Brevet FR2858117A1 — publié le 20050128

L'invention concerne une pile à combustible. Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui permet de convertir l'énergie chimique en énergie électrique à partir d'un carburant, 5 généralement l'hydrogène, et d'un comburant, l'oxygène ou un gaz contenant de l'oxygène tel que l'air, le seul produit de la réaction étant l'eau accompagné d'un dégagement de chaleur et d'une production d'électricité. En effet, au sein de la pile à combustible, la 10 réaction chimique globale résultant des réactions se produisant à l'anode et la cathode et sur lesquelles on reviendra plus tard est la suivante: H2 + 02 --> H20 Une pile à combustible peut être utilisée pour 15 fournir l'énergie électrique à tout dispositif tel que par exemple un ordinateur, un téléphone portable mais elle peut être également utilisée pour assurer la traction d'un véhicule automobile et/ou l'alimentation des dispositifs électriques contenus dans un véhicule. Une pile à combustible peut être constituée d'une ou de plusieurs cellules qui sont généralement empilées les unes sur les autres. Pour décrire le principe de fonctionnement d'une cellule de pile à combustible de l'art antérieur, on se 25 réfère à la figure 1 qui représente une coupe longitudinale de deux cellules empilées et à la figure 2 qui est une vue en perspective d'un empilement de cinq cellules. Comme une cellule d'une pile à combustible présente 30 une symétrie de construction entre les compartiments anodique et cathodique, les éléments de ces deux parties qui ont la même fonction seront désignés, dans la description qui suit, par la même référence complétée, le cas échéant, par la lettre a pour les éléments 35 relatifs au compartiment anodique et la lettre c pour les éléments relatifs au compartiment cathodique. Comme représenté en figure 1, une cellule de pile à combustible 1 comprend deux électrodes poreuses anodique 2a et cathodique 2c comprenant chacune une couche active 3a,3c qui sont le siège des réactions respectivement anodique et cathodique. Les couches actives 3a et 3c sont de préférence réalisées en carbone poreux supportant un électrocatalyseur de platine. Lorsque la couche active 3a de l'électrode anodique 10 2a est alimentée en hydrogène, la réaction qui se produit dans cette couche active 3a est la suivante: H2 -> 2e- + 2H+ (1) Un électrolyte 4 est pris en sandwich entre les deux couches actives 3a et 3c et assure le transfert 15 électronique de la couche active 3a vers la couche active 3c. A cet effet, l'électrolyte peut être par exemple un électrolyte solide polymère, la pile résultante étant du type SPEFC (Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell) ou plus 20 particulièrement une membrane échangeuse de protons, la pile résultante étant une pile de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), ce dernier type de pile à combustible étant particulièrement intéressant pour la traction automobile à condition que l'on garantisse à la 25 membrane une certaine humidité. Dans le cas d'une pile PEMFC, la membrane peut être réalisée à base de polymères perfluorosulfonés. La couche active 3c est alimentée en oxygène et la réaction qui se produit au niveau de cette couche active 30 3c est la suivante: 2 + 2H+ + 2e- -> H2O (2) Chaque électrode poreuse anodique 2a et cathodique 2c comprend également une couche de diffusion respective 9a,9c qui est intercalée entre la couche active 3a, 3c et 35 une plaque bipolaire 5a, 5c. Les plaques bipolaires 5a, 5c sont réalisées en un matériau électriquement conducteur par exemple, en graphite ou en polymère graphite. Ces plaques bipolaires 5a et 5c assurent notamment 5 la collecte du courant résultant des réactions anodique et cathodique qui se produisent dans les couches actives 3a et 3c. A cet effet et pour assurer la collecte du courant par les plaques bipolaires 5a,5c, les couches de 10 diffusion 9a, 9c sont réalisées en un matériau électriquement conducteur et sont en contact avec les couches actives 3a, 3c et les plaques bipolaires 5a,5c. Comme représenté en figure 1, lors de l'empilement de plusieurs cellules, la plaque bipolaire cathodique 5c 15 d'une cellule 1 fait office de plaque bipolaire anodique 5a pour la cellule adjacente. Ainsi, les électrons provenant des réactions dans les électrodes poreuses anodiques 2a sont collectés par la plaque bipolaire 5a et redistribués par cette même 20 plaque bipolaire 5c dans l'électrode poreuse cathodique 2c de la cellule adjacente 1. Pour assurer le bon fonctionnement de la pile, le carburant, ici l'hydrogène, doit atteindre la couche active 3a de l'électrode anodique 2a et le comburant, 25 l'oxygène, doit atteindre la couche active 3c de l'électrode anodique 2c. Ainsi, dans la pile représentée sur la figure 2, des lignes de distribution respectivement en carburant 6a et en comburant 6b relient les cellules et les alimentent 30 respectivement en carburant et en comburant. Au sein d'une cellule et comme illustré sur la figure 1, la distribution du carburant au niveau de l'électrode poreuse anodique 2a et la distribution du comburant au niveau de l'électrode poreuse cathodique 2c 35 sont assurées par les plaques bipolaires 5a et 5c au moyen de canaux de distribution 7a,7b qui sont usinés dans les plaques bipolaires respectives 5a et 5c ou mis en forme par emboutissage d'une plaque métallique. Des sorties de gaz 8a, 8c sont également prévues, de préférence, dans chaque cellule. Le carburant et le comburant circulent ainsi dans les canaux de distribution respectifs 7a et 7c et se répandent dans les électrodes respectivement anodique 2a et cathodique 2c jusqu'aux couches actives anodique 2a et cathodique 2c. Afin d'assurer une distribution homogène des gaz sur une surface maximum des couches actives 3a et 3b, les électrodes anodique 2a et cathodique 2c du dispositif de l'art antérieur doivent ainsi comporter chacune la couche de diffusion respectivement 9a et 9c qui est intercalée 15 entre la plaque bipolaire 5a,5c et la couche active correspondante 2a,2c. Dans ces conditions, les couches de diffusion 9a et 9c sont également réalisées en un matériau poreux tel que du tissu de carbone par exemple. Ainsi, du coté anodique par exemple, l'hydrogène circule dans les canaux de distribution 7a vers la couche active 3a en traversant la couche de diffusion 9a, comme illustré par des flèches sur la figure 1, le même phénomène de diffusion de l'oxygène se produisant du 25 coté cathodique. En outre, un système de distribution de fluide de refroidissement, non représenté, permettant de compenser le dégagement de chaleur résultant des réactions dans la pile peut être inséré dans les plaques bipolaires 5a,5c 30 ou dans l'une des plaques bipolaires 5a ou 5c de chaque cellule. Afin d'assurer l'alimentation de dispositifs électriques ou plus particulièrement d'assurer la traction d'un véhicule automobile, une pile à combustible 35 doit fournir une certaine puissance électrique qui peut être obtenue par l'empilement de plusieurs cellules. Comme représenté sur la figure 2, chaque cellule comprend une région active 9 qui comprend elle-même l'électrolyte 4, les électrodes poreuses 2a, 2c, et les plaques bipolaires 5a, 5c tels que décrit précédemment en référence à la figure 1. La tension récupérée en sortie de chaque cellule peut varier entre O et 1, 23 Volts théorique. Dans la pile représentée en figure 2, la tension récupérée est d'environ 0,6 V, ce dont il résulte que la 10 puissance P obtenue pour l'empilement de n cellules est la suivante: P = (0,6 x n) x I dans laquelle I est le courant circulant à travers les n cellules. Le courant I peut varier entre O et quelques centaines de mA par cm2 de surface. Ainsi, selon une telle pile à combustible, la tension de celle-ci dépend du nombre de cellules empilées et le courant est proportionnel à la surface des régions actives 9 de chaque cellule ce dont il résulte une tension et un courant qui sont imposés par cet 20 empilement. Dans ce contexte, l'invention vise une pile à combustible permettant notamment de pallier l'inconvénient précité. A cet effet, la cellule de pile à combustible de 25 l'invention est essentiellement caractérisée en ce que chaque cellule 1 constitutive de l'empilement comprend au moins deux régions actives 91,92,93,94 électriquement isolées les unes des autres par un isolant électrique 4; 10, en ce que les régions actives isolées 91,92,93,94 30 d'une cellule 1 sont disposées en regard respectivement des régions actives isolées 91,92, 93,94 de la cellule adjacente 1, en ce que les régions actives 91,92,93, 94 en regard les unes des autres sont reliées électriquement en série de par leur empilement et en ce que chaque région 35 active 91,92,93,94 comprend un électrolyte 4 pris en sandwich entre deux couches actives anodique 3a et cathodique 3c qui sont respectivement reliées électriquement à deux plaques bipolaires anodique 5a et cathodique 5c. Ainsi, dans cette configuration, les régions actives 91,92,93,94 en regard les unes des autres sont reliées 5 électriquement en parallèle avec les autres régions actives 91,92,93,94 en regard les unes des autres. Il est cependant possible que dans la pile à combustible de l'invention, les régions actives 91,92,93,94 en regard les unes des autres soient reliées 10 électriquement en série avec les autres régions actives 91,92,93,94 en regard les unes des autres. De façon avantageuse, une couche poreuse anodique électriquement conductrice 15a est intercalée entre la couche active anodique 3a et la plaque bipolaire anodique 15 5a en étant reliée électriquement à cette plaque bipolaire 5a et en formant entre la couche active anodique 3a et la plaque bipolaire anodique 5a au moins une cavité 16a qui assure la distribution du carburant dans la couche active anodique 3a et une couche poreuse 20 cathodique électriquement conductrice 15c est intercalée entre la couche active cathodique 3c et la plaque bipolaire cathodique 5c en étant reliée électriquement à la plaque bipolaire 5c et en formant entre la couche active cathodique 3c et la plaque bipolaire cathodique 5c 25 au moins une cavité 16c qui assure la distribution du comburant dans la couche active cathodique 3c. De préférence, l'isolant électrique 4 est l'électrolyte 4 contenu dans les régions 91,92,93,94 et qui s'étend seul entre chacune de ces régions 30 91,92,93,94. Avantageusement, chaque cellule 1 comprend quatre régions actives 91,92, 93,94. En outre, la pile de l'invention peut comprendre une ligne de distribution de carburant 6a qui alimente en 35 carburant chaque cellule 1 et une ligne de distribution de comburant 6c qui alimente en comburant chaque cellule 1 et donc toutes les régions actives 91, 92, 93, 94 de la dite cellule. Ainsi, cette pile à combustible peut être utilisée pour assurer la traction d'un véhicule automobile et/ou 5 l'alimentation des dispositifs électriques contenue dans ce véhicule. Cette pile à combustible peut également être utilisée pour des applications stationnaires et/ou des dispositifs mobiles. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit et qui est notamment faite au regard des dessins annexés et sur lesquels: - la figure 1 représente une coupe longitudinale de deux cellules empilées adjacentes; - la figure 2 est une vue en perspective d'une pile à combustible de l'art antérieur constituée d'un empilement de cinq cellules; - la figure 3 est une vue en perspective d'une pile à combustible de l'invention constituée d'un empilement de cinq cellules selon un premier mode de réalisation; - la figure 4 est une vue en perspective d'une cellule isolée destinée à un empilement et comportant 25 quatre régions actives 91, 92, 93 et 94 selon un second mode de réalisation de l'invention; et - la figure 5 est une coupe selon la ligne V-V d'une région 91, 92, 93 ou 94 de la cellule de la figure 4. Les éléments de la pile de l'art antérieur représentés sur les figures 1 et 2 ayant la même fonction dans la pile de l'invention selon l'un des deux modes de réalisation porteront les mêmes références dans la description qui suit. Dans la pile de l'invention représentée en figure 3, les cellules 1 sont empilées de la même façon que dans la pile de l'art antérieur de la figure 1. Dans cette pile, chaque cellule 1 comprend deux régions actives 91, 92 qui sont isolées électriquement l'une de l'autre par un isolant électrique 10. De préférence, chaque région active 91, 92 de la 5 cellule 1 est disposée en regard de la région active correspondante 91, 92 de la cellule adjacente 1. Ainsi, deux courants électriques distincts Il et I2 résultent de l'empilement des cellules 1 dans la pile de l'invention. Le courant Il correspond au courant traversant l'empilement des régions actives 91 des cellules 1 de l'empilement et le courant I2 correspond au courant résultant de l'empilement des régions actives 92 des cellules 1 de l'empilement. Comme dans la pile de l'art antérieur, la tension produite par l'empilement des cinq régions actives 91 est de trois Volts et, de la même façon, la tension produite par l'empilement des cinq régions actives 92 est également de trois Volts. Les courants Il et I2 sont chacun approximativement équivalent à la moitié du courant I produit dans la pile de l'art antérieur puisque les régions actives 91, 92 présentent chacune une surface approximativement égale à la moitié de la surface de la région active 9 de chaque 25 cellule 1 de la pile de la figure 2. Par conséquent, la puissance P produite par l'empilement des cinq cellules dans la pile de l'invention est approximativement égale à la puissance produite dans la pile de l'art antérieur. La configuration de la pile ci-dessus décrite correspond à un branchement en parallèle des régions actives 91 empilées avec les régions actives 92 empilées. A partir de cette configuration, il est possible d'aboutir à un montage en série en reliant électriquement 35 les régions actives 91 empilées en regard les unes des autres avec les régions actives 92 empilées en regard les unes des autres. Dans ce cas, la tension qui résulte d'un tel montage sera de 6 Volt pour un courant Il, c'est à dire approximativement la moitié du courant I produit dans la pile de l'art antérieur, et la puissance produite sera 5 approximativement égale à la puissance produite dans la cette pile de l'art antérieur. Cette configuration avantageuse permet de favoriser la tension au détriment du courant et présente notamment comme avantage de diminuer les pertes par effet joule 10 pour une même puissance produite dans la pile. Aussi, comme mentionné précédemment, le choix d'une configuration en série ou en parallèle permet de moduler les prestations en courant et en tension selon les besoins du système électrique à alimenter. De plus, et de façon très avantageuse, une pile du type de celle représentée en figure 3 comporte une ligne de distribution en carburant 6a et en comburant 6b par cellule et donc une seule ligne de distribution 6a, 6b pour plusieurs régions actives 91,92 et ce, comparé à 20 l'empilement présenté en figure 2 dans lequel chaque région active possède sa propre ligne de distribution en carburant 6a et en comburant 6b. Aussi, l'étanchéité de la pile sera effectuée sur une longueur plus réduite. Selon le mode de réalisation représenté en figure 4 et 5, la cellule 1 comprend quatre régions actives 91, 92, 93, et 94. Cette cellule est destinée à être empiler avec d'autres cellules identiques de la même façon que dans la 30 configuration représentée en figure 3, c'est à dire que l'on se trouve avec un empilement de cinq cellules. Chaque région active 91, 92, 93 et 94 présente une surface active accrue, et donc des performances également accrues, par rapport à la cellule décrite en référence à 35 la figure 3 et grâce à une configuration spécifique géométrique ondulée qui est représentée figure 5. Ainsi, chaque région active 91, 92, 93, 94 comprend un électrolyte 4, des électrodes poreuses anodique 2a et cathodique 2c intercalées entre les plaques bipolaires 5a et 5c. Une couche poreuse électriquement conductrice 15a, 15c est disposée entre la plaque bipolaire 5a,5c et la couche active 3a, 3c. Cette couche poreuse 15a, 15c peut être une grille métallique 15a, 15c qui présente en section transversale 10 perpendiculaire aux plaques bipolaires 5a,5c, une forme ondulée en formant des cavités 16a,16c entre la plaque bipolaire 5a,5c et la grille 15a,15c définies par les ondes éloignées des plaques bipolaires 5a, 5c. La couche active 3a,3c repose sur toute la surface de 15 la grille métallique 15a et 15c et présente ainsi une ondulation imposée par cette grille 15a,15c. De la même façon, l'électrolyte 4 qui est pris en sandwich entre les deux couches actives 3a et 3c présente également une ondulation imposée par la géométrie ondulée des grilles métalliques 15a et 15c puisqu'il est préférable que l'électrolyte soit en contact avec toute la surface des couches actives 3a et 3c pour assurer au mieux le transfert protonique. Dans chaque région active 91, 92, 93, 94 conformément 25 aux figures 4 et 5, l'ondulation de la grille métallique 15a,15c est de type sinusoïdale sur toute la longueur de la région active 91, 92, 93, 94. De préférence, les grilles métalliques 15a, 15c présentent des points de contact 17a,17c avec la plaque 30 bipolaire correspondante 5a,5c, ce qui permet à ces plaques bipolaires 5a et 5c d'assurer leur fonction de collecteur de courant. De préférence, ces points de contact 17a, 17c sont définis par les sommets des ondes directement en contact 35 sur les plaques bipolaires 5a, 5c. La grille métallique 15a,15c peut être remplacée par n'importe quelle couche poreuse réalisée en un matériau électriquement conducteur, à la fois suffisamment souple pour être repliée mais également suffisamment solide pour supporter les couches actives 3a, 3c et l'électrolyte 4. Aussi, les grilles métalliques 15a et 15c peuvent 5 présenter des repliements ou ondulations de toute géométrie puisque l'intérêt de la présence de telles grilles 15a, 15c est d'augmenter la surface des couches actives 3a,3c et ainsi d'augmenter également les performances de la pile et par conséquent le courant 10 produit dans les régions actives 91, 92, 93, 94 de la cellule 1 par rapport au courant produit dans les régions actives 91, 92 du type de celles de la figure 3. De cette façon, l'empilement des cellules chacune conforme à celle de la figure 4 et par conséquent 15 l'empilement des régions actives 91, 92, 93, 94 permet d'obtenir, dans le cas d'un montage en parallèle, permet d'obtenir des courants résultant respectifs Il, I2, I3, I4, chacun de ces courants Il, I2, I3, I4 étant supérieur aux courants Il, I2 obtenus par l'empilement de cellules 20 conformément à la figure 3. De plus, dans ce second mode de réalisation, la pile résultante présente un encombrement réduit puisqu'il n'est pas nécessaire d'usiner des canaux de distribution 7a, 7c dans les plaques bipolaires 5a, 5c et ainsi, 25 l'épaisseur des plaques 5a, 5c n'est plus imposée par la présence des canaux de distribution 7a, 7c et ces plaques 5a, 5c sont d'épaisseur réduite. Ainsi, la puissance de cette pile par unité de poids est fortement améliorée puisque d'une part la puissance 30 produite est supérieure à la puissance produite par la pile de la figure 2 et d'autre part, comme expliqué précédemment, le poids de la pile est réduit. Dans la cellule représentée sur la figure 4, l'isolant électrique 4 qui isole électriquement les unes 35 des autres les régions actives 91, 92, 93, 94 est l'électrolyte 4 seul qui dépasse des régions actives 91, 92, 93, 94 et qui s'étend entre elles. Cette cellule comporte également un boîtier isolant électrique 18 qui peut contenir des lignes de distribution des gaz et éventuellement un système de refroidissement qui ne sont pas représentés. Dans les deux modes de réalisation de l'invention, le système de refroidissement peut être disposé toutes les trois cellules par exemple selon la quantité de chaleur dégagée dans chacune des cellules. En ce qui concerne le carburant, il est possible 10 d'utiliser de l'hydrogène pour alimenter l'anode comme décrit précédemment, mais pour s'affranchir des contraintes liées au reformage et/ou au stockage de l'hydrogène, il est avantageusement possible d'alimenter directement l'anode de la pile avec un mélange d'eau et 15 de méthanol (pile de type DMFC). Dans les deux modes de réalisation de la pile de l'invention, l'isolant électrique 4; 10 est un élément essentiel qui permet de pouvoir, selon les besoins en sortie de la pile, de monter les régions actives 91, 92, 20 93, 94 empilées en série ou en parallèle et ainsi de privilégier ou non la tension produite. Dans le cas où les régions actives sont montées en série, une telle configuration permet d'obtenir des gains sur toute la partie électronique de puissance nécessaire 25 à l'alimentation de la chaîne de traction dans le cas de l'application de la pile à la traction d'un véhicule automobile. Aussi, cette configuration est avantageuse en ce qui concerne les câbles électriques en sortie de pile qui 30 peuvent présenter une section réduite et également en ce qui concerne le coût et l'encombrement des composants d'électronique de puissance qui sont également réduits. REVENDICATIONS 1. Pile à combustible comprenant un empilement diau moins deux cellules (1) de manière à les relier 5 électriquement en série, caractérisée en ce que chaque cellule (1) comprend au moins deux régions actives (91,92,93, 94) électriquement isolées les unes des autres par un isolant électrique (4; 10), en ce que les régions actives isolées (91,92,93,94) d'une cellule (1) sont 10 disposées en regard respectivement des régions actives isolées (91,92,93,94) de la cellule adjacente (1), en ce que les régions actives (91,92,93,94) en regard les unes des autres sont reliées électriquement en série de par leur empilement et en ce que chaque région active 15 (91,92,93,94) comprend un électrolyte (4) pris en sandwich entre deux couches actives anodique (3a) et cathodique (3c) qui sont respectivement reliées électriquement à deux plaques bipolaires anodique (Sa) et cathodique (5c). 2. Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que les régions actives (91,92,93,94) en regard les unes des autres sont reliées électriquement en série avec les autres régions actives (91,92,93, 94) en regard les unes des autres. 3. Pile à combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que dans chaque cellule (1), une couche poreuse anodique électriquement conductrice (15a) est intercalée entre la couche active anodique (3a) et la plaque bipolaire 30 anodique (Sa) en étant reliée électriquement à cette plaque bipolaire (5a) et en formant entre la couche active anodique (3a) et la plaque bipolaire anodique (5a) au moins une cavité (16a) qui assure la distribution du carburant dans la couche active anodique (3a) et en ce 35 que qu'une couche poreuse cathodique électriquement conductrice (15c) est intercalée entre la couche active cathodique (3c) et la plaque bipolaire cathodique (5c) en étant reliée électriquement à la plaque bipolaire (5c) et en formant entre la couche active cathodique (3c) et la plaque bipolaire cathodique (5c) au moins une cavité (16c) qui assure la distribution du comburant dans la couche active cathodique (3c). 4. Pile à combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'isolant électrique (4) est l'électrolyte (4) contenu dans les régions (91,92,93,94) et qui s'étend seul entre 10 chacune de ces régions (91,92,93,94). 5. Pile à combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque cellule (1) comprend quatre régions actives (91,92,93,94). 6. Pile à combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend une ligne de distribution de carburant (6a) qui alimente en carburant chaque cellule (1) et une ligne de distribution de comburant (6c) qui alimente en comburant 20 chaque cellule (1) et donc toutes es régions actives (91, 92, 93, 94) de ladite cellule (1). 7. Pile à combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est utilisée pour assurer la traction d'un véhicule 25 automobile et/ou l'alimentation des dispositifs électriques contenue dans ce véhicule. 8. Pile à combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, utilisée pour des applications stationnaires et/ou des dispositifs mobiles. 30