Brevet FR2847722A1 — publié le 20040528

Système de distribution de réactifs pour pile à combustible, pile à combustible et véhicule ainsi équipé. La présente invention concerne le domaine des piles à combustible et des systèmes de distribution de réactifs pour de telles piles à combustible. De façon classique, un système de pile à combustible avec reformage permet de générer une puissance électrique pour alimenter un moteur électrique, par exemple pour la traction d'un véhicule. Le système comprend un réformeur, permettant de générer de l'hydrogène à partir d'un carburant, tel que de l'essence ou du méthanol stocké à bord du véhicule, une pile permettant de générer la puissance électrique à partir de l'hydrogène fourni par le réformeur et de l'oxygène de l'air, et des équipements auxiliaires, notamment un compresseur d'air, et un circuit de refroidissement. La pile à combustible peut être constituée d'une pluralité de cellules connectées en série pour atteindre la tension de fonctionnement de la chaîne de traction du véhicule. Le dimensionnement des cellules est fait en fonction de la puissance nominale de la chaîne de traction que l'on doit atteindre. Une cellule de pile à combustible comprend une plaque bipolaire et un assemblage membrane-électrodes. La cellule consomme de l'hydrogène pour former des protons et des électrons à l'anode. Les protons sont transférés à travers la membrane et les électrons sont transférés par les plaques bipolaires vers le circuit électrique de sortie de la pile. A la cathode, l'oxygène de l'air se combine avec les protons et les électrons pour former de l'eau. La plaque bipolaire doit assurer la distribution des réactifs de manière uniforme sur les électrodes, conduire les électrons, évacuer l'eau produite lors de la réaction électro-chimique vers l'extérieur, évacuer la chaleur produite lors des réactions exothermiques et assurer l'étanchéité au gaz. Elle peut être réalisée en graphite, en polymère conducteur, en métal, etc. La plaque bipolaire peut être du type " à canaux " ou du type " poreux ". La cathode et l'anode peuvent être fixées d'un côté et de l'autre de la membrane servant d'électrolyte. La membrane échangeuse de protons assure la circulation des protons de l'anode vers la cathode, et assure l'étanchéité aux gaz. Elle peut être réalisée en matériau perfluoré sulfoné, de type NAFION, ACIPLEX, etc. Les électrodes, anode et cathode, assurent l'apport des réactifs aux lieux des réactions, réalisent les réactions électrochimiques et évacuent les produits de la réaction vers les plaques bipolaires. Les électrodes peuvent être réalisées en un tissu de carbone, comprenant en outre un catalyseur pour les réactions, par exemple du platine, et des agents hydrophobes, comme le PTFE, pour évacuer l'eau. Les électrodes et la membrane sont intimement liées pour assurer le transfert d'un réactif d'un milieu à l'autre, par exemple par pressage à chaud des électrodes sur la membrane, ou encore par dépôt direct des électrodes sur la membrane. L'énergie chimique contenue dans les gaz et non transformée en électricité se retrouve sous forme de chaleur. Actuellement, les matériaux connus pour la membrane doivent être maintenus à une température inférieure à 80'C. Il est donc nécessaire de prévoir un circuit de refroidissement. Une cellule de refroidissement peut être intercalée toutes les une à trois cellules. La cellule de refroidissement présente une forme semblable à celle d'une plaque bipolaire, mais sert à la circulation d'un fluide de refroidissement, comme de l'eau ou de l'eau additionnée d'un produit anti-gel. De façon conventionnelle, les réactifs entrent dans les plaques bipolaires en un seul point et ressortent aussi en un seul point. Afin d'optimiser le rendement de la pile à combustible, les stoechiométries en réactifs sont faibles. La stoechiométrie d'un réactif est définie par le rapport entre le débit de réactif entrant dans la pile (hydrogène ou oxygène) et le débit consommé au sein de la pile. Les pressions partielles d'hydrogène et d'oxygène sont nettement plus élevées à proximité de l'entrée des réactifs qu'à proximité de la sortie. Les densités de courant obtenues sur la surface de la cellule ne sont pas homogènes, plus élevées à l'entrée et plus faibles près de la sortie. Cette distribution non homogène de la densité de courant induit une répartition thermique non uniforme pouvant être la source de points chauds au sein de la pile, ce qui est néfaste pour les membranes qui sont des éléments sensibles à une température élevée. L'invention vise à remédier à ces inconvénients. Le système de distribution de réactifs pour pile à combustible, selon l'invention, comprend une plaque bipolaire alimentée par une conduite, la plaque bipolaire comprenant au moins deux entrées d'alimentation reliées en amont à un répartiteur de réactifs. On favorise ainsi une meilleure répartition des pressions partielles de réactifs, d'o des densités de courant plus homogènes et des pertes thermiques mieux réparties. Avantageusement, la plaque bipolaire comprend une pluralité de canaux, les entrées débouchant dans les canaux. Dans un mode de réalisation de l'invention, ladite conduite est disposée en amont du répartiteur. Dans un mode de réalisation de l'invention, le système comprend une conduite disposée entre le répartiteur et chaque entrée d'alimentation d'une plaque bipolaire. Dans un mode de réalisation de l'invention, le répartiteur comprend une vanne pilotée tout ou rien. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le répartiteur comprend une vanne pilotée progressive. Avantageusement, le système comprend une unité de commande apte à commander le répartiteur en vue d'une diminution des pertes de charge et d'un lissage du courant de sortie de la pile à combustible. L'invention propose également une pile à combustible comprenant au moins un assemblage membrane-électrodes et au moins un système de distribution de réactifs comprenant une plaque bipolaire alimentée par une conduite et pourvue d'au moins deux entrées d'alimentation reliées en amont à un répartiteur de réactifs. Avantageusement, le répartiteur de réactifs est apte à équilibrer les pressions partielles de réactifs aux différents points d'entrée. L'invention propose encore un véhicule comprenant une chaîne de traction à moteur électrique et une telle pile à combustible. La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels: -la figure 1 est une vue schématique d'une cellule à pile à combustible; -la figure 2 est une vue schématique d'un système de distribution de réactifs, selon un aspect de l'invention; et -la figure 3 est une variante de la figure 2. Comme on peut le voir sur la figure 1, une cellule de pile à combustible comprend une membrane 1 remplissant la fonction d'électrolyte, une anode 2 disposée d'un côté de la membrane 1 et une cathode 3 disposée du côté opposé, une plaque 4 du côté de l'anode 2 opposée à la membrane 1 et une plaque 5 disposée du côté de la cathode 3 opposée à la plaque 1. La plaque 4 est pourvue de canaux 6 formant des rainures ouvertes du côté de l'anode 2. Il en est de même de la plaque 5 qui comprend des canaux 6 ouverts du côté de la cathode 3 et des canaux 7 ouverts du côté opposé qui peut être mis en contact avec l'anode d'une autre cellule. Sur la figure 2, est illustré un système de distribution de réactifs 8 qui comprend une plaque 5 pourvue de canaux 6. La plaque 5 comprend une entrée 9 et une sortie 11, les réactifs pouvant s'écouler de l'entrée 9 vers la sortie 11. Il est prévu en outre une entrée supplémentaire 10 située sensiblement à mi-chemin entre l'entrée 9 et la sortie 11. Le système de distribution de réactifs 8 se complète par une conduite 12 reliée à l'entrée 9, une conduite 13 reliée à l'entrée , un répartiteur 14 relié en amont à une conduite 15 et en aval aux conduites 12 et 13. Le répartiteur 14 comprend donc une entrée et deux sorties, la répartition du débit entre les deux sorties étant commandée par un contrôleur 16. Bien entendu, dans le cas o la plaque 5 comprend n entrées, le répartiteur 14 comprend alors n sorties, chacune reliée à une entrée correspondante de la plaque 5 par une conduite appropriée. Le répartiteur 14, qui peut se présenter sous la forme d'une vanne pilotée, permet de répartir le débit entre l'entrée 9 et l'entrée supplémentaire sans modifier la stoechiométrie. La position de l'entrée supplémentaire 10 peut être déterminée selon la structure de la plaque et les proportions relatives de réactifs désirées dans ladite plaque 5. Le mode de réalisation illustré sur la figure 3 est proche de celui illustré sur la figure 2, à ceci près que la conduite 13 comprend, à proximité de l'entrée 10, une portion oblique 17 présentant un angle 10 P avec l'axe principal des canaux 6, alors que, selon la figure 2, la portion de la conduite 13 débouchant dans l'entrée 10 est parallèle avec les canaux 6. Ce décalage angulaire modifie l'angle d'entrée des réactifs par l'entrée supplémentaire 10 et influe de façon importante sur le fonctionnement du dispositif en favorisant un mélange des réactifs. En considérant un débit Q passant dans la conduite 15, un coefficient de répartition du débit cx envoyé par le contrôleur 16 au répartiteur 14, l'entrée 9 voit un débit ccQ et l'entrée 10 voit un débit (1-a)Q. Le coefficient de répartition de débit cx est déterminé par le calculateur 16, qui minimise un critère prenant en compte le lissage du courant et l'optimisation des pertes de charge. Grâce à l'invention, la durée de vie de la pile à combustible est accrue, il se produit moins de points chauds lors du fonctionnement, d'o un moindre risque de détérioration de la membrane, la répartition thermique est plus uniforme, le courant est plus centré sur sa moyenne, les pertes de charge sont optimisées grâce à la répartition du débit et du choix de l'angle d'attaque. Il est alors possible d'augmenter le courant de sortie ou encore de diminuer la stoechiométrie, c'est-à-dire la quantité de réactifs en entrée par rapport à la quantité de réactifs en sortie. REVENDICATIONS 1-Système de distribution de réactifs pour pile à combustible, comprenant une plaque bipolaire (5) alimentée par une conduite (15), caractérisé par le fait que la plaque bipolaire comprend au moins deux entrées d'alimentation (9, 10) reliées en amont à un répartiteur de réactifs (14). 2-Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la plaque bipolaire comprend une pluralité de canaux (6). 3-Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que ladite conduite (15) est disposée en amont du répartiteur (14). 4-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend une conduite (12, 13) disposée entre le répartiteur et chaque entrée d'alimentation. -Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le répartiteur comprend une vanne pilotée tout ou rien. 6-Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le répartiteur comprend une vanne pilotée progressive. 7-Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend une unité de commande (16) apte à commander le répartiteur en vue d'une diminution des pertes de charge et d'un lissage du courant de sortie de la pile à combustible. 8-Pile à combustible comprenant au moins un système selon l'une quelconque des revendications précédentes et au moins un assemblage membrane-électrodes. 9-Véhicule comprenant une chaîne de traction à moteur électrique et une pile à combustible selon la revendication 8.