Brevet FR2843489A1 — publié le 20040213

i PIECE INTERCALAIRE DE PILE A COMBUSTIBLE DESCRIPTION DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne les domaines des piles à combustible constituées d'un empilement d'un grand nombre de modules de base comprenant chacun un élément de base électrodes/membrane entouré de deux éléments polaires par lesquels le comburant et le combustible 10 sont acheminés vers l'élément de base électrodes/membrane. Ce type de pile à combustible trouve son application, entre autres, dans les véhicules électriques faisant l'objet de nombreuses études de 15 développement, en particulier les véhicules urbains de transport en commun de surface, tels que les autobus, les tramways et autres trolleybus. D'autres applications sont possibles, notamment sur des installations fixes, telles que des systèmes 20 stationnaires de production d'électricité, comme ceux utilisés dans les hôpitaux ou autres bâtiments de services, o l'éventualité d'une interruption d'alimentation en électricité doit être exclue. ART ANTERIEUR ET PROBLEME POSE De nombreuses piles à combustible sont constituées d'une succession d'éléments de base comprenant, eux-mêmes, deux électrodes, dont une anode et une cathode, auxquelles sont apportés, continment un comburant et un combustible et qui restent séparées par une membrane échangeuse d'ions B 13704 JB faisant office d'électrolyte. Du côté de l'anode, se produit l'oxydation du combustible, tel que l'hydrogène, tandis que du côté de la cathode, le comburant, tel que l'oxygène ou l'air, est réduit. Ces 5 deux réactions simultanées s'accompagnent par l'établissement d'une différence de potentiels entre les deux électrodes. Chaque élément de base est entouré de deux flasques, appelés "plaques polaires", qui ont plusieurs 10 fonctions. Elles permettent d'amener au contact de l'élément de base, d'un côté le carburant, de l'autre côté le comburant. Elles permettent également de collecter des électrons produits par la réaction d'oxydoréduction, énoncée plus haut. Enfin, ces plaques 15 polaires permettent d'assurer l'évacuation des calories dues à l'élévation en température produite conjointement avec la production d'électrons, lors de cette réaction d'oxydoréduction. Or, par la demande de brevet FR 2 810 795, on 20 connaît des plaques bipolaires 10 pour pile à combustible qui prennent en sandwich un élément de base 1 constitué d'un assemblage membrane 3/ électrodes 2. A leur périphérie, chacune d'entre elles est en contact avec deux plaques bipolaires qui lui sont 25 adjacentes. Des joints 4 et 5 permettent d'assurer l'étanchéité de l'ensemble. En effet, l'empilement constituant la pile est traversée par des canalisations verticales formées par des trous 15 placés à la périphérie de chaque plaque bipolaire 10. Le joint 5 30 est donc placé autour de chacun de ces trous 15. B 13704 JB D'autre part, au cours de la fabrication des éléments de base membrane/électrodes, la membrane subit au départ plusieurs bains d'acide, de rinçage et autres. On envisage de réaliser au défilé ces 5 différentes phases, mais les temps de chacune des opérations ne sont pas les mêmes et il s'en suit des opérations supplémentaires vers des stockages intermédiaires entre chaque bain. Le but de l'invention est donc de remédier à 10 cet inconvénient en proposant de procéder à ces différentes opérations de fabrication, non pas au défilé, mais de façon unitaire, chaque membrane étant découpée avant de subir les différents bains. RESUME DE L'INVENTION A cet effet, l'objet principal de l'invention est une pièce intercalaire de pile à combustible destinée à être placée entre les plaques polaires ou bipolaires pour les maintenir à une distance déterminée 20 et placée autour de l'élément de base membrane/électrodes, et à l'intérieur de laquelle est fixée la périphérie de la membrane dont le diamètre extérieur déterminé est plus grand que le diamètre extérieur des électrodes, la pièce intercalaire 25 constituant ainsi un cadre pour la manipulation de l'élément de base, lors de sa fabrication. Dans la réalisation préférentielle de l'invention, la pièce intercalaire est en deux parties. - une première partie méplate constituant un demi-cadre 30 inférieur et comportant en une seule pièce: B 13704 JB * un cadre périphérique sur toute l'épaisseur de la pièce intercalaire, et * une base support d'Tépaisseur réduite sur une partie inférieure du cadre périphérique, s'étendant vers le 5 centre de la pièce intercalaire avec un diamètre inférieur au diamètre extérieur de la membrane et comportant plusieurs trous de fixation, et - une deuxième partie constituée d'un demi-cadre supérieur faisant office de couvercle, le diamètre 10 extérieur étant supérieur au diamètre extérieur de la base support et comportant des picots de clipsage destinés à être insérés dans les trous de fixation, après avoir traversé la membrane pour maintenir cette dernière entre les deux parties de la pièce 15 intercalaire. Dans ce cas, on prévoit un premier décrochement à la jonction du cadre périphérique et de la base support dont le diamètre correspond au diamètre extérieur du demi-cadre supérieur. De préférence, on prévoit un deuxième décrochement de la base support du demi-cadre inférieur pour former une partie méplate de diamètre extérieur inférieur au diamètre du premier décrochement et dont l'épaisseur correspond à celle de la membrane. Lorsque le cadre a des trous de fluide de fonctionnement le traversant à sa périphérie, il est très avantageux de prévoir une gorge circulaire sur les deux surfaces du cadre périphérique, autour de chaque trou de fluide de fonctionnement, de façon à pouvoir 30 recevoir chacune un joint d'étanchéité. B 13704 JB DESCRIPTION DETAILLEE D'UNE REALISATION DE L'INVENTION La figure unique représente en coupe la pièce intercalaire selon l'invention, placée autour d'un ensemble membrane/électrodes. La pièce intercalaire 1 est donc réalisée en deux parties séparées, un demi-cadre inférieur 10 et un demi-cadre supérieur 20. On voit sur cette figure que ces deux demi-cadres inférieur 10 et supérieur 20 prennent en sandwich la périphérie d'une membrane 3 10 d'un ensemble membrane/électrodes. Plus précisément, le demi-cadre supérieur 20 possède un cadre périphérique 23 dont l'épaisseur correspond à l'épaisseur maximale de la pièce intercalaire. Sur chacune des surfaces de contact 24, 15 viendra se positionner une plaque polaire 30 ou une plaque bipolaire de l'empilement de la pile à combustible. Ce cadre périphérique 23 est traversée de plusieurs trous de fluide de fonctionnement 25 destinés à véhiculer, sur toute la hauteur de l'empilement de la 20 pile à combustible, le réfrigérant et les combustibles. Autour de chacun de ces trous 25, et sur les surfaces de contact 24 se trouve une gorge 2 destinée à recevoir un joint torique 9 pour assurer l'étanchéité de l'ensemble à ce niveau. Le cadre périphérique 23 est relié à une base support 14 pour constituer un demi-cadre inférieur 10. La base support 14 est d'épaisseur moindre que celle du cadre périphérique 23, notamment grâce à un premier décrochement 11 pratiqué dans la partie supérieure du 30 demi-cadre inférieur 10 pour former un évidement laissant la place au demi-cadre supérieur 20. Ce B 13704 JB premier décrochement 11 est donc d'un diamètre correspondant au diamètre extérieur du demi-cadre supérieur 20. On prévoit également un deuxième décrochement 5 15, placé dans l'évidement formé par le premier décrochement 11 d'épaisseur correspondant à celle de la membrane et de diamètre inférieur au diamètre du premier décrochement 11. Toutefois, ce diamètre est très légèrement supérieur au diamètre externe de la 10 membrane 3. Enfin, la base support 14 possède des trous de fixation 12 qui sont positionnés en correspondance avec le positionnement de picots 22 pratiqués sur la surface inférieure du demi-cadre supérieur 20. Ces picots sont 15 destinés à traverser les trous 12 et à venir s'appuyer sur la surface inférieure de la base support 14, par une tête 25 de diamètre légèrement supérieur au diamètre des trous 12. Deux joints de membrane 5 complète le montage. 20 Ils sont placés à l'intérieur de la pièce intercalaire 1, mais autour des électrodes 6 placées de part et d'autre de la membrane 3. Ces joints 5, tout comme des joints d'étanchéité 9 du cadre périphérique 23 doivent dépasser légèrement les surfaces de contact 24 de ce 25 cadre périphérique 23, pour qu'une pression, lors du serrage de l'empilement, puisse procéder à un écrasement des joints et assurer l'étanchéité complète de l'ensemble de l'empilement. On comprend alors que, lors de la mise en place 30 du demi-cadre supérieur 20 sur le demi-cadre inférieur par clipsage, la membrane 3 se trouve perforée et B 13704 JB -7 coincée entre ces deux pièces. Une fixation est ainsi réalisée de la pièce intercalaire 1 autour de la membrane 3. Grâce à cette fixation, il est possible de manipuler celle-ci, même lorsque les électrodes 6 ne 5 sont pas encore déposées sur la membrane 3. Il s'ensuit un avantage considérable de la manipulation d'une membrane 3, lors des différents bains destinés à la fabrication des électrodes et de l'ensemble membrane/ électrodes. De plus, l'ensemble constitue une fois fini un objet indéformable et facilement manipulable. On envisage donc une manipulation robotisée dans toutes les opérations de fabrication et de stockage de l'élément membrane/ électrodes. De plus, l'épaisseur déterminée du cadre périphérique 23 de la pièce intercalaire 1 permet de limiter l'écrasement des éléments membrane/électrodes à une valeur déterminée, lors du serrage de l'empilement de la pile à combustible. B 13704 JB REVENDICATIONS 1. Pièce intercalaire (1) de pile à combustible destinée à être placée entre les plaques polaires (30) 5 ou bipolaires pour les maintenir à une distance déterminée autour de l'élément de base, membrane (3)/électrodes (6) et à l'intérieur de laquelle est fixée la périphérie de la membrane (3) qui dépasse d'un diamètre extérieur déterminé supérieur au diamètre des 10 électrodes (6), la pièce intercalaire constituant un cadre pour la manipulation de l'élément de base. 2. Pièce intercalaire (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est constituée en deux parties: - une première partie méplate constituant un demi-cadre inférieur (10) comportant en une seule pièce: * un cadre périphérique (23) sur toute l'épaisseur de la pièce intercalaire, * une base support (14) d'épaisseur réduite sur une 20 partie inférieure du cadre périphérique (23) et comportant plusieurs trous de fixation (12); - une deuxième partie est constituée d'un demi-cadre supérieur (20) faisant office de couvercle et de diamètre extérieur supérieur au diamètre intérieur de 25 la base support (14) et comportant des picots de clipsage (22) destinés à être insérés dans les trous de fixation (12) après avoir traversé la membrane (3), pour maintenir cette dernière entre les deux parties de la pièce intercalaire. 3. Pièce intercalaire (1) selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend un B 13704 JB premier décrochement (11) sur le demi-cadre inférieur. (10), à la jonction du cadre périphérique (23) et de la base support (14) et dont le diamètre correspondant au diamètre externe du demi-cadre supérieur (20). 4. Pièce intercalaire selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comprend un deuxième décrochement (15) de la base support (14) du demi-cadre inférieur (10) pour former une partie méplate de diamètre inférieur au diamètre du premier décrochement 10 (11) et dont l'épaisseur correspond à celle de la membrane (3). 5. Pièce intercalaire selon la revendication 1, le cadre périphérique.2-3) ayant des trous de fluide fonctionnement (25) le traversant, caractérisée en ce 15 que le cadre périphérique (23) possède une gorge circulaire (2) sur chacune des surfaces de contact (24), autour des trous de fluide de fonctionnement (25) pour recevoir chacune un joint d'étanchéité (9). B 13704 JB