CHAQUE CATHODE PRENANT EN SANDWICH SUR DES COTES OPPOSES, LES MATIERES D'ELECTROLYTE ET D'INTERCONNEXION EN DEFINISSANT DES PAROIS D'ELECTROLYTE ET D'INTERCONNEXION.

Description

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Pile à combustible à oxyde solide comportant un noyau à

écoulement transversal et un système de distribution.

Une pile à combustible est fondamentalement un dispositif de conversion d'énergie galvanique qui combine chimiquement de l'hydrogène ou un combustible hydrocarboné et un oxydant dans des confins catalytiques pour produire un courant électrique continu Dans un type de cellule à combustible, une matière constituant la cathode forme des voies de passage pour l'oxydant et une matière constituant l'anode forme des voies de passage pour le combustible, et un électrolyte sépare 10 les matières constituant la cathode et l'anode Le combustible et l'oxydant, qui sont généralement des gaz, passent ensuite en continu dans les passages de la pile séparés l'un de l'autre, et le combustible et l'oxydant non utilisés évacués de la cellule à combustible 15 entraînent généralement aussi les produits de la réaction et la chaleur engendrée dans la cellule S'agissant des matières d'alimentation, le combustible et l'oxydant ne sont généralement pas considérés comme faisant partie intégrante de la pile à combustible. 20 Le type des piles à combustible auquel la présente invention peut directement s'appliquer est connu comme étant la pile à combustible à électrolyte solide ou à oxyde solide, l'électrolyte se trouvant sous forme solide dans la pile à combustible Dans la pile à 25 combustible à oxyde solide, de l'hydrogène ou un hydrocarbure supérieur, est utilisé comme combustible et de l'oxygène ou de l'air, est utilisé comme oxydant, les températures de fonctionnement de la pile à combustible

étant comprises entre 700 et 1100 C.

La réaction de l'hydrogène sur l'anode (électrode négative) avec les ions oxyde produit de l'eau avec libération d'électrons; et la réaction de l'oxygène sur la cathode avec les électrons produit en fait la

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formation d'ions oxyde Les électrons s'écoulent de l'anode, en traversant la charge externe appropriée, à la cathode et le circuit est fermé de façon interne

par le transport d'ions oxyde à travers l'électrolyte.

L'électrolyte isole la cathode de l'anode en ce qui concerne le courant d'électrons,mais permet aux ions

oxygène de se déplacer de la cathode vers l'anode.

Par conséquent, les réactions sont, sur la: cathode 1/2 O + 2 e + 02 ( 1) 2 _ 2anode H 2 + O +H 20 + 2 e ( 2) La réaction générale de la pile étant:

H 2 + 1/2 02 + H 20 ( 3)

Outre l'hydrogène, le combustible peut être obtenu à partir d'un hydrocarbure tel que le méthane (CH 4) qui se reforme par exposition à de la vapeur à 20 350 C ou davantage, et qui produit initialement du

monoxyde de carbone (CO) et trois molécules d'hydrogène.

Au fur et à mesure de la consommation de l'hydrogène, la réaction de déplacement se produit de la manière suivante:

CO + H 20 CO 2 + H 2 ( 4)

La réaction globale des hydrocarbures contenus dans la pile est représenté par:

CH 4 + 202 + CO 2 + 2 H 20 ( 5)

Dans la mesure o la conversion est électrochimique, les limites thermiques du cycle de Carnot sont tournées; on peut par conséquent obtenir en théorie des 35 rendements pouvant dépasser un taux de conversion d'énergie du combustible de 50 % en puissance électrique Cette

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valeur est sensiblement supérieure à celle obtenue dans des moteurs thermiques équivalents utilisant la même conversion de combustible, y compris les moteurs diesel classiques. L'électrolyte isole les gaz combustible et oxydant l'un de l'autre tout en fournissant un milieu permettant le transfert ionique et l'établissement d'une tension entre les électrodes Les électrodes (cathode et anode) consituent des voies d'écoulement internes 10 pour le courant électrique à l'intérieur de la pile à combustible vers les bornes de la pile, qui sont également raccordées à une charge externe La tension de régime fournie par la pile est de l'ordre de 0,7 V au maximum, de sorte que l'on raccorde les piles indivi15 duelles en série pour obtenir une tension de charge appropriée Un montage en série est réalisé entre des piles adjacentes avec une matière de raccordement qui isole les gaz combustible et oxydant l'un de l'autre tout en reliant électroniquement l'anode d'une pile à 20 la cathode de la pile adjacente Comme la production électrochimique active d'électricité n'a lieu que dans des parties isolées d'électrolyte de la pile à combustible, l'éventuelle déconnexion entre la cathode et l'anode en vue de réaliser le montage électrique en série de 25 plusieurs cellules, rend cette partie de la pile à combustible électriquement improductive Le pourcentage d'interconnexion avec les zones de la paroi d'électrolyte

formant chacune des piles, s'il est élevé,pourrait sensiblement diminuer les densités d'énergie ou de 30 puissance de cette pile à combustible.

La diffusion des espèces réagissant (combustible ou oxydant) dans les électrodes vers l'électrolyte, limite également les performances de la pile Le combustible et l'oxydant doivent diffuser dans une direction 35 s'écartant de l'écoulement dans les passages respectifs traversant l'électrolyte et dirigés vers les sites

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réactionnels Le combustible et l'oxydant diffusent à travers les électrodes vers l'électrolyte et réagissent à (ou à proximité de) la limite à trois phases des gaz, des électrodes (anode ou cathode), et de l'électrolyte, 5 o la conversion électrochimique se produit Au fur et à mesure que la pression partielle d'hydrogène des gaz combustibles diminue suivant la longueur des passages de combustibles, il se forme une tension moindre à

proximité de ou à l'extrémité avale des passages de 10 combustibles.

Bien qu'il soit possible d'extraire thermiquement et électriquement de grandes quantités d'énergies du combustible, il est également intrinsèquement peu efficace d'extraire ces énergies jusqu'à épuisement complet du combustible et de l'oxydant Une-conversion complète du combustible contenu dans la pile à combustible mais par conséquent pas recherché, car cela est intrinsèquement peu efficace en ce qui concerne le rendement global en tension de la cellule Tant en ce qui concerne 20 une pile unique et des piles en série à écoulement de gaz, la tension théorique maximale diminue suivant la longueur de la pile En pratique, les piles à combustible ne consomment par conséquent que 80 à 90 % du combustible car la tension de la pile diminue rapidement lorsque

l'hydrogène représente moins de 5 % du gaz combustible.

La diminution de la tension maximale de la pile est une

limitation importante.

Un montage en série de piles à combustible àoxyde solide proposé utilise un tube de support céramique, 30 et les électrodes (anode et cathode) et l'électrolyte sont réalisés sous forme de couches sur le tube de support Le tube de support est renfermé dans un boîtier scellé, le combustible et l'oxydant sont distribués dans le boîtier et les produits réactionnels sont, si néces35 saire,évacués du boîtier Selon la disposition des couches, le combustible se déplace à l'intérieur du

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tube de support et l'oxydant se déplace à l'extérieur du tube de support (ou inversement) Une unité de piles à combustible serait dans la pratique constituée d'un grand nombre de tubes de ce type fixés à l'intérieur d'un boîtier extérieur, et un système de distribution séparerait et répartirait le combustible et l'oxydant

à proximité des tubes.

Un tube de support type pourrait être constitué d'oxyde de zirconium stabilisé par du calcium (Zr O 2 + Ca O); la cathode serait typiquement appliquée sur la face extérieure du tube de support et pourrait être constituée de manganite de lanthane (La Mn O 3); l'électrolyte serait appliqué sous forme de couches sur une portion de la cathode, par exemple constituée d'acide de zirconium stabilisé par de l'oxyde d'yttrium (Zr O 2 + Y 203); et l'anode serait appliquée sous forme de couches sur l'électrolyte, par exemple constitué, par un cermet ou mélange de cobalt/oxyde de zirconium stabilisé par de l'oxyde d'yttrium (Co + Zr O 2 + Y 203). 20 L'oxydant s'écoulerait ainsi à l'intérieur du tube formant la structure, alors que le combustible circulerait à l'extérieur de ce tube Pour la partie de la pile o un comptage en série doit être effectué avec une pile adjacente, l'interconnexion serait appliquée 25 par couche sur la cathode en cet endroit au lieu de l'électrolyte et de l'anode, pour s'engager dans l'anode de la pile adjacente L'interconnexion pourrait par

exemple être constituée de chromite de lanthane (La Cr O 3).

Pour préparer ce type de piles à combustible,

le tube de support doit avoir un degré de porosité élevé.

Même avec une porosité de 40 %, l'anode et la cathode en couches constituent d'importantes barrières de diffusion Les pertes par diffusion augmentent de manière très abrupte aux fortes densités de courant et limitent 35 le courant et par conséquent la puissance La taille

minimale du tube de support est d'environ 1 cm de diamè-

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tre, sa paroi ayant une épaisseur d'environ 1 mm L'un des facteurs de limitation de ce dispositif à noyau à tube de support est la longueur du trajet devant être parcourue par le courant le long des matières consti5 tuant la cathode et l'anode, conduisant de ce fait à

d'importantes pertes électriques dues à la résistivité.

En vue de les réduire au minimum, les tubes respectifs sont raccourcis dans le sens de la longueur et raccordés l'un à l'autre bout à bout, et les anodes et les cathodes des tubes respectifs successifs sont reliés en série au moyen d'un élément d'interconnexion Cela donne un tube unique dans lequel circule le combustible, et/ou l'oxydant, alors que le montage en série produit une tension plus élevée résultant du cumul du nombre total de tubes individuels interconnectés en série Le débit de courant s'effectue de façon colinéaire à la direction d'écoulement du combustible et/ou de l'oxydant

c'est-à-dire dans l'axe de le configuration'du tube.

Une autre structure utilise un élément d'in20 terconnexion électrique située à la section d'arc cordale du tube par exemple connecté à l'anode intérieur, grâce à quoi les tubes adjacents sont empilés tangentiellement l'un contre l'autre de façon à établir une disposition en série cathodeanode Comme le courant doit s'écouler le long de la circonférence des matières

constituant la cathode et l'anode, on s'expose à d'importantes pertes par résistance électrique.

De plus, les supports de tube ne sont pas productifs et sont lourds, de sorte que les densités de 30 puissance et d'énergie sont réduites par comparaison à d'autres formes de conversion d'énergie, et même par comparaison à des piles à combustible à électrolyte liquide plus souvent utilisées à des températures plus faibles. Dans de nombreuses conceptions de piles à combustible à oxyde solide de l'art antérieur, un tube

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d'alimentation en oxydant doit s'adapter à l'intérieur du passage d'oxydant, ce qui implique que ce passage doit être suffisamment grand pour recevoir ce tube La densité de puissance des piles à combustible est liée 5 à la taille de la pile, de sorte que la diminution de la taille de la pile permet d'obtenir une densité de puissance plus élevée Certaines conceptions de l'art antérieur, proposent également un système d'évacuation ou de distribution compliquée monté dans les piles, utilisant des revêtements sur les matériaux utilisés nécessitant une fabrication très soignée du fait de la possibilité de gauchissement à l'état vert des couches de matière, ce qui nécessite également un surdimensionnement de l'unité pour prévoir une certaine marge 15 d'erreurs en cas de gauchissement et ne permet pas

d'inspecter et de remédier à cet inconvénient.

La présente invention concerne une pile à combustible à oxyde solide ayant un noyau monolithique amélioré et un système de distribution pour les gaz combustible et oxydant s'écoulant vers le noyau et pour

les produits réactionnels gazeux s'évacuant du noyau.

La présente invention concerne une pile à combustible à oxyde solide ayant un noyau définissant plusieurs passages allongés pour transporter des gaz combustible et oxydant Les passages pour écoulement de combustible sont chacun défini par une matière formant anode et les passages pour oxydant sont chacun constitué d'une matière formant cathode Les matières formant cathode et anode sont séparées l'une de l'autre dans certaines zones du noyau par une matière électrolytique, de façon à former une paroi électrolytique à travers laquelle un potentiel électrique est produit; et les matières formant cathode et anode sont séparées l'une de l'autre dans d'autres zones du noyau par une matière d'interconnexion définissant une paroi d'interconnexion à travers laquelle les potentiels électriques produits

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sur les parois électrolytiques s'ajoutent les uns aux autres en série Dans le mode réalisation préféré, les passages d'anode sont orientés axialement par rapport

aux passages de cathode.

L'invention concerne également le système de distribution des gaz combustible et oxydant vers la

rangée de passages d'anode et de cathode, respectivement.

Le corps du noyau se rapproche d'un parallélépipède rectangulaire à six faces Deux faces latérales contien10 nent les extrémités ouvertes des passages d'oxydant, alors que les deux autres faces latérales opposées, à environ 90 des premières faces,contiennent les extrémités ouvertes des passages de combustible Une structure de bottier renferme séparément ces faces, vis-à-vis du 15 corps du noyau, en définissant des systèmes de distribution séparés pour I'oxydant frais introduit à l'une des extrémités des passages d'oxydant et pour la partie non utilisée de l'oxydant s'évacuant de l'autre extrémité de ces passages, et pour le combustible frais s'introduisant dans les passages pour combustibles, et pour les produits réactionnels s'évacuant par l'autre extrémité de ces passages Les deux faces restantes du noyau (supérieur et inférieur), sont exposées à des contacts électriques permettant l'écoulement du courant 25 entre le noyau de la pile à combustible et un circuit

ou charge extérieur.

Conformément à la présente invention, on peut obtenir une haute densité de puissance car le système de distribution de la pile supprime la nécessité d'utiliser 30 les tubes d'alimentation en oxydant, de façon à ce qu'une section transversale de passage de cellule puisse être déterminée en équilibrant la résistance à l'écoulement des gaz oxydant ou combustible et le volume nécessaire pour ces gaz Non seulement on peut obtenir de petits passages de piles et par conséquent de haute densité de puissance avec la conception à écoulement transversal du

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noyau décrit ici, mais l'organisation des passages d'écoulement est très simple et leur fonctionnement est fiable.

Chacune des couches formant cathode et anode au niveau de l'interconnexion ou paroi électrolytique, est généralement beaucoup plus épaisse que la couche d'interconnexion ou que la couche d'électrolyte ( 0, 2 à 5 mm, contre 0,02 à 0,1 mm) Les matières (de l'anode, de la cathode, de l'électrolyte et de l'élément d'interconnexion) peuvent chacune être façonnée séparément à 10 l'état vert, et, alors qu'elles sont encore à l'état vert, peuvent être empilées l'une sur l'autre selon l'ordre approprié pour définir la configuration du noyau; puis les couches empilées peuvent être calcinées

pour former un corps de noyau rigide, sans structure de 15 support et de dimensions stables.

La demande de brevet (S-56 699) intitulée "Solid Oxide Fuel Cell Having Monolithic Core" déposée en même temps que la présente demande et ayant pour co-inventeurs John P Ackerman et John E Young, 20 décrit un noyau formé de façon monolithique uniquement constitué de matière participant aux réactions électrochimiques Cela signifie que l'électrolyte et que les parois d'interconnexion du noyau ne seraient respectivement constitués que de matières formant anode et cathode déposées en couches sur les côtés opposes de la matière électrolytique, ou sur les côtés opposés de la matière d'interconnexion Cela permet d'utiliser des couches de matières très fines et des parois de noyaux composites obtenues très fines Les fines parois du 30 noyau composite peuvent être façonnnées de façon à définir de petits passages, tout en conservant une intégrité de structure leur permettant de supporter les pressions de fluide produites par l'écoulement de gaz

dans les passages et par les contraintes mécaniques dues 35 au poids des parois du noyau empilées l'une sur l'autre.

Cela augmente avantageusement la densité de puissance

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de la pile à combustible du fait de sa diminution de

taille et de poids.

La demande de brevet (S-58 220) intitulée "Method of Fabricating a Monolithic Core For a Solid Oxide Fuel Cell" déposée en même temps que la présente demande et ayant pour co-inventeurs Stanley A Zwick et John P Ackerman, décrit l'application répétée et séquentielle de dépôts de chacune des matières constituant l'anode, la cathode, l'électrolyte et l'élément d'inter10 connexion, les unes sur les autres pour constituer les parois du noyau d'interconnexion et de l'électrolyte à l'extrémité des parois ou de façnon colinéaire aux passages d'écoulement définis par les parois Les dépôts de chacune des matières s'effectuent simultanément sur 15 la totalité de la section transversale du noyau, grâce à quoi des formes ou des sections transversales compliquées des passages d'écoulement du combustible et de l'oxydant peuvent être réalisées aussi simplement que des sections transversales régulières ou symétriques. 20 La demande de brevet (S-60 680) intitulée "Integral Manifolding Structure For Fuel Cell Core Having Parallel Gas Flow" déposée en même temps que la présente demande et ayant pour seul inventeur Joseph E. Herceg, décrit des moyens pour diriger les gaz combusti25 ble et oxydant vers des passages d'écoulement parallèles dans le noyau Une paroi de noyaux dépasse l'extrémité ouverte des passages de noyaux formés et est disposée pratiquement au milieu entre et parallèlement aux parois d'interconnexion adjacentes supérieures et inférieures

de façon à former des chambres de distribution à l'intérieur de celui-ci sur les côtés opposés de la paroi.

Chaque paroi d'électrolyte définissant les passages d'écoulement est façonnée de façon à ce confondre et à se relier à cette paroi pour détourner les passages de combustible et d'oxydant correspondants vers les chambres

de distribution respectives soit au-dessus, soit au-

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dessous de cette paroi intermédiaire Des raccordements d'entrée et de sortie sur ces chambres de distribution séparées respectives permettent de transférer les gaz combustible et oxydant vers le noyau et à évacuer leur produit réactionnel du noyau. La demande debrevet (S-57 107) intitulée "Solid Oxide Fuel Cell Having Compound Cross Flow Gas Patterns" déposée en même temps que la présente demande et ayant pour seul inventeur Anthony V Fraioli, décrit 10 une structure de noyau ayant à la fois des trajets d'écoulement parallèles et transversaux pour les gaz combustible et oxydant Chaque paroi d'interconnexion de la pile à la forme d'une feuille de matière de support inerte contenant de petits inserts de matières d'inter15 connexion espacés, les matières formant cathode et anode ayant la forme de couches déposées sur les côtés opposés de chaque feuille et étant électriquement reliés par les inserts de matière d'interconnexion Chaque paroi d'interconnexion est reliée, avec une forme ondulée, par 20 des zones de contact linéaires globalement parallèles entre les paires espacées correspondantes de parois d'électrolyte globalement parallèles, servant à définir une rangée de passages d'écoulement globalement parallèles pour les gaz combustible et oxydant D'autres 25 rangées sont agencées de façon à former des passages disposés perpendiculairement les uns aux autres Cela assure un raccordement mécanique solide des parois d'interconnexion de rangées adjacentes aux côtés opposés de la paroi d'électrolyte commune située entre celles-ci, 30 seulement en des zones de contact ponctuelles, o les zones de contact linéaires mentionnées précédemment se traversent mutuellement La matière de support inerte est constituée de 2 à 98 % en poids du noyau complet, ces proportions pouvant varier en fonction des besoins 35 pour minimiser l'expansion thermique différentielle des

structures de parois de noyaux composites.

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La figure 1 est une vue en perspective éclatée d'une pile à combustible réalisée conformément à l'invention; La figure 2 est une vue en coupe verticale, selon la ligne II-II de la figure 1, de la pile à combustible à l'état assemblé; et la figure 3 est une vue agrandie d'une partie de la figure 2, représentant de façon plus détaillée la

structure de la pile à combustible.

Les figures 1 et 2 illustrent une pile à combustible 10 ayant un noyau 11 situé à l'intérieur d'un boîtier 12 Le noyau 11 est un montage à un seul élément de forme pratiquement parallélépipédique-ayant deux ensembles de faces latérales opposées formant l'une 15 par rapport à l'autre un angle d'environ 90 et des faces opposées supérieure et inférieure formant un angle d'environ 90 par rapport aux faces latérales Des passages 13 et 14 traversent le noyau 11 entre les faces latérales opposées Des structures 15 et 17 adjacentes 20 aux faces des côtés opposés du noyau 11 définissent des systèmes de distribution espacés 18 et 20 qui communiquent l'un avec l'autre par l'intermédiaire des passages 13 formés dans le noyau 11 En outre, des structures 21 et 23 adjacentes aux autres faces latérales du noyau 25 définissent des systèmes de distribution espacés (non représentés) qui communiquent les uns avec les autres par l'intermédiaire des passages 14 pratiqués dans le noyau 11 Une canalisation d'entrée 30 dans la structure 17 sert à transférer le combustible gazeux vers le système de distribution 20, en vue de son écoulement dans les passages 13, et une canalisation de sortie 32 dans la structure 15 sert à évacuer la totalité du combustible et des produits réactionnels non consommés ou restants du système de distribution 18 De même, une 35 canalisation d'entrée 34 dans la structure 21 sert à transférer l'oxydant vers le système de distribution du s

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noyau en vue de son écoulement dans les passages 14, et la canalisation 36 dans la structure 23 sert à évacuer l'éventuel oxydant restant du noyau Les passages 13 et 14 sont disposés transversalement les uns par rapport aux autres, de façon à ce que les systèmes de distribution d'entrée et de sortie respectifs pour le combustible ( 20 et 18) et pour l'oxydant (non numérotés) soient situés alternativement l'un contre l'autre Le noyau 11 et les structures de distribution 15, 17, 21 et 23; lorsqu'ils sont ainsi assemblés, s'insèrent ou se raccordent les uns aux autres et s'adaptent à l'intérieur du boîtier 12, et une isolation 38 entourant ces constituants les séparent du boîtier De plus, l'espace annulaire séparant le noyau 11 et les structures des systèmes de 15 distribution séparés, peuvent être garnis ou remplis, comme indiqué en 39, d'une pâte céramique ou d'un matériau d'étanchéité analogue, pour minimiser les fuites

de gaz entre le combustible et les systèmes de distribution de sortie.

La figure 3 illustre une coupe transversale agrandie du noyau 11 de la pile à combustible 10 de la figure 1 Plus précisément, l'illustration montre que les passages 13 du combustible s'étendent dans le plan de la figure et ne sont constitués que de la matière formant l'anode 40 définissant les parois exposées des passages 13; alors qu'elle montre que les passages 14 de l'oxydant s'étendent perpendiculairement à la figure et ne sont constitués que de la matière formant cathode

42 définissant les parois exposées des passages 14.

Chaque anode 40 et chaque cathode 42 est en outre prise en sandwich en des côtés opposés espacés, entre la matière d'électrolyte 44 et la matière d'interconnexion 47 Ces structures de parois composites de l'anode et de la cathode sont en outre empilées en alter35 nance l'une sur l'autre (l'électrolyte de séparation 44 ou l'élément d'interconnexion 47 étant généralement formé

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par une couche commune unique), grâce à quoi les passages de combustible et d'oxydant sont disposés

transversalement l'un par rapport à l'autre.

Par conséquent, d'un côté, l'anode 40 est séparée de la cathode 42 par une fine couche de matière

d'électrolyte 44 en formant une paroi d'électrolyte 45.

Celle-ci définie également une "pile" et une tension s'établit à travers cette paroi d'électrolyte 45 entre ces électrodes 40 et 42 en présence de combustible et 10 d'oxydant Cet établissement de tension se produit lorsque le combustible dans les passages d'anode 20

et l'oxydant dans les passages de cathode 26 se combinent électrochimiquement à travers l'électrolyte 44.

La tension est faible pour la combinaison de l'anode 15 et de la cathode de chaque pile (ou paroi d'électrolyte 45), et généralement inférieure à 1,0 V et se produit même une chute de tension lorsque un prélèvement externe de puissance est effectué sur les électrodes. Par ailleurs, l'anode 40 et la cathode 42 sont séparées par une couche généralement fine de matière d'interconnexion 47 en formant une paroi d'interconnexion 48 La paroi d'interconnexion 48 sert à isoler les gaz combustible et oxydant l'un 25 de l'autre et également à relier électriquement l'anode à l'électrode de chaque pile et la cathode de la pile adjacente Cela crée ainsi un circuit en

série avec les piles adjacentes et permet d'accumuler progressivement les petites tensions individuelles de 30 chacune des piles.

Dans une pile à combustible réelle du type représenté ici, de nombreuses combinaisons de piles anode-cathode montées en série 45 peuvent être réalisées et peuvent dépassées plusieurs centaines Les éléments 35 d'interconnexion (ou électrode adjacente) extérieurs

du noyau 11 sont reliés électriquement par l'intermé-

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diaire de conducteurs à des bornes externes 50 et 51 de la pile à combustible pour fournir un courant électrique cumulé sur ces bornes Dans les figures 1, 2 et 3, cela est illustré schématiquement par par conduc5 teurs 52 et 53 respectivement connectés entre les bornes 50 et 51, et l'élément d'interconnexion ou cathode inférieur 42 et l'élément d'interconnexion ou anode 40 supérieur, par exemple par les contacts 54 et 55 De cette manière, la tension totale de la pile à combusti10 ble aux bornes extérieures 50 et 51 pourrait être de

l'ordre de 20 à 400 V, selon la conception choisie.

Dans un mode de réalisation préféré du noyau de pile à combustible décrit 11, les parois du noyau ne sont constituées que par les matières actives formant 15 l'anode, la cathode, l'électrolyte et l'élément d'interconnexion, et la matière non active est utilisée ici à titre de support Les couches de matières actives lorsqu'elles sont adjacentes les unes aux autres et qu'elles définissent les passages de combustible et 20 d'oxydant 13 et 14, sont très courtes ou de faibles étendues, de façon às'assurer que les passages euxmêmes aient une faible section transversale (de seulement quelques mm 2) Les passages 13 et 14 sont représentés comme étant rectangulaires, mais cette forme peut être modifiée en une forme circulaire, hexagonale, triangulaire ou en de nombreuses autres formes Par conséquent, la matière formant l'anode 40 comporte une couche 60 entre les passages de combustible 13 et la couche respective de l'électrolyte 44 et de l'élément 30 d'interconnexion 47; alors que la cathode 42 comporte une fine couche 62 entre les passages d'oxydant 14 et la couche respective de l'électrolyte 44 et l'élément d'interconnexion 47 Les voiles ou parois 70 de l'anode ou les voiles ou parois 72 de la cathode 42, se croisant chacune entre les couches d'anode 60 ou les couches de cathode 62, sont uniquement constituées des

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matières respectives formant anode ou cathode et sont en effet situées dans l'écoulement direct de l'oxydant ou du combustible, selon le cas Ces parois 70 ou 72 servent à transférer le courant électrique produit entre les couches d'électrodes 60 et 62 formant les parois d'électrolyte 45 et les parois d'interconnexion 48 Ces parois 70 et 72 assurent également'structurellement le raccordement des fines couches d'électrodes 60 et 62 des parois d'électrolyte adjacentes 45 et des parois 10 d'interconnexion 48 pour renforcer le noyau vis-à-vis des pressions et des charges mécaniques auquel il peut

être soumis.

Toutes les matières actives formant le noyau (l'anode, la cathode, l'électrolyte et l'élément d'interconnexion) sont liées ou fondues intégralement les unes aux autres pour donner un noyau 11 de structure monolythique Cependant, le noyau 11 est en fait constitué de matières distinctes de façon séquentielle, ceci pouvant être réalisé par de nombreuses méthodes connues. 20 De ce fait, les réseaux distincts de passages d'anode et de cathode pourraient être extrudés à l'état souple ou vert, alors que les couches les plus minces de l'électrolyte 44 et de l'élément d'interconnexion 47 pourraient être coulées en ruban Ces matières pourraient ensuite être également empilées l'une sur l'autre alors qu'elles se trouvent encore à l'état vert ou souple, en un point et selon des orientations appropriées, de façon à ce que les réseaux de passages d'anode et de cathode adjacents prennent en sandwich la couche d'électrolyte ou d'inter30 connexion Enfin, la configuration de noyaux empilés serait frittée ou calcinée et durcie thermiquement dans une étuve ou dans un appareil de ce type (non représenté) à des températures d'environ 1500 à 1800 C pendant des temps dépassant 1 à 2 heures et même pouvant atteindre 35 20 à 40 heures, grâce à quoi ils deviendraient rigides

et de dimensions stables.

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On notera que dans le noyau 11 décrit, les passages de combustible et d'oxydant 13 et 14 sont disposés selon un motif croisé de façon à ce que le combustible et l'oxydant s'écoulent transversalement l'un par rapport à l'autre Cet agencement à écoulement transversal permet d'obtenir un système de distribution direct et efficace des extrémités ouvertes opposées des passages d'écoulement, et les systèmes de distribution 18 et 20, etc peuvent être étendus à la quasi totalité 10 des faces latérales opposées du noyau Les gaz combustible et oxydant s'écouleraient vers le noyau avec les puretés et les débits souhaités, et le combustible, les produits réactionnels et l'oxydant non consommés restant seraient généralement mis à réagir soit dans le système 15 de distribution de sortie, soit dans un compartiment de combustion particulier (non représenté), ce qui permettrait d'utiliser et/ou de consommer la totalité des énergies du combustible En général, la différence de pression entre l'entrée et la sortie du combustible et de l'oxydant, par exemple entre les systèmes de distribution de combustible 20 et 18, est très faible et la vitesse des gaz dans ou à travers les passages 13 et 14

est également très faible.

L'anode et la cathode dans les parois d'élec25 trolyte 45 ont la porosité requise pour permettre aux gaz combustible et oxydant confinés sur leurs côtés opposés, de se combiner électrochimiquement, alors que l'électrolyte 44 et l'élément d'interconnexion 47 sont imperméables et servent à isoler physiquement les gaz 30 combustible et oxydant l'un de l'autre De même, les parois d'électrolyte 45 sont électroniquement non conducteur, comme par exemple entre la cathode et l'anode formées sur les côtés opposés de l'électrolyte, mais l'électrolyte assure une conductivité ionique entre le combustible et l'oxydant De plus, la cathode et l'anode

sont toutes deux électriquement conductrices Par ail-

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leurs, les parois d'interconnexion assurent la connexion électronique de l'anode et de la cathode des piles sur

les côtés opposés de la paroi tout en bloquant le transfert d'ions oxygène.

L'électrolyte 44 (voir figure 3) peut être replié en 64 (ou au-dessus non représenté) de façon à renfermer la face d'extrémité de la matière formant l'anode ou la cathode qui serait autrement directement exposée à l'air et au combustible présents dans le système de distribution Cela pourrait être effectué à l'état vert et nécessiterait la séparation des gaz combustible et oxydant sur les côtés opposés des matières d'électrodes poreuses (sans l'électrolyte ou le matériau équivalent) pour empêcher qu'ils rentrent en contact. 15 Selon un mode de réalisation préféré, une pile électrique réalisée conformément à l'invention pourrait comporter jusqu'à 10 000 à 15 000 passages de noyaux séparés, chacun d'entre eux présentant une section transversale relativement faible, par exemple de plusieurs mm 2 Les couches d'électrolyte et d'interconnexion pourraient avoir des épaisseurs dans la gamme de 0,002 à 0,1 cm et de préférence, de 0,002 à 0,005 cm; alors que les couches d'anode et de cathode pourraient avoir des épaisseurs dans la gamme de 0,002 à 0,5 cm et 25 de préférence, de 0,005 à 0,02 cm La longueur des voiles 70, 72 entre les couches d'électrode pourrait être de 0,002 à 0,2 cm, alors que l'espacement entre ces voiles pourrait avoir le même ordre de grandeurs Chaque paroi pourrait avoir une épaisseur de l'ordre de 0,002 30 à 0,1 cm On pense que la structure monolythique du noyau assure une intégrité structurelle et une stabilité dimensionnelle suffisantes même avec ces épaisseurs de

parois La densité de puissance serait accrue du fait que l'on utilise une structure de support non active dans la 35 pile.

Les matières constituant l'anode, la cathode 19 a 2553582 l'électrolyte et l'élément d'interconnexion en couches seraient rendues compatibles autant que possible les unes avec les autres en ce qui concerne leur coefficient d'expansion thermique, de façon à minimiser les problè5 mes de séparation résultant de l'expansion thermique différentielle L'extrême finesse des couches à tendance

à diminuer l'importance de ce problème.

Une cathode type serait constituée de manganite de lanthane (La Mn O 3); l'électrolyte serait constitué de 10 zircone stabilisée par de l'oxyde d'yttrium (Zr O 2 +Y 203); et l'anode serait un cermet ou mélange de cobalt/zircone

stabilisée par de l'oxyde d'yttrium (Co+Zr O 2 +Y 203).

L'élément d'interconnexion pourrait par exemple être constitué de chromite de lanthane (La Cr O 3), le manganite 15 de lanthane (La Mn O 3) et le chromite de lanthane (La Cr O 3) étant dopés defaçon appropriée pour obtenir une bonne

conductivité électrique.

Bien que cette structure ait été décrite comme étant une pile à combustible, il est possible, avec les 20 systèmes de distribution séparés des deux extrémités des passages d'écoulement, de faire fonctionner ce dispositif en temps que cellule à électrolyse En effet, de la vapeur peut être introduite à une extrémité des passages de combustible et de l'air à l'extrémité correspondante 25 des passages d'oxydant, et en présence d'un potentiel électrique appliqué au dispositif par l'intermédiaire de bornes extérieures, l'électrolyse peut avoir lieu en produisant de l'hydrogène gazeux et de la vapeur d'eau à l'extrémité de sortie des passages de combustible, et de 30 l'air enrichi en oxygène à l'extrémité de sortie des

passages d'oxydant.

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Claims (10)

REVENDICATIONS

1 Pile à combustible ( 10) pour combiner électrochimiquement un combustible et un oxydant en vue de produire un courant galvanique, comprenant l'association d'un noyau ( 11) ccmportant un réseau de parois d'électrolyte et d'interconnexion, chaque paroi d'électrolyte étant respectivement constituée de fines couches de matières formant cathode et anode, une insertion d'une fine couche de matières d'électrolyte entre celles-ci, chaque paroi d'interconnexion étant respectivement constituée 10 de fines couches de matières formant cathode et anode, une fine couche de matières d'interconnexion étant insérée entre celles-ci, ces parois d'électrolyte et ces parois d'interconnexion étant espacées l'une de l'autre et disposées en alternance, les couches cathodique et anodique correspondantes étant disposées de façon adjacente l'une par rapport à l'autre, des voiles espacés de ces matières cathodique et anodique étant disposés transversalement par rapport à et entre les couches de la matière correspondante de chacune des paires adjacen20 tes des parois d'électrolyte et d'interconnexion, servant à définir un ensemble de passages ( 13,14) dans le noyau entre celles-ci, les faces internes de ces passages étant soit uniquement constituées de matière anodique soit uniquement constituées de matière cathodique, 25 chaque passage dans le noyau portant sur ces faces internes la matière anodique pour le combustible, et chaque passage dans le noyau portant sur ses faces internes la matière cathodique pour le passage de l'oxydant, des moyens pour diriger le combustible et l'oxydant 30 de façon à ce qu'il s'écoule dans le passage respectif anodique et cathodique, et des moyens pour diriger le courant galvanique des matières formant anode et cathode

vers un circuit extérieur.

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2 Pile à combustible électrochimique selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque paroi d'électrolyte et en ce que chaque paroi d'interconnexion est globalement plane et en ce que ces parois sont disposées pratiquement parallèlement l'une par rapport à l'autre. 3 Pile à combustible électrochimique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les passages servant au combustible sont pratiquement parallèles les 10 uns aux autres et en ce que les passages servant à l'oxydant sont pratiquement parallèles les uns aux autres, et en ce que les passages servant au combustible et à l'oxydant sont disposés transversalement les uns

par rapport aux autres.

4 Pile à combustible électrochimique selon la revendication 1, caractérisée en ce que des piles sont définies entre les passages adjacents servant au combustible et à l'oxydant disposés sur les c 6 tés opposés d'une paroi d'électrolyte servant à engendrer un poten20 tiel électrique dans des raccordements parallèles les uns aux autres, et en ce que les matières formant anode et cathode définissant les passages adjacents pour le combustible et l'oxydant disposés sur les côtés opposés de la paroi d'interconnexion éventuellement présente, sont des raccordements en série servant à accumuler les

potentiels électriques produits dans les piles.

Pile à combustible électrochimique selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque couche

de l'électrolyte et en ce que les matières d'intercon30 nexion ont une épaisseur de l'ordre de 0,002 à 0,01 cm.

6 Pile à combustible électrochimique selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque couche de matières anodique et cathodique a une épaisseur de

l'ordre de 0,002 à 0,05 cm.

7 Pile à combustible électrochimique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les voiles de

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matières anodique et cathodique ont une épaisseur de

l'ordre de 0,002 à 0,1 cm.

8 Pile à combustible électrochimique selon la

revendication 1, caractérisée en ce que les voiles de 5 matières anodique et cathodique s'étendent entre les parois d'électrolyte et d'interconnexion sur des distances de l'ordre de 0,002 à 0,2 cm.

9 Pile à combustible électrochimique selon la

revendication 8, caractérisée en ce que l'espacement 10 entre les voiles est de l'ordre de 0,002 à 0,2 cm.

Pile à combustible électrochimique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens servant à diriger le combustible et l'oxydant pour qu'ils s'écoulent dans les passages respectifs comportent 15 des structures de distribution séparées s'étendant chacune sur la totalité de la face du noyau o s'ouvrent les extrémités des passages et en ce que les structures de distribution séparées pour le combustible et pour

l'oxydant sont situées l'une en face de l'autre par 20 rapport au noyau.

11 Pile à combustible électrochimique selon la revendication 1, caractérisée en ce que cette cathode est du manganite de lanthane (La Mn O 3); en ce que cette anode est un cermet ou mélange de cobalt/zircone stabi25 lisée par de l'oxyde d'yttrium (Co+Zr O 2 +Y 203); en ce que cet électrolyte est de la zircone stabilisée par de l'oxyde d'yttrium (Zr O 2 +Y 203); et en ce que l'élément d'interconnexion est du chromite de lanthane (La Cr O 3), le manganite de lanthane et le chromite de lanthane étant dopés de façon appropriée pour obtenir une bonne

conductivité éléectrique.