BE1027334B1 - Ensemble de plaque de cellule pour un compresseur a etat solide, compresseur a etat solide et procede pour faire fonctionner un compresseur a etat solide - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un ensemble de plaque de cellules pour être attenant à un côté anode d'un ensemble membrane-électrodes d'un compresseur à état solide, comprenant des première et deuxième plaques de cellules adjacentes, chacune ayant une structure de canal qui y est incorporée. La deuxième plaque de cellule comprend un certain nombre de passages reliant typiquement la structure de canal qui y est incorporée avec le côté anode de l'ensemble membrane-électrodes. Les canaux des structures de canal respectives sont interconnectés au niveau des surfaces en interface des première et deuxième plaques de cellules, les canaux incorporés dans la deuxième plaque de cellule formant un angle avec les canaux incorporés dans la première plaque de cellule. L'invention concerne en outre un compresseur à état solide comprenant un ensemble de plaque de cellule selon l'invention et un procédé pour faire fonctionner un tel compresseur à état solide.

Description

Ensemble de plaque de cellule pour un compresseur à état solide, compresseur à état solide et procédé pour faire fonctionner un compresseur à état solide La présente invention concerne un ensemble de plaque de cellule pour être attenant à un côté anode d'un ensemble membrane-électrodes d'un compresseur à état solide.
L'invention concerne en outre une première plaque de cellule et une deuxième plaque de cellule pour utilisation dans un ensemble de plaque de cellule selon l'invention.
L'invention concerne également un compresseur à état solide pour comprimer électrochimiquement un fluide, comprenant un ensemble de plaque de cellules selon l'invention.
Enfin, l'invention concerne un procédé pour faire fonctionner un tel compresseur à état solide.
Alors que les compresseurs mécaniques classiques utilisent des moyens mécaniques tels que des pistons ou des rotors pour la compression d'un fluide, les compresseurs à état solide reposent sur le transport électrochimique dudit fluide à travers une membrane en utilisant un mécanisme de transport ionique.
Afin de comprimer le fluide de travail de manière électrochimique, un compresseur à état solide comprend généralement une cellule de compression composée d'un ou plusieurs ensembles membrane-électrodes empilés (également appelés MEA, en anglais « membrane electrode assembly »). Les électrodes du MEA sont connectées à une alimentation électrique pour maintenir une différence de potentiel électrique entre les électrodes.
Cette différence de potentiel est nécessaire pour déplacer électrochimiquement le fluide de travail ionisé à travers la membrane d'échange de protons (communément appelée PEM, en anglais « proton exchange membrane ») contre le gradient de pression qui existe à travers la membrane.
La direction du courant électrique détermine ainsi la direction du transport ionique, dans lequel le fluide de travail à basse pression est ionisé à l'anode chargée positivement et est recombiné avec les électrons séparés du côté de la cathode à haute pression du MEA.
Les compresseurs à état solide présentent un certain nombre d'avantages significatifs par rapport aux compresseurs mécaniques.
En effet, les compresseurs à état solide ne comportent aucune pièce mobile et sont généralement de conception compacte.
En outre, les compresseurs à état solide permettent de comprimer des fluides à des pressions très élevées, jusqu'à 1000 bars et plus, avec des rendements de fonctionnement supérieurs à ceux des compresseurs mécaniques. La compression électrochimique présente un autre avantage : elle permet de purifier le fluide de travail, car la membrane ne permet de transporter que le fluide de travail ionisé. Un compresseur à état solide communément connu est le compresseur électrochimique d'hydrogène dans lequel l'hydrogène est amené à l'ensemble membrane-électrodes et oxydé en protons et en électrons. Les protons sont ensuite conduits à travers la membrane et les électrons sont transférés par un circuit externe, après quoi les protons et les électrons sont réduits en hydrogène moléculaire. Dans ce processus, l'hydrogène se déplace contre un gradient de pression d'une zone de basse pression à une zone de haute pression, ce qui entraîne une augmentation de la pression à travers la membrane. La compression d'autres fluides de travail, tels que l'eau ou l'ammoniac, est cependant également possible.
Pour l'alimentation en fluide de travail du côté basse pression (anode) de l'ensemble membrane-électrodes, le fluide de travail est typiquement transporté par un certain nombre de canaux qui s'étendent parallèlement à l'ensemble membrane- électrodes. Ces canaux peuvent être agencés dans une configuration d'écoulement de contournement dans laquelle les canaux sont connectés d'un côté à une ligne d'alimentation pour l'alimentation en fluide de travail vers les multiples canaux et, connectés d'un côté opposé à une conduite ou ligne d'évacuation pour décharger a fraction du fluide de travail qui n'est pas transportée à travers la membrane. Un inconvénient possible de cette configuration d'écoulement est qu'un processus de recirculation peut être nécessaire pour recycler l'excès de fluide de travail recueilli par l'évacuation.
En alternative, les canaux peuvent être agencés dans une configuration en cul-de- sac dans laquelle les canaux sont connectés d'un côté à la ligne d'alimentation, mais dans laquelle le côté opposé desdits canaux est conçu comme un cul-de-sac. Ce design du champ d'écoulement force le fluide de travail à passer à travers la membrane uniquement au lieu de permettre à une fraction du fluide de travail de — contourner la membrane. Un avantage de cette configuration de canal est que la nécessité d'un processus de recirculation comme mentionné ci-dessus est évitée. Cependant, cette configuration de canal a son propre inconvénient lié au fait que la membrane d'échange de protons a une fonction de purification, ne permettant le transport que du fluide de travail ionisé.
Aucun courant d'alimentation en fluide de travail ne sera complètement pur. Les impuretés (telles que l'azote et l'eau liquide) présentes dans le fluide de travail s'accumuleront près des extrémités fermées ou en cul de sac des canaux car les impuretés ne peuvent pas se déplacer à travers la membrane. Les impuretés accumulées bloqueront donc au moins partiellement le flux net de fluide de travail dans la direction des extrémités en cul de sac, réduisant ainsi le transport de masse du fluide de travail à travers la membrane. Ce transport de masse non optimal de fluide de travail affecte directement l'efficacité et la productivité du compresseur à état solide.
Un objet de l'invention est donc d'améliorer l'alimentation en fluide de travail du côté basse pression (anode) de l'ensemble membrane-électrodes, ou au moins de fournir une alternative aux solutions mentionnées ci-dessus.
— L'invention propose ainsi un ensemble de plaque de cellule pour être attenant à un côté anode d'un ensemble membrane-électrodes d'un compresseur à état solide, comprenant : une première plaque de cellule ayant une première structure de canal incorporée dans celle-ci comprenant de multiples canaux s'étendant sur au moins une partie de la plaque de cellule et s'étendant parallèlement à une première surface de la plaque de cellule, et une deuxième plaque de cellule comprenant une première surface en interface avec la première surface de la première plaque de cellule et ayant une deuxième structure de canal incorporée dans celle-ci comprenant de multiples canaux s'étendant sur au moins une partie de la plaque de cellule et s'étendant parallèlement à la première surface de la plaque de cellule, dans lequel les canaux des structures de canal respectives sont interconnectés au niveau des surfaces en interface des première et deuxième plaques de cellules et dans lequel la deuxième plaque de cellule comprend un certain nombre de passages reliant la deuxième structure de canal qui y est incorporée à une deuxième surface de la deuxième plaque de cellule opposée à la première surface de la deuxième plaque de cellule, dans lequel les canaux incorporés dans la deuxième plaque de cellule forment un angle avec les canaux incorporés dans la première plaque de cellule.
Un canal selon l'invention doit être compris comme un évidement d'une profondeur inférieure à une épaisseur d'une première plaque de cellule à partir d'une première surface.
En d'autres termes, le dispositif selon la présente invention comprend donc une première plaque de cellule, ayant une longueur et une profondeur, comprenant une première structure de canal incorporée dans celle-ci, comprenant des canaux multiples s'étendant sur au moins une partie de la plaque de cellule, au moins avec une longueur supérieure à la moitié de la longueur de la première plaque de cellule et s'étendant parallèlement à une première surface de la plaque de cellule, avec les canaux multiples évidés avec une profondeur inférieure à la profondeur de la première plaque de cellule depuis une première surface, et s'étendant parallèlement à la première surface de la plaque de cellule, et comprend également une deuxième plaque de cellule, ayant une longueur et une profondeur, comprenant une première surface en interface avec la première surface de la première plaque de cellule et ayant une deuxième structure de canal incorporée dans celle-ci comprenant de multiples canaux évidés avec une profondeur qui est inférieure à la profondeur de la deuxième plaque de cellule, et formant ainsi un canal évidé partiellement à travers la plaque à partir de la première surface de la plaque de cellule, s'étendant sur au moins une partie de la plaque de cellule, de la plaque et s'étendant parallèlement à la première surface de la plaque de cellule, le long des surfaces en interface.
Cette configuration optimise la distribution du fluide de travail, de sorte que le fluide de travail est distribué de manière optimale avant de passer par le certain nombre de passages vers la deuxième surface de la deuxième plaque de cellule.
Les canaux ont de préférence une longueur supérieure à la moitié de la longueur de la première plaque de cellule.
Au cœur d'un compresseur à état solide se trouve un ensemble membrane- électrodes, comprenant une membrane d'échange de protons prise en sandwich entre deux électrodes qui forment respectivement l'anode et la cathode.
L'ensemble de plaque de cellule mentionné ci-dessus est positionné du côté de anode, qui constitue le côté basse pression de l'ensemble membrane-électrodes. L'ensemble de plaque de cellule fonctionne comme un ensemble de plaque à champ d'écoulement au moyen duquel le fluide de travail à basse pression, à 5 travers les canaux des structures de canal des première et deuxième plaques de cellule, est fourni audit côté anode. La deuxième surface de la deuxième plaque de cellule de l'ensemble de plaque de cellule fait ainsi face à l'ensemble membrane- électrodes et, dans une configuration possible, est en contact direct avec ledit ensemble membrane-électrodes.
Le fluide de travail passe d'abord par les multiples canaux de la structure de canal de la première plaque de cellule. Ces canaux sont typiquement parallèles les uns aux autres de sorte que les canaux individuels ne se croisent pas. Comme les canaux s'étendent sur au moins une partie de la plaque de cellule parallèlement à la première surface de la plaque de cellule, laquelle première surface s'étend parallèlement à la surface de la membrane, le fluide de travail est transporté à travers lesdits canaux dans une direction le long de la surface de la membrane. La deuxième plaque de cellule fait l'interface avec (est en contact) la première surface de la première plaque de cellule avec une première surface de celle-ci. Les structures de canal des première et deuxième plaques de cellules sont interconnectées au niveau de cette surface d'interface, ce qui permet au fluide de travail de s'écouler dans les canaux de la deuxième structure de canal de la plaque de cellule. Comme les canaux de cette dernière structure de canal s'étendent également sur au moins une partie de la plaque de cellule parallèlement à la première surface de la plaque de cellule, laquelle première surface s'étend également parallèlement à la surface de la membrane, le fluide de travail est transporté à travers lesdits canaux dans une direction le long de la surface de la membrane. Les canaux multiples de la structure de canal de la deuxième plaque de cellule s'étendent également de manière typique parallèlement les uns aux autres de telle sorte que les canaux individuels ne se croisent pas. Étant donné que les canaux incorporés dans la deuxième plaque de cellule forment un angle avec les canaux incorporés dans la première plaque de cellule, la direction de l'écoulement du fluide de travail sera différente entre lesdits canaux.
L'inclusion d'un angle doit être comprise comme tout angle autre que 0 degré,
provoquant le croisement des canaux des structures de canal de la première et de la deuxième plaque de cellule. Aux points de croisement, les canaux de la deuxième plaque de cellule sont reliés aux canaux de la première plaque de cellule, interconnectant ainsi les différents canaux parallèles dans la structure de canal de la première plaque de cellule. I! en résulte que le fluide de travail dans les canaux séparés de la première plaque de cellule est redistribué latéralement par les canaux dans la deuxième plaque de cellule, ce qui augmente l'uniformité du transport de masse sur la surface de la membrane. En outre, avec la redistribution du fluide de travail, les impuretés présentes dans le fluide de travail sont également distribuées de manière plus uniforme sur les canaux de la deuxième plaque de cellule. L'accumulation d'impuretés affectera donc dans une moindre mesure la distribution du fluide de travail sur la surface de la membrane. Comme l'accumulation d'impuretés a un impact moindre sur la distribution du fluide de travail sur la surface de la membrane et donc sur la performance du compresseur, le nettoyage des structures de canal peut être effectué à des intervalles prolongés. Le nettoyage des structures de canal est effectué par purge, ce qui implique de laisser le fluide de travail circuler dans les canaux en sens inverse. Ceci peut être réalisé en inversant le sens du courant électrique, en changeant la polarité des électrodes et en inversant ainsi le transport électrochimique du fluide de travail à travers la membrane. Grâce à l'interconnexion des canaux individuels de la première structure de canal de la plaque de cellule par les canaux de la deuxième structure de canal de la plaque de cellule, l'efficacité de la purge est améliorée. En effet, les interconnexions éliminent les impasses ou cul-de-sac dans les canaux de la structure de canal interconnectée qui, autrement, emprisonneraient les impuretés présentes dans le fluide de travail. Grâce à l'absence de cul-de-sac, le retour du fluide de travail et les impuretés qu'il contient peuvent désormais s'écouler dans une seule direction, ce qui permet de dégager les canaux.
| est possible que les canaux de la deuxième structure de canal soient sensiblement perpendiculaires aux canaux de la première structure de canaux, ce qui signifie que les canaux de la deuxième structure de canal et les canaux de la première structure de canal forment un angle d'environ 90 degrés. En laissant les canaux des première et deuxième structures de canal de la plaque de cellule se croiser à des angles d'environ 90 degrés, on obtient une redistribution latérale encore plus uniforme du fluide de travail sur les canaux de la deuxième structure de canal de la plaque.
De plus, la disposition perpendiculaire des canaux crée le moins de chevauchement possible entre les canaux, ce qui à son tour conduira à une construction plus solide, mieux à même de faire face aux très grandes differences de pression qui existent entre l'intérieur et l'extérieur des canaux.
En effet, les pressions auxquelles les plaques de cellule sont soumises sont généralement égales ou supérieures aux pressions du fluide de travail sous pression du côté cathode de l'ensemble membrane-électrodes, tandis que les pressions à l'intérieur des canaux de l'ensemble de plaque de cellule sont égales à celles du fluide de travail à basse pression.
Dans un mode de réalisation préféré de l'ensemble de plaque de cellule selon l'invention, les canaux de la première structure de canal ont un diamètre supérieur à celui des canaux de la deuxième structure de canal.
Les canaux plus grossiers de la première structure de canal sont préférés du point de vue du transport de masse car le diamètre plus important de ces canaux permet notamment un débit de fluide de travail plus important et minimise le colmatage des canaux dû à l'accumulation d'impuretés.
La structure plus fine des canaux de la deuxième plaque de cellule permet en revanche une distribution plus régulière du fluide de travail sur la surface de la deuxième plaque de cellule tout en conservant une capacité de charge nécessaire pour faire face aux différences de pression.
L'espacement entre des canaux qui se suivent de la deuxième structure de canal est généralement choisi plus petit que l'espacement entre des canaux qui se suivent de la première structure de canal.
Les canaux de la structure de canal de la deuxième plaque de cellule ont des trous sur leur longueur sur un côté des canaux faisant face à la deuxième surface de la deuxième plaque de cellule, créant ainsi les passages reliant les canaux à la deuxième surface de la deuxième plaque de cellule.
Une répartition régulière et un faible espacement entre ces trous améliorera la distribution du fluide de travail sur le côté anode de la surface de la membrane.
Par conséquent, l'espacement entre les trous de deux canaux adjacents est de préférence maintenu aussi petit que possible, ce qui est réalisé par un faible espacement entre les canaux adjacents de la deuxième plaque de cellule.
Cet espacement réduit n'est cependant possible que si le diamètre de ces canaux de deuxième plaque de cellule est maintenu plus petit que celui des canaux de première plaque de cellule plus espacés mais de plus grand diamètre afin d'éviter de compromettre l'intégrité de la plaque de cellule en raison d'un excès d'espacement ouvert.
Comme mentionné précédemment, les canaux de la deuxième structure de canal de la deuxième plaque de cellule sont munis de petits trous sur leur longueur pour permettre au fluide de travail de diffuser vers la deuxième surface de la deuxième plaque de cellule. Si ces trous sont suffisamment petits, généralement de l'ordre de 100 micromètres ou moins, la deuxième plaque de cellule est capable de supporter directement l'ensemble membrane-électrode. Comme les différences de pression entre le fluide de travail à basse pression et le fluide de travail comprimé sont généralement très élevées, une différence de pression tout aussi élevée existe sur les différents côtés de l'ensemble membrane-électrodes. La membrane, qui est généralement constituée d'une fine couche de polymère, doit donc être suffisamment supportée. Si les trous dans les canaux de la deuxième plaque de cellule sont trop grands, la membrane sera poussée à travers ces trous sous l'influence de la grande différence de pression, ce qui peut entraîner une rupture de la membrane.
La première structure de canal de plaque de cellule est généralement connectée à une conduite ou ligne d'alimentation pour alimenter un fluide de travail dans les canaux de ladite structure de canal. Cette ligne d’alimentation peut être reliée aux canaux individuels de la structure de canal par l'intermédiaire d'une ou plusieurs subdivisions de ladite ligne d’alimentation. Typiquement, la ligne d'alimentation a un diamètre plus grand que les canaux de la première structure de canal de la plaque de cellule pour avoir une capacité suffisante pour fournir le fluide de travail à chacun desdits premiers canaux de la plaque de cellule.
Comme autre moyen d'augmenter la capacité d'alimentation, la première structure de canal de plaque de cellule peut être connectée à au moins deux lignes d'alimentation séparées, chacune se connectant à des extrémités différentes, et de préférence opposées, de la structure de canal. Un autre avantage de l'alimentation de la première structure de canal de plaque de cellule à ses multiples extrémités est qu'une meilleure distribution du transport de masse du fluide de travail sur les canaux de la structure de canal peut être obtenue.
Dans un mode de réalisation possible de l'ensemble de plaque de cellule, la première structure de canal de plaque comprend deux systèmes de canal séparés, chacun étant connecté à une ligne différente des lignes d'alimentation séparées, dans laquelle les canaux des systèmes de canal séparés sont en cul-de-sac.
Dans cette configuration en cul-de-sac du système de canal, le fluide de travail dans les canaux de la première plaque de cellule s'écoulera dans une seule direction de la ligne d'alimentation unique vers les canaux de la deuxième structure de canal de plaque de cellule, ce qui profite au débit du fluide de travail.
En utilisant de multiples systèmes de canal, l'alimentation en fluide de travail peut être répartie sur de multiples lignes d'alimentation, chaque système de canal restant connecté à une seule ligne d'alimentation.
Dans la mesure où la structure de canal de la deuxième plaque de cellule ne redistribue pas les impuretés présentes dans le fluide de travail, lesdites impuretés s'accumulent au moins partiellement à proximité des extrémités en cul-de-sac des canaux au point que le débit de diffusion des impuretés vers la ligne d'alimentation s'oppose au moins partiellement à l'écoulement du fluide de travail vers les extrémités en cul-de-sac.
Il en résulte une diminution de la concentration du fluide de travail sur la longueur des canaux vers les extrémités.
Afin de redistribuer le problème de l'accumulation d’impuretés, les canaux des systèmes de canal séparés peuvent se contenir les uns dans les autres, formant ainsi une structure de canal interdigitée dans laquelle les canaux qui se suivent font partie de systèmes de canal différents.
Grâce à cette configuration en cul-de-sac interdigitée des systèmes de canal, une distribution plus uniforme du fluide de travail sur la membrane peut ainsi être obtenue malgré la présence d'impuretés accumulées.
En alternative, la structure de canal peut comprendre un système de canal unique et continu, dont les canaux sont connectés à des extrémités opposées à des lignes d'alimentation séparées.
Cette configuration de canal ne comporte pas les culs-de-
sac inhérents aux configurations de culs-de-sac décrites ci-dessus, ce qui fait que les impuretés ne s'accumulent pas localement à l'intérieur des premiers canaux de la plaque de cellule.
Les impuretés n'affecteront donc pas la distribution du fluide de travail sur la membrane dans la même mesure que ce serait le cas avec l'une des configurations de cul-de-sac décrites ci-dessus.
Il est également possible que l'une des lignes d'alimentation fonctionne comme une ligne de décharge de telle sorte que les canaux soient effectivement disposés dans une configuration d'écoulement de contournement.
Les structures de canal des première et deuxième plaques de cellule peuvent être formées par des évidements élongés prévus dans les premières surfaces des première et deuxième plaques de cellule.
Ces évidements élongés sont facilement formés dans les plaques de cellule, par exemple par un procédé de fraisage, sans compromettre la résistance inhérente et les capacités de charge du matériau des plaques de cellule.
En plaçant la partie évidée des premières surfaces respectives des première et deuxième plaques de cellule directement l'une sur l'autre, des canaux fermés sont formés qui sont en contact les uns avec les autres aux points où les évidements dans les plaques de cellule respectives se croisent.
L'invention concerne également une première plaque de cellule destinée à être utilisée dans un ensemble de plaque de cellule selon l'invention.
L'invention concerne également une deuxième plaque de cellule destinée à être utilisée dans un ensemble de plaque de cellule selon l'invention.
Les avantages de l'utilisation d'une telle première plaque de cellule et d'une telle deuxième plaque de cellule attenante à un côté anode de l'ensemble membrane-électrodes d'un compresseur
— à état solide, ainsi que les caractéristiques possibles de ces plaques de cellule sont déjà discutés ci-dessus en relation avec l'ensemble de plaque de cellule.
L'invention concerne en outre un compresseur à état solide pour comprimer électrochimiquement un fluide, comprenant un ensemble membrane-électrodes contenu entre un ensemble de plaque de cellule selon l'invention et une plaque de collecte de fluide, dans lequel un côté anode de l'ensemble membrane-électrodes fait face à la deuxième surface de la deuxième plaque de cellule de l'ensemble de plaque de cellule et un côté cathode de l'ensemble membrane-électrodes fait face à la plaque de collecte de fluide.
La plaque de collecte de fluide fonctionne ainsi pour collecter et transporter le fluide comprimé loin de la cellule de compresseur.
Le compresseur à état solide peut être orienté de telle sorte que le côté anode constitue le côté inférieur de l'ensemble membrane-électrodes, de sorte que l'ensemble de plaque de cellule soit également positionné sur le côté inférieur de l'ensemble membrane-électrodes.
Cependant, il est également possible que le compresseur à état solide soit orienté de telle sorte que le côté anode constitue le côté supérieur de l'ensemble membrane-électrodes. Le compresseur à état solide peut être un compresseur d'hydrogène électrochimique, mais il peut également être configuré pour comprimer d'autres fluides de travail tels que l'eau ou l'ammoniac. Le principe de fonctionnement de ces compresseurs à état solide est le même, c'est-à-dire qu'ils compriment le fluide de travail en le laissant passer à travers un ensemble membrane-électrodes. Enfin, l'invention concerne un procédé pour faire fonctionner un compresseur à état solide selon l'invention, comprenant les étapes : A) alimenter un fluide par l'intermédiaire d'une ligne d'alimentation vers les canaux d'une première structure de canal de plaque de cellule, B) faire passer le fluide depuis les canaux d'une première structure de canal de plaque de cellule vers les canaux d'une deuxième structure de canal de plaque de cellule, C) distribuer le fluide depuis les canaux d'une deuxième structure de canal de plaque de cellule par l'intermédiaire de passages sur un côté anode d'un ensemble membrane-électrodes, D) ioniser le fluide du côté anode de l'ensemble membrane-électrodes, E) faire passer le fluide ionisé à travers une membrane d'échange de protons de l'ensemble membrane- électrodes, ce qui comprime le fluide, et E) recueillir le fluide comprimé d’un côté cathode de l'ensemble membrane-électrodes. Les avantages de ce procédé pour le fonctionnement d'un compresseur à état solide et pour l'alimentation en fluide de travail du côté anode de l'ensemble membrane-électrodes en particulier sont déjà expliqués en détail en ce qui concerne les différentes modes de réalisation possibles de l'ensemble de plaque de cellule selon l'invention.
Le procédé peut comprendre l'étape consécutive de purge, dans laquelle les étapes A-F sont réalisées dans l'ordre inverse, éliminant ainsi les impuretés des structures de canal sur le côté anode de l'ensemble membrane-électrodes. Comme il a déjà été mentionné dans la discussion sur les différents modes de réalisation de l'ensemble de plaque de cellule, l'interconnexion des canaux individuels de la première structure de canal de plaque de cellule au moyen des canaux de la deuxième structure de canal de plaque de cellule améliore l'efficacité de la purge. En effet, les interconnexions permettent d'éliminer efficacement toute impasse ou cul-de-sac dans les canaux de la structure de canal interconnectée qui, autrement, emprisonneraient les impuretés présentes dans le fluide de travail. En raison de l'absence d'impasses, le retour du fluide de travail qui est accompli par la purge peut s'écouler dans une seule direction vers l'alimentation d'entrée (qui, pendant la purge, agit comme une décharge), entraînant ainsi avec elle toutes les impuretés accumulées dans les canaux du côté anode de l'ensemble membrane-électrode.
Afin d’expliquer davantage l'invention, des modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs sont décrits en référence aux figures, parmi lesquelles : la figure 1 montre une vue en perspective sur la première surface d'une première plaque de cellule d'un ensemble de plaque de cellule selon l'invention, La figure 2 montre une vue en perspective sur la première surface d'une deuxième plaque de cellule d'un ensemble de plaque de cellule selon l'invention, La figure 3 montre une section transversale d'un ensemble de plaque de cellule selon l'invention perpendiculaire à la première et à la deuxième surface de plaque de cellule, et Les figures 4a-4c montrent des représentations schématiques de différentes configurations possibles de structure de canal telles que prévues dans les plaques de cellule d'un ensemble de plaque de cellule selon l'invention.
Les figures représentent des modes de réalisation à titre d'exemples spécifiques de — l'invention et ne devraient pas être considérés comme limitant l'invention de quelque façon ou forme que ce soit. Tout au long de la description et des figures, les numéros de référence correspondants sont utilisés pour des éléments correspondants.
Un compresseur à état solide selon l'invention comprend un ensemble membrane- électrodes enfermé ou contenu entre un ensemble de plaque de cellule selon l'invention et une plaque de collecte de fluide pour former une cellule de compresseur. L'ensemble de plaque de cellule comprend une première plaque de cellule et une deuxième plaque de cellule, dans lequel la deuxième plaque de cellule est attenante au côté anode de l'ensemble membrane-électrodes. La cellule de compresseur est délimitée par deux plaques collectrices de courant qui forment une interface entre la première plaque de cellule et la plaque collectrice de fluide respectivement. Les plaques collectrices de courant servent de passage pour la connexion électrique des électrodes à une alimentation électrique. La cellule de compresseur est fixée sur les côtés opposés entre une enceinte qui maintient une pression sur l’empilement de cellules.
L'enceinte comprend deux brides qui sont reliées entre elles près de leurs bords périphériques par un ensemble de joints boulonnés formés par des boulons et des écrous.
Lafigure 1 montre une vue en perspective de la première surface 21 d'une première plaque de cellule 20 d'un ensemble de plaque de cellule selon l'invention.
La première plaque de cellule 20 est munie de multiples saillies 22 munies chacune d'évidements 23 qui peuvent s'enrouler autour de parties de cadre du boitier de compresseur, maintenant ainsi la première plaque de cellule 20 à un endroit fixe délimité par la deuxième plaque de cellule (voir la figure 3) et d'autres parties de la cellule de compresseur.
La première plaque de cellule 20 est en outre pourvue de sorties 24 pour les lignes d'alimentation du fluide de travail.
Les sorties 24 sont chacune connectées à un certain nombre de canaux 25 qui servent de subdivisions de la ligne d’alimentation.
Ces subdivisions 25 se transforment en de multiples canaux parallèles 26 qui forment ensemble la structure de canal 27 de la première plaque de cellule 20. Chacun des canaux 26 est ainsi formé par des évidements élongés prévus dans la première surface 21 de la première plaque de cellule 20. Dans la configuration illustrée, la structure de canal 27 comprend deux systèmes de canal séparés et interdigités 28, 29, chacun étant relié à une sortie différente de la ligne d'alimentation en fluide de travail 24. D'autres configurations de structure de canal sont cependant également possibles, comme le montrent plus en détail les figures 5a-c.
La figure 2 montre une vue en perspective de la première surface 31 d'une deuxième plaque de cellule 30 d'un ensemble de plaque de cellule selon l'invention.
Tout comme la première plaque de cellule 20, la deuxième plaque de cellule 30 est munie de multiples saillies 32 pourvues d'évidements 33 qui peuvent s'enrouler autour de parties de cadre du boitier de compresseur.
La deuxième plaque de cellule 30 est en outre pourvue de trous 34 pour le passage des lignes d'alimentation.
La deuxième plaque de cellule 30 comprend également de multiples canaux parallèles 35 qui, ensemble, forment la structure de canal 36 de la deuxième plaque de cellule 30. Chacun des canaux 35 est ainsi formé par des évidements élongés prévus dans la première surface 31 de la deuxième plaque de cellule 30. La distance mutuelle entre canaux successifs 35 de la deuxième structure de canal 36 de plaque de cellule est plus petite que la distance mutuelle entre canaux successifs 26 de la première structure de canal 27 de plaque de cellule. En outre, le nombre de canaux 35 dans la deuxième structure de canal de plaque de cellule 36 dépasse le nombre de canaux 26 dans la première structure de canal de plaque de cellule 27.
La figure 3 montre une section transversale d'un ensemble de plaque de cellule 40 selon l'invention perpendiculaire aux première et deuxième surfaces de plaque de cellule. L'ensemble de plaque de cellule 40 comprend une deuxième plaque de cellule 41 et une première plaque de cellule 42, dans lequel chacune des plaques de cellule 41, 42 est pourvue de sa propre structure de canal 43, 44. Les canaux 45 de la deuxième structure de canal de plaque de cellule (structure de canal de la deuxième plaque de cellule) 43 s'étendent perpendiculairement aux canaux 46 de la première structure de canal de plaque de cellule (structure de canal de la première plaque de cellule) 44. Les canaux 45,46 des deux structures de canal 43,44 s'étendent ainsi dans le plan de leurs plaques de cellule respectives 41,42. Les canaux 45,46 des deux structures de canal 43,44 sont interconnectés à leurs points d'intersection 47 pour créer un chemin d'écoulement continu pour le fluide de travail à fournir à l'ensemble membrane-électrodes. La deuxième plaque de cellule 41 comprend en outre un certain nombre de passages 48 reliant la structure de canal 43 à la deuxième surface 49 de la deuxième plaque de cellule 41, qui est attenante à la membrane. Une plaque collectrice de fluide 50 positionnée du côté cathode d'un ensemble membrane-électrodes voisin est également montrée. La plaque collectrice de fluide 50 est munie de trous 51 pour le transport du fluide de travail comprimé à loin de la cellule de compresseur.
Les figures 4a-4c montrent des représentations schématiques de différentes configurations possibles de structure de canal telles que prévues dans les plaques de cellule d'un ensemble de plaque de cellule selon l'invention. La figure 4a montre, comme pour la plaque de cellule représentée à la figure 2, une structure de canal 60 de la première plaque de cellule comprenant deux systèmes de canaux 61, 62 se contenant/s’imbriquant l'un dans l'autre, formant ainsi une structure de canal 60 interdigitée dans laquelle des canaux 63 qui se suivent font partie de différents systèmes de canal 61, 62 qui sont connectés à des alimentations de fluide séparées 64. Chacun des canaux 63 est ici en cul-de-sac. Cependant, comme les canaux 65 de la deuxième structure de canal de plaque de cellule 66 interconnectent les canaux séparés 63 de la première structure de canal de plaque de cellule 60 alternativement aux deux extrémités des premiers canaux de plaque de cellule 63, une semi configuration de contournement est obtenue pendant la purge. La figure 4b montre une autre configuration avec des canaux en cul-de-sac 67de la première structure de canal de plaque de cellule 68. Cette fois, tous les canaux 67 font partie d'un système à canal unique relié à une seule alimentation en fluide 69. Cependant, tout comme pour la configuration illustrée sur la figure 5b, les canaux 70 de la deuxième structure de canal 71 de la plaque de cellule relient les canaux séparés 67 de la première structure de canal 68 de plaque de cellule.
Enfin, la figure 4c montre une configuration de canal dans laquelle la première structure de canal de plaque de cellule 72 comprend un système de canal unique et continu, dont les canaux 73 sont, à leurs extrémités opposées, reliés à des lignes d'alimentation séparées 74. La première structure de canal de plaque de cellule 72 forme ainsi une configuration de contournement. Là encore, les canaux 73 de la première structure de canal de plaque de cellule 72 sont interconnectés par les canaux 75 de la deuxième structure de canal de plaque de cellule 76.

Claims (15)

Revendications
1. Ensemble de plaque de cellule pour être attenant à un côté anode d'un ensemble membrane-électrodes d'un compresseur à état solide, comprenant : - une première plaque de cellule ayant une première structure de canal incorporée dans celle-ci comprenant des canaux multiples s'étendant sur au moins une partie de la plaque de cellule et s'étendant parallèlement à une première surface de la plaque de cellule, et - une deuxième plaque de cellule comprenant une première surface en interface avec la première surface de la première plaque de cellule et ayant une deuxième structure de canal incorporée dans celle-ci comprenant des canaux multiples s'étendant sur au moins une partie de la plaque de cellule et s'étendant parallèlement à la première surface de la plaque de cellule, dans lequel les canaux des structures de canal respectives sont interconnectés au niveau des surfaces en interface des première et deuxième plaques de cellules et dans lequel la deuxième plaque de cellule comprend un certain nombre de passages reliant la deuxième structure de canal qui y est incorporée à une deuxième surface de la deuxième plaque de cellule opposée à la première surface de la deuxième plaque de cellule, dans lequel les canaux incorporés dans la deuxième plaque de cellule forment un angle avec les canaux incorporés dans la première plaque de cellule.
2. Ensemble de plaque de cellule selon la revendication 1, dans lequel les canaux de la deuxième structure de canal s'étendent sensiblement perpendiculairement aux canaux de la première structure de canal.
3. Ensemble de plaque de cellule selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les canaux de la première structure de canal ont un diamètre supérieur à celui des canaux de la deuxième structure de canal.
4. Ensemble de plaque de cellule selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel l'espacement entre des canaux qui se suivent de la deuxième structure de canal est inférieur à l'espacement entre des canaux qui se suivent de la première structure de canal.
5. Ensemble de plaque de cellule selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la première structure de canal de plaque de cellule est connectée à une ligne d'alimentation pour alimenter un fluide de travail dans les canaux de ladite structure de canal.
6. Ensemble de plaque de cellule selon la revendication 5, dans lequel la première structure de canal de plaque de cellule est connectée à au moins deux lignes d'alimentation séparées, chacune étant connectée à des extrémités différentes, et de préférence opposées, de la structure de canal.
7. Ensemble de plaque de cellule selon la revendication 6 dans lequel la première structure de canal de plaque comprend deux systèmes de canal séparés, chacun étant connecté à une ligne différente des lignes d'alimentation séparées, dans lequel les canaux des systèmes de canal séparés sont en cul-de-sac.
8. Ensemble de plaque de cellule selon la revendication 7, dans lequel les canaux des systèmes de canal séparés se contiennent les uns dans les autres, formant ainsi une structure de canal interdigitée dans laquelle des canaux qui se suivent font partie de systèmes de canal différents.
9. Ensemble de plaque de cellule selon la revendication 7, dans lequel la structure de canal comprend un système de canal unique et continu, dont les canaux sont connectés à leurs extrémités opposées à des lignes d'alimentation séparées.
10. Ensemble de plaque de cellule selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les structures de canal des première et deuxième plaques de cellule sont formées par des évidements élongés prévus dans la première surface de la deuxième plaque de cellule et respectivement la première surface de la première plaque de cellule.
11. Première plaque de cellule pour utilisation dans un ensemble de plaque de cellule selon l'une quelconque des revendications précédentes.
12. Première plaque de cellule selon la revendication et/ou deuxième plaque de cellule pour utilisation dans un ensemble de plaque de cellule selon l'une quelconque des revendications 1à 10.
13. Compresseur à état solide pour comprimer électrochimiquement un fluide, comprenant un ensemble membrane-électrodes contenue entre un ensemble de plaque de cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 et une plaque de collecte de fluide, dans lequel un côté anode de l'ensemble membrane-électrodes fait face vers la deuxième surface de la deuxième plaque de cellule de l'ensemble de plaque de cellule et un côté cathode de l'ensemble membrane-électrodes fait face vers la plaque de collecte de fluide.
14. Procédé pour faire fonctionner un compresseur à état solide selon la revendication 13, comprenant les étapes suivantes : A) alimenter d'un fluide par l'intermédiaire d'une ligne d'alimentation vers les canaux d'une première structure de canal de plaque de cellule, B) faire passer le fluide des canaux d'une première structure de canal de plaque de cellule aux canaux d'une deuxième structure de canal de plaque de cellule, C) distribuer le fluide des canaux d'une deuxième structure de canal de plaque de cellule par des passages sur un côté anode d'un ensemble membrane-électrodes, D) ioniser le fluide du côté anode de l'ensemble membrane-électrodes , E) faire passer le fluide ionisé à travers une membrane d'échange de protons de l'ensemble membrane-électrode, ce qui comprime le fluide, et F) recueillir le fluide comprimé sur un côté cathode de l'ensemble membrane-électrodes, comprenant de préférence l'étape consécutive de purge.
15. Procédé pour faire fonctionner un compresseur à état solide selon la revendication 14, dans lequel les étapes À à F sont effectuées dans l'ordre inverse, éliminant ainsi des impuretés des structures de canal sur le côté anode de l'ensemble membrane-électrodes.
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