Brevet FR2833762A1 — publié le 20030620

L'invention concerne une pile à combustible caractérisée en ce qu'elle comporte des collecteurs bipolaires constitués par une pluralité de domaines cloisonnés, possédant chacun les orifices d'arrivée et de départ des fluides réactifs ; les cloisons parallèles séparant ces domaines constituent les parois des canaux où circule un fluide caloporteur. L'empilement des éléments constituant la pile est traversé perpendiculairement par les conduits d'amenée et d'évacuation des fluides réactifs, pour chaque domaine cloisonné, et au moins par un conduit d'arrivée et un conduit d'évacuation du fluide caloporteur. Les plaques extrêmes de la pile à combustible ont pour fonction la répartition de chacun des fluides, à partir d'un seul conduit d'arrivée ou d'évacuation, vers les conduits dédiés à ces mêmes fluides, traversant perpendiculairement tout l'empilement des éléments. Les collecteurs bipolaires décrits dans différentes publications se caractérisent tous par l'alimentation de chaque élément en fluide réactif par un seul orifice (et de même pour l'évacuation du même fluide), l'homogénéisation du flux sur toute la surface active des électrodes étant assurée par la circulation des fluides dans des canaux ou à travers des obstacles ponctuels, pions ou brins d'une mousse à alvéoles ouverts. Concernant la gestion thermique des éléments, donc de la pile, plusieurs dispositions ont été proposées : - plusieurs canaux sont situés dans la partie médiane du collecteur, l'axe des canaux étant parallèle au plan des électrodes, - le fluide de refroidissement circule dans une double paroi entourant l'empilement, - des canaux de circulation du fluide caloporteur traversent perpendiculairement l'empilement, y compris à travers membrane et électrodes. En ce qui concerne ces différents dispositifs de gestion thermique, tous présentent des inconvénients. Dans le cas de canaux dans la partie médiane du collecteur, il en résulte une épaisseur relativement importante de celui-ci. Le refroidissement dans une double paroi extérieure impose, quant à lui, qu'au moins une des dimensions des éléments ne soit pas trop élevée, donc une forme très rectangulaire qui, pour des éléments de puissance, impliquera une grande longueur, incompatible avec certaines applications. Enfin, la traversée de tous les éléments perpendiculairement à leur surface pose de sérieux problèmes d'étanchement lorsque cette traversée s'effectue au travers des électrodes et membranes. Toutefois les inconvénients les plus importants concernent le mode d'alimentation des fluides au niveau de chaque élément. En effet, s'agissant dans une conception très classique de l'alimentation (ou l'évacuation) des réactifs à partir d'un seul orifice, le problème essentiel est celui de l'homogénéité, sur toute la surface de l'électrode, du flux gazeux. Dans le cas où l'on a recours à une veine unique remplie par un poreux très ouvert ou à des contacts localisés pour drainer les charges, il convient de disposer, au moins à l'entrée de chaque veine, d'un répartiteur dont la perte de charge permettra la distribution de flux gazeux sensiblement égaux sur toute la surface. Dans le cas où l'on aurait recours à un canal couvrant, suivant un motif en aller et retour, toute la surface, il en résultera une bonne homogénéisation du flux au prix d'un débit élevé (pour éviter tout effet d'appauvrissement) donc d'une perte de charge également élevée. Dans les deux cas, il en résulte une perte énergétique non négligeable. Notons enfin que le recours au cheminement du flux dans plusieurs canaux en parallèle diminue effectivement la perte de charge mais augmente le risque d'une hétérogénéité entre les canaux si l'un des deux est totalement ou partiellement obstrué. L'objectif de la présente invention est d'éliminer, ou tout au moins de limiter, l'ampleur des inconvénients précités en proposant à la fois un mode de gestion des fluides réactifs et de gestion thermique au niveau de chaque élément, totalement différent des conceptions classiques. De plus, cette modification drastique de l'alimentation en fluides pour chaque élément induit un changement important dans la fluidique au niveau de tout l'empilement. Au niveau de chaque élément, nous proposons de décomposer la surface active de chaque élément en plusieurs domaines fluidiquement indépendants. En effet, chaque domaine, dont la largeur est essentiellement fonction des caractéristiques de la conduction thermique dans le collecteur (conductivité thermique du matériau le constituant, épaisseur) possède un orifice d'alimentation pour le fluide réactif à une de ses extrémités et un orifice à l'autre extrémité pour son évacuation. Comme la largeur du domaine n'excède généralement pas 75 mm, il en résulte que l'homogénéisation des flux réactifs sera plus aisée à réaliser que s'il s'était agi, par exemple, de l'alimentation d'un élément dont la largeur aurait été de 300 mm. Du point de vue de la gestion thermique, la caractéristique essentielle du dispositif réside dans le fait que le conduit, généralement de forme circulaire ou elliptique, nécessaire à la circulation du fluide caloporteur est placé en partie dans les cloisons séparatrices des domaines fluidiquement indépendants, cloisons situées de part et d'autre du collecteur bipolaire séparant deux éléments voisins, les électrodes venant en appui sur les surfaces extérieures de ces cloisons. Lorsque le nombre de domaines fluidiquement indépendants n'est pas trop élevé (par exemple longitudinal placé dans chaque cloison. Au niveau de l'ensemble de l'empilement, on aura donc des conduits situés à ses deux extrémités, conduits qui traversent tout l'empilement perpendiculairement au plan des électrodes. L'empilement, pour ce qui concerne les fluides réactifs, sera donc traversé à chacune de ses extrémités par un nombre de conduits égal à deux fois le nombre de domaines cloisonnés existant dans un élément. En revanche, le nombre de conduits pour la circulation du fluide caloporteur pourra être, à chaque extrémité, réduit à un seul pour un petit nombre de domaines, de manière à centraliser la distribution de ce fluide et réduire le nombre de passages. Il en résulte que ce sont les plaques d'extrémité de l'empilement qui comporteront des répartiteurs permettant d'alimenter d'une façon identique tous les conduits dévolus à un type de réactif à partir d'une seule arrivée reliée à l'extérieur. La pile à combustible selon l'invention se caractérise par l'emploi de collecteurs bipolaires constitués par une pluralité de domaines cloisonnés possédant chacun un orifice d'arrivée et un orifice de départ des fluides réactifs, les cloisons parallèles séparant ces domaines constituant les parois des canaux où peut circuler un fluide caloporteur ; l'empilement des éléments constituant la pile est traversé perpendiculairement par les conduits d'amenée et d'évacuation des fluides réactifs, pour chaque domaine cloisonné, et au moins par un conduit d'arrivée et un conduit d'évacuation du fluide caloporteur. Les plaques extrêmes de la pile à combustible selon l'invention ont pour fonction la répartition, à partir d'un seul conduit d'arrivée ou d'évacuation, de chacun des fluides vers les conduits dédiés à ces mêmes fluides traversant perpendiculairement tout l'empilement des éléments. Selon une autre caractéristique de l'invention, la largeur des domaines cloisonnés, c'est à dire la distance entre 2 canaux de circulation, est comprise entre 25 et 75 mm. Le nombre des domaines cloisonnés est compris entre 2 et 10. Les collecteurs bipolaires mis en oeuvre dans la pile à combustible selon l'invention sont réalisés en un matériau composite bon conducteur de la chaleur et de l'électricité, tel que, par exemple, un composite polymère-carbone. De bons résultats sont obtenus pour une conductivité électrique supérieure à 10 S. cm' et pour une conductivité thermique supérieure à 10 W. m-1. K1, Le collecteur bipolaire séparant deux éléments successifs de la pile à combustible selon l'invention a une épaisseur comprise entre 0,7 et 2,5 mm en ne comptant pas dans cette épaisseur celles des dents entre les canaux ou les pions. Selon la présente invention, les cloisons parallèles séparant longitudinalement les domaines ont une hauteur, de chaque côté de l'écran, égale à la hauteur de la veine où circulent les fluides réactifs, cette hauteur est comprise entre 0,4 et 1,5 mm ; les électrodes sont pressées sur la face supérieure de ces cloisons. Selon une des caractéristiques de la pile à combustible selon l'invention, chaque domaine cloisonné possède, à une de ses extrémités, une arrivée de réactif et, à l'autre extrémité, un départ du même réactif. Selon une autre caractéristique de l'invention, les conduits assurant la circulation du fluide caloporteur dans chaque élément de la pile ont un diamètre compris entre 0,8 et 2 mm, leur axe central étant situé à l'intersection entre le plan passant par le milieu de l'épaisseur du collecteur et le plan qui lui est perpendiculaire passant par le milieu de chaque cloison. La pile à combustible selon la présente invention comporte, dans chaque domaine cloisonné, un réseau de canaux ou de pions qui a pour fonction, d'une part, d'assurer l'homogénéisation des flux circulant dans chacun d'eux, les faces supérieures des canaux ou des pions servant d'appui aux électrodes et, d'autre part, de transmettre les charges électriques et la chaleur des électrodes vers la partie centrale du collecteur. Toutefois, il est à noter que l'utilisation de canaux ou de pions ne constitue pas une innovation, ces moyens étant déjà décrits pour des piles à combustible. La pile à combustible selon l'invention se caractérise en ce que l'empilement des éléments la constituant est traversé perpendiculairement sur deux de ses côtés par autant de conduits d'alimentation ou d'évacuation en fluides réactifs qu'il y a de domaines cloisonnés et par un ou plusieurs conduits assurant l'alimentation et l'évacuation du fluide caloporteur. Chaque plaque limitant les deux extrémités de l'empilement constituant la pile à combustible selon l'invention possède trois conduits principaux reliés à l'extérieur et dédiés à chaque type de fluide (carburant, comburant, caloporteur) et par ailleurs l'arrivée de tous les conduits traversant l'empilement, deux à trois rampes de répartition reliant les conduits principaux à chaque type de fluide. L'invention et ses différentes caractéristiques est illustrée par les figures 1 à 6 : - la figure 1 est une vue d'un collecteur bipolaire mis en oeuvre dans la pile à combustible selon l'invention, ce collecteur étant représenté côté alimentation en carburant, - la figure 2 est une vue d'un collecteur bipolaire mis en oeuvre dans la pile à combustible selon l'invention, ce collecteur étant représenté côté alimentation en comburant, - la figure 3a représente la vue en coupe du collecteur suivant un axe médian, - la figure 3b représente le détail de la vue en coupe de la figure 3a, - la figure 4 représente un mode de distribution du fluide caloporteur dans un collecteur bipolaire selon l'invention, la distribution étant, dans ce cas, assurée par une entrée et une sortie par canal de refroidissement, - la figure 5a représente les canaux de distribution et de répartition des fluides dans une plaque d'extrémité de l'empilement constituant la pile à combustible (vue de face), - la figure 5b représente les canaux de distribution et de répartition des fluides dans une plaque d'extrémité de l'empilement constituant la pile à combustible (vue de profil), - la figure 6 représente un autre mode de distribution du fluide caloporteur dans un collecteur bipolaire, le circuit de distribution étant, dans ce cas, centralisé sur un seul conduit d'arrivée et un seul conduit de sortie du fluide caloporteur. Exemple de réalisation Une pile à combustible constituée par l'empilement de 36 éléments a été réalisée selon les caractéristiques décrites. Chaque élément de la pile comporte un collecteur (1) tel que représenté sur la figure 1 pour le côté carburant (par exemple HD et sur la figure 2 pour le côté comburant (par exemple ou. les collecteurs représentés sur les figures 1 et 2 comportent, en partie haute, des orifices d'amenée du carburant (2) et du comburant (3) et, en partie basse, des orifices d'évacuation (4) et (5), respectivement pour les mêmes gaz réactifs. Sur ces deux figures, apparaissent également les orifices d'amenée (6) et d'évacuation (7) du fluide caloporteur. Le collecteur bipolaire représenté sur ces deux figures comportent 5 domaines cloisonnés, séparés par un canal de circulation du fluide caloporteur (8), représenté sur les figures 3a et 3b. Sur ces mêmes figures, sont représentés les cloisons (12) et les pions (9) qui délimitent les veines de circulation (10) des fluides réactifs. Les électrodes mises en oeuvre dans l'empilement sont placées de part et d'autre du collecteur et prennent appui sur les pions (9). Ces pions sont constitués du même matériau que celui utilisé pour l'âme (11) du collecteur bipolaire. Ces pions assurent les contacts électriques entre le collecteur bipolaire et les électrodes, ainsi que la transmission de la chaleur de l'électrode vers les circuits de refroidissement. Le matériau utilisé dans cet exemple de réalisation est un composite PVDF-carbone dont la conductivité électrique est égale à 25 S. cm-1 et la conductivité thermique est de 25 W. m-1. Kt. La figure 4 représente le circuit du fluide caloporteur dans le collecteur bipolaire selon un mode de réalisation caractérisé par une distribution totalement séparée, chaque canal (8) comportant une entrée (13) et une sortie (14) du fluide caloporteur. Les figures 5a et 5b montrent les canaux de distribution et de répartition des fluides dans une plaque d'extrémité de l'empilement, dans le cas d'une connexion latérale des arrivées de fluides. L'arrivée du fluide caloporteur est assurée par le canal (15) et son évacuation par le canal (16) ; les canaux (17) et (18) assurent l'arrivée et l'évacuation de l'hydrogène, alors que les canaux (19) et (20) permettent l'alimentation et l'évacuation de l'oxygène. Les passages obliques (21) entre les orifices de distribution rectangulaires (22) et les clarinettes de distribution (18) permettent de décaler ces clarinettes vers l'axe de la pile à combustible. La clarinette de drainage comburant (oxygène ou air) peut être placée près du bord inférieur, de façon à mettre à profit un effet de gravité favorable à l'écoulement de l'eau formée. Ces plaques d'extrémité peuvent être réalisées en un matériau non conducteur à condition d'intercaler des plaques collectrices de courant entre ces plaques et les plaques mono-polaires d'extrémité. L'invention ne se limite pas à l'exemple de réalisation décrit mais en embrasse toute les variantes. Une de ces variantes est représentée sur la figure 6 qui représente le circuit du fluide caloporteur dans le collecteur bipolaire lorsque la distribution de ce fluide est centralisée. Dans ce cas, le collecteur (1) ne comporte qu'un seul conduit d'arrivée (23) et un seul conduit de sortie (24). REVENDICATIONS 1) Pile à combustible caractérisée en ce que : les collecteurs bipolaires sont constitués par une pluralité de domaines cloisonnés possédant chacun les orifices de départ et d'arrivée des fluides réactifs, les cloisons parallèles séparant ces domaines constituant les parois des canaux où peut circuler un fluide caloporteur, - l'empilement des éléments constituant la pile est traversé perpendiculairement par les conduits d'amenée et d'évacuation des fluides réactifs, pour chaque domaine cloisonné, et au moins par un conduit d'arrivée et un conduit d'évacuation du fluide caloporteur, les plaques extrêmes ont pour fonction la répartition de chacun des fluides, à partir d'un seul conduit d'arrivée ou d'évacuation, vers les conduits dédiés à ces mêmes fluides traversant perpendiculairement tout l'empilement des éléments. 2) Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que la largeur des domaines cloisonnés est comprise entre 25 et 75 mm. 3) Pile à combustible selon les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le nombre de domaines cloisonnés est compris entre 2 et 10. 4) Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que le collecteur bipolaire est réalisé en un matériau composite bon conducteur de la chaleur et de l'électricité. 5) Pile à combustible suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les cloisons parallèles séparant longitudinalement les domaines ont une hauteur de chaque côté de l'écran égale à la hauteur de la veine où circulent les fluides réactifs, les électrodes étant pressées sur la face supérieure de ces cloisons. 6) Pile à combustible selon la revendication 5, caractérisée en ce que la hauteur des cloisons est comprise entre 0,4 et 1,5 mm. 7) Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque domaine cloisonné possède à une de ses extrémités une arrivée de réactif et à l'autre extrémité un départ du même réactif. 8) Pile à combustible selon les revendications 1 et 4, caractérisée en ce que le collecteur bipolaire séparant deux éléments successifs a une épaisseur comprise entre 0,7 et 2,5 mm. 9) Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que les conduits assurant la circulation du fluide caloporteur dans chaque élément ont un diamètre compris entre 0,8 et 2 mm, leur axe central étant situé à l'intersection entre le plan passant par le milieu de l'épaisseur du collecteur bipolaire et le plan qui lui est perpendiculaire passant par le milieu de chaque cloison. 10) Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'empilement des éléments constituant la pile est traversé perpendiculairement sur deux de ses côtés par autant de conduits d'alimentation ou d'évacuation en fluides réactifs qu'il y a de domaines cloisonnés et par un ou plusieurs conduits assurant l'alimentation et l'évacuation du fluide caloporteur. 11) Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que, chaque plaque limitant les deux extrémités de l'empilement possède trois conduits principaux reliés à l'extérieur et dédiés à chaque type de fluide (carburant, comburant, caloporteur) et par ailleurs l'arrivée de tous les conduits traversant l'empilement, deux ou trois rampes de répartition reliant les conduits principaux à chaque type de fluide.