Brevet FR2792114A1 — publié le 20001013

La demande de brevet français n 98 09236 déposé le 21 Juillet 1998 par Sorapec revendiquait la conception d'un collecteur bipolaire pour pile à combustible caractérisé en ce que la collecte des charges s'effectuait par. des aiguilles électroniquement conductrices dont les 2 extrémités étaient en contact avec les électrodes appartenant aux 2 éléments devant être mis électriquement en série. Par ailleurs, les aiguilles traversaient une plaque en polymère, ladite plaque ou écran ayant pour fonction de séparer les éléments (ou cellules élémentaires) les uns des autres de telle sorte que le gaz alimentant une cellule ne puisse se mélanger à celui alimentant la cellule adjacente. La demande de brevet n 98 09236 précisait le nombre, la répartition et les dimensions des aiguilles. De plus, il était présenté comme avantageux, dans un mode de réalisation, que l'écran ne comporte pas des canaux pour l'amenée des gaz mais un espace ménagé entre l'écran et les électrodes, espace qui était rempli par une structure tridimensionnelle ouverte telle qu'une mousse, qui avait pour fonction d'homogénéiser le flux gazeux circulant devant les électrodes. Dans tous les cas, l'écran était constitué par un matériau électriquement isolant. Plusieurs modes d'implantation des aiguilles dans l'écran, que celui-ci comporte ou non des canaux, ont été envisagés. Dans tous les cas, ces procédés (cloutage, frettage, collage, insertion lors du moulage) devaient impérativement conduire à une parfaite étanchéité aux gaz entre les 2 faces de l'écran. Or, il a été observé, pour certains modes d'utilisation impliquant par exemple des cycles thermiques rapides et de forte amplitude, une décohésion entre la surface des aiguilles électroniquement conductrices et l'écran, conduisant ainsi à une fuite possible du gaz d'un compartiment vers l'autre. L'objet de la présente invention est de pallier cet inconvénient en modifiant les modes d'implantation des aiguilles 2 2792114 dans l'écran et, de ce fait, en modifiant la conception de ce dernier. En revanche, la présente invention ne concerne pas la répartition des aiguilles, leur nature et leur protection superficielle, l'innovation relative à la collecte discrète des charges étant propre à la demande de brevet n 98 09236. L'invention est donc essentiellement caractérisée par le fait que les aiguilles électroniquement conductrices, par lesquelles s'écoulent les charges, ne traversent pas l'écran séparant deux éléments adjacents de pile et que de ce fait l'écran doit nécessairement posséder une bonne conductivité électronique. La conduction des électrons d'une électrode d'un élément à l'électrode de polarité opposée située dans l'élément adjacent s'effectue donc dans 3 milieux successifs: * dans une aiguille dont une extrémité est en contact avec une électrode et l'autre est encastrée dans l'écran possédant une bonne conductivité électronique, * dans la partie centrale de l'écran, * dans une deuxième aiguille dont une extrémité est encastrée dans l'écran et l'autre est en contact avec l'électrode de l'autre élément. Selon une caractéristique de l'invention, l'écran séparant deux éléments adjacents de pile est constitué par un matériau composite o un polymère est rendu conducteur par une charge conductrice telle que le carbone. Le concept selon la présente invention est applicable aux deux types de collecteurs bipolaires décrits dans la demande de brevet n 98 09236. En effet, selon une caractéristique de l'invention l'écran est rainuré sur ses faces principales afin que soient créés des canaux o s'effectue la circulation des gaz. 3 2792114 Selon ce mode de réalisation, les aiguilles assurant l'écoulement des charges sont encastrées dans des trous non débouchants répartis sur les parties en relief de l'écran, c'est à dire dans l'espace séparant les canaux. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'écran n'est pas rainuré mais un espace est défini, par le jeu de pions, de chaque côté de ses faces principales, espace o peuvent circuler les gaz; l'homogénéité des débits gazeux est o10 assurée par la présence dans le susdit espace d'une structure tridimensionnelle à porosité ouverte en un matériau conducteur ou isolant. Dans ce cas, les aiguilles assurant l'écoulement des charges sont réparties sur les deux surfaces de l'écran et sont encastrées dans des trous non débouchants. Dans le premier type de réalisation, caractérisé par la présence de canaux sur chaque face de l'écran, les électrodes étant plaquées sur les surfaces en relief séparant les canaux, l'encastrement de chaque aiguille pourra être effectué dans des trous dont la profondeur sera égale à la moitié de l'épaisseur de l'écran diminuée d'une valeur comprise entre 0,1 et 0,5 rmm suivant l'épaisseur de l'écran, de telle sorte qu'il reste une fraction médiane de l'écran non perforée ayant une épaisseur minimale définie en fonction de la nature du matériau constitutif de l'écran et des contraintes mécaniques qui s'y appliquent. Selon un mode de réalisation, les tous d'encastrement des aiguilles sont de part et d'autre de chaque face dans le prolongement les uns des autres, le fond de chaque trou étant séparé de celui qui lui est opposé par une paroi dont l'épaisseur est comprise entre 0,4 et 0,8 mm. Selon un autre mode de réalisation, les trous d'encastrement ne sont pas dans le prolongement les uns des autres; dans ce cas, leur profondeur peut être supérieure à la moitié de l'épaisseur de l'écran, la distance du fond d'un 4 2792114 encastrement à la face la plus proche devant néanmoins être supérieure à 0,3 mm et la distance entre les génératrices des deux aiguilles opposées doit être comprise entre 0,4 et 1 mm. Les aiguilles sont avantageusement constituées d'inox 316 L et ont un diamètre compris entre 0,1 et 0,3 mm. Compte tenu de ce que l'écran doit obligatoirement posséder une bonne conductivité électronique, on pourrait considérer que l'ajout d'aiguilles électroniquement conductrices constitue un élément superflu pour la conduction. En fait, il faut noter que dans ce type de réalisation, le drainage des charges par les aiguilles pourra être un mode privilégié et par conséquent on pourra utiliser comme matériau constitutif de l'écran un composite dont la conductivité pourra être, si besoin est en ce qui concerne sa mise en oeuvre, moins élevée que celle nécessaire en l'absence des aiguilles. Ou encore, il sera possible, avec ce même matériau, de faire fonctionner le système avec des densités de courant plus élevées que dans le cas d'un matériau sans implantation d'aiguilles, pour la même chute ohmique. Par ailleurs, il sera également possible de réduire l'aire totale de l'écran en contact avec l'électrode et par conséquent moins occulter aux gaz l'électrode. Les collecteurs selon l'invention comportent avantageusement un film conducteur électronique interposé entre la surface des encastrements et la partie encastrée des aiguilles, afin de diminuer les résistances de contact. Ce film conducteur est constitué par du graphite ou une colle à forte teneur en graphite. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent respectivement: S 2792114 * la figure 1, une vue en coupe d'un collecteur bipolaire selon l'invention, ce collecteur comportant des rainures sur chacune de ses faces principales, * la figure 2, une vue en coupe d'un collecteur bipolaire selon l'invention, ce collecteur ne comportant pas de rainure mais des pions définissant un espace de hauteur déterminée pour la circulation des gaz; sur cette figure 2, deux modes de réalisation ont été regroupés, selon que les aiguilles situées de part et d'autre de l'écran sont dans le prolongement l'une de l'autre ou décalées l'une par rapport à l'autre. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, l'écran (A) est constitué par un composite polymère / carbone dont la résistivité est de l'ordre de 1 O cm. Les aiguilles (B) ont un diamètre compris entre 0,1 et 0,3 mm, ici 0,2 mm, et sont en inox 316 L, leur longueur totale est de 1,5 mm. Leur partie émergente des reliefs de l'écran (a) est comprise entre 0,1 et 0, 3 mm, ici a = 0,2 mm. La surface de l'extrémité émergente (C) de l'aiguille est avantageusement revêtue, comme il est revendiqué dans la demande de brevet n 98 09236 par un dépôt d'un métal ou alliage protecteur évitant la passivation, ceci notamment pour les aiguilles pénétrant dans les électrodes positives. La largeur (b) des bandes séparant les canaux est comprise entre 0,5 et 1 mm. Dans l'exemple décrit et réalisé, elle est de 0,8 mm. La largeur (c) des canaux est comprise généralement entre 1 et 3 mm; elle est ici de 2 mm. La profondeur des canaux (d) est comprise entre 0,8 et 1,5 mm; elle est ici de 1 mm. L'épaisseur (e) de l'écran entre le fond de 2 canaux est de l'ordre de 1 mm. L'épaisseur (f) de l'écran entre le fond des logements destinés aux aiguilles est ici de 0,4 mm, les encastrements étant dans le prolongement les uns des autres. 6 2792114 Les encastrements (trous sensiblement cylindriques) destinés à y implanter les aiguilles peuvent être réalisés soit lors du moulage de l'écran, soit par usinage ultérieur. Ils ont un diamètre égal à celui des aiguilles ou supérieur de 0,05 mm. La distance entre les aiguilles et plus généralement leur répartition est à définir en fonction de la conductivité électronique des électrodes, des densités de courant générées et de la chute ohmique maximale pouvant être tolérée. La figure 2 représente le second type de collecteur bipolaire caractérisé par l'absence de canaux. Les gaz circulent dans l'espace compris entre la surface des électrodes et la surface interne de l'écran (A), l'épaisseur (g) de cet espace est généralement compris entre 0,8 et 1,5 mm, ici 1 mm. Cet espace peut avantageusement être rempli par une structure tridimensionnelle ouverte (D), telle que ici une mousse à alvéoles ouverts, en un polymère de faible densité, stable dans les conditions de fonctionnement de la pile et non nécessairement conducteur. Cette structure, dont le diamètre moyen des alvéoles est de 0,5 mm, a pour but d'homogénéiser les débits gazeux. Comme il avait été mentionné dans la demande de brevet n 98 09236, il est avantageux que le matériau constitutif de cette structure possède un caractère hydrophobe. L'écran peut avantageusement comporter des pions (E), dont le diamètre est par exemple de 3 mm, afin de normaliser l'épaisseur de la veine, ces pions émergents de la plaque constituant la majeure partie de l'écran, d'une hauteur (g) égale à l'épaisseur de la veine. L'épaisseur (e) de la plaque écran est généralement comprise entre 0,8 et 1,5 mm. La pénétration (h) des aiguilles dans la plaque est comprise entre 0,3 et 0,8 mm, le diamètre des aiguilles, leur matériau constitutif et le mode de protection de leur extrémité étant identiques à ceux décrits dans l'exemple précédent. Egalement comme dans le premier exemple, la longueur 7 2792114 de pénétration des aiguilles dans les électrodes est de l'ordre de 0,2 mm. Il en résulte que la longueur totale des aiguilles est comprise entre 1,2 et 2,6 mm. On notera que, comme représenté sur la figure 2, deux modes de disposition relative des aiguilles sont possibles. Dans le premier cas, les aiguilles de part et d'autre de l'écran sont dans le prolongement l'une de l'autre. Dans ce cas, la distance (i) entre le fond de chaque encastrement est comprise entre 0,4 et 1 mm, cette distance étant avantageusement la plus faible possible mais en fait définie par les conditions de mise en oeuvre de l'écran. Une autre disposition particulièrement intéressante pour les collecteurs sans canaux consiste en ce que les aiguilles situées de part et d'autre de l'écran ne sont pas dans le prolongement l'une de l'autre. Il en résulte dans ce cas que la distance (j) entre les génératrices des deux cylindres doit également être la plus faible possible et en tout état de cause comprise entre 0,4 et 1 mm. Suivant cette configuration, il est possible de réaliser une pénétration plus importante de l'aiguille dans l'écran que dans le cas o les aiguilles sont dans le prolongement l'une de l'autre. La présente invention ne se limite pas aux exemples décrits ci-dessus mais en embrasse toutes les variantes. 8 2792114 REVENDICATIONS 1.Collecteurs bipolaires pour pile à combustible à collecte discrète des charges caractérisées en ce que les aiguilles électroniquement conductrices par lesquelles s'écoulent les charges ne traversent pas l'écran séparant deux éléments adjacents de pile, lesdits écrans possédant nécessairement une bonne conductivité électronique. 2.Collecteurs bipolaires selon la revendication 1, caractérisés en ce que l'écran séparant deux éléments adjacents de pile est constitué par un matériau composite o un polymère est rendu conducteur par une charge conductrice telle que le carbone. 3.Collecteurs bipolaires selon les revendications 1 et 2, caractérisés en ce que l'écran est rainuré sur ses faces principales afin que soient créés des canaux o s'effectue la circulation des gaz. 4.Collecteurs bipolaires selon les revendications 1 et 2, caractérisés en ce que l'écran n'est pas rainuré mais, par le jeu de pions, est défini un espace de chaque côté des faces principales o peuvent ciculer les gaz, l'homogénéité des débits gazeux étant assurée par la présence, dans le susdit espace, d'une structure tridimensionnelle à porosité ouverte en un matériau conducteur ou isolant. 5.Collecteurs bipolaires selon la revendication 3, caractérisés en ce que les aiguilles assurant l'écoulement des charges sont encastrées dans des trous non débouchants répartis sur les parties en relief de l'écran, c'est à dire dans l'espace séparant les canaux. 6.Collecteurs bipolaires selon la revendication 4, caractérisés en ce que les aiguilles assurant l'écoulement des 9 2792114 charges, réparties sur les deux surfaces de l'écran, sont encastrées dans des trous non débouchants. 7.Collecteurs bipolaires selon les revendications 5 et 6, caractérisés en ce que les trous d'encastrement des aiguilles sont de part et d'autre de chaque face dans le prolongement les uns des autres, le fond de chaque trou étant séparé de celui qui lui est opposé par une paroi dont l'épaisseur est comprise entre 0,4 et 0,8 mm. 8.Collecteurs bipolaires selon les revendications 5 et 6, caractérisés en ce que les trous d'encastrement ne sont pas dans le prolongement les uns des autres et leur profondeur peut dans ces conditions être supérieure à la moitié de l'épaisseur de l'écran, la distance du fond d'un encastrement à la face la plus proche devant néanmoins être supérieure à 0,3 mm et la distance entre les génératrices des deux aiguilles opposées doit être comprise entre 0,4 et 1 mm. 9.Collecteurs bipolaires selon la revendication 1, caractérisés en ce que les aiguilles sont en inox 316 L et ont un diamètre compris entre 0,1 et 0,3 mm. 10.Collecteurs bipolaires selon les revendications 5 et 6, caractérisés en ce qu'il peut être interposé, entre la surface des encastrements et la partie encastrée des aiguilles, un film conducteur électronique afin de diminuer les résistances de contact. 11.Collecteurs bipolaires selon la revendication 10, caractérisés en ce que le film conducteur est constitué par du graphite ou une colle à forte teneur en graphite.