Brevet FR2846799A1 — publié le 20040507

Module pour un système de cellules électrochimiques L'invention a pour objet un module pour un système de cellules électrochimiques et un procédé pour fabriquer un module de ce genre ainsi qu'un système de cellules électrochimiques ainsi fabriqués. Des cellules électrochimiques servent à produire de l'énergie électrique au moyen 5 d'une réaction chimique et peuvent par exemple être réalisées sous la forme d'un bloc présentant une pluralité de modules individuels empilés les uns sur les autres et dans chacun desquels a lieu la réaction chimique. Les partenaires de la réaction sont amenés à la cellule électrochimique souvent à l'état gazeux, par exemple sous la forme d'hydrogène et d'oxygène ou d'air, de sorte que le système de cellules 10 électrochimiques doit présenter une étanchéité fiable. Le document DE 100 28 395 Ai par exemple décrit une étanchéité pour des cellules électrochimiques qui comprend un corps porteur sur lequel est disposé un matériau élastomérique. Ce matériau est déposé sous la forme d'un vulcanisat liquide de caoutchouc sur le corps porteur et il est ensuite réticulé ou vulcanisé. Le document EP 1 032 065 A2 présente un système d'étanchéité, en particulier pour des plaques bipolaires, comprenant des unités à membrane échangeuse d'ions intercalées dans les cellules électrochimiques. Dans ce système d'étanchéité, des éléments d'étanchéité en matériau polymère sont injectés dans des évidements des plaques bipolaires et forment avec chaque plaque bipolaire correspondante une unité 20 intégrale. Evidemment les éléments d'étanchéité ne remplissent pas totalement les évidements, il subsiste des espaces libres ou des fentes entre les parois latérales des éléments d'étanchéité et les parois voisines des évidements. De ce fait, il est sr que les éléments d'étanchéité peuvent se dévier quand on les comprime. De plus, les éléments d'étanchéité dépassent les évidements, c'est-à-dire que la hauteur des 25 éléments d'étanchéité est supérieure à la profondeur des évidements. L'invention a pour objectif de maintenir aussi faible que possible le cot de fabrication d'un système de cellules électrochimiques, tout en assurant en même temps une étanchéité fiable. Cet objectif est atteint par le module selon l'invention pour un système de cellules electitchimiques qui, 30 présente plusieurs plaques disposées en piles. Au moins deux plaques comportent un élément d'étanchéité commun fait d'un matériau polymère qui a été injecté sur les plaques et par lequel celles-ci sont reliées entre elles au moins en partie. Cela présente l'avantage que le nombre des éléments individuels nécessaires à 5 l'assemblage d'un système de cellules électrochimiques est réduit, et que cet assemblage peut être réalisé en un nombre relativement faible d'étapes opératoires. Un autre avantage est que l'élément d'étanchéité fixe en même temps les plaques mécaniquement, et qu'aucune disposition supplémentaire n'est donc nécessaire pour cette fixation. Les plaques peuvent être reliées entre elles par adhérence assurée par l'élément d'étanchéité. Egalement, par l'élément de fixation les plaques peuvent être reliées entre elles par complémentarité de formes et même une combinaison des deux types de liaison est possible. Ainsi, on peut en général réaliser entre les plaques la liaison convenant à chaque cas d'utilisation. L'élément de fixation est avantageusement réalisé sur les deux faces principales de la pile constituée par les plaques. Ainsi, il est possible, en empilant les modules selon l'invention pour en faire un système de cellules électrochimiques, d'obtenir une très bonne étanchéité entre ces modules. Egalement, au moyen de l'élément d'étanchéité, on peut rendre étanche un volume 20 intermédiaire entre des plaques voisines, de sorte que l'élément d'étanchéité assure non seulement une étanchéité entre les modules individuels selon l'invention, mais également entre les plaques individuelles d'un module selon l'invention. Selon la forme de réalisation, l'élément d'étanchéité peut entourer, au moins localement, les faces frontales des plaques. Mais il est également possible que 25 l'élément d'étanchéité pénètre dans les plaques à travers au moins une ouverture. Pour cela, on peut créer dans les plaques voisines des ouvertures en particulier de forme allongée, les ouvertures d'une plaque se superposant chaque fois aux ouvertures de l'autre plaque. Enfin, il est également possible que l'élément d'étanchéité s'étende à l'intérieur d'au moins un espace creux en forme de tunnel 30 situé entre les plaques. Cet espace creux en forme de tunnel présente en général au moins une ouverture. On dispose ainsi d'un grand nombre de variantes pour la configuration concrète de la liaison des plaques par l'intermédiaire de l'élément d'étanchéité, et dans tous les exemples de réalisation, on peut réaliser une liaison aussi bien par adhérence que par complémentarité de formes, avec de plus chaque 35 fois la possibilité de rendre étanche également l'espace intermédiaire entre les plaques. Egalement, on dispose d'une série de variantes pour donner une forme à l'élément d'étanchéité. Ainsi, cet élément peut, dans la zone d'une des plaques, avoir une zone de sa section qui présente une surface plane. Il est également possible que l'élément d'étanchéité dans la zone d'une des plaques présente une 5 zone de sa section avec une surface s'éffilant en pointe. Ces deux possibilités peuvent être combinées entre elles de manière particulièrement avantageuse dans le module selon l'invention, de manière que l'élément d'étanchéité présente sur un côté du module une surface plane, et sur l'autre côté une surface en pointe. En empilant les modules selon l'invention pour réaliser un système de cellules 10 électrochimiques, alors chaque fois une surface en pointe de l'élément d'étanchéité s'applique sur une surface plane de sorte que l'on peut obtenir un très bon effet d'étanchéité. Dans un autre exemple de réalisation, l'élément d'étanchéité présente dans la zone de la même plaque une zone de sa section avec une surface plane et une zone de sa section avec une surface en pointe. En particulier, chaque zone de 15 section à surface plane peut être séparée de la zone de section à surface en pointe par un creux par rapport à la surface plane. Dans cette forme de réalisation de l'élément d'étanchéité, les zones de section à surface plane servent, quand on empile les modules selon l'invention, de butées afin que les zones de section à surface en pointe puissent être comprimées au maximum. Les creux augmentent la 20 flexibilité de la zone de section à surface en pointe, et servent à accueillir le matériau de ces zones de section quand il est comprimé. Cet exemple de réalisation a donc l'avantage de permettre une manipulation qui n'est pas compliquée du tout des modules selon l'invention quand on les empile pour former un système de cellules électrochimiques, et les éléments d'étanchéité sont mis à l'abri d'une 25 détérioration résultant d'une compression excessive des zones de section à surface en pointe. Les éléments d'étanchéité selon cet exemple de réalisation peuvent, quand on empile les modules selon l'invention, coopérer avec des éléments d'étanchéité totalement plans, ou avec des éléments d'étanchéité du même genre. Pour réaliser cette dernière combinaison, les zones de section sont asymétriques 30 avec une surface plane d'un côté et de l'autre d'une zone de section à surface en pointe, de sorte que quand on empile deux éléments d'étanchéité, les zones de section à surface en pointe s'appliquent chacune sur une zone de section à surface plane de l'autre élément d'étanchéité, et ainsi, sont réalisées deux zones d'étanchéité disposées l'une derrière l'autre. Le procédé selon l'invention de fabrication d'un module pour un système à cellules électrochimiques, est caractérisé par le fait qu'au moins deux plaques sont montées au moins localement dans un moule de coulée, rempli ensuite d'un matériau d'étanchéité qui ainsi est déposé sur les deux plaques. De cette manière on peut, avec une très grande efficience, réaliser un élément d'étanchéité en même temps sur plusieurs plaques et, dans cette même étape du processus on peut même réaliser en plus une liaison mécanique entre les plaques. L'invention va être décrite ci-après, sous différentes formes de réalisation représentées par le dessin. La Fig. 1 représente, en élévation, un système de cellules électrochimiques utilisant le module selon l'invention La Fig. 2 est une représentation en coupe du système de la Fig. 1 La Fig. 3 est une représentation en perspective d'un exemple de réalisation du module selon l'invention La Fig. 4 est une vue analogue à la Fig. 3 d'un autre exemple de réalisation de module selon l'invention La Fig. 5 représente, en élévation, l'exemple de réalisation de la Fig. 4 La Fig. 6 est une représentation en perspective d'un autre exemple de réalisation du module selon l'invention La Fig. 7 représente, en élévation, l'exemple de réalisation de la Fig. 6 Les Fig. 8, 9 et 10 représentent en coupe d'autres exemples de réalisation du 20 module selon l'invention. La Fig. 1 représente, en élévation, un système de cellules électrochimiques utilisant le module selon l'invention. Ce système est typiquement alimenté par les gaz hydrogène et oxygène ou air et transforme ceux-ci en eau en produisant de l'énergie électrique. Le système de cellules représenté à la Fig. 1 est constitué 25 d'une pluralité d'éléments individuels empilés, constitués chacun par une plaque ou une couche individuelle. Pour alimenter en gaz les éléments individuels disposés chacun dans un plan différent, et pour évacuer l'eau formée, la pile est traversée perpendiculairement aux plaques ou couches individuelles par des puits fermés 1, étanches aux gaz. De ces puits partent transversalement quelques canaux 30 2 qui distribuent, chacun latéralement, le fluide refoulé dans les puits. La Fig. 2 montre le système de cellules électrochimiques de la Fig. 1 en coupe, celle-ci étant effectuée le long de la ligne AB apparente à la Fig. 1. Le système de cellules électrochimiques est constitué d'une succession, se répétant périodiquement, d'électrodes 3, de premières plaques catalytiques 4, de 35 membranes 5 et de secondes plaques catalytiques 6 qui constituent chaque fois, en ajoutant une autre électrode 3, une cellule électrochimique. Un aspect essentiel de l'invention est que les électrodes 3 sont constituées chacune de l'assemblage de deux plaques 7 et 8, appliquées l'une sur l'autre par leurs faces principales, et maintenues assemblées par un élément d'étanchéité 9 fait d'un matériau polymère, de sorte que chaque fois est réalisé un module 10 selon l'invention. L'élément 5 d'étanchéité 9 a tout d'abord une fonction statique dans laquelle il maintient mécaniquement assemblées les deux plaques 7 et 8. Comme on peut le voir de plus à la Fig. 2, l'élément 9 assure de plus une fonction d'étanchéité, des éléments d'étanchéité empilés 9 assurant par exemple l'étanchéité du puits 1. Il est possible de construire les éléments d'étanchéité 9 de manière que le système de cellules 10 électrochimiques peut être rendu totalement étanche sans joint supplémentaire. Pour fabriquer le module 10, deux plaques 7 et 8 positionnées l'une par rapport à l'autre de manière désirée, au moins dans les zones o l'élément d'étanchéité 9 doit être réalisé, sont introduites dans un moule de coulée sous pression et un matériau polymère injectable est injecté autour d'elles. Ainsi, le 15 matériau d'injection relie entre elles les deux plaques 7 et 8 par adhérence et/ou par combinaison de formes. Si on le désire, on peut de cette manière obturer de manière hermétique la zone de jonction entre les deux plaques 7 et 8 reliées. Le module 10 ainsi fabriqué peut dans l'assemblage du système de cellules électrochimiques être traité chaque fois comme une unité. Différentes formes de réalisation du module 10 sont représentées aux Fig. 3 à 10 et décrites en détail par la suite. Les exemples de réalisation des Fig. 3 à 7 se distinguent en partie les uns des autres par la configuration des plaques 7 et 8 dans la zone de l'élément d'étanchéité 9. Les exemples de réalisation des Fig. 8 à 10 se distinguent les uns des autres par la configuration de l'élément d'étanchéité 9. La Fig. 3 représente en perspective un exemple de réalisation du module 10. Dans cet exemple, l'élément d'étanchéité 9 entoure les faces frontales des deux plaques 7 et 8 et présente sur les deux côtés de la plaque une forme identique. La section de l'élément d'étanchéité 9 a la forme d'un trapèze, dont les deux faces opposées parallèles sont elles-mêmes parallèles aux plaques 7 et 8. Ainsi, on 30 obtient à la fois dans la zone de la plaque 7 et dans la zone de la plaque 8 un profil d'étanchéité plat et qui va en se rétrécissant en s'éloignant de la surface des plaques. Dans l'exemple de réalisation représenté, il existe entre les plaques 7 et 8 un espace intermédiaire 11. Comme l'élément d'étanchéité 9 entoure les faces frontales des deux plaques 7 et 8, il assure également l'étanchéité par rapport à 35 l'extérieur de l'espace intermédiaire i1. La Fig. 4 représente en perspective un autre exemple de réalisation du module 10. Une vue en plan correspondante est représentée par la Fig. 5. Dans cet exemple de réalisation, l'élément d'étanchéité 9 ne se trouve pas sur le bord des plaques 7 et 8 mais à l'intérieur de celles-ci. Pour pouvoir assurer néanmoins par l'élément d'étanchéité 9 une liaison entre les plaques 7 et 8, les plaques sont 5 percées d'ouvertures ayant chacune la forme d'un trou allongé 12, les trous se recouvrant en partie. Le décalage entre les trous 12 dans la plaque 7 et dans la plaque 8 est choisi bien plus petit que la longueur des trous allongés 12, de sorte que chaque trou allongé 12 est recouvert par ses deux voisins. Ainsi l'étanchéité de l'espace intermédiaire 1 1 déjà indiquée à la Fig. 3 est assurée. La zone de 10 recouvrement des trous 12 dans les plaques 7 et 8 est remplie en continu par l'élément d'étanchéité 9, c'est-à-dire que celui-ci s'étend dans la zone de recouvrement de la face externe de la plaque 7 à la face externe de la plaque 8 à travers les trous 12, et ainsi peut être réalisée une liaison par adhérence et par combinaison de formes entre les plaques 7 et 8. La section de l'élément 15 d'étanchéité 9 a sa forme qui correspond à celle représentée à la Fig. 3. Au lieu des trous allongés 12, on peut réaliser des trous d'une autre forme dans les plaques 7 et 8. En dimensionnant de manière appropriée la grandeur et le nombre des trous 12, il n'est pas nécessaire, pour réaliser une liaison sre des plaques 7 et 8 par l'élément d'étanchéité 9, de les orienter parallèlement à la direction longitudinale 20 des trous 12 avant la mise en place des éléments d'étanchéité 9. La Fig. 6 représente en perspective un autre exemple de réalisation du module selon l'invention et la Fig. 7 une vue en plan correspondante. L'exemple de réalisation des Fig. 6 et 7 se distingue par la présence d'espaces creux 13 en forme de tunnel, formés par les plaques 7 et 8 dans la zone o se trouve l'élément 25 d'étanchéité 9. Ces espaces creux 13 sont accessibles par des ouvertures 14 usinés dans une des plaques 7 ou 8 ou même dans les deux plaques. Quand on réalise les éléments d'étanchéité 9, le matériau d'étanchéité peut pénétrer dans les ouvertures 14, dans des espaces creux 13, et les remplir. Ainsi on peut, avec les zones des plaques 7 et 8 qui délimitent les espaces creux 13, réaliser aussi une liaison par 30 adhérence et/ou par combinaison de formes, assurant l'assemblage des plaques 7 et 8. Egalement, l'exemple de réalisation du module 10 représenté aux Fig. 6 et 7 peut présenter un élément d'étanchéité ayant en section la même forme qu'à la Fig. 3. En remplissant l'espace creux en forme de tunnel 13, avec le matériau d'étanchéité, on obtient que la zone de jonction entre les deux plaques 7 et 8 est 35 rendue étanche sur toute la longueur de l'espace creux en forme de tunnel. Dans l'exemple représenté, on obtient avec l'élément d'étanchéité 9 en plus de la liaison mécanique des deux plaques 7 et 8 et de l'étanchéité les uns par rapport aux autres des modules qui se suivent, une étanchéité des espaces intermédiaires 11 entre les plaques 7 et 8. Les Fig. 8, 9 et 10 représentent en coupe d'autres exemples de réalisation du module 5 10. Ces exemples se distinguent par la forme de la section de l'élément d'étanchéité qui prend chaque fois la place de la section hexagonale décrite jusqu'alors. A la Fig. 8, la section de l'élément d'étanchéité 9 est configurée de manière que sur le côté de la plaque 7 apparaît une section partielle 15 en forme de pointe, tandis que du côté de la plaque 8 la section partielle 16 est rectangulaire. En d'autres termes, du côté 10 de la plaque 7 l'élément d'étanchéité 9 présente une surface en pointe, tandis que du côté de la plaque 8 il présente une surface plane. Cette configuration de l'élément d'étanchéité 9 fait que, quand on empile les uns sur les autres les modules individuels 10 pour former le système de cellules électrochimiques, chaque fois une section partielle 15 en forme de pointe de l'élément d'étanchéité 9 s'applique sur une section partielle 15 rectangulaire 16 de l'élément voisin, et ainsi sont réalisées les conditions d'une étanchéité fiable des modules 10 les uns par rapport aux autres, assurées par les éléments d'étanchéité 9. Dans l'exemple de réalisation de la Fig. 9, la plaque 7 présente à nouveau une section partielle 15 en pointe, tandis que la seconde plaque 8 présente une section partielle 20 rectangulaire 16. Mais à la différence de l'exemple de réalisation de la Fig. 8, au-dessus de la plaque 7, de part et d'autre de la section partielle en pointe 15, se trouve de plus une zone de butée 17 avec une surface plane. La section partielle en pointe 15 est en saillie sur les zones de butée 17 dont elle est séparée par des creux 18. Ainsi la section partielle en pointe 15 se trouve à peu près au milieu de l'étendue latérale de la section de 25 l'élément d'étanchéité 9. L'exemple de réalisation de l'élément d'étanchéité 9 représenté à la Fig. 9 assure, de la même manière que l'exemple de réalisation de la Fig. 8, un effet d'étanchéité quand on empile les modules 10. Bien sr, l'exemple de réalisation de la Fig. 9 assure une fonction supplémentaire dans la mesure o les zones 17, quand on empile les modules 10, jouent le rôle de butée et empêchent que la section 30 partielle en pointe 15 soit trop fortement comprimée, et donc éventuellement détériorée. L'exemple de réalisation de l'élément d'étanchéité 9 représenté à la Fig. 10 est très semblable à l'exemple de réalisation de la Fig. 9, mais ici le profil prévu sur la première plaque 7 pour l'élément d'étanchéité 9 existe également sur la deuxième plaque 8, à savoir la section partielle en pointe 15 séparée de part et d'autre des zones de butée 17 par les creux 18. Mais il existe une petite différence dans la mesure o dans l'exemple de réalisation de la Fig. 10, les sections partielles en pointe 15 ne sont pas disposées chacune au milieu de l'étendue latérale de la section de l'élément d'étanchéité 9, mais sont décalées par rapport à 5 ce milieu dans deux sens opposés. Ainsi, quand on empile les modules 10 pour former un système de cellules électrochimiques, il est sr qu'une section partielle en pointe 15 s'appuie chaque fois sur une zone de butée 17, et que pour chacune des deux plaques 7 et 8, deux sections partielles en pointe 15 viennent se placer l'une à côté de l'autre. Cela signifie que deux zones d'étanchéité se trouvent l'une 10 derrière l'autre et que l'élément d'étanchéité 9 assure ainsi une étanchéité particulièrement fiable. Dans le cas o, après examen du cot et des besoins cela paraît avantageux, les plaques 7 et 8, avant de recevoir l'injection périphérique du matériau coulé, sont soudées ou reliées entre elles d'une autre manière. Ainsi, on peut obtenir une 15 capacité mécanique de charge élevée et une diminution de la résistance de passage entre les plaques 7 et 8. Liste des références 1 puits 2 canal 3 électrode 4 première plaque catalytique membrane 6 seconde plaque catalytique 7 plaque 8 plaque 9 élément d'étanchéité module 11 espace intermédiaire 12 trou allongé 30 14 ouverture section partielle en pointe 16 section partielle rectangulaire 17 zone de butée Revendications 1. Module pour un système de cellules électrochimiques, comportant plusieurs plaques (7, 8) empilées, caractérisé en ce que au moins deux plaques (7, 8) présentent un élément d'étanchéité commun (9) en matériau polymère, réalisé par injection sur les plaques dont il assure au moins partiellement la liaison. 2. Module selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité (9) assure par adhérence la liaison des plaques (7, 8) entre elles. 3. Module selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité (9) assure par complémentarité de formes la liaison des plaques 10 (7, 8) entre elles. 4. Module selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité (9) est réalisé sur les deux faces principales de la pile formée par les plaques (7, 8). 5. Module selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que 15 l'élément d'étanchéité (9) assure l'étanchéité d'une espace intermédiaire existant entre des plaques voisines (7 8). 6. Module selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité (9) entoure au moins localement les faces frontales des plaques (7, 8). 7. Module selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité (9) pénètre dans les plaques (7, 8) à travers au moins un passage (12). 8. Module selon la revendication 7, caractérisé en ce que dans deux plaques voisines (7, 8) sont réalisés chaque fois des passages (12) en forme de trous 25 allongés, les passages (12) d'une plaque (7) recouvrant les passages (12) de l'autre plaque (8). 9. Module selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité (9) s'étend dans au moins un espace creux en forme de tunnel (13) entre les plaques (7, 8). 10. Module selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'espace creux en forme de tunnel (13) présente au moins une ouverture (14). 11. Module selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité (9) présente dans la zone d'une des plaques (7, 8) en section une zone (16) avec une surface plane. 12. Module selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité (9) dans la zone d'une des plaques (7, 8) présente en section une zone (15) avec une surface en pointe. 13. Module selon les revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité dans la zone de la même plaque (7, 8) présente en section une zone (17) avec une surface plate et une zone (15) avec une surface en pointe. 14. Module selon la revendication 13, caractérisé en ce que chaque zone (17) à surface plane est séparée de la zone (15) à surface en pointe par un creux (18) par rapport à la surface plane. 15. Système de cellules électrochimiques comprenant plusieurs composants individuels empilés, caractérisé en ce que il est prévu au moins un module (10) 10 selon une des revendications précédentes. 16. Procédé pour fabriquer un module (10) destiné à un système de cellules électrochimiques, caractérisé en ce que au moins deux plaques (7, 8) sont introduites, au moins partiellement dans un moule de coulée qui est ensuite rempli d'un matériau d'étanchéité polymère, de sorte que celui-ci se dépose sur 15 les deux plaques (7, 8).