Brevet FR2846798A1 — publié le 20040507

PLAQUE BIPOLAIRE A DEUX PLAQUES METALLIQUES EMBOUTIES POUR PILE A COMBUSTIBLE DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne le domaine des piles à combustible constituées d'un empilement d'un grand nombre d'étages, comprenant chacun deux plaques 10 polaires par lesquelles le comburant et le combustible sont acheminés vers une membrane séparatrice placée entre les deux plaques polaires. Ce type de piles à combustible peut trouver son application dans les véhicules électriques faisant 15 actuellement l'objet de nombreuses études de développement, en particulier les véhicules urbains de transport en commun de surface, tels que les autobus, les tramways et autres trolleybus. De nombreuses autres applications sont possibles, notamment sur des 20 installations fixes, telles que les systèmes stationnaires de production d'électricité, comme ceux utilisés dans les hôpitaux ou autres bâtiments de service o l'éventualité d'une interruption d'alimentation en électricité doit être exclue. 25 Art antérieur et problème posé De nombreuses piles à combustible sont constituées d'une succession d'étage comprenant chacun un élément 30 de base constitué de deux électrodes, dont une anode et une cathode, auxquelles sont apportés continment un comburant et un combustible, et qui restent séparés par une membrane échangeuse d'ions faisant office d'électrolyte. La membrane échangeuse d'ions peut être formée d'un électrolyte solide polymère et sépare le 5 compartiment de l'anode, o se produit l'oxydation du combustible, tel que l'hydrogène, du compartiment de la cathode, o le comburant, tel que l'oxygène de l'air, est réduit. Deux réactions simultanées se produisent donc à ce niveau, l'oxydation du combustible à l'anode 10 et la réduction du comburant à la cathode. Ces deux réactions s'accompagnent de l'établissement d'une différence de potentiel entre les deux électrodes. Lorsque le comburant est de l'oxygène, par exemple sous la forme d'air, et le carburant est de l'hydrogène 15 pur gazeux, les ions H' et 0 se combinent et produisent de l'électricité sous la forme de cette différence de potentiels. La réaction peut se détailler de la façon suivante à l'anode 2H2 + 40H- - 4H20 + 4e_. La réaction à la cathode s'explique par la formule suivante 02 + 2H20 + 4e - 40H-. Chaque étage d'un empilement d'une pile à combustible est constitué d'un élément de base comprenant donc la membrane, prise en sandwich entre 30 les deux électrodes, cet élément étant lui-même placé entre deux flasques, appelées " plaques polaires ". Ces dernières ont plusieurs fonctions. La première de ces fonctions est d'amener au contact de l'ensemble réunissant la membrane et les 5 électrodes, d'un côté le carburant, par exemple de l'hydrogène, et de l'autre côté le comburant, par exemple de l'air contenant de l'oxygène. Pour se faire, un canal est prévu sur toute la face des plaques polaires en contact avec la membrane. Chaque canal 10 possède une entrée par laquelle pénètre le comburant ou le carburant, par exemple sous la forme gazeuse sèche ou humide, et une sortie par laquelle sont évacués les gaz neutres, l'eau générée par la réaction d'oxydoréduction dans le côté air et l'humidité 15 résiduelle de l'hydrogène de son côté. Bien entendu, les deux circuits doivent être parfaitement étanches l'un par rapport à l'autre et chacun vis-à-vis de l'extérieur. La deuxième fonction des plaques polaires est de 20 collecter les électrons produits par la réaction d'oxydoréduction. D'autre part, par la demande de brevet français FR-2 810 795, on connaît une plaque bipolaire pour pile à combustible qui est composée de deux plaques 25 métalliques. Ces dernières sont parallèles, maintenues à distance l'une de l'autre et constituent un squelette autour duquel un corps est moulé. Ainsi, un circuit de circulation de réfrigérant est formé entre les deux plaques, tandis que les surfaces externes du corps sont 30 moulées de manière à présenter des canaux de circulation du comburant et du carburant. Résumé de l'invention L'objet principal de l'invention est donc une 5 plaque bipolaire constituant la première plaque polaire d'un élément de base d'une pile à combustible et la deuxième plaque d'un deuxième élément de base adjacent au premier élément de base de la même pile à combustible, comprenant - un corps unique constitué de deux plaques métalliques fixées l'une à l'autre et délimitant entre elles ainsi un premier espace pour permettre une circulation de réfrigérant, et sur chaque surface libre duquel est formé au moins un canal de circulation de carburant ou de comburant; et - un cadre placé à la périphérie du corps unique, - des trous de collecteur étant prévus à la périphérie des plaques métalliques constituant 20 le corps unique et du cadre, pour constituer des collecteurs de carburant et de comburant, des canaux d'alimentation situés entre les plaques métalliques et reliant les trous de collecteur aux canaux de circulation. Selon l'invention, les deux plaques métalliques présentent chacune un relief définissant au moins un canal de circulation et des parties de contact entre elles, tout en délimitant un circuit de circulation de réfrigérant. Dans la réalisation préférentielle de l'invention, les plaques métalliques sont embouties avant d'être assemblées. Ainsi, on évite tout usinage intempestif, long et coteux des canaux, surtout dans le cas o ceux-ci sont très compliqués. De préférence, les parties en contact des deux 5 plaques métalliques sont brasées les unes aux autres, deux par deux. Dans la réalisation préférentielle de l'invention, le cadre est métallique, et brasé sur la face interne de chacune des deux plaques métalliques. De préférence, le fond des canaux présente un enfoncement maximum des plaques. Dans le but d'assurer l'étanchéité entre deux plaques bipolaires adjacentes, chacune d'elle comprend des joints en silicone implantés les plaques 15 métalliques au niveau de la partie de faible enfoncement, autour des collecteurs de carburant et de comburant et à la périphérie de la membrane d'un ensemble membrane/électrodes. Dans ce dernier cas, il est avantageux de prévoir 20 que, dans chaque plaque bipolaire, on utilise une plage de léger enfoncement en périphérie pour ménager des accès à des collecteurs radiaux ménagés dans le cadre, à positionner les joints et présenter un appui ou un système écarteur/joints. Plusieurs réalisations des canaux de circulation de carburant et de comburant sont prévues. En effet, des réalisations en zigzag, en quadrillage, en hélices et en spirales carrées ou même rectilignes peuvent être envisagées. Liste des figures L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la 5 description suivante, qui est accompagnée de six figures représentant respectivement: - figure 1, en coupe partielle, la plaque bipolaire selon l'invention; - figure 2, en vue de dessus partielle, un détail 10 du circuit de combustible dans une réalisation de la plaque bipolaire selon l'invention; - figure 3, en vue de dessus coupée, une deuxième réalisation de la plaque bipolaire selon l'invention; - figure 4, en vue cavalière coupée, une partie de cette même deuxième réalisation de la plaque bipolaire selon l'invention; - figure 5, en vue cavalière coupée, un détail d'une troisième réalisation de la plaque 20 bipolaire selon l'invention; et - figure 6, en vue cavalière coupée, un détail d'une quatrième réalisation de la plaque bipolaire selon l'invention. Description des réalisations préférentielles de l'invention En se reportant à la figure 1, la plaque bipolaire selon l'invention est représentée conjointement avec 30 deux ensembles membrane/électrodes 1, qu'elle maintient tout en les séparant. Chaque élément membrane/électrodes 1 possède donc une membrane 3 prise en sandwich entre deux électrodes 2. Chaque élément est positionné sur la plaque bipolaire 10, la partie périphérique de chaque membrane 3, dépassant par 5 rapport aux deux électrodes 2 et étant en appui sur Un joint de membrane 4. La plaque bipolaire 10 comprend principalement deux plaques métalliques 20 fixées l'une à l'autre, qui s'étendent sur toute la surface de la plaque bipolaire. 10 La plaque bipolaire 10 se complète d'un cadre 11 constitué d'une entretoise 13 fermée, sur ses deux côtés, par deux plaques annulaires 12. Ce cadre 11 est placé entre les deux plaques 20 qui s'écartent à leur périphérie d'un intervalle égal à l'épaisseur du cadre 15 11. La plaque bipolaire est traversée, à sa périphérie, par plusieurs collecteurs verticaux qui traversent tout l'empilement de la pile à combustible. Ainsi, les deux plaques métalliques 20 sont percées par 20 des trous de collecteur 28 comme les plaques annulaires 12 sont munies de trous de collecteur 15. A ce niveau, la plaque bipolaire est complétée d'une bague appelée écarteur 16 qui a pour objet de maintenir écarter des plaques bipolaires 10 adjacentes. Un joint annulaire 5 25 placé autour des trous de collecteur complète le montage. On note que les trous de collecteur 28 à la périphérie de chaque plaque métallique 20 possèdent un rebord 29 permettant ainsi au joint annulaire 5 d'être 30 positionné, l'écarteur 16 possédant lui-même aussi une forme correspondant à celle du joint annulaire 5. Les joints 4 et 5 sont, de préférence, en silicone. Comme on peut le constater, chaque entretoise 13 présente un espace de distribution 16 reliant les trous 5 de collecteur 15 et 28 à un trou d'alimentation 14 destiné à la circulation des combustibles, c'est-à-dire, d'une part le comburant, et, d'autre part le carburant. Les plaques métalliques 20 présentent une forme en 10 relief constituée de plusieurs bossages et enfoncements. En effet, elles présentent, en particulier, un enfoncement maximal au niveau des parties de contact 22 qui permettent aux deux plaques métalliques 20 d'être en contact l'une de l'autre. Ceci 15 permet donc de les fixer effectivement par brasage. Chaque plaque métallique 20 présente également un léger enfoncement vers sa périphérie, permettant de ménager un espace nécessaire pour y loger le cadre 11. A ce sujet, chaque plaque métallique 20 possède au 20 moins un trou d'alimentation 23 placé en regard d'un trou d'alimentation 14 d'une plaque annulaire 23. Ainsi, on constate que les carburant et comburant alimentés par les collecteurs peuvent circuler à partir des trous de collecteurs 15 et 28, puis par l'espace 25 d'alimentation 17 et les trous d'alimentation 14 et 23. Ainsi ils atteignent des canaux de circulation 21F et 21I conformés, entre autre, grâce à l'enfoncement maximum au niveau des parties de contact 22, à l'extérieur de l'ensemble formé par les deux plaques 30 métalliques 20 qui sont fixées l'une à l'autre. On souligne que les deux plaques 20 sont embouties de façon à présenter des motifs symétriques. Ainsi, lorsqu'elles sont accolées l'une contre l'autre, les parties en contact 22, au niveau de l'enfoncement le 5 plus profond, peuvent être brasées l'une contre l'autre. Cette conception permet d'obtenir trois volumes ou circuits isolés les uns des autres, c'est-à-dire deux circuits de circulation de combustibles et une circulation du fluide de 10 réfrigération. A un autre niveau plus extérieur, chaque plaque métallique 20 présente un autre léger enfoncement 26, au niveau du joint annulaire 4, permettant ainsi à celui-ci d'être positionné par rapport à l'ensemble de 15 la plaque bipolaire 10. Aux endroits o les plaques métalliques 20 ne présentent pas d'enfoncement, c'est-à-dire o elles sont espacées le plus l'une de l'autre, elles définissent un espace de circulation du réfrigérant 28. Le réfrigérant est acheminé dans les espaces ou canaux de circulation du réfrigérant 28 d'une manière similaire à celle représentée sur cette figure 1. Compte tenu du fait que les parties de contact 22 des deux plaques métalliques 20 ne sont pas continues sur 25 toute la surface ou la périphérie de la plaque bipolaire 10, le réfrigérant peut avoir accès à un espace périphérique 29. Il y est acheminé par un espace d'alimentation et des trous de collecteur non représentés mais analogues à ceux représentés sur cette 30 figure 1. Si, de plus, au niveau du collecteur de réfrigérant, chaque plaque métallique 20 ne possède pas d'enfoncement au niveau du trou d'alimentation 14 de l'entretoise 11 et ne possède pas elle-même de trous d'alimentation 23, le réfrigérant peut donc passer par le trou d'alimentation 14 et se glisser entre les deux plaques métalliques 20. En fait, chaque plaque 20 possède deux niveaux d'enfoncement, un niveau d'enfoncement total au niveau des parties de contact 22 et un niveau de léger enfoncement sur la périphérie, au niveau des plaques 10 annulaires 12 du cadre 11. L'alternance des enfoncements des plaques métalliques 20 permet à la fois la circulation du liquide réfrigérant et celle des combustibles. Une réalisation concrète prévoit que l'enfoncement 15 maximum d'une plaque soit de 1,4 mm environ et que le léger enfoncement soit de l'ordre de 0,5 mm. On remarquera que le joint annulaire 4 sert d'appui pour la membrane 3 de l'élément membrane/électrodes 1. En effet, son épaisseur est un 20 peu plus importante que la profondeur du léger enfoncement à la périphérie de chaque plaque métallique 20. La différence de hauteur correspond à un peu plus que l'épaisseur de chaque électrode 2, de manière à pouvoir permettre un léger enfoncement du joint 25 annulaire 4. De même, l'écarteur 16 et les joints annulaires 5 qu'il positionne sont tous deux centrés grâce également au léger enfoncement à l'extrême périphérie 27 de chaque plaque métallique 20, conjointement avec le 30 rebord 29, pratiqué autour de chaque trou de collecteur 28. il La figure 2 permet de comprendre une partie du circuit hydraulique, et en particulier au niveau de la jonction entre les canaux de circulation 21S et 21I avec les espaces d'alimentation 16 dans le cadre 11. 5 Les traits interrompus représentent les formes intérieures du cadre il qui, en fait, se présentent d'une manière annulaire, c'est-à-dire qu'il entoure complètement tout un étage de l'empilement d'une pile à combustible. Les trous d'alimentation 14 et 23 ont été 10 représentés par plusieurs orifices, ceux-ci étant d'une forme possible de réalisation. A la verticale de ces derniers se trouve le début des canaux de circulation 31S et 31I. Ici, ils présentent une forme en spirale, mais ceci n'est qu'une première forme de réalisation. La figure 3 montre une autre forme de réalisation de la plaque bipolaire, l'empilement de la pile à combustible étant de forme carrée. Ainsi, chaque cadre il de chaque étage est également de forme carrée. Sur cette réalisation, l'entretoise 13 a été représentée 20 coupée et distincte d'une ossature de cadre 31 qui supporte les quatre entretoises 13. Néanmoins, ceci n'est qu'un mode de réalisation dicté par une facilité de fabrication en plusieurs pièces. Les entrées EH et EO et sorties SH et SO des deux combustibles, par exemple l'oxygène et l'hydrogène, sont placées à l'opposé l'une de l'autre, de manière à ce que chaque combustible puisse traverser de part en part la totalité des canaux de circulation 41S et 41I. La forme des reliefs est représentée en détail sur la figure 4. 30 Il s'agit d'une multitude de petits carrés 42 formant un quadrillage en forme dite " en plaquette de chocolat ". La figure 5 montre une autre forme de relief, dite en " rainure " ou " rectiligne ". Dans ce cas, le fluide circule sur des canaux parallèles 51S et 51I. La figure 6 montre une forme de réalisation des canaux 61S et 61I en zigzag. Il est aisé de comprendre que la fabrication de plaques métalliques 20 par emboutissage permet 10 d'envisager une multitude de reliefs différents pour réaliser des canaux de circulation. On note que l'ensemble d'un empilement de piles à combustible, c'est-àdire toutes les biplaques d'un empilement peuvent être brasées en une seule opération, 15 ce qui facilite grandement la fabrication de l'ensemble et réduit son cot de production. REVENDI CATIONS 1. Plaque bipolaire (10) constituant la première plaque polaire d'un élément de base (1) d'une pile à 5 combustible et la deuxième plaque polaire d'un deuxième élément de base (1) adjacent au premier élément de base de la même pile à combustible, comprenant: - un corps unique constitué de deux plaques métalliques (20) fixées l'une à l'autre et 10 comprenant un premier espace (28) permettant une circulation du réfrigérant, et sur chaque surface libre de laquelle est formé au moins un canal de circulation (21S, 21I, 31S, 31I, 41S, 41I, 51S, 51I, 61S et 611) de carburant ou de 15 comburant; et - un cadre (11, 31) placé à la périphérie du corps unique, des trous de collecteurs (15, 28) étant prévus à la périphérie des plaques métalliques (20) et du cadre (11) pour 20 constituer des collecteurs du réfrigérant, des espaces d'alimentation (16), situés entre les plaques métalliques (20) et reliant les trous de collecteurs (15, 28) aux canaux de circulation (21S, 21I), par l'intermédiaire de 25 trous d'alimentation (14, 23), caractérisée en ce que les deux plaques métalliques (20) présentent un relief définissant les canaux de circulation (21S, 21I) et des parties de contact (22) entre elles, tout en délimitant entre 30 elles un circuit de circulation du réfrigérant (28) . 2. Plaque bipolaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que les plaques métalliques (20) sont embouties avant d'être assemblées. 3. Plaque bipolaire selon la revendication 1 ou 2, 5 caractérisée en ce que les plaques métalliques (20) sont assemblées par brasage à leurs parties de contact (22). 4. Plaque bipolaire selon la revendication 2, caractérisée en ce que le fond des canaux de 10 circulation (21S, 21I, 31S, 31I, 41S, 41I, 51S, 51I, 61S, 61I) est obtenu par un enfoncement maximal de chaque plaque métallique (20), et en ce que chacune des plaques métalliques (20) présente en périphérie une plage de léger enfoncement (26) pour ménager aux canaux 15 de circulation des accès aux espaces d'alimentation (17) placés à l'intérieur du cadre (11), positionner les joints (4, 5) et présenter un appui pour l'ensemble constitué d'un écarteur (16) et du joint annulaire (5). 5. Plaque bipolaire selon la revendication 1, 20 caractérisée en ce qu'elle comprend un joint en silicone (4) placé sur la surface des plaques métalliques (20) au niveau de la partie de faible enfoncement (26) , autour de la membrane (3) d'un ensemble membrane/électrodes (1), afin d'assurer l'étanchéité entre deux plaques bipolaires (10). 6. Plaque bipolaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que la forme de chaque plaque bipolaire (10) étant carrée, les canaux de circulation de chaque plaque a une forme en spirale carrée. 7. Plaque bipolaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'ensemble de la plaque bipolaire étant rond, les canaux de circulation (31S, 31I) ont une forme en hélice. 8. Plaque bipolaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que les canaux de circulation (41S, 41I) ont une forme en quadrillage. 9. Plaque bipolaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que les canaux de circulation (51S, 51I) ont une forme rectiligne. 10. Plaque bipolaire selon la revendication 1, 10 caractérisée en ce que les canaux de circulation (61S, 61I) ont une forme en zigzag.