CH410081A - Collecteur de courant électrique pour cellule à combustible - Google Patents

Description

Collecteur de courant electrique pour cellule ä combustible La presente invention a pour objet un collecteur de courant electrique pour cellule ä combustible.

Ort peut consid6rer une cellule ä combustible comme une cellule galvanique Primaire, la r6action de Base 6tant 1'oxydation electrochimique d'un com- bustible. Les cellules ä combustibles different toute- fois des cellules primaires ordinaires, par exemple dune eile seche du type Leclanche, en ce que 1e combustible et 1'oxydant sont generalement introduits de fa@on continue dans les 61ectrodes de la cellule Pendant la production de courant. Dans les cellules ä combustible, les electrodes et 1'electrolyte main- tiennent thdoriquement des conditions constantes Pendant que 1e combustible et 1'oxydant r6agissent electrochimiquement et que de 1'6lectricit@ et 1e pro- duit de reaction sont retir6s de la cellule.

0n a propose jusqu'ici de nombreuses construc- tions de cellule ä combustible et chacune s'accompa- gnait de problemes particuliers. Dans les cellules ä combustible presentant des 61ectrodes plates empil6es, 1e Probleme important est d'obtenir un bon contact electrique intercellulaire.

Un courant uniforme doit etre maintenu sans masquer une grande Partie de la surface active de 1'electrode et saus interferer avec la distribution du gaz dans tout 1e compartiment de gaz. Si une trop grande surface de 1'6lectrode est masquee par 1e col- lecteur, 1e gaz arrivant ä la cellule West pas unifor- mement distribu6 Sur la surface de 1'6lectrode, ce qui produit des diff6rences de Pression qui noient et submergent 1'electrode. Quand cela se produit, les ions form6s par la r6action cellulaire ne peuvent s'6chapper facilement de la zone de r6action et 1e rendement de la cellule tombe. Cette accumulation des ions Jans la zone de r6action et la diminution r6sultante du rendement de la cellule constituent ce qu'on appelle la Polarisation de concentration .

Un autre Probleme qui se rencontre dans de telles cellules ä combustible est celui relatif ä la chaleur produite Jans la cellule Pendant son fonctionnement et qui doit etre produite et 6liminee dune fa@on uni forme. Si la production ou la conduction de la cha- leur n'est pas uniforme, 1'61ectrode peut etre endom- mag6e, notamment par condensation dans les zones les plus froides et par surchauffes locales et fusion de 1'agent assurant 1'6tanch6it6 ä 1'humiditd.

Bien qu'il soit possible d'6tablir initialement un bon contact 6lectrique avec les collecteurs de courant connus, il est extremement difficile deRTI ID="0001.0268" WI="15" HE="3" LX="1690" LY="1921"> maintenir ce bon contact Sur toute la surface de 1'6lectrode Pen dant 1e fonctionnement de la cellule. Cela est sp6- cialement vrai Jans les cellules ä combustible com- portant des 61ectrodes plates. 0n a trouve par exem- ple que la chaleur produite par les r6actions cellulai- res et les diff6rences d'expansion thermique entre les 6lectrodes et leurs cadres de Support peuvent courber de 1,6 mm des electrodes plates de 9,3 dm2. 11 est Evident que cette courbure produit ordinaire- ment une separation de 1'6lectrode et du collecteur de courant.

Le but principal de 1'invention est de fournir un collecteur de courant pour une cellule ä combustible qui resolve efficacement ces problemes.

Le collecteur faisant 1'objet de 1'invention est caract6ris6 en ce qu'il comprend un Plateau 61ectri- quement conducteur comportant Sur l'une au moins de ses faces des organes de contact elastiques elec- triquement conducteurs destines ä etre comprimes contre une electrode adjacente lorsque 1e Plateau est monte dann la cellule, de maniere ä constituer des connexions electriques entre 1'electrode et 1e Plateau.

En disposant dune multiplicite d'organes elasti- ques collecteurs de courant qui sont deformes de mani@re que leurs forces elastiques s'exercent contre 1'electrode, an obtient un bon contact avec 1'elec- trode tont en ne couvrant qu'une surface relative- ment faible de celle-ci. Ort peut arriver ainsi ä une distribution uniforme du gaz sur la surface de 1'elec- trode tout en minimisant la resistance interne de la cellule et la Polarisation d'electrode, et obtenir une repartition du courant et un transfert de chaleur uniformes. En outre, comme les organes elastiques sont comprimes de fagon que leurs forces elastiques s'exercent contre 1'electrode, 1e contact avec cette derniere est continuellement maintenu, meine quand 1'electrode est distordue et courbee ou lorsque la cellule est secouee ou comprimee et ensuite relächee. De plus, les organes elastiques 6tant flexibles et pou- vant etre deformes ou comprimes ä des degres divers, ils peuvent etre utilises pour maintenir un contact continu avec les surfaces des electrodes qui sont courbees ou de forme irreguliere. Enfin, les organes elastiques augmentent considerablement la resistance de la cellule aux chocs ; en Fait, an a trouve que 1e collecteur amortit efficacement des chocs qui cause- raient normalement la rupture de 1'electrode.

Le dessin annexe represente, ä. titre d7exem- ple, cinq formes d'execution du collecteur objet de 1'invention.

La fig. 1 est une vue en perspective de la Pre miere forme d'execution ; la fig. la est une coupe, ä plus Brande echelle, selon <I>la-la</I> de la fig. 1 ; la fig. 2 est une coupe en perspective dune cel- lule comprenant cette forme d'execution ; la fig. 3 est une vue de face de la seconde forme d'execution ; ' la fig. 3a est une vue laterale correspondant ä la fig. 3 ; la fig. 4 est une vue de face de la troisieme forme d'execution ; la fig. 4a est une vue par-dessus correspondant ä la fig. 4 ; la fig. 5 est une vue en perspective de la qua- trieme forme d'execution, et la fig. 6 est une vue en perspective de la cin- quieme forme d'execution.

Le collecteur represente aux fig. 1 et la com- prend des petits ressorts metalliques helicoidaux 10 fixes ä la surface d'un Plateau plein 12 constituant une barriere pour les gaz, la fixation pouvant se faire par une soudure parRTI ID="0002.0275" WI="10" HE="4" LX="725"LY="2481"> points. La construction representee ä la fig. 1 convient pour une cellule com- portant des electrodes plates empilees telt_e que la cellule representee ä la fig. 2. Cette cellule comprend des electrodes 14 constituees par des Plaques de carbone poreux, montees dans des rainures espacees taillees Jans la surface interne dune boite 16 non conductrice. Les organes constituant 1e collecteur de courant sont montes entre des paires d'electrodes adjacentes, les plateaux 12 impermeables aux gaz etant paralleles aux electrodes 14. Les espaces entre deux electrodes 14 dune paire d'electrodes sont rem- plis d'un electrolyte conventionnel 18 qui peut etre sous forme dune gelee.

Quand la cellule de la fig. 2 fonctionne, un com- bustible gazeux, de 1'hydrogene par exemple, et un gaz oxydant, de 1'oxygene par exemple, sont amenes dans la cellule sur les cötes opposes de chaque Pla teau 12 qui separe donc 1e gaz combustible du gaz oxydant. Les gaz passent Jans les electrodes poreu- ses 14 oü ils reagissent avec 1'electrolyte pour pro- duire de 1'electricite. Le courant electrique rAultant est recueilli depuis les electrodes par les ressorts conducteurs 10 et envoye dans un circuit externe de charge.

La largeur des espaces entre les plateaux 12 et les electrodes 14 dans la cellule de la fig. 2 doit etre inferieure ä la longueur libre des ressorts 10 afin que ces derniers soient comprimes. Les forces elastiques des ressorts 10 s'exercent alors contre les surfaces actives des electrodes dans une direction pratiquement normale aux Plans des surfaces des dlectrodes. En general, la Pression des ressorts con- tre la surface des electrodes doit etre suffisante pour assurer un bon contact electrique et les ressorts doi- vent couvrir moins de 5 % de la surface de chaque electrode. Dans 1e cas des ressorts 10, ces exigences sont facilement observees parce que les ressorts 10 sont en contact avec les electrodes 14 essentiellement par des points. Ainsi la surface des electrodes cou- verte par les ressorts 10 est pratiquement negligea- ble et des forces elastiques relativement faibles sont suffisantes pour obtenir la Pression requise.

Les ressorts 10 peuvent etre en cuivre, en nickel, en acier inoxydable ou en tout autre metal conduc- teur. Pour favoriser 1e montage, les ressorts 10 sont avantageusement constitues par des Parties d'un fil metallique continu qui est fixe au Plateau 12 par une I> soudure par points. La structure elastique continue resultante constitue une couche elastique et maintient un bon contact avec les electrodes, quels que soient les deplacements qui se produisent entre les plateaux 12 et les dlectrodes 14. Un Plateau 12 et une electrode 14 peuvent eire deplaces, par exem- ple, de fa@on ä se rapprocher ou ä s'eloigner 1'un de 1'autre, et peuvent meine basculer 1'un par rap- port ä 1'autre sans rompre 1e contact entre les ressorts 10 et 1'electrode 14. 11 est evident que plus les deplacements possibles sont Brands, plus 1e degre de compression des ressorts 10 doit etre eleve. La structure ä ressorts permet egalement une distribu- tion completement uniforme des gaz sur les surfaces des electrodes. Les ressorts sont de preference espa- ces uniformement sur toute la surface dune electrode, les intervalles pouvant eire de 1,3 cm ou moins, mais des espacements irréguliers sont acceptables dans la plupart des cas.

Le collecteur représenté aux fig. 3 et 3a com prend un plateau collecteur conducteur 30 compor tant des languettes 32 estampées et ensuite soudées par points à un plateau 12 constituant une barrière imperméable aux gaz. Quand cet assemblage est introduit dans une cellule telle que celle représentée à la fig. 2, les extrémités des languettes élastiques 32 sont pressées contre la surface de l'électrode avec une pression suffisante pour comprimer ou déformer ces languettes 32 en direction du plateau 30. Les forces élastiques des languettes 32 s'exercent donc contre la surface de l'électrode, produisant un contact flexible du même genre que celui assuré par les res sorts de la première forme d'exécution. Les extré mités des languettes sont de préférence effilées afin de concentrer les forces élastiques sur la surface de l'électrode, pour mieux assurer un contact continu. Cependant, on peut utiliser des languettes de for mes différentes, par exemple rectangulaires ou tra pézoïdales.

Le collecteur représenté aux fig. 4 et 4a com prend des rubans métalliques flexibles 40 présentant alternativement des élévations 42 et des dépressions 44 et soudés par points à un plateau 12 constituant une barrière pour les gaz. Les élévations 42 des rubans 40 sont pressées contre la surface de l'élec trode avec une pression suffisante pour comprimer ou déformer les élévations 42 vers le plateau 12, de sorte que les forces élastiques résultantes sont exer cées normalement contre la surface de l'électrode. On obtient un contact flexible avec l'électrode du même type que précédemment. Les élévations 42 des rubans métalliques peuvent avoir toute forme dési rée, les extrémités externes des élévations étant de préférence plus étroites que leurs bases sur la sur face du plateau 12.

Le collecteur représenté à la fig. 5 comprend des rubans 50 de laine métallique conductrice qui sont soudés par points à la surface d'un plateau 12 cons tituant une barrière pour les gaz. Dans ce cas, les fibres ou les brins de laine métalliques individuels qui sont en contact avec la surface de l'électrode constituent des collecteurs de courant élastiques. Quand la laine métallique est comprimée, les fibres métalliques individuelles sont courbées de manière que leurs forces élastiques s'exercent contre les élec trodes. Il est évident que les fibres métalliques de la laine doivent constituer un circuit les unes avec les autres de manière que les rubans de laine présentent une bonne conductivité totale. Comme le gaz envoyé sur une électrode peut passer à travers les interstices de la laine métallique, une seule feuille de laine peut être placée en travers de toute la surface de chaque électrode si on le désire.

Le collecteur représenté à la fig. 6 est constitué par un treillis 60 de fils métalliques soudé par points à la surface d'un plateau 12 constituant une bar- rière pour les gaz. Les fils faisant saillie et en contact avec la surface de l'électrode constituent des collec teurs de courant élastiques. Quand le treillis est com primé, les parties en saillie sont aplaties, de sorte que leurs forces élastiques résultantes s'exercent à nouveau contre l'électrode.

Le collecteur décrit est construit de préférence pour être en contact avec l'électrode en plusieurs points sur toute la surface de l'électrode afin de minimiser les effets de résistance de cette dernière. Le courant électrique, dans toutes les formes d7exé- cution décrites, ne doit se déplacer que d'une dis tance relativement courte à travers l'électrode avant d'atteindre un organe conducteur à faible résistance.

On a assemblé un certain nombre de cellules de structure identique mais avec des collecteurs diffé- rents. Dans chaque cas, l'électrolyte était de l'hydro xyde de potassium KOH, le combustible de l'hydro gène, l'oxydant de l'oxygène, et les électrodes étaient des plaques planes de 12,7 X 15,2 cm espacées de 1,6 mm. Dans une cellule, le collecteur de courant était constitué par un fil conducteur soudé autour de la périphérie de chaque électrode. Dans une seconde cellule, on utilisait le collecteur représenté à la fig. 1 et dans une troisième cellule le collecteur représenté à la fig. 6. La résistance interne de ces cellules a été mesurée : la cellule avec le collecteur périphéri que présentait une résistance de 15 milliohms, tan dis que les cellules avec les collecteurs à ressorts et à mailles présentaient des résistances de 2 à 4 milliohms.

Le collecteur décrit, outre qu'il abaisse les pertes par résistance, améliore la performance électrochi mique par une distribution plus uniforme du cou rant. Une comparaison de la polarisation cellulaire avec une charge de 10 ampères assurant une den sité de courant de 538 amp/m2 illustre ce point. La cellule comportant des collecteurs périphériques donnait une tension de 0,82 volt, contre 0,91 volt à la cellule avec le collecteur à ressorts et 0,84 volt à la cellule avec le treillis collecteur. Une autre com paraison a été faite en modifiant les collecteurs de courant sur une même cellule. Quand cette cellule était équipée du collecteur périphérique, elle donnait une tension de 0,845 volt sur une charge de deux ampères et environ 0,75 volt sur une charge de cinq ampères. Après retrait du collecteur et son remplacement par le collecteur à ressorts de la fig. 1, la cellule donnait une tension de 0,97 volt à deux ampères et 0,90 volt à cinq ampères. Cette amé lioration dans la répartition du courant est ainsi très apparente même dans une cellule simple.

Claims (8)

1. REVENDICATION Collecteur de courant électrique pour cellule à combustible, caractérisé en ce qu'il comprend un pla teau électriquement conducteur comportant sur l'une au moins de ses faces des organes de contact élasti ques électriquement conducteurs destinés à être com- primés contre une électrode adjacente lorsque le pla teau est monté dans la cellule, de manière à consti tuer des connexions électriques entre l'électrode et le plateau. SOUS-REVENDICATIONS 1. Collecteur selon la revendication, caractérisé en ce que lesdits organes élastiques sont constitués par des ressorts fixés au plateau.
2. 2. Collecteur selon la revendication, caractérisé en ce que lesdits organes élastiques sont constitués par des languettes estampées dans le plateau et s'étendant vers l'extérieur depuis la surface de ce dernier.
3. 3. Collecteur selon la revendication, caractérisé en ce que lesdits organes élastiques sont constitués par des rubans métalliques ondulés fixés au plateau et présentant des parties alternées élevées et abaissées.
4. 4. Collecteur selon la revendication, caractérisé en ce que lesdits organes élastiques sont constitués par au moins un ruban de laine métallique fixé au plateau.
5. 5. Collecteur selon la revendication, caractérisé en ce que lesdits organes élastiques sont constitués par un treillis métallique ondulé fixé au plateau.
6. 6. Collecteur selon la revendication, caractérisé en ce que lesdits organes élastiques sont agencés pour entrer en contact avec moins de 5 % de la surface de l'électrode.
7. 7. Collecteur selon la revendication, caractérisé en ce que ledit plateau est agencé de manière à constituer une barrière étanche aux gaz dans la cel lule à combustible.
8. 8. Collecteur selon la revendication, caractérisé en ce que ledit plateau est fixé à une surface d'un organe agencé de manière à constituer une barrière étanche aux gaz dans la cellule à combustible.