Brevet FR2844922A1 — publié le 20040326

"Pile à combustible comportant deux moyens de distribution du comburant à la cathode et du carburant à l'anode" L'invention concerne une pile à combustible. L'invention concerne plus particulièrement une pile à s combustible du type comportant deux plaques bipolaires verticales et transversales d'extrémités dont les faces externes constituent les bornes de la pile et qui enserrent une anode et une cathode qui enserrent entre elles une membrane verticale transversale de polymère formant électrolyte, du type qui io comporte un orifice d'alimentation anodique par lequel l'anode est alimentée en carburant, notamment en hydrogène, par l'intermédiaire d'une couche de matière poreuse et conductrice de l'électricité qui est intercalée entre l'anode et la plaque bipolaire associée, et qui comporte un orifice d'alimentation cathodique par is lequel la cathode est alimentée en comburant, notamment en air, et un orifice d'évacuation cathodique du surplus de comburant. Les piles à combustibles sont notamment utilisées pour fournir de l'énergie électrique nécessaire à la propulsion de véhicules automobiles. La pile à combustible est alors embarquée 20 à bord du véhicule. Une pile à combustible comporte en général successivement -une première plaque bipolaire formant borne négative de la pile -une anode -un électrolyte -une cathode; et -une seconde plaque bipolaire formant borne positive de la pile. Ce type de pile permet la conversion directe en énergie électrique de l'énergie produite par les réactions d'oxydoréduction suivantes - une réaction d'oxydation d'un combustible, ou carburant, qui alimente l'anode en continu;et - une réaction de réduction d'un comburant qui alimente la cathode en continu. Les piles à combustible utilisées pour fournir de l'énergie électrique à bord de véhicules automobiles sont généralement du 5 type à électrolyte solide, notamment à électrolyte en polymère. Une telle pile utilise notamment de l'hydrogène (H2) et de l'oxygène (02) en guise de carburant et de comburant respectivement. Contrairement aux moteurs thermiques qui rejettent avec io les gaz d'échappement une quantité non négligeable de substances polluantes, la pile à combustible offre notamment l'avantage de rejeter principalement de l'eau qui est produite par la réaction de réduction à la cathode. De plus, une pile du type décrit précédemment peut utiliser de l'air ambiant dont l'oxygène 15 (02) est réduit. Selon un mode de fonctionnement traditionnel, la cathode est alimentée en comburant, et notamment en air par un orifice d'alimentation cathodique. Le comburant comporte donc, en plus de l'oxygène, des éléments non consommables par la pile. Il est 20 alors nécessaire d'évacuer le comburant non consommé par un orifice d'évacuation cathodique. Dans ce mode de fonctionnement, l'air circule à la cathode et cette dernière ne consomme pas entièrement l'oxygène contenu dans l'air. La pile à combustible fonctionne ici selon un mode dit 25 " impasse " à l'anode, c'est-à-dire que l'anode comporte un orifice d'alimentation anodique par lequel le carburant alimente l'anode mais elle ne comporte pas d'orifice d'évacuation du carburant. Ainsi, le carburant est entièrement consommé par la pile à combustible. Avantageusement par rapport à un mode de fonctionnement traditionnel à l'anode, le mode de fonctionnement " impasse " à l'anode permet de consommer sensiblement la totalité du carburant. Ainsi, il n'est pas nécessaire de prévoir un traitement du carburant non consommé qui, en mode traditionnel, s'avère nocif pour l'environnement. Pour ce mode de fonctionnement, le carburant doit ici être de l'hydrogène globalement pur. Pour distribuer de façon homogène le carburant et le comburant à l'anode et à la cathode, respectivement, il est connu de réaliser un réseau de cannelures réalisé dans la face interne des deux plaques bipolaires. Une telle solution est décrite et représentée par le document WO-A-00/30199. A la cathode, le comburant circule dans le réseau de cannelure depuis l'orifice d'alimentation cathodique jusqu'à l'orifice d'évacuation cathodique. En circulant, le comburant entraîne une première partie de l'eau produite à la cathode vers l'orifice d'évacuation cathodique. 1 5 Cependant, pour les piles munies d'un électrolyte en polymère, une seconde partie restante de l'eau produite à la cathode traverse l'électrolyte et s'accumule à l'anode. Ce phénomène qui est appelé " rétrodiffusion ", concerne aussi d'autres substances tel que l'azote. Pour évacuer les substances étrangères (eau et azote) de l'anode, il est généralement prévu un moyen de purge telle qu'une vanne par laquelle les corps étrangers s'écoulent par gravité. Cependant, la vitesse d'écoulement du carburant dans le réseau de cannelures de l'anode est négligeable. Ainsi, l'eau qui 25 s'est accumulée à l'anode n'est pas entraînée par un courant comme c'est le cas à la cathode, et elle stagne donc sur les surfaces horizontales des cannelures. Ceci créé une perte de surface active de l'anode, c'est-à- dire que le carburant ne peut pas être en contact avec les surfaces de l'anode qui sont 30 recouvertes par l'eau. De plus, cette eau est impossible à évacuer car elle ne s'écoule pas vers la vanne de purge. Pour résoudre ce problème, il est connu d'utiliser un collecteur de courant poreux à la place du réseau de cannelures pour distribuer le carburant et le comburant. Le collecteur poreux est intercalé entre la face interne de chaque plaque bipolaire et l'électrode associée. Une telle solution est décrite et représentée dans le document US-A-5.182.792. Ainsi, l'eau qui s'est accumulée à l'anode par 5 rétrodiffusion, coule à travers la structure poreuse du collecteur de courant en direction de la vanne de purge. L'eau peut alors être évacuée en ouvrant la vanne de purge. Cependant, le rendement d'une telle pile reste inférieur à celui d'une pile dont la distribution en carburant et en combustible 10 est assurée par le réseau de cannelure décrit précédemment. Pour résoudre ces problèmes, l'invention propose une pile du type décrit précédemment, caractérisée en ce que la face interne de la plaque bipolaire associée à la cathode comporte un réseau de cannelures d'alimentation en comburant de la cathode, 15 qui est raccordé aux orifices d'alimentation et d'évacuation cathodiques. Selon une autre caractéristique de l'invention, la pile à combustible comporte un orifice d'évacuation anodique qui est obturé par une vanne de purge de fluides, et notamment de 20 fluides plus denses que le carburant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés parmi lesquels: - la figure 1 représente schématiquement les éléments principaux qui composent une pile à combustible réalisée selon l'invention; - la figure 2 est une vue en perspective de la plaque bipolaire associée à la cathode; - la figure 3 représente schématiquement le phénomène de perméabilité de la membrane formant électrolyte; - la figure 4 est un schéma du circuit de carburant et de comburant dans l'anode et la cathode, respectivement. On utilisera durant cette description une orientation longitudinale, verticale et transversale indiquée par le trièdre L, V, T de la figure 1. On a représenté à la figure 1 une pile à combustible 10 5 réalisée selon les enseignements de l'invention. Elle est principalement constituée par un empilement serré des éléments successifs suivants qui sont énumérés de gauche à droite selon la figure 1: - une première plaque bipolaire rectangulaire 12, verticale 10 et transversale selon l'orientation de la figure 1, qui est constituée de matériau conducteur du courant électrique - un collecteur de courant 14 en matériau poreux - une anode 16; - un électrolyte qui est ici une membrane de polymère 18 15 - une cathode 20; une seconde plaque bipolaire rectangulaire 22 qui est parallèle à la première plaque bipolaire 12 et qui est aussi constituée de matériau conducteur du courant électrique. La face transversale externe 24 de la première plaque 20 bipolaire 12 forme ici une borne négative de la pile à combustible 10. Cette première plaque bipolaire 12 sera donc appelée plaque négative dans la suite de la description. La face transversale interne 26 de la plaque négative 12 est globalement plate. La plaque négative 12 comporte ici, dans sa partie 25 supérieure, un orifice longitudinal d'alimentation anodique 28. Elle comporte aussi un orifice longitudinal de purge anodique 30 qui est situé dans une partie inférieure de la plaque négative 12. Comme représenté à la figure 3, une conduite d'alimentation anodique 32 est reliée à l'orifice d'alimentation anodique 30 28. La conduite d'alimentation anodique 32 est destinée à conduire le carburant, qui est ici de l'hydrogène (H2), à l'anode 16. Un détendeur 34 est agencé dans la conduite d'alimentation anodique 32. L'orifice de purge anodique 30 débouche dans une conduite d'évacuation anodique 36 par l'intermédiaire d'une vanne de purge 38 qui est ici une électrovanne. Le collecteur de courant 14 est inséré verticalement entre 5 la face transversale interne 26 de la plaque négative 12 et la surface externe 40 de l'anode 16. Le matériau constituant le collecteur de courant 14 est constitué d'un matériau conducteur de courant électrique de façon à conduire le courant créé entre l'anode 16 et la cathode 20 jusqu'à la plaque négative 12. La face transversale interne 26 de la plaque négative 12 étant plate, la surface de contact entre la plaque négative 12 et le collecteur de courant 14 est maximale. Le passage du courant électrique depuis le collecteur de courant 14 jusqu'à la plaque négative 12 est ainsi optimal. Le collecteur de courant 14 est ici réalisé dans un matériau poreux de façon à distribuer le carburant de manière globalement homogène sur toute la surface externe 40 de l'anode 16. L'orifice d'alimentation anodique 28 débouche en regard du collecteur de courant 14 de façon à imprégner ce dernier avec le carburant. La face transversale externe 42 de la seconde plaque bipolaire 22 forme ici la borne positive de la pile à combustible 10. La seconde plaque bipolaire 22 sera donc appelée plaque positive dans la suite de la description. La face transversale interne 44 de la plaque positive 22 comporte ici trois cannelures 25 Cl, C2, C3 qui s'étendent transversalement de la tranche verticale gauche 46 à la tranche verticale droite 48 de la plaque positive 14. On a représenté à la figure 2 la face transversale interne 44 de la plaque positive 22. Chaque cannelure Cl, C2 et C3 30 forme, par coopération avec une surface externe 50 de la cathode , un canal dont un premier orifice d'entrée El, E2, E3, respectivement, est ici situé sur la tranche verticale droite 48 de la plaque positive 22 selon la figure 2, et dont un second orifice de sortie Si, S2, S3, respectivement, est ici situé sur la tranche verticale gauche 46. Les trois orifices d'entrée El, E2, E3 forment ici des orifices d'alimentation cathodiques par lesquels le comburant est introduit. Les trois orifices de sortie Si, S2, S3 forment ici des orifices d'évacuation cathodiques par lesquels le comburant non consommé est évacué. Les cannelures Cl, C2 et C3 forment un réseau de cannelures qui est principalement destiné à distribuer le comburant de façon globalement homogène sur toute la surface externe 50 de la cathode 20. Nous allons maintenant décrire le fonctionnement d'une telle pile à combustible 10. La cathode 20 est représentée à droite à la figure 4. Lors du fonctionnement de la pile à combustible 10, le comburant est injecté sous pression aux orifices d'alimentation cathodiques El, i5 E2, E3 de la plaque positive 22. Le comburant circule alors dans le réseau de cannelures Cl, C2, C3 de la plaque positive 22 et il entre en contact avec la cathode 20. L'anode 16 est représentée à gauche à la figure 4. Simultanément, le carburant est injecté à l'orifice d'alimentation 20 anodique 28 de la plaque négative 12. Le carburant imprègne la totalité du collecteur de courant 14 et il entre en contact avec l'anode 16. La pression de carburant à l'anode 16 est maintenue sensiblement constante grâce au détendeur 34. Lors du contact de l'hydrogène H2 avec l'anode 16, 25 l'hydrogène H2 est oxydé en ions hydrogène H' qui migrent vers la cathode 20 en passant à travers la membrane de polymère formant électrolyte 18. Un courant électrique est ainsi créé entre la cathode 20 et l'anode 16. Ce courant électrique est transmis depuis l'anode 16 30 jusqu'à la plaque négative 12 via le collecteur de courant 14, et il est transmis par contact depuis la cathode 20 jusqu'à la plaque positive 22. A la cathode 20, l'oxygène 02 est réduit en ions oxygène o2- qui se combinent avec les ions hydrogène H+ qui ont traversé l'électrolyte 18 pour former de l'eau H20. La majeure partie de cette eau H20 est entraînée vers les 5 orifices d'évacuation cathodiques SI, S2, S3 par la circulation du comburant. Cependant, une autre partie de cette eau H20 est diffusée à travers la membrane de polymère 18 et s'accumule à l'anode 16. Ce phénomène qui est appelé " rétrodiffusion ", est illustré à io la figure 3. La rétrodiffusion concerne aussi l'azote N2. Alors que l'eau H20 produite à la cathode 20 est expulsée grâce à la vitesse du comburant circulant dans le réseau de cannelures CI, C2, C3, l'eau H20 présente dans l'anode 16 ne bénéficie pas de ce mouvement pour être expulsée. Ainsi, l'eau 15 H20 et l'azote N2 qui sont plus denses que l'hydrogène, coulent vers le fond du collecteur de courant 14 en passant à travers sa structure poreuse. Avantageusement, la structure poreuse du collecteur de courant 14 est traitée de façon à devenir hydrophobe pour faciliter 20 l'écoulement de l'eau H20 vers l'orifice de purge anodique 30. L'eau H20 et l'azote N2 qui sont présents au fond du collecteur de courant 14, empêchent l'accès du carburant à une portion de l'anode 16. L'ouverture de la vanne de purge 38 permet d'évacuer cette eau H20 et cet azote N2 dans la conduite 25 d'évacuation anodique 36, ainsi que toute autre substance plus dense que l'hydrogène, par l'orifice de purge anodique 30. Après cette opération de purge, l'hydrogène H2 peut de nouveau imprégner entièrement le collecteur de courant 14 et ainsi être en contact avec la surface externe 40 entière de l'anode 16. La combinaison d'un collecteur de courant poreux 14 pour distribuer le carburant à l'anode 16 et d'un réseau de cannelures CI, C2, C3 pour distribuer le comburant à la cathode 20 empêche avantageusement à l'eau de stagner à l'anode 16 tout en conservant un rendement de la pile à combustible 10 supérieur à l'utilisation de deux collecteurs de courant poreux à l'anode 16 et à la cathode 20. REVENDICATIONS 1. Pile à combustible (10) du type comportant deux plaques bipolaires (12, 22) verticales et transversales d'extrémités dont les faces externes (24, 42) constituent les bornes de la pile (10) 5 et qui enserrent une anode (16) et une cathode (20) qui enserrent entre elles une membrane verticale transversale de polymère (18) formant électrolyte, du type qui comporte un orifice d'alimentation anodique (28) par lequel l'anode (16) est alimentée en carburant, notamment en hydrogène (H2), par l'intermédiaire d'une couche i0 (14) de matière poreuse et conductrice de l'électricité qui est intercalée entre l'anode (16) et la plaque bipolaire associée (12) , et qui comporte un orifice d'alimentation cathodique (El, E2, E3) par lequel la cathode (20) est alimentée en comburant, notamment en air, et un orifice d'évacuation cathodique (Si, S2, 15 S3) du surplus de comburant, caractérisée en ce que la face interne (44) de la plaque bipolaire (22) associée à la cathode (20) comporte un réseau de cannelures (CI, C2, C3) d'alimentation en comburant de la cathode (20), qui est raccordé aux orifices d'alimentation (El, E2, 20 E3) et d'évacuation (SI, S2, S3) cathodiques. 2. Pile à combustible (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle comporte un orifice d'évacuation anodique (30) qui est obturé par une vanne de purge (38) de fluides, et notamment de fluides plus denses que le 25 carburant.