LU87444A1 - FERROUS FUEL MATERIAL FOR A FUEL CELL ELEMENT AND METHOD OF USING THE SAME - Google Patents
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Description
Λ “7 / T. ΙΑ GRAND-DUCHÉ DE LUXEMBOURGΛ “7 / T. ΙΑ GRAND-DUCHY OF LUXEMBOURG
Brevet N° O.......·...........TT..........J * * , BL 4211Patent N ° O ....... · ........... TT .......... J * *, BL 4211
Monsieur le Ministre du ........31.......levier.......198_9 l’Économie et des Classes Moyennes T.„ ,, ^3 Service de la Propriété IntellectuelleMinister of ........ 31 ....... leverage ....... 198_9 Economy and the Middle Classes T. „,, ^ 3 Intellectual Property Service
...................................- ! ip) LUXEMBOURG...................................-! ip) LUXEMBOURG
Demande de Brevet d’invention ..........................................-..............-....................................—...................—---------------------------—........................... (1) I. RequêtePatent Application ..........................................-. .............-.................................... —...................—---------------------------—. .......................... (1) I. Request
Centre de Recherches Métallurgiques-Centrum voor Research ^ 2) in de Metallurgie, Association sans but lucratif-Vereniging zonder winstoogmerk...........277........rue......Montoyér......I-IÖ'4'Ö-......BKÖXSEEES...........................................Metallurgical Research Center-Centrum voor Research ^ 2) in de Metallurgie, Association non-profit-Vereniging zonder winstoogmerk ........... 277 ........ rue ...... Montoyér ...... I-IÖ'4'Ö -...... BKÖXSEEES ............................ ...............
....Rep.r..é.s..en.t.é......par.........;................FREYLINGER.......&......E........MEYERS.......Ing.„.........cons. en ( 3) P. î................4.6..,.........rue.......du......Cimetière....... LUXEMBOURG Mandataires dépose(nt)ce Trente et un janvier mil neuf cent quatre vingt neuf ^ à...........f ........9.......heures, au Ministère de l’Économie et des Classes Moyennes, à Luxembourg: 1. la présente requête pour l’obtention d’un brevet d’invention concernant: .................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... ‘(5) "Matériau combustible ferreux pour un élément d'une pile à combustible et......son......procédé......3’'ûÜlIsationw..................................................................................................Represented by.........;.............. ..FREYLINGER ....... & ...... E ........ MEYERS ....... Ing. „......... cons. in (3) P. î ................ 4.6 .., ......... rue ....... du ..... .Cemetery ....... LUXEMBOURG Mandatories deposit (s) this Thirty-one January one thousand nine hundred eighty nine ^ at ........... f ........ 9. ...... hours, at the Ministry of the Economy and the Middle Classes, in Luxembourg: 1. this request for obtaining a patent of invention concerning: .......... .................................................. .................................................. .................................................. .................................................. .................................................. .................................................. .............................................. '(5) "Ferrous combustible material for an element of a fuel cell and ...... its ...... process ...... 3''ûÜlIsationw ............ .................................................. ................................
2. la description en langue .....fr.an.Sai se................................................................de l’invention en trois exemplaires; 3. ...............λ.........................................planches de dessin, en trois exemplaires; 4. la quittance des taxes versées au Bureau de l’Enregistrement à Luxembourg, le ......31........j anvier........1.9.8.3... ; 5. la délégation de pouvoir, datée de ................Br.UJie.lles................................-..... le .26..............janvier.......198 S..... ; 6. le document d’ayant cause (autorisation); déclare(nt) en assumant la responsabilité de cette déclaration, que l’(es) inventeur(s) est (sont): ( 6) MGNFGRT.......Guy.............117,........rue-Neuvice.............4.32.0......MONTEGNEE.............Belgique.................................2. description in language ..... fr.an.Sai se ................................. ............................... of the invention in triplicate; 3. ............... λ ................................ ......... drawing boards, in triplicate; 4. the receipt of the taxes paid to the Luxembourg Registration Office on ...... 31 ........ January i ........ 1.9.8.3 ...; 5. the delegation of power, dated ................ Br.UJie.lles .................... ............-..... on .26 .............. January ....... 198 S ..... ; 6. the successor document (authorization); declares (s) assuming responsibility for this declaration, that the inventor (s) is (are): (6) MGNFGRT ....... Guy ........... ..117, ........ rue-Neuvice ............. 4.32.0 ...... MONTEGNEE ............ .Belgium.................................
revendique(nt) pour la susdite demande de brevet la priorité d’une (des) demande(s) de ( 7) ............................brevet d'invention_______________déposée(s)en(8) Belgique................................................................................claims (s) for the above patent application the priority of one (s) request (s) of (7) ........................ .... invention patent _______________ registered in (8) Belgium .................................. ..............................................
le(9)_____________3 février 1988_______________________________ _______ _ sous le N° (10)_______________.................................................................................................................................................. .......................................................on (9) _____________ February 3, 1988_______________________________ _______ _ under N ° (10) _______________................................. .................................................. .................................................. ............. ..................................... ..................
au nom de (11) .......Ceu.tr,e......de......Re cher che s....Mâ.ta.l.l.ur.g.ig;u.e..s........................................................................................in the name of (11) ....... Ceu.tr, e ...... de ...... Re cher che s .... Mâ.ta.llur.g.ig; ue.s ............................................... .........................................
élit(élisent) domicile pour lui (elle) et, si désigné, pour son mandataire, à Luxembourg_____________________________________________________________________________ 46, rue du Cimetière _ _ ^ sollicite(nt) la délivrance d’un brevet d’invention pour l’objet décrit et représenté dans les annexes susmentionnées, avec ajournement de cette délivrance à.............................................................................................................................................................................. ............mois. (13)elect (elect) domicile for him / her and, if designated, for his / her representative, in Luxembourg_____________________________________________________________________________ 46, rue du Cimetière _ _ ^ request (s) the grant of a patent for the invention for the object described and represented in the above-mentioned annexes, with postponement of this issue to ........................................ .................................................. .................................................. .................................. ............ months. (13)
Le déposant / mandatera:............................. ............. .................................................................................................................................... ........................... (14) yf I Π. Procès-verbal de DepotThe depositor / mandate: ............................. ............. ... .................................................. .................................................. ............................. ..................... ...... (14) yf I Π. Depot Minutes
La susdite-déinande de brevet d’invention a été déposée au Ministère de l’Économie et des Classes Moyennes, Service de la Propriété Intell^we^^chxOTibourg, en date du: 3^ janvier 1989 />♦ \ \ (.? \ ^ \ Pr. le Ministre de l’Économie et des Classes Moyennes, S f :5j /à.The aforementioned patent application has been filed with the Ministry of the Economy and the Middle Classes, Intellectual Property Service ^ we ^^ chxOTibourg, dated: January 3, 1989 /> ♦ \ \ (.? \ ^ \ Pr. The Minister of Economy and the Middle Classes, S f: 5d / a.
’ ^ '"^^0 /« / Le chef du servie^! la propriété intellectuelle, V*3s.. ,-#/7 / y A 68007_1^1' ~_/ / _ EXPLICATIONS RELATIVES AU FORMULAIRl’ttETJfî'OT. / (l) s'il y a lieu "Demande de certificat d’addition au brevet principal, à la demande de brevet principal No.... ./f.. .l./ûu........"-(2) inscrire les nom. prénom, profession, fi . A adresse du demandeur, lorsque celui-ci est un particulier ou les dénomination sociale, forme juridique, adresse dirsiège Ucial, lorsque le demandeur est une personne morale - (3) inscrire rii) 4 γΛ nom, prénom, adresse du mandataire agréé, conseil en propriété industrielle, muni d'un pouvoir spécial, s’il y a lieu, représenté par............agissant en qualité de mandataire” I f U i. / / -(4) date de dépôt en toutes lettres - (5) titre de l'invention - (6) inscrire les noms, prénoms, adresses des inventeurs ou l’indication "(voir) désignation séparée (suivra)”, lorsque la dési gnation se fait ou se fera dans un document séparé, ou encore l’indication "ne pas mentionner", lorsque l'tnventeursigne ou signera un document de non-mentton à joindre à une désignation 9 1 · BL 4211'^' "^^ 0 /" / The head of the service ^! Intellectual property, V * 3s .., - # / 7 / y A 68007_1 ^ 1 '~ _ / / _ EXPLANATIONS RELATING TO THE FORM l'ttETJfî'OT . / (l) if applicable "Request for certificate of addition to the main patent, to main patent application No .... ./f .. .l. / ûu ....... . "- (2) enter the surname, first name, profession, fi. Address of the applicant, when the latter is an individual or company name, legal form, address dirsiège Ucial, when the applicant is a legal person - (3 ) enter rii) 4 γΛ surname, first name, address of the professional representative, industrial property attorney, with special powers, if any, represented by ............ acting quality of representative ”I f U i. / / - (4) date of filing in full - (5) title of the invention - (6) enter the names, first names, addresses of the inventors or the indication" (see ) separate designation (will follow) ”, when the designation is or will be made in a separate document, or the indication" do not not mention ", when the inventor signs or signs a non-mentton document to be attached to a designation 9 1 · BL 4211
Revendication de la priorité de la demande de brevet déposée en Belgique le 3 février 1988 No 08800128 Mémoire descriptif déposé à l'appui d’une demande de brevet d1 invention pour : "Matériau combustible ferreux pour un élément d'une pile à combustible et son procédé d'utilisation"Claim to the priority of the patent application filed in Belgium on February 3, 1988 No 08800128 Descriptive memorandum filed in support of a patent application for invention: "Ferrous combustible material for an element of a fuel cell and its process of use "
Centre de Recherches Métallurgiques Centrum voor Research in de MetallurgieMetallurgical Research Center Centrum voor Research in de Metallurgie
Association sans but lucratif Vereniging zonder winstoogmerk 47, rue Montoyer 1040 BRUXELLES Belgique - 1 -Non-profit association Vereniging zonder winstoogmerk 47, rue Montoyer 1040 BRUXELLES Belgium - 1 -
JJ
Matériau combustible ferreux pour un élément d'une pile à combustible et son procédé d'utilisation.Ferrous combustible material for an element of a fuel cell and its method of use.
La présente invention concerne un matériau combustible ferreux pour un élément d'une pile à combustible, ainsi que son procédé d'utilisation.The present invention relates to a ferrous combustible material for an element of a fuel cell, as well as its method of use.
Une pile à combustible est un générateur électrique d'un type particu-5 lier, dans lequel la production de courant électrique est réalisée à partir de réactions chimiques impliquant la consommation d'un matériau servant de combustible. Le principe de telles piles est connu depuis longtemps. Parmi les nombreux développements auxquels ce principe a donné naissance, la pile à combustible dite "redox" s'est avérée 10 particulièrement intéressante, en raison de la possibilité d'utiliser des électrodes inertes, ce qui évite généralement l'emploi de catalyseurs coûteux et dont la durée de vie est limitée. Dans ce type de pile, le courant électrique est produit par des réactions de réduction d'une part et d'oxydation d'autre part, dans lesquelles est engagé au 15 moins un métal présentant plusieurs états électroniques différents.A fuel cell is an electric generator of a particular type, in which the production of electric current is carried out from chemical reactions involving the consumption of a material serving as fuel. The principle of such batteries has been known for a long time. Among the numerous developments to which this principle has given rise, the so-called "redox" fuel cell has proved to be particularly advantageous, because of the possibility of using inert electrodes, which generally avoids the use of expensive and expensive catalysts. whose lifespan is limited. In this type of cell, the electric current is produced by reduction reactions on the one hand and oxidation reactions on the other hand, in which is engaged at least one metal having several different electronic states.
Le coût global d'une pile à combustible dépend notamment du métal sur lequel est basé le fonctionnement de la pile. A cet égard, une pile à combustible redox au fer est réellement intéressante, en raison du 20 prix peu élevé des réactifs utilisés.The overall cost of a fuel cell depends in particular on the metal on which the operation of the cell is based. In this respect, an iron redox fuel cell is really attractive, because of the low cost of the reagents used.
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Dans La présente demande, on appelle "pile redox au fer" une pile à combustible dans laquelle le fer est utilisé au moins dans le compartiment anodique.In the present application, a "fuel redox cell" is a fuel cell in which the iron is used at least in the anode compartment.
5 Une pile redox au fer est constituée de deux compartiments séparés par une membrane échangeuse d'ions de type cationique. Dans un des compartiments, qui constitue la cathode de la pile, se produit une reaction de réduction de Fe en Fe , tandis que l'autre comparti ment, ou anode, est le siège d'une réaction d'oxydation de Fe++en +++ 10 Fe . Les deux compartiments sont reliés à un circuit extérieur d'utilisation, qui est ainsi parcouru par un courant électrique aussi longtemps que les deux réactions peuvent se dérouler dans la pile. Pour assurer la poursuite de ces réactions et par conséquent la persistance du courant électrique, il est nécessaire de régénérer les 15 solutions utilisées au fur et à mesure de la consommation des substances réactives.5 An iron redox battery consists of two compartments separated by a cation-type ion exchange membrane. In one of the compartments, which constitutes the cathode of the cell, a reaction of reduction of Fe into Fe takes place, while the other compartment, or anode, is the seat of an oxidation reaction of Fe ++ in +++ 10 Fe. The two compartments are connected to an external use circuit, which is thus traversed by an electric current as long as the two reactions can take place in the cell. In order to ensure the continuation of these reactions and therefore the persistence of the electric current, it is necessary to regenerate the solutions used as the reactive substances are consumed.
Dans ce type de pile à combustible, cette régénération est généralement réalisée par voie purement chimique, dans des réacteurs 20 distincts de la pile proprement dite.In this type of fuel cell, this regeneration is generally carried out purely by chemical means, in reactors 20 distinct from the cell itself.
Il est de pratique courante d'opérer la régénération de la solution cathodique au moyen d'oxygène; cette opération peut être mise en oeuvre dans des conditions économiques satisfaisantes.It is common practice to regenerate the cathode solution using oxygen; this operation can be carried out under satisfactory economic conditions.
2525
En ce qui concerne la régénération de la solution anodique, il est connu d'effectuer cette opération en utilisant de l'hydrogène ou du carbone. Toutefois, la réaction de réduction de Fe+++ par l'hydrogène est lente, en raison du potentiel élevé du couple Fe /Fe ; elle 30 nécessite dès lors l'emploi d'un catalyseur, ce qui en augmente le coût. Par ailleurs, La régénération par le carbone requiert que l'opération se déroule à 150 - 200eC, et par conséquent sous pression, ce qui n'est pas favorable au point de vue économique.With regard to the regeneration of the anode solution, it is known to carry out this operation using hydrogen or carbon. However, the reduction reaction of Fe +++ by hydrogen is slow, due to the high potential of the Fe / Fe couple; it therefore requires the use of a catalyst, which increases the cost. Furthermore, carbon regeneration requires that the operation takes place at 150 - 200eC, and therefore under pressure, which is not favorable from an economic point of view.
35 La présente invention propose un matériau combustible inédit, qui permet de remédier aux inconvénients précités en assurant la régénération - 3 - rapide et économique de La solution anodique d'une pile à combustible au fer. Elle porte également sur un procédé d'utilisation de ce matériau combustible, sur une pile à combustible utilisant ce matériau ainsi que sur les applications d'une telle pile à combustible.The present invention provides a novel combustible material which overcomes the aforementioned drawbacks by ensuring rapid and economical regeneration of the anode solution of an iron fuel cell. It also relates to a method of using this combustible material, to a fuel cell using this material as well as to the applications of such a fuel cell.
55
Conformément à la présente invention, un matériau combustible pour un élément redox au fer d'une pile à combustible est caractérisé en ce qu'il est constitué, au moins en partie, par un foil de fer.According to the present invention, a combustible material for an iron redox element of a fuel cell is characterized in that it consists, at least in part, of an iron foil.
10 Par foil de fer il faut entendre, au sens de la présente invention, une feuille de fer mince, d'une épaisseur de préférence inférieure à 100 ^m, produite par tout moyen approprié tel que le laminage ou le dépôt électrolytique, et se trouvant sous une forme quelconque telle que rouleau, feuille plane ou froissée, déchets, chutes, etc.For the purposes of the present invention, the term “iron foil” is intended to mean a thin sheet of iron, preferably less than 100 μm thick, produced by any suitable means such as rolling or electroplating, and found in any form such as roll, flat or crumpled sheet, waste, scraps, etc.
1515
Selon une variante particulière, le foil est revêtu d'une couche d'une substance hygroscopique, telle qu'une gélatine; cette substance peut constituer une sorte d'éponge destinée à servir de réservoir pour la solution à régénérer; elle assure également un écartement des spires 20 de foil et dès lors un bon contact avec la solution,dans le cas où le foil se trouve sous forme de rouleau.According to a particular variant, the foil is coated with a layer of a hygroscopic substance, such as a gelatin; this substance can constitute a kind of sponge intended to serve as a reservoir for the solution to be regenerated; it also ensures a separation of the coils 20 of the foil and therefore good contact with the solution, in the case where the foil is in the form of a roll.
Selon une autre variante de l'invention, le foil est percé de trous et il est enroulé en rouleau, de préférence compact, de telle façon qu'au 25 moins une partie de ces trous communiquent d'une spire à l'autre.According to another variant of the invention, the foil is pierced with holes and it is wound in a roll, preferably compact, in such a way that at least part of these holes communicate from one turn to the other.
Comme on l'a indiqué plus haut, le foil de fer est utilisé, conformément à l'invention, pour assurer la régénération de la solution anodique dans une pi le à combustible au fer de type redox.As indicated above, the iron foil is used, in accordance with the invention, to ensure the regeneration of the anode solution in an iron fuel cell of the redox type.
3030
De façon connue, cette régénération consiste en une réduction du +++ ++As is known, this regeneration consists of a reduction in +++ ++
Fe , produit dans le compartiment anodique de la pile, en Fe qui est ensuite réintroduit dans ce compartiment anodique.Fe, produced in the anode compartment of the battery, into Fe which is then reintroduced into this anode compartment.
35 Selon un autre aspect de L'invention, un procédé d'utilisation de foil de fer dans une pile à combustible redox au fer est caractérisé en ce , » * - 4 - que L'on prélève une portion de La solution anodique de Ladite pile, en ce que l'on met cette portion de solution en contact avec ledit matériau combustible, en ce que l'on dissout ledit matériau combustible dans ladite portion de solution, en ce que l'on régénère 5 ladite portion de solution en réduisant au moins une partie des ions ferriques qu'elle contient et en ce que l'on réintroduit ladite portion de solution régénérée dans la pile à combustible.According to another aspect of the invention, a method of using iron foil in an iron redox fuel cell is characterized in that, * * - 4 - that a portion of the anodic solution of said is taken. cell, in that one puts this portion of solution in contact with said combustible material, in that one dissolves said combustible material in said portion of solution, in that one regenerates said portion of solution by reducing at least a portion of the ferric ions which it contains and in that said portion of regenerated solution is reintroduced into the fuel cell.
Ces opérations sont de préférence effectuées en continu, en faisant 10 circuler la solution successivement à travers le compartiment anodique de la pile à combustible et le réacteur de régénération contenant le foil de fer.These operations are preferably carried out continuously, by circulating the solution successively through the anode compartment of the fuel cell and the regeneration reactor containing the iron foil.
Selon l'invention, on dissout le foil de fer dans la solution à régé-15 nérer, en effectuant la réduction des ions ferriques de la solution au moyen du fer provenant du foi l, on provoque la précipitation des ions ferreux excédentaires et on élimine ledit précipité, afin de maintenir la concentration désirée en ions ferreux dans la solution.According to the invention, the iron foil is dissolved in the solution to be regenerated, by effecting the reduction of the ferric ions in the solution by means of iron from faith 1, the excess ferrous ions are precipitated and eliminated said precipitate, in order to maintain the desired concentration of ferrous ions in the solution.
20 Le précipité ainsi récupéré peut, à son tour, être utilisé pour fabriquer à nouveau du foil, par exemple par voie électrolytique.The precipitate thus recovered can, in turn, be used to manufacture the foil again, for example by electrolytic means.
Dans le cadre du présent procédé, on peut utiliser des solutions contenant n'importe quel sel de fer, pour autant que ce sel soit soluble 25 dans L'eau.In the context of the present process, solutions containing any iron salt may be used, provided that this salt is soluble in water.
Il s'est cependant avéré particulièrement intéressant d'utiliser des solutions de chlorures de fer.However, it has proved particularly advantageous to use solutions of iron chlorides.
30 Ces chlorures présentent en effet une très grande solubilité et ils permettent dès lors d'utiliser des solutions très concentrées. De plus, les ions chlore ont un effet dépassivant qui entraîne une accélération de la corrosion, c'est-à-dire de la dissolution du foil de fer.These chlorides indeed have a very high solubility and they therefore make it possible to use very concentrated solutions. In addition, the chlorine ions have a overriding effect which leads to an acceleration of corrosion, that is to say of the dissolution of the iron foil.
- 5 -- 5 -
Les solutions peuvent également contenir un ou plusieurs sels inertes, en particulier du NaCl. Une telle addition, limitée par exemple à 1 % en poids, a pour effet de réduire la résistance interne de la pile et d'augmenter la puissance électrique fournie par la pile.The solutions can also contain one or more inert salts, in particular NaCl. Such an addition, limited for example to 1% by weight, has the effect of reducing the internal resistance of the cell and of increasing the electric power supplied by the cell.
55
Un aspect supplémentaire de l'invention porte sur une pile à combustible pour la mise en oeuvre du procédé précité.A further aspect of the invention relates to a fuel cell for implementing the above method.
De façon connue, une telle pile comporte un compartiment cathodique, 10 un circuit de régénération de la solution cathodique, un compartiment anodique et un circuit de régénération de la solution anodique. Conformément à l'invention, une telle pile est en outre caractérisée en ce que le circuit de régénération de la solution anodique comporte un réacteur qui contient un matériau combustible constitué au moins en 15 partie par un foil de fer.In a known manner, such a cell comprises a cathode compartment, a circuit for regenerating the cathode solution, an anode compartment and a circuit for regenerating the anode solution. According to the invention, such a cell is further characterized in that the regeneration circuit of the anode solution comprises a reactor which contains a combustible material constituted at least in part by an iron foil.
Selon une variante avantageuse, ce circuit comporte également un dispositif de réglage de la teneur en fer de la solution anodique. Ce dispositif est de préférence un appareil de précipitation du fer excé-20 dentaire.According to an advantageous variant, this circuit also includes a device for adjusting the iron content of the anode solution. This device is preferably an apparatus for precipitating excess dental iron.
Les divers aspects de l'invention seront perçus plus clairement et l'invention pourra être mise en oeuvre plus aisément si l'on se réfère à la description plus détaillée qui va suivre. Cette description porte 25 sur une réalisation concrète de l'invention, donnée à titre d'exenple; elle est illustrée par les dessins annexés, dans lesquels la figure 1 rappelle le principe d'une pile à combustible redox; et la figure 2 représente une pile à combustible où la régénération de la solution anodique est assurée par le foil de fer, conformé-30 ment à la présente invention.The various aspects of the invention will be seen more clearly and the invention will be able to be implemented more easily if reference is made to the more detailed description which follows. This description relates to a concrete embodiment of the invention, given by way of example; it is illustrated by the appended drawings, in which FIG. 1 recalls the principle of a redox fuel cell; and FIG. 2 represents a fuel cell in which the regeneration of the anode solution is ensured by the iron foil, in accordance with the present invention.
Les figures 1 et 2 ne constituent bien entendu que des représentations schématiques, qui ne comprennent que les éléments directement nécessaires à la compréhension de l'invention. Des éléments identiques ou 35 analogues sont désignés par les mêmes repères numériques dans les deux figures. Enfin, les directions de circulation des fluides tels que les ' » * ' 1 - 6 - solutions, les gaz ou le courant électrique, ainsi que les sens des diverses réactions chimiques, sont indiqués par les flèches.Figures 1 and 2 are of course only schematic representations, which include only the elements directly necessary for understanding the invention. Identical or analogous elements are designated by the same reference numerals in the two figures. Finally, the directions of circulation of fluids such as' '*' 1 - 6 - solutions, gases or electric current, as well as the directions of the various chemical reactions, are indicated by the arrows.
On a représenté dans la figure 1 Le schéma d'une pile à combustible 5 redox de type connu, dont le fonctionnement repose sur les réactions d'oxydation et de réduction du fer.FIG. 1 shows the diagram of a redox fuel cell 5 of known type, the operation of which is based on the reactions of oxidation and reduction of iron.
La pile se compose essentiellement d'un compartiment cathodique 1, qui contient une solution riche en ions Fe+++, et un compartiment anodique 10 2, qui contient une solution riche en ions Fe++. Ces deux compartiments sont séparés par une membrane 3 échangeuse d'ions de type cationique. Une telle membrane ne laisse passer que des anions X ; elle empêche le mélange des solutions contenues dans les compartiments 1 et 2.The cell essentially consists of a cathode compartment 1, which contains a solution rich in Fe +++ ions, and an anode compartment 10 2, which contains a solution rich in Fe ++ ions. These two compartments are separated by a cation-exchange ion membrane 3. Such a membrane allows only X anions to pass; it prevents mixing of the solutions contained in compartments 1 and 2.
1515
Les électrodes 4, 5 qui ne servent que de collecteurs de courant, sont réalisées en un matériau bon conducteur de l'électricité, généralement en graphite. Il est préférable d'utiliser un feutre de graphite ou une mousse métallique afin d'augmenter la surface de réaction et ainsi la 20 puissance de la pile. Ces électrodes sont reliées à un circuit extérieur d'utilisation symbolisé par une lampe 6. .The electrodes 4, 5 which only serve as current collectors, are made of a material which is a good conductor of electricity, generally made of graphite. It is preferable to use a graphite felt or a metallic foam in order to increase the reaction surface and thus the power of the cell. These electrodes are connected to an external circuit of use symbolized by a lamp 6..
Au cours de la décharge d'une telle pile, le Fe+++ du compartiment cathodique 1 est réduit selon la réaction : +++ - ++ 25 Fe + e —Fe (1) tandis que le Fe du compartiment anodique 2 est oxydé suivant la réaction : _ ++ +++ —During the discharge of such a cell, the Fe +++ of cathode compartment 1 is reduced according to the reaction: +++ - ++ 25 Fe + e —Fe (1) while the Fe of anode compartment 2 is oxidized according to the reaction: _ ++ +++ -
Fe —► Fe + e (2).Fe —► Fe + e (2).
30 L'électron libéré à l'électrode 5 par la réaction (2) passe par le circuit extérieur et parvient à l'autre électrode 4 où il constitue l'électron nécessaire au déroulement de la réaction (1). La pile produit ainsi un courant électrique I utilisable sous une tension qui dépend des concentrations relatives des deux composants Fe++ et Fe+++ 35 dans chaque compartiment. La conservation de la neutralité de la charge électrique impose le passage d'un courant ionique dans La - 7 - solution; ce courant est produit par la migration d'anions X à travers la membrane échangeuse 3.The electron released to electrode 5 by reaction (2) passes through the external circuit and arrives at the other electrode 4 where it constitutes the electron necessary for the progress of reaction (1). The cell thus produces an electric current I usable at a voltage which depends on the relative concentrations of the two components Fe ++ and Fe +++ 35 in each compartment. The conservation of the neutrality of the electric charge requires the passage of an ion current in the solution; this current is produced by the migration of X anions through the exchange membrane 3.
. Au fur et à mesure que les réactions progressent, la concentration en 5 Fe++ augmente dans le compartiment 1 et la concentration en Fe+++ augmente dans le compartiment 2. Lorsque le rapport des concentrations Fe /Fe est égal dans les deux compartiments, la tension électrique devient nulle, les réactions s'arrêtent et le courant électrique cesse de circuler dans le circuit extérieur.. As the reactions progress, the concentration of 5 Fe ++ increases in compartment 1 and the concentration of Fe +++ increases in compartment 2. When the ratio of the Fe / Fe concentrations is equal in the two compartments, the electrical voltage becomes zero, the reactions stop and the electric current ceases to circulate in the external circuit.
1010
Pour éviter 1' interruption du courant produit par la pile, on régénère Les solutions utilisées dans les compartiments cathodique et anodique respectivement. Ces opérations de régénération sont effectuées dans des réacteurs distincts de la pile proprement dite, respectivement 15 en présence d'oxygène dans un réacteur 7 pour la solution cathodique et en présence d'hydrogène ou de carbone dans un réacteur 8 pour la solution anodique. Dans ces conditions, le déroulement des réactions et la production de courant électrique se poursuivent aussi longtemps que la régénération des solutions est assurée.To avoid interruption of the current produced by the cell, the solutions used in the cathode and anode compartments are regenerated respectively. These regeneration operations are carried out in reactors separate from the cell proper, respectively in the presence of oxygen in a reactor 7 for the cathode solution and in the presence of hydrogen or carbon in a reactor 8 for the anode solution. Under these conditions, the course of the reactions and the production of electric current continue as long as the regeneration of the solutions is ensured.
2020
Cette description correspond aux piles à combustible redox qui sont actuellement bien connues.This description corresponds to the redox fuel cells which are currently well known.
La figure 2 représente une pile à combustible redox dans laquelle, 25 conformément à l'invention, on utilise du foil de fer pour réaliser la régénération de la solution anodique. Cette pile comporte également les éléments connus que sont les compartiments cathodique 1 et anodique 2 séparés par une membrane échangeuse d'ions 3, ainsi que les collecteurs 4, 5 reliés à un circuit extérieur 6.FIG. 2 represents a redox fuel cell in which, according to the invention, iron foil is used to carry out the regeneration of the anodic solution. This cell also includes the known elements that are the cathode 1 and anode 2 compartments separated by an ion exchange membrane 3, as well as the collectors 4, 5 connected to an external circuit 6.
3030
La régénération de la solution cathodique est réalisée au moyen d'oxygène dans un réacteur 7; il est prévu ici un catalyseur, constitué de platine sur du charbon actif, pour accélérer la réaction. Sans sortir du cadre de l'invention, le compartiment cathodique de la 35 pile à combustible peut contenir un sel d'un métal multivalent autre que le fer, ou un matériau oxydant autre que l'oxygène; on peut notam- , · * - 8 - ment utiliser des matériaux ayant un effet oxydant tel que le chlore, certains composés de chlore (eau de javel), le permanganate, les peroxodisulfates, etc. De même, ce compartiment cathodique peut être celui d'une pile classique. La régénération à l'oxygène, et 5 notamment par l'oxygène de l'air, est particulièrement intéressante dans le cas où la pile est utilisée pour assurer la propulsion électrique d'un véhicule.The regeneration of the cathode solution is carried out by means of oxygen in a reactor 7; a catalyst is provided here, consisting of platinum on activated carbon, to accelerate the reaction. Without departing from the scope of the invention, the cathode compartment of the fuel cell may contain a salt of a multivalent metal other than iron, or an oxidizing material other than oxygen; we can in particular use materials having an oxidizing effect such as chlorine, certain chlorine compounds (bleach), permanganate, peroxodisulfates, etc. Likewise, this cathode compartment can be that of a conventional battery. Regeneration with oxygen, and in particular with oxygen from the air, is particularly advantageous in the case where the battery is used to ensure the electric propulsion of a vehicle.
La caractéristique essentielle de l'invention réside dans le fait que 10 le combustible utilisé pour la régénération de la solution anodique est le foil de fer 9.The essential characteristic of the invention resides in the fact that the fuel used for the regeneration of the anode solution is iron foil 9.
Dans ces conditions, la régénération de la solution cathodique se fait suivant la réaction : 15 4 Fe++ + 02 + 4 H+— 4 Fe+++ + 2 H20 (3) tandis que la réaction de régénéraion de la solution anodique s'écrit : 2 Fe+++ + FeQ —► 3 Fe++ ( 4).Under these conditions, the regeneration of the cathode solution is carried out according to the reaction: 15 4 Fe ++ + 02 + 4 H + - 4 Fe +++ + 2 H20 (3) while the regeneration reaction of the anode solution is written: 2 Fe +++ + FeQ —► 3 Fe ++ (4).
20 La dissolution du foi 1 suivant la réaction (4) enrichit la solution anodique en ions ferreux, qui deviennent excédentaires par rapport aux ions ferriques. On maintient la concentration requise en ions ferreux, par exemple en assurant la précipitation de l'excédent par la réaction 25 Fe++ + 2 H20 —► Fe (0H>2{ + 2 H+ (5).The dissolution of faith 1 following reaction (4) enriches the anode solution with ferrous ions, which become surplus compared to ferric ions. The required concentration of ferrous ions is maintained, for example by precipitating the excess by the reaction Fe ++ + 2 H 2 O - ► Fe (0H> 2 {+ 2 H + (5).
Dans ce cas, la réaction (5) régénère l'acidité (H+) consommée par la réaction (3) car Les ions H+ peuvent traverser la membrane échangeuse 3, en raison de leurs faibles dimensions.In this case, reaction (5) regenerates the acidity (H +) consumed by reaction (3) because H + ions can cross the exchange membrane 3, due to their small dimensions.
3030
Dans la figure 2, le circuit de régénération de la solution anodique comporte un appareil de précipitation 10, où l'on assure, périodiquement ou en continu, la précipitation et l'évacuation des ions ferreux en excès dans la solution.In FIG. 2, the regeneration circuit for the anode solution comprises a precipitation device 10, where precipitation and removal of excess ferrous ions in the solution is carried out periodically or continuously.
La circulation des solutions cathodique et anodique dans leur circuit de régénération respectif est assurée par les pompes 11, 12.The circulation of the cathode and anode solutions in their respective regeneration circuit is ensured by the pumps 11, 12.
35 « I ‘ 1 - 9 -35 "I‘ 1 - 9 -
En outre les compartiments cathodique 1 et anodique 2 sont garnis d'un matériau conducteur constitué ici par du feutre de carbone; ils forment ainsi des électrodes ayant une très grande surface spécifique et permettant dès lors de recueillir des courants d'intensité élevées. 5 On peut, sans sortir du cadre de l'invention, utiliser des électrodes constituées de divers matériaux présentant une grande surface spécifique, pour autant qu'ils soient conducteurs de l'électricité et chimiquement inertes à l'égard des solutions utilisées dans ces compartiments. C'est le cas notamment de la mousse de carbone ou de 10 graphite, ainsi que de la mousse de certains métaux et alliages métalliques. Avec ce type d'électrodes, toute La solution d'un compartiment est pompée à travers les pores de l'électrode correspondante et ne circule donc pas du collecteur vers la membrane.In addition, the cathode 1 and anode 2 compartments are lined with a conductive material constituted here by carbon felt; they thus form electrodes having a very large specific surface and therefore making it possible to collect currents of high intensity. 5 It is possible, without departing from the scope of the invention, to use electrodes made of various materials having a large specific surface, provided that they are electrically conductive and chemically inert with respect to the solutions used in these compartments . This is particularly the case for carbon or graphite foam, as well as for the foam of certain metals and metal alloys. With this type of electrodes, all of the solution from one compartment is pumped through the pores of the corresponding electrode and therefore does not flow from the collector to the membrane.
15 Le réacteur de régénération 8 contient du foi l de fer 9, ici présenté sous la forme d'un rouleau dont les spires ne sont pas serrées. Cette forme est particulièrement intéressante car elle présente une très grande surface de contact avec la solution, ce qui favorise la dissolution du foil et par conséquent la régénération de la solution.The regeneration reactor 8 contains faith 1 of iron 9, here presented in the form of a roll, the turns of which are not tight. This form is particularly interesting because it has a very large contact surface with the solution, which promotes the dissolution of the foil and therefore the regeneration of the solution.
20 L'utilisation du foil de fer pour régénérer La solution anodique d'une telle pile à combustible présente plusieurs avantages.The use of the iron foil to regenerate The anodic solution of such a fuel cell has several advantages.
La très faible épaisseur du foil permet de disposer d'une très grande 25 surface de contact sous un volume limité; le réacteur 8 peut donc avoir des dimensions relativement faibles tout en présentant un rendement intéressant.The very small thickness of the foil makes it possible to have a very large contact surface in a limited volume; reactor 8 can therefore have relatively small dimensions while exhibiting an attractive yield.
Le foil peut être de qualité médiocre et présenter des défauts tels 30 que des piqûres, des trous, des déchirures, etc.; il peut être sous forme de déchets, chutes, Limailles, ou autres sans compromettre le rendement de la régénération.The foil may be of poor quality and have defects such as pitting, holes, tears, etc .; it can be in the form of waste, scrap, filings, or others without compromising the yield of regeneration.
Le précipité de Fe (OH^ recueilli en 10 peut être recyclé pour la 35 fabrication de foil.The precipitate of Fe (OH ^ collected at 10 can be recycled for the production of foils.
> - 10 -> - 10 -
Une pile à combustible consommant du foil de fer conformément à la présente invention peut être utilisée dans les applications les plus diverses, telles que la propulsion de véhicules, l'éclairage ou le chauffage de locaux, l'alimentation de moteurs électriques, etc.A fuel cell consuming iron foil in accordance with the present invention can be used in the most diverse applications, such as propulsion of vehicles, lighting or heating of premises, powering of electric motors, etc.
55
Il faut encore souligner que l'utilisation du matériau combustible proposé par la présente invention n'entraîne aucune pollution de l'environnement, ce qui est particulièrement important dans le domaine de la propulsion des véhicules.It should also be emphasized that the use of the combustible material proposed by the present invention does not cause any pollution of the environment, which is particularly important in the field of vehicle propulsion.
10 L'exemple qui suit montre l'intérêt de l'emploi d'une telle pile à combustible pour la propulsion d'un véhicule automobile au moyen d'un moteur de 60 kW.The example which follows shows the advantage of using such a fuel cell for the propulsion of a motor vehicle by means of a 60 kW engine.
15 Dans le cas d'un moteur à combustion interne, la consommation à pleine puissance serait d'environ 4,8 g/s, en tenant compte d'un pouvoir énergétique de 10.000 kcal/kg pour l’essence ainsi que d'un rendement moyen de 30 %. Cela correspond sensiblement à une consommation de 13 l d'essence aux 100 km, à pleine puissance et à vitesse élevée.15 In the case of an internal combustion engine, consumption at full power would be around 4.8 g / s, taking into account an energy power of 10,000 kcal / kg for petrol as well as a average yield of 30%. This corresponds substantially to a consumption of 13 l of petrol per 100 km, at full power and at high speed.
2020
Dans le cas d'un moteur électrique, le rendement est proche de 100 %. Pour réaliser la puissance de 60 kW au moyen de 100 éléments de pile de 1,5 V/400 A, la consommation à puissance maximale est de 23 g/s de fer transformé dans l'ensemble de la pile. Comme la régénération de 2 -J-+4* 25 g de Fe ne nécessite que 1 g de fer, la consommation d'un tel moteur s'élève à 11,6 g/s de foil,soit 2,4 fois le poids de l'essence.In the case of an electric motor, the efficiency is close to 100%. To achieve the power of 60 kW using 100 1.5 V / 400 A cell elements, the maximum power consumption is 23 g / s of transformed iron in the entire cell. As the regeneration of 2 -J- + 4 * 25 g of Fe requires only 1 g of iron, the consumption of such an engine amounts to 11.6 g / s of foil, i.e. 2.4 times the weight gasoline.
Il en résulte que 78 kg de foil peuvent procurer la même autonomie que 33 kg d'essence. Cependant, les 78 kg de foil ne nécessitent qu'un 30 réservoir d'environ 15 l, tandis que les 33 kg d'essence requièrent un réservoir de 41 l. Le gain de volume est particulièrement appréciable.As a result, 78 kg of foil can provide the same autonomy as 33 kg of gasoline. However, the 78 kg of foil only requires a tank of approximately 15 l, while the 33 kg of petrol require a tank of 41 l. The gain in volume is particularly appreciable.
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