Brevet FR2858466A1 — publié le 20050204

Plaque bipolaire pour pile à combustible La présente invention concerne une plaque bipolaire pour pile à combustible, notamment pour pile à combustible du type à membrane échangeuse d'ions (PEM). Les piles à combustible du type PEM comprennent généralement un empilement de plaques bipolaires et de membranes échangeuses d'ions, les membranes étant formées par un électrolyte solide, réalisé par exemple à partir de matériau polymère. Les plaques 10 bipolaires sont munies sur leurs faces en contact avec les membranes de rainures formant avec les membranes des canaux de distribution de gaz permettant une circulation des gaz en contact avec la membrane. Des gaz anodiques circulent d'un côté de la membrane et des gaz cathodiques circulent du côté opposé. Des réactions d'oxydoréduction 15 des gaz anodiques et cathodiques se produisent de part et d'autre de la membrane, avec des échanges d'ions à travers la membrane. De l'énergie électrique est ainsi récupérée. Lorsque les gaz circulent dans les canaux depuis une entrée vers une sortie, les réactifs sont consommés progressivement. La 20 concentration de réactifs dans le flux circulant dans les canaux se réduit au fur et à mesure. Cette réduction de réactif, à fortiori à proximité des sorties de canaux de distribution, peut résulter en une répartition non uniforme des réactifs sur la surface active d'échange de la membrane. Ceci ne permet pas d'atteindre un fonctionnement 25 satisfaisant d'une pile à combustible. Pour obtenir de meilleures performances et une meilleure fiabilité de la pile à combustible, il est souhaitable d'assurer une distribution homogène des réactifs anodiques et cathodiques sur la zone active des membranes. Le document WO 02 37 592 propose une plaque bipolaire munie de canaux comprenant un canal d'entrée et un canal de sortie avec des volumes différents pour augmenter une vitesse de circulation des gaz dans le canal de sortie relativement à la vitesse de circulation des gaz dans le canal d'entrée compte tenu du débit constant. Ce document propose dans un mode de réalisation de former un canal de sortie plus court qu'un canal d'entrée. Pour cela, un canal 5 discontinu comprend un canal d'entrée et un canal de sortie séparés. Le canal de sortie et le canal d'entrée circulent parallèlement en spirale, le canal de sortie étant situé à l'intérieur, de sorte que le canal de sortie est plus court et possède un volume plus petit que le canal d'entrée. Les gaz circulent du canal d'entrée dans le canal de sortie 10 par des zones de diffusion de gaz. Néanmoins, de tels canaux entraînent des pertes de charge importantes qui perturbent l'écoulement des gaz dans les canaux et réduisent le rendement global du système de pile à combustible. Par ailleurs, les canaux proposés ne permettent pas un agencement des 15 canaux satisfaisant sur la plaque bipolaire pour améliorer une répartition de réactifs et faciliter une alimentation en gaz anodiques et cathodiques. Un but de la présente invention est de proposer une plaque bipolaire pour pile à combustible permettant une distribution 20 homogène des réactifs sur une membrane tout en facilitant et en simplifiant l'alimentation en fluides, et une conception de la plaque bipolaire. Une telle plaque bipolaire pour pile à combustible, notamment du type à membrane échangeuse d'ions, comprend au moins un canal 25 de circulation pour le cheminement d'un fluide le long d'une surface de la plaque, le canal comprenant des premier et second tronçons circulant en parallèle sur la plaque et agencés en spirale de sorte qu'un fluide pénétrant dans le canal circule de façon centripète dans le premier tronçon et ressort du canal en circulant de façon centrifuge 30 dans le second tronçon, le premier tronçon débouchant directement dans le second tronçon pour former un canal continu. La prévision d'un canal continu permet de faciliter la circulation dans le canal et de limiter des pertes de charge dans le canal. Le fluide circulant dans le canal est plus riche en réactifs dans le premier tronçon que dans le second tronçon, mais les parties du 5 second tronçon dans lesquelles le fluide est moins riche en réactifs se situent à proximité des parties du premier tronçon où le fluide est le plus riche en réactifs. Ainsi, on obtient sur la plaque bipolaire une répartition plus homogène des réactifs. Dans un mode de réalisation, les premier et second tronçons 10 d'un canal circulent en spirale selon un profil en polygone, par exemple en parallélogramme ou en triangle. Des profils en parallélogramme et en triangle permettent d'utiliser au mieux une surface d'une plaque bipolaire. On pourra prévoir une pluralité de canaux en disposant les canaux de façon imbriquée, sans perdre 15 d'espace. Ces profils sont aussi mieux adaptés pour former des plaques de forme générale en parallélogramme. Des profils circulaires peuvent être envisagés, par exemple sur des plaques en forme générale de disque. Dans un mode de réalisation, la plaque bipolaire comprend au 20 moins deux canaux agencés en spirale. Ainsi, on peut former sur la plaque une pluralité de canaux de longueur limitée, pour une circulation de fluides avec des pertes de charge limitées. Par ailleurs, on peut aussi améliorer une répartition des réactifs sur une membrane. Dans un mode de réalisation, les canaux sont arrangés sur la 25 plaque bipolaire avec au moins un axe de symétrie. Ceci permet de faciliter l'agencement des canaux sur la plaque bipolaire, notamment pour prévoir des portions de sortie et d'entrée des gaz. Dans un mode de réalisation, un canal comprend à une extrémité une portion d'entrée en communication avec le premier 30 tronçon et à l'extrémité opposée une portion de sortie en communication avec le second tronçon, les portions d'entrée et de sortie débouchant sur les bords de la plaque. Les portions d'entrée et de sortie ne sont pas nécessairement agencées en parallèle et en spirale. Néanmoins, les portions d'entrée et de sortie présentent une longueur limitée par rapport à la longueur totale du canal. Les portions d'entrée et de sortie sont destinées à faciliter l'alimentation des 5 canaux. Les portions d'entrée et de sortie débouchent sur des bords de la plaque, permettant ainsi une alimentation simple des canaux. Dans un mode de réalisation, une plaque comprend une pluralité de canaux agencés en spirale, des portions d'entrée des canaux débouchant sur un même côté de la plaque. Ainsi, 10 l'alimentation des différents canaux peut se faire à partir d'une zone limitée de la plaque commune pour tous les canaux. Dans un mode de réalisation, la plaque comprend une pluralité de canaux agencés en spirale, des portions de sortie des canaux débouchant sur un même côté de la plaque. Dans un mode de réalisation, une portion d'entrée et une portion de sortie d'un canal débouchent sur un même côté de la plaque. On peut ainsi prévoir qu'une portion d'entrée et une portion de sortie d'un canal débouchent sur des côtés différents de la plaque. La présente invention et ses avantages seront mieux compris à 20 l'étude de la description détaillée de modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue de dessus d'un canal circulant en spirale selon un profil de parallélogramme, selon un aspect de 25 l'invention; - la figure 2 est une vue de dessus d'un canal circulant en spirale selon un profil triangulaire, selon un aspect de l'invention; - la figure 3 est une vue d'ensemble d'une plaque à profil carré munie d'une pluralité de canaux circulant en spirale avec des profils 30 triangulaires; et - la figure 4 est une vue d'ensemble d'une plaque bipolaire à profil carré comprenant une pluralité de canaux circulant chacun en spirale selon des profils triangulaires. Sur la figure 1, un canal 1 formé sur une plaque bipolaire non 5 représentée comprend un premier tronçon 2 et un second tronçon 3 circulant en parallèle et en spirale. Le canal 1 est continu, c'est-à- dire que le premier tronçon 2 débouche directement dans le second tronçon 3. En d'autres termes, le premier tronçon 2 et le second tronçon 3 ne sont que deux sections distinctes d'un seul et même canal 1. Une 10 section intermédiaire centrale 4 relie de façon continue le premier tronçon 2 au second tronçon 3. Le canal 1 circule en spirale avec un profil général de parallélogramme, ici un profil carré. Sur la figure 1, les canaux sont représentés avec des coudes vifs à 90 . On pourrait bien entendu prévoir des coudes arrondis pour 15 faciliter la circulation du fluide dans ces coudes et limiter des pertes de charge. Dans le premier tronçon 2, le fluide circule de façon centripète, et dans le second tronçon 3, le fluide ressort du canal 1 en circulant de façon centrifuge. Du fait de la circulation en parallèle des tronçons d'entrée et de sortie, les portions du canal les plus proches de la sortie circulent à côté des portions du canal les plus proches de l'entrée. Ainsi, les portions du canal les plus pauvres en réactifs circulent à côté des portions de canal les plus riches en réactif, ce qui améliore une 25 répartition homogène des réactifs sur une membrane accolée à la plaque. Sur la figure 2, où les références aux éléments identiques à ceux de la figure 1 ont été reprises, un canal 1 de plaque bipolaire diffère du mode de réalisation précédent en ce que le canal 1 circule 30 en spirale mais selon un profil triangulaire. Sur la figure 3, une plaque bipolaire référencée 5 dans son ensemble présente une forme générale en carré. Plusieurs canaux de circulation, ici au nombre de quatre, sont formés sous la forme de rainures circulant sur une face de la plaque bipolaire 5. Les différents canaux circulent essentiellement en spirale avec des profils triangulaires. La plaque bipolaire carrée 5 peut être divisée en quatre zones triangulaires sensiblement délimitées par les diagonales de la plaque bipolaire 5, chaque canal cheminant selon un profil triangulaire dans une zone. Les canaux présentent ainsi des profils sensiblement en triangle isocèles rectangle, la base des triangles constituant les bords 10 de la plaque bipolaire 5, et les autres bords des triangles s'étendant selon des demi-diagonales de la plaque bipolaire 5. Les sommets rectangles des triangles sont ainsi disposés à proximité du centre de la plaque bipolaire 5. Les diagonales de la plaque bipolaire 5 forment sensiblement des axes de symétrie, au sens de la géométrie plane 15 (même si de légers décalages apparaissent sur les dessins). Un premier canal 6 est formé sur la plaque bipolaire dans une zone triangulaire située vers le haut sur la figure. Le premier canal 6 présente un premier tronçon d'entrée 7 dont l'extrémité débouche directement dans un sommet 5a de la plaque bipolaire 5, qui est sur la 20 figure un sommet supérieur gauche 5a. Un second tronçon de sortie 8 du premier canal 6 se termine à côté de l'extrémité d'entrée du premier tronçon 7. Le second tronçon de sortie 8 ne débouche pas directement, mais est prolongé de façon continue par une portion de sortie 9 du premier canal 6 cheminant sur la plaque 5 en suivant un bord supérieur 25 10 de la plaque 5, puis après un coude à 90 au niveau d'un sommet supérieur droit Sb, en suivant un bord droit 11 de la plaque 5 jusqu'à rejoindre un sommet inférieur droit 5c de la plaque 5. La portion de sortie 9 débouche à ce sommet 5c. Un second canal 12 est formé sur la zone triangulaire de droite 30 de la plaque bipolaire 5. Le second canal 12 comprend un premier tronçon 13 et un second tronçon 14. Le premier tronçon 13 s'enroule dans le sens inverses des aiguilles d'une montre, et le second tronçon 14 se déroule dans le sens des aiguilles d'une montre et aboutit au sommet inférieur droit 5c de la plaque bipolaire 5. Le canal 12 comprend une portion d'entrée 15 rectiligne s'étendant selon une diagonale de la plaque bipolaire, depuis le coin supérieur gauche 5a de 5 la plaque bipolaire 5, où la portion d'entrée débouche à l'extérieur, vers le sommet inférieur droit 5c, ou elle rejoint de façon continue le premier tronçon 13 du second canal 12. Le second tronçon 14 du second canal 12 est prolongé par une portion de sortie 16 s'étendant déboucher au niveau du sommet inférieur droit 5c. Des troisième et quatrième canaux 17, 18 sont formés dans les zones triangulaires respectivement à gauche et en bas de la plaque bipolaire 5 sur la figure 3. Les troisième et quatrième canaux 17, 18 sont formés de façon sensiblement symétrique respectivement aux premier et second canaux, par rapport à la diagonale partant du 15 sommet supérieur gauche 5a vers le sommet inférieur droit 5c, même si sur la figure 3 on note un léger décalage. Ainsi, on peut prévoir sur une plaque bipolaire de profil carré une pluralité de canaux circulant chacun en spirale. Dans chaque zone couverte par un canal, la répartition des réactifs est homogène du fait 20 de la circulation en parallèle et en spirale des tronçons d'entrée et de sortie des canaux. La formation d'une pluralité de canaux permet aussi d'améliorer une homogénéisation de la répartition des réactifs sur l'ensemble de la plaque bipolaire. Par ailleurs, la prévision d'une pluralité de canaux séparés permet de limiter les pertes de charge dans 25 chaque canal, favorisant ainsi la circulation de fluides dans les canaux et limitant l'énergie nécessaire à apporter pour la circulation des fluides. En outre, la prévision de portions de sortie et de portions d'entrée prolongeant les premier et second tronçons d'un canal, en 30 fonction de l'agencement des canaux sur la plaque bipolaire, permet de prévoir un regroupement des sorties et des entrées des canaux d'un même côté de la plaque pour faciliter et simplifier l'alimentation des canaux. On a prévu une alimentation centrale des canaux, les portions d'entrée Sa, et une évacuation par les bords de la plaque, par une 5 portion de sortie 9. Bien entendu, on pourrait prévoir l'inverse. Ce serait le cas si on alimentait les canaux par le coin inférieur droit 5c, en prévoyant l'évacuation des gaz par le coin supérieur gauche. En variante, on pourrait aussi prévoir une plaque dissymétrique, avec d'un côté d'une diagonale des portions d'entrée 10 cheminant sur le bord de la plaque et des portions de sortie cheminant par le centre, et de l'autre côté d'une diagonale des portions de sortie cheminant sur le bord de la plaque et des portions d'entrée cheminant par le centre. Sur la figure 4, où les références aux éléments semblables à 15 ceux des figures précédentes ont été reprises, une plaque bipolaire 5 de forme carrée est divisée en quatre zones de profil sensiblement carré, chaque zone étant divisée en deux régions à profil triangulaire, accueillant chacune un canal circulant en spirale avec un profil triangulaire. Les limites des zones carrées sont définies approximativement par les médianes des côtés de la plaque bipolaire carrée. Un axe médian A (vertical sur la figure 4) constitue un axe de symétrie de la plaque bipolaire 5. Des portions d'entrée des différents canaux, qui sont ici au 25 nombre total de huit, débouchent en parallèle au milieu d'un bord supérieur 10 de la plaque bipolaire 5 et circulent au centre de la plaque selon l'axe médian puis se distribuent latéralement vers les régions triangulaires. Des portions de sortie des canaux sont agencées et cheminent sur la périphérie de la plaque et débouchent sur un bord 30 inférieur 19 de la plaque 5. On va décrire par la suite l'agencement de canaux dans la zone carrée supérieure gauche de la plaque bipolaire 5. Un premier canal 6 comprend un premier tronçon 7 partant du bord supérieur 10 de la plaque 5 par l'intermédiaire d'une portion d'entrée 24 courte prolongeant le premier tronçon 7 dans l'alignement de ce dernier. Le premier tronçon 7 et un second tronçon 8 du premier 5 canal 6 circulent en parallèle et en spirale dans la région triangulaire située au-dessus d'une diagonale de la zone carrée supérieure gauche correspondant à une diagonale de la plaque bipolaire 5 s'étendant du sommet supérieur gauche Sa de la plaque bipolaire 5 vers son sommet inférieur droit 5c. Le second tronçon 8 se termine en se dirigeant parallèlement à l'axe médian vers le bord supérieur 10, mais ne débouche pas sur le bord supérieur 10. Le second tronçon 8 est prolongé de façon continue par une portion de sortie 9 cheminant sur la moitié gauche du bord supérieur 10, puis suivant le bord gauche de la plaque 5, puis le bord 15 inférieur 19 sur la moitié de ce dernier avant de déboucher au milieu du bord inférieur 19. Un second canal 12 est situé dans la seconde région triangulaire comprise dans la zone carrée supérieure gauche. Le second canal 12 comprend une portion d'entrée 15 circulant depuis le milieu 20 du bord supérieur 10 de la plaque bipolaire 5 vers le centre de la plaque où elle rejoint et communique de façon continue avec un premier tronçon 13. Un second tronçon 14 et le premier tronçon 13 circulent en parallèle et en spirale dans la seconde région triangulaire. Le second tronçon 14 se termine vers le centre de la plaque bipolaire 25 5. Le second tronçon 14 est prolongé par une portion de sortie 16 qui suit la diagonale de la zone supérieure gauche vers le sommet supérieur gauche Sa de la plaque bipolaire 5, puis suit la portion de sortie 9 du premier canal 6 en parallèle, la portion de sortie 16 du second canal 12 étant située vers l'intérieur de la plaque bipolaire 5 30 relativement à la portion de sortie 9 du premier canal 6. Des troisième et quatrième canaux 17, 18 sont agencés de façon similaire aux premier et second canaux 6, 12, en étant décalés vers le bas pour se situer dans la zone carrée inférieure gauche de la plaque bipolaire 5. Le troisième canal 17 comprend une portion d'entrée 20 qui circule depuis le bord supérieur 10 jusqu'au centre de la plaque 5 où il 5 rejoint le premier tronçon du troisième canal, et une portion de sortie 21 qui chemine depuis le centre de la plaque 5 vers le bord gauche puis suit en parallèle la portion de sortie du second canal 12. Le quatrième canal 18 comprend une portion d'entrée 22 qui chemine depuis le bord supérieur 10 jusqu'au bord inférieur 19 où il 10 rejoint le premier tronçon du quatrième canal, et une portion de sortie 23 cheminant sensiblement depuis le milieu du bord inférieur 19 en remontant en diagonal vers le milieu du bord gauche de la plaque 5, puis suit la portion de sortie du troisième canal en parallèle, en suivant le bord gauche puis le bord inférieur 19 de la plaque 5, avant de 15 déboucher au milieu de ce dernier. Le côté droit de la plaque bipolaire est symétrique par rapport à l'axe médian. On a prévu des agencements particuliers de canaux dans lesquels les canaux s'enroulent en spirale avec des profils 20 triangulaires. Ces agencements sont particulièrement pratiques pour former des plaques bipolaires à profil carré avec un grand nombre de canaux. Les différents canaux présentent des longueurs totales sensiblement égales ce qui favorise une circulation homogène des gaz dans les différents canaux qui présentent une résistance similaire. On pourrait envisager de prévoir des enroulements à profil carré (comme illustré par la figure 1), un enroulement correspondant par exemple à une zone carrée de la plaque bipolaire 5, ou plus généralement à profil en parallélogramme. Les canaux décrits circulant en triangle présentent un profil 30 particulier du type triangle isocèle rectangle. Bien sûr, on peut envisager des profils de triangle quelconques. On notera que l'on peut également envisager des profils de circulation en polygones autres que des triangles ou des parallélogrammes, comme des pentagones ou des hexagones par exemple, selon un profil général de la plaque. Par ailleurs, on a prévu des entrées et des sorties regroupées sur des côtés de la plaque bipolaire. Bien entendu, on pourrait prévoir 5 différentes entrées situées sur des bords différents ou sur les mêmes bords mais espacés. On pourrait également prévoir des sorties disposées sur des bords différents ou sur des mêmes bords mais espacés. Les portions d'entrée et de sortie d'un canal peuvent déboucher sur des côtés identiques ou différents. Ceci peut être 10 modifié simplement en adaptant le cheminement de portions d'entrée et de sortie des différents canaux, et on peut combiner les différentes possibilités d'agencement sur une même plaque. Comme indiqué auparavant, bien que dans le mode de réalisation présenté les portions d'entrée circulent au centre de la 15 plaque et les portions de sortie à la périphérie, on peut prévoir un agencement inverse, ou une combinaison d'agencements différents sur les côtés de la plaque, qui serait alors dissymétrique. Grâce à l'invention, on obtient une plaque bipolaire munie d'un ou plusieurs canaux continus permettant une distribution homogène de 20 réactifs sur une membrane et limitant les pertes de charge, ce qui améliore la circulation des fluides dans le ou les canaux. Une répartition plus homogène des fluides permet en outre de réduire les débits des composants réactifs, puisque les quantités nécessaires de réactifs sont liées au rendement de la pile à combustible. Les canaux 25 peuvent être prévus avec des profils susceptibles de permettre des arrangements adaptés pour obtenir des plaques avec des profils différents. Par ailleurs, on obtient des plaques sur lesquelles on peut regrouper des entrées ou des sorties de multiples canaux facilitant ainsi l'alimentation et l'évacuation des gaz. 30 REVENDICATIONS 1. Plaque bipolaire (5) pour pile à combustible, notamment du type à membrane échangeuse d'ions, comprenant au moins un canal 5 de circulation (6) pour le cheminement d'un fluide le long d'une surface de la plaque, le canal (6) comprenant des premier et second tronçons (7, 8) circulant en parallèle sur la plaque et agencés en spirale de sorte qu'un fluide pénétrant dans le canal circule de façon centripète dans le premier tronçon et ressort du canal en circulant de 10 façon centrifuge dans le second tronçon, caractérisée par le fait que le premier tronçon (7) débouche directement dans le second tronçon (8) pour former un canal continu. 2. Plaque selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les premier et second tronçons (7, 8) d'un canal circulent en 15 spirale selon un profil polygonal, par exemple en parallélogramme ou en triangle, ou un profil circulaire. 3. Plaque selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que la plaque bipolaire (5) comprend au moins deux canaux (6, 12) agencés en spirale. 4. Plaque selon la revendication 3, caractérisée par le fait que les canaux sont arrangés sur la plaque bipolaire avec au moins un axe de symétrie. 5. Plaque selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'un canal (12) comprend à une 25 extrémité une portion d'entrée en communication avec le premier tronçon (13) et/ou une portion de sortie (16) en communication avec le second tronçon (14), les portions d'entrée et de sortie débouchant sur les bords de la plaque (5). 6. Plaque selon l'une quelconque des revendications 30 précédentes, caractérisée par le fait qu'elle comprend une pluralité de canaux agencés en spirale, des portions d'entrée de canaux débouchant sur un même côté de la plaque. 7. Plaque selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle comprend une pluralité de 5 canaux agencés en spirale, des portions de sortie de canaux débouchant sur un même côté de la plaque. 8. Plaque selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle comprend au moins un canal dont une portion d'entrée et une portion de sortie débouchent sur 10 un même côté de la plaque. 9. Plaque selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle comprend au moins un canal dont une portion d'entrée et une portion de sortie débouchent sur des côtés différents de la plaque.