Brevet FR2799308A1 — publié le 20010406

1y 2799308 La recherche de collecteurs bipolaires pcur piles, notamment du type PEMNF, ayant des caractéristiques techniques et économiques intéressantes, est très active depuis quelques années. En premier lieu, les efforts cnt été axés sur la sélection de collecteurs d'un coût beaucoup plus faible que les collecteurs réalisés par usinage d'une plaque de graphite. De ce point de vue, les résultats les plus intéressants ont été obtenus par la mise au point de plaques pclymère- carbone dont le principal avantage réside dans leur élaboration possible par moulage d'o des coûts de fabrication très bas. En revanche d'autres solutions consistant en l'emploi de Leuillards métalliques cannelés ou de mousses métalllques se révèlent plus onéreuses dans la mesure o la surface de ces matériaux métalliques doit nécessairement être revêtue par un composé évitant à la fois corrosion et passivation. Ccncernant la chute chmique résultant du passage du courant 2f) dans les collecteurs, il faut ncter que la résistivite des composites polymèrecarbone est comprise entre 3.10- et 1 Q cm alors que le graphite présente une résistivité de l'ordre de 1,3 0-1 Q cm. en résulte que, pour des collecteurs bipolaires tels que ceux schématisés sur la figure 1, la chute ohmique causée par une densité de courant apparente de 0,5 A/cm- est inférieure à 1 mV lorsque le collecteur est réa!isé en graphite et est de 20 mV pour un collecteur en ccmcosite ayant une resistivité de 0,05 Q cm. En l'état, pour beaucoup d'utilisations o effecti-vemen- la densité de courant ne dépasse pas 0,5 A/cm-, on peut admettre qu'une perte de 20 mV, sur une tension de l'ordre de 0,7 y,T reste admissible sans toutefois être n egligeable. n revanche, la situation est totalement différente si 'onr admet que les progrès à espérer dans le domaine des PEMFC conduisent à opérer avec des densités de courant au moins égales à A/cm nf-in, il convient de revoir totalement ce problème lorsque les collecteurs bipolaires doivent aussi constituer des échangeurs de chaleur. Dans ces conditions, orn peut montrer que les dimensions de ces collecteurséchangeurs, associées aux contraintes liées à la bonne diffusion de la chaleur dans les matériaux les constituant, conduisent à revoir les choix en ce qui concerne la nature et la structure des ccllecteurs- échangeurs. Ainsi, pour un collecteur-échangeur dont le schéma est représenté sur la figure 2, réalisé en un matériau composite de résistivité 0,05 Q cm, la chute ohmique atteint 50 mV pour une densité de courant de 0,5 A/cm: soit une perte de 7 % sur la tension d'un élément opérant à 0,7 V. Or, pour des applications telles que l'alimentation des véhicules électriques, la puissance nominale requise etane par exemple de 50 kW pour une tension totale de 140 V, cn constate que la puissance d'un élément est de l'ordre de 250 W, soit une énergie à évacuer par élément voisine de 200 W. Dans ces conditions (et même pour des piles ayant une puissance deux fois plus faible), il est nécessaire que tous les collecteurs bipolaires soient aussi des échangeurs de chaleur. Pour des piles de puissance, le collecteur-échangeur ne doit donc pas être considéré comme un cas particu'lier mais corLe le composant standard. Nous avons déjà montré (brevets FR 98 09236 et FR 99 04277) 'inrtérêt que présentait une collecte discrète des charges par aiguilles traversant ou ne traversant pas les collecteurs bipolaires. Le dispositif permettait à la fois d'alléger les collecteurs et de minimiser les chutes chmiques dans ces coliecteurs. Ce concept a été repris et nécessairement adapté pour la réalisation des collecteurs-échangeurs. Nous avons observé que, bien que la section des aiguiles soit faible devant la surface apparente des électrodes, ces aicuilles pouvaient constituer des moyens efficaces pour le drainage des calories engendrées aux électrodes. L'objet de la présente invention concerne un collecteur bipolaireéchangeur thermique pour pile à combustible caractérisé en ce qu'il associe à la fois: * une collecte discrète des charges et des calories car des contacts métalliques répartis uniformément à la surface des Il électrodes, * une structure principale en un matériau conducteur électroniquement et thermiquement, * l'util isation de mousses à structure ouverte pour l'homcgénéisation de l'écoulement des fluides et un bon 1 transfert thermique. Selon un premier mode de réalisation, e collecteur biopoiaire- échangeur thermique selon l'invention se carattrise en ce que la structure principale conductrice é lectroniquement et thermiquement est constituée de deux pièces qui comprer.nent chacune sur leur face des cannelures, lesdites faces iuxtaposées faisant apparaître, en la partie médiane de la structure, des canaux pour la circulation du fluide caioporteur. Selon une autre caractéristique de l'invention, les contacts metalliques sont des aiguilles qui ne traversent pas entièrement chaque pièce de la structure principale mais pénètrent dans les parties saillantes comprises entre les canaux, leur extrémité étant située entre 0,4 et 0,9 mmr du plan séparant les deux pièces constituant la structure principale. Ces aiguilles pénètrent dans les électrodes d'une profondeur comprise entre 0, i et C,2 mir. et scnt répartlies uniformément à la surface, selon des motifs carrés ou rectanaulaires. Le collecteur bipolaire-échangeur thermique selon l'invention comporte un espace, entre chaque électrode et la surface du collecteur-échangeur, dont l'épaisseur est comprise entre 0,8 et 2 mm et qui est rempli par une mousse à structure ouverte, la mousse' étant constituée soit d'un matériau isolant dont la surface a un caractère hydrophobe, soit d'un matériau métallique conducteur de la chaleur et revêtu d'une couche anticorrosion ayant un caractère hydrophobe. Selon un autre mode de réalisation, le collecteur-échangeur selon l'invention se caractérise par l'utilisation d'une structure principale conductrice électroniquement et thermiquement constituée de deux pièces qui comprennent, sur une de leur face, des pions cylindriques de hauteur comprise entre 0,5 et 2 mn, ayant un diamètre compris entre 3 et 10 mim, répartis uniformément et en nombre tel que la surface totale de leurs sections soit inférieure à 10% de la surface apparente des électrodes. Les deux pièces juxtaposées en mettant face à face les pions font apparaître un espace destiné à la circulation du fluide caloporteur. Selon une caractéristique de l'invention, l'espace destiné à la circulation du fluide caloporteur est rempDl par une mousse à structure ouverte constituée par un matériau métallique bon conducteur de la chaleur et de l'électricité dont les brins scnt en contact aves les parois de la structure principale. Le matériau constitutif de la mousse est du cuivre ou du nickel. Selon une autre caractéristique de l'invention, les parois en contact avec la mousse sont revêtues d'une mince ccuche électroniquement conductrice telle qu'un métal, un alliage métallique ou une laque conductrice. Le collecteur-échangeur objet de la présente invention se caractérise par l'utilisation de contacts métalliques constituées par des aiguilles qui traversent de part en part le collecteur- échangeur, chaque extrémité d'aiguille pénétrant dans une électrode. La répartition des aiguilles est uniforme et correspond à des motifs carrés ou triangulaires équilatéraux. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures 3 à 6 annexées qui représentent respectivement: * la figure 3, une vue en coupe de la partie centrale d'un collecteur bipolaire-échangeur thermique selon un premier mode de réalisation, * la figure 4, une coupe selon l'axe M-M' du collecteur bipolaire-échangeur thermique représenté sur la figure 3, * la figure 5, une vue en coupe de la partie centrale d'un collecteur bipolaire-échangeur thermique selon un deuxième mode de réalisation, * la figure 6, une vue de dessus du collecteur bipolaire- échangeur thermique représenté sur la figure 5. Les différentes figures sont représentées sans tenir compte des échelles des dessins. La présente invention résulte d'un compromis entre * une minimisation des chutes ohmiques, * un allégement des collecteurs, * un bon échange thermique, * une fabrication simplifiée. Deux modes de réalisation ont été particulièrement étudiés, chacun donnant lieu à plusieurs variantes. 3o Premier mode de réalisation La figure 3 représente simplement la partie centrale du collecteur-échangeur objet de la présence invention, à l'exclusion des marges o se situent les arrivées de fluide et les joints d'étanchement. Le collecteur bipolaire-échangeur term que est essentiellement constitué de deux pièces symétriques E et E' dont la' juxtaposition suivant le plan M-M' fcrme les canaux F. Le matériau constitutif de ces deux pièces principales est un composite polymère-carbone dont la résistivité est de 0,1 Q cm. Il s'agit, par exemple, du matériau commercialisé sous la reférence EMI 0683 par la société RTP France. Par ailleurs, chacune de ces pièces principales E et E' comporte des pions C, et C:' qui s'appuient sur les électrodes A et A' pour laisser une veine libre D ou D'. Les veines D et D', d'épaisseur comprise encre 0,8 et 2 m.m, sont avantageusement remplies, comme il est revendiqué dans le brevet FR 98 09236, par une mousse à structure ouverte qui joue le rl1e de répartiteur et homogénéificateur des flux gazeux. Dans le cas de collecteur standard, le materiau constitutif de la mousse est, par exemple, un polymère dont la surface est avantageusement hydrophobe. Afin de faciliter le transfert des calories vers la partie centrale des collecteurs-échangeurs, on peut, sans que cela soit une obligation, uiliser pour le remplissage des veines D et D' une mousse métallique de faible masse surfacicque (20 à 30 mg/cm-) recouverte sur tous ses brins par un film hydrophobe qui, par ailleurs, évite toute corrosion du matériau constituant la mousse, celle-ci pouvant être, par exemple, en cuivre. La hauteur des canaux F est comprise entre i_ et 4 mm. Ces canaux permettent la circulation d'un fluide caloporeur. Afin d'amplifier l'échange thermique entre le fluide caloporteur et le collecteuréchangeur, on peut disposer dans les canaux une mousse de cuivre de faible masse surfacique (20 à 50 mg/cm). Par légère compression au montage, les brins de la mousse sont au contact des parois du collecteur. 3j L'épaisseur I de la partie pleine de chaque demi-collecteur est comprise entre 0,5 et 1,5 mm. Les pions cylindriques C: et C:' ont un diamètre compris entre 3 et 4 mm, leur hauteur étant comprise entre 0,8 et 2 mm et leur répartition est telle que la surface totale de leur section ne représente qu'au maximum 3% de la surface apparente de l'électrode sur laquelle ils portent (soit deux à trois pions pour 10 cm- d'électrode), ce qui limite l'occultation de la surface active. Dans cette variante, les aiguilles B. ou B ' ne traversent pas les pièces E et E' mais s'arrêtent à une distance comprise entre 0,4 et 0,9 mm du plan M-M'. Leur diamètre est compris entre 0,2 et 0,3 mm. Elles sont constituées par exemple d'inox 316 L. Une de leurs extrémités pénètre de 0,1 à 0,2 mm dans l'électrode et est revêtue d'un dépôt évitant passivation et corrosion. La figure 4 montre la répartition des aiguilles B. et B': il s'agit d'une distribution suivant des motifs rectangulaires ou carrés, la distance G entre B, et B étant généralement supérieure à la distance H entre BS et B ou B et B2. La largeur des canaux F est comprise entre 1 e: 3 mm. L'espacement entre deux canaux est compris entre 1,5 et 2,5 mm (1,5 mm lorsque la largeur du canal est de 3 mm et 2,5 mm lorsque celle-ci n'est que de 1 mm). Pour une largeur de canal de 2 mm, l'espacement est de 2 mm. La position des aiguilles étant au milieu de l'espacement entre deux canaux, il en résulte que la distance G entre deux aiguilles (distance BiB-) est comprise entre 3,5 et 4,5 mm. La distance H dans l'autre axe (distance B: et B1) est déterminée en fonction de la densité de courant aux électrodes; elle est comprise entre 2 et 4,5 mm. Une variante principale à ce mode de réalisation consiste, pour les mêmes pièces, à utiliser des aiguilles traversantes, ce qui réduit la chute ohmique dans l'ensemble du collecteur- échangeur mais implique que soit obtenue une excellente étanchéité au niveau de l'implantation des aiguilles. En principe, il est concevable qu'en utilisant des aiguilles traversantes, le matériau constitutif du corps du collecteur- échangeur puisse ne pas être un conducteur électronique mais un isolant. Cependant, le recours à un composite conducteur, comme dans le cas des aiguilles non traversantes, permet un transfert thermique plus aisé sans que le coût du collecteur et sa masse soient sensiblement augmentés. En définitive, pour les dispositifs avec aiguilles traversantes, on conservera les mêmes matériaux et même dimensionnement que ceux définis précédemment pour le cas des aiguilles non traversantes. Quelles cue soient ces variantes, les procédés de fabrication peuvent être les mêmes Les pieces en matéerau composite sont avantageusement obtenues par moulage. Quant au matériau composite, il est intéressant d'utiliser e produit de référence EMI 0683 (de RTP France), qui comporte des fibres de carbone nickelées. Afin d'améliorer la '}aison à l'interface entre les deux pièces principales, on pourra surfacer celle-ci ou y effectuer le déept d'une laque conductrice ou d'un film métallique. L'insertion des aiguilles dans les pièces en composite peut être réalisée par différents moyens: * insertion dans des trous déjà percés, * cloutage à chaud, * insertion au moulage. Dans le cas d'une insertion dans des trous déja percés, le contact électrique entre aiguille et compos te pourra être amélioré en interposant une poudre ou une laque conductrice. Deuxième mode de réalisation La figure 5 correspond au deuxième type de réalisation de l'invention et représente la partie centrale du collecteur bipolaire-échangeur thermique, à l'exclusion des marges o se situent les arrivées de fluide et les joints d'étanchement. Le collecteur-échangeur est là encore constitué de deux pièces principales E et E' en même matériau composite conducteur électronique que celui du premier mode de réaisation, qui sont juxtaposées sur un plan séparant les pions J, et J '. Ces pions ont un diamètre compris entre 3 et 10 mm et leur nombre est tel que la surface de leur section soit au plus égale à 8% de la surface apparente des électrodes, ier répartition étant la plus uniforme possible. La hauteur des pions J et J:' est comprise entre 0,5 et 2 mm. Entre ces pions se situe une veine dont la surface représente plus de 90% de la surface des électrodes et dent la hauteur K est comprise entre i et 4 om. Comme dans le premier exemple de réalisation décrit (voir la figure 3), les espaces D et D' o circulent les réactifs gazeux sont limités dans leur hauteur par des pions L et L ' dont les caractéristiques sont identiques à celles:cnnées pour la réalisation précédente. De la même façon, les espaces D et D' sort remplis par une mousse à structure ouverte qui assure 'homcgénéification du flux. La différence essentielle entre les deux types de réalisation réside, pour le deuxième cas, dans le fait que l'espace interne permettant les échanges thermiques occupe un volume beaucoup plus grand. De ce fait, afin non seulement d'assurer une bonne ItO circulation du fluide caloporteur, un corn eéchange thermique, mais aussi une bonne conductivité électrique entre les pièces E et E', l'espace central est rempli par une mousse métallique dont les brins sont en bon contact (par mise en compression) avec les surfaces des pièces E et E', surfaces qui, avantageusement, peuvent être revêtues d'un film métallique tel que du cuivre ou du nickel. Comme dans l'exemple précédent, la collecte des charges aux électrodes est assurée par des aiguilles B: en inox dont les pointes, qui pénètrent de 0,1 à 0,2 mm dans les électrodes A et A', sont revêtues par un dépôt évitant passivation et corrosion (voir le brevet FR 98 09236). La figure 6 représente une répartition uniforme des aiguilles B, correspondant à un motif de type triangle équilatéral, la distance entre deux aiguilles, cu côté du Triangle, ayant une dimension comprise entre 2, 5 et 5 mm. Les pions Li et L ' qui s'appuient sur les électrodes ont un diamètre tel qu'ils se placent entre les aiguilles. Dans cette configuration, la distance entre les aiguilles peut donc être plus faible que dans l'exemple précédent. Dans la réalisation montrée sur la figure 5 les aiguilles ne traversent pas les pièces constitutives du coiiecteur-échangeur. La distance O séparant la pointe des aiguilles de l'espace interne est comprise entre 0,4 et 0,9 mm. Une variante consiste, pour le même dimensionnement du collecteur-échangeur, à utiliser des aiguilles traversant celui- ci de part en part. En ce qui concerne les caractéristiques des matériaux utilisés comme les moyens de mise en oeuvre (insertion des Il aiguilles par exemple), les solutions sont les mêmes que celles décrites pour le premier exemple de réalisation. REVEND I CAT IONS 1 - Collecteur bipolaire-échangeur thermique caractérisé en ce qu'il associe à la fcis: 0* une collecte discrète des charges et des calories par des contacts métalliques répartis uniformément à 'La surface des électrodes, * une structure principale en un materiau conducteur électroniquement et thermiquement, I) * l'utilisation de mousses à structure ouverte pour l'homogénéisation de l'écoulement des fluides et un bon transfert thermique. 2 - Collecteur bipolaire-échangeur thermique selon la revendication I, caractérisé en ce que la structure principale conductrice électroniquemrent et thermiquement est constituée de deux pièces qui comprennent chacune sur eur face des cannelures, les dites faces juxtaposées faisant aopparaître, en la partie médiane de la structure, des canaux pour la 2(0 circulation du fluide caloporteur. 3 - Collecteur bipolaire-échangeur thermique seon!a revendication 1, caractérisé en ce que les contacts meétaliques sont des aiguilles métalliques qui ne traversent pas entièrement 2s chaque pièce de la structure principale, mais pénètrent dans les parties saillantes comprises entre les canaux, leur extrémité étant située entre 0,4 et 0,9 mm du plan séparant les deux pièces constituant la structure principale. 4 - Collecteur bipolaire-échangeur thermique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les aiguilles pénètrent dans les électrodes d'une profondeur comprise entre C,1 et 0,2 mm et sont réparties uniformément suivant des motifs carrés ou rectangulaires. 3s - Collecteur bipolaire-échangeur cerm iqe selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est ménagé un espace, entre chaque électrode et la surface du collecteur, ddnt l'épaisseur est comprise entre 0,8 et 2 mm et qui est rempli par une mousse à structure ouverte. 6 - Collecteur bipolaire-échangeur thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce que la rousse à structure ouverte est constituée d'un isolant dont la surface a un caractère hydrophobe. 7 - Collecteur bipolaire-échangeur thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce que la mousse à structure ouverte est constituée par un matériau métallique conducteur de 1i la chaleur revêtu d'une couche anticorrosion ayant un caractère hydrophobe. 8 - Collecteur bipolaireéchangeur thermique selon la revendicacion 1, caractérisé en ce que la sriuclure principale conductrice é'ectroniquement et thermiquement est constituée de deux pièces qui comprennent, sur une de leur face, des pions cylindriques de hauteur comprise entre 0,5 et 2 mm, ayant un diamètre compris entre 3 et 10 mm, réparcis uniformément et en nombre tel que la surface totale de leurs sections soit inférieure à 10% de la surface apparence des électrodes. Les deux pièces juxtaposées en mettant face à face les pions font apparaître un espace destiné à la circulaicn du fluide caloporteur. 9 - Collecteur bipolaire-échangeur thermique selon la revendication 8, caractérisé en ce que L'espace destiné à la circulation du fluide caloporteur est rempli par une mousse à structure ouverte constituée par un matériau meéTaiique bon conducteur de la chaleur et de l'électricité donc les brins sont en contact avec les parois de la structure principale. - Cllecteur bipolaire-échangeur therminque selon la revendication 9, caractérisé en ce que le matériau constitutif de la mousse est en cuivre ou en nickel. 11 - Collecteur bipolaire-échangeur thermique selon les revendications 8 et 9, caractérisé en ce que les parois en contact avec la mousse sont revêtues d'une mince couche électroniquement conductrice telle qu'un métal, un alliage métallique ou une laque conductrice. 12 - Collecteur bipolaire-échangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les corntacts métalliques sont des aiguilles qui traversent de part en part le collecteur, chaque extrémité d'une aiguille pénétrant dans une électrode. 13 - Collecteur bipolaire-échangeur thermique selon ia revendication 12, caractérisé en ce cue la répartition des aiguilles est uniforme et correspond à des motifs carrés ou triangulaires équilatéraux.