Brevet FR2852736A1 — publié le 20040924

PILE A COMBUSTIBLE PLANAIRE ET PROCEDE DE FABRICATION D'UNE TELLE PILE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne une pile à combustible planaire et le procédé de fabrication d'une telle pile. Le domaine de l'invention est celui des 10 piles à combustible planaires, par exemple à électrolyte polymère solide, et de leur application à la génération de puissances électriques de quelques centaines de milliwatts à quelques centaines de kilowatts pour des applications stationnaires, par 15 exemple pour des centrales ou des chaudières, des applications de transports, par exemple pour des véhicules terrestres, maritimes, ou aériens, et des applications portables et transportables, par exemple pour des téléphones ou des ordinateurs portables. 20 ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE A 1 'heure actuelle, la plupart des piles à combustible sont bâties sur la base d'un ensemble 25 " sandwich " composé de deux électrodes disposées de part et d'autre d'un électrolyte. Les électrodes sont généralement constituées d'une couche de diffusion sur laquelle est déposée une couche active (couche catalytique) . Un réactif différent arrive sur chaque 30 surface extérieure des deux électrodes, à savoir un B 14303.3 DB carburant et un comburant. Ceux-ci réagissent chimiquement par l'intermédiaire de l'élément électrolytique, de sorte qu'il est possible de prélever une tension électrique aux bornes des deux électrodes. Si le carburant est l'hydrogène et le comburant l'oxygène, une oxydation de l'hydrogène a lieu à l'anode, tandis qu'à la cathode se produit la réduction de l'oxygène en eau. Chaque électrode est donc le siège d'une 10 réaction électrochimique, la tension résultante, différence de potentiel entre ces deux réactions, est généralement d'environ 1 volt (à courant nul) puisque l'on réalise à l'anode l'oxydation de l'hydrogène en protons et à la cathode la réduction de l'oxygène en 15 eau. Cette faible tension constitue le principal handicap de telles piles par rapport aux batteries classiques, dont la tension élémentaire peut monter jusqu'à 4 volts (exemple du couple Li/C). Pour remédier à ce problème, il est d'usage d'empiler un grand nombre 20 de tels éléments suivant une technologie dite " filtrepresse ". Mais cette technologie présente un problème de mauvaise distribution des gaz dans chaque cellule et de perte d'étanchéité dans l'empilement, aggravés par la multiplication du nombre d'éléments empilés. De 25 plus, les plaques bipolaires séparant deux cellules élémentaires doivent répondre aux critères physiques et chimiques spécifiques suivants: - très bonne conductivité électronique, - imperméabilité aux gaz, - faible masse, B 14303.3 DB - résistance chimique à l'eau, à l'oxygène et à l'hydrogène, faible coût matière, - bonne usinabilité. Aucune technologie de plaque bipolaire ne répond aujourd'hui à de tels critères, qui nécessitent l'emploi d'une technique d'usinage onéreuse, ou l'emploi de matériaux très coûteux. De plus, ce type d'empilement est généralement de géométrie parallélépipédique, peu propice à une intégration. Afin de pallier de tels inconvénients, le document référencé [1] en fin de description décrit une nouvelle géométrie de pile à combustible permettant d'associer sur une même membrane plusieurs paires 15 d'électrodes, et d'augmenter artificiellement la tension élémentaire. Cette association se fait par un empilement de matériaux décalés les uns par rapport aux autres. Elle nécessite l'utilisation de plaques distributrices de gaz électroniquement isolantes. Comme illustré sur la figure 1, une telle pile à combustible est constituée d'un assemblage de plusieurs piles individuelles 10, disposées les unes à côté, ou derrière, les autres, comprenant chacune une anode 11 et une cathode 12, enserrant une couche 25 électrolytique 13. Ces piles individuelles 10 sont séparées entre elles par des zones isolantes 17, et sont connectées entre elles par des pièces conductrices 14, une première extrémité 15 d'une pièce conductrice 14 étant connectée à la cathode 12 d'une première pile 30 10, et une deuxième extrémité 16 de cette pièce B 14303.3 DB conductrice 14 étant reliée à l'anode 11 d'une autre pile 10 qui lui est adjacente. Un tel assemblage est difficile à exécuter non seulement pour la réalisation à petite échelle des 5 différentes piles individuelles 10 mais aussi pour la réalisation de leur connexion électrique. De plus, des problèmes d'étanchéité subsistent. Pour remédier à ces inconvénients, le document référencé [2] propose un procédé de 10 fabrication d'un assemblage d'éléments de base de piles à combustible formant plusieurs piles élémentaires, en déposant sur une trame isolante, en plusieurs étapes successives, différents composants sous forme de suspensions. La figure 2 représente un tel assemblage d'éléments de base, une fois terminé. Tous les éléments fonctionnels de cet assemblage sont des parties déposées les unes après les autres sur et/ou dans une plaque en matériau en trame dont l'épaisseur correspond 20 à l'épaisseur d'une couche de conducteur ionique. Cet assemblage comprend, tout d'abord, un joint périphérique 21, placé sur toute l'épaisseur de la plaque à la périphérie de celle-ci. Ce joint périphérique 21 est en matériau inerte chimiquement et 25 isolant électroniquement et ioniquement. Les différentes piles élémentaires de cet assemblage sont constituées chacune d'une anode 22 placée sur une première surface de la plaque, une cathode 23 placée sur la surface opposée de la plaque et un conducteur 30 ionique 24 situé entre l'anode 22 et la cathode 23, sur toute l'épaisseur de la plaque. L'anode 22 dépasse d'un B 14303.3 DB côté du conducteur ionique 24 et la cathode 23 dépasse du conducteur ionique 24 du côté opposé à l'anode. De cette manière, chaque partie dépassante d'une anode 22 et d'une cathode 23 se trouve en regard, à l'épaisseur 5 de la plaque près, d'une cathode 23 ou d'une anode 22 d'une pile voisine, exception faite pour l'anode 22 d'une première pile d'extrémité et la cathode 23 de l'autre pile d'extrémité. Un conducteur électronique 26, déposé dans toute l'épaisseur de la plaque, permet 10 de relier l'anode 22 d'une pile de rangs n à la cathode 23 de la pile voisine de rang n + 1, qui est placée en regard de celle-ci, la tension Ui (o Les problèmes majeurs rencontrés dans l'élaboration de ce type de pile à combustible planaire sont d'une part l'étanchéité des interfaces matériaux 25 conducteur ionique/conducteur électronique, et d'autre part les faibles valeurs de conductivité électronique obtenues dans les " traversées de courant ". Ces faibles valeurs de conductivité provoquent de fortes chutes ohmiques entraînant des pertes de performances 30 et un échauffement de ces traversées (effet Joule). B 14303.3 DB L'invention a pour objet de résoudre de tels problèmes. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne une pile à combustible planaire comportant un ensemble électrode-membraneélectrode, caractérisée en ce que la membrane comporte un tissu dont les fibres de chaîne sont des fibres 10 continues en matériau isolant électrique et dont les fibres de trame sont alternativement des fibres en matériau isolant et des fibres en matériau conducteur électrique, pour former respectivement des zones isolantes et des zones conductrices. Avantageusement les fibres en matériau isolant peuvent être en polymère ou en verre inerte. Les fibres en matériau conducteur électrique peuvent être des fibres de carbone ou des fibres d'acier inox. Une telle pile présente, notamment, les avantages suivants: - une simplification de fabrication en supprimant l'étape de dépôt des couches isolantes verticales, - une augmentation de performance par l'apport d'un conducteur électronique massif dans les traversées électriques, - une taille des conducteurs électroniques permettant d'accroître sur une même surface le nombre 30 de paires d'électrodes, augmentant ainsi la tension de la pile. B 14303.3 DB L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une pile à combustible planaire, qui comprend les étapes suivantes: découpe, à la forme souhaitée, d'un morceau de matériau, - dépôt d'une couche de joint sur toute l'épaisseur de la périphérique de ce morceau de matériau en légère surépaisseur, - dépôt d'un conducteur ionique dans toute l'épaisseur de ce morceau de matériau, - dépôt des anodes sur une première surface du morceau de matériau ainsi rempli et des cathodes sur l'autre surface de celui-ci, - dépôt de colle cteurs électronique à une des deux extrémités de l'ensemble d'anodes et à l'autre extrémité de l'ensemble de cathodes, caractérisé en ce que le morceau de matériau est un morceau de tissu dont les fibres de 20 chaîne sont des fibres continues en matériau isolant électrique et les fibres de trame sont alternativement des fibres en matériau isolant et des fibres en matériau conducteur électrique pour former respectivement des zones isolantes et des zones 25 conductrices. Avantageusement on dépose un joint isolant de part et d'autre de chaque zone conductrice. A cause de la structure tissée de ce 30 morceau de tissu, les fibres sont en contact intime électrique, contrairement aux dispositifs de l'art B 14303.3 DB connu o les grains conducteurs sont noyés dans un liant et o la continuité électrique n'est pas absolue. Ce morceau de tissu provoque donc une augmentation de la conductivité d'un facteur 2 à 10 ce qui permet 5 d'améliorer les performances de la pile et de diminuer la taille des zones isolantes et donc celles des piles. Les applications visées par un tel type de technologie de pile à combustible (monobloc ou 10 polyéléments), sont des systèmes légers et portables, nécessitant des alimentations électriques de tension supérieure à 1 volt, et dans lesquels se posent les problèmes de poids et de formes. Le combustible alimentant une pile, ainsi 15 construite, peut être stocké sous forme de gaz comprimé à l'extérieur de la pile ou bien sous forme adsorbée dans des hydrures, qui peuvent être réalisés sous forme de feuilles d'hydrure au contact des anodes. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 illustre un premier dispositif de l'art connu. La figure 2 illustre un second dispositif 25 de l'art connu. La figure 3 illustre une trame localement conductrice selon l'invention. Les figures 4 à 6 illustrent respectivement les étapes du procédé de l'invention à la fois dans une 30 vue en coupe transversale (figures 4A, 5A et 6A) et dans une vue de dessus (figures 4B, 5B et 6B). B 14303.3 DB EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Dans la réalisation de piles planaires 5 juxtaposées de l'art connu, comme illustré sur la figure 2, on utilise une matrice poreuse que l'on remplit localement de matériau approprié à la fonction que doit jouer la zone remplie. Une telle solution présente des problèmes d'étanchéité aux interfaces des 10 différentes zones. De plus, la conductivité électronique n'est pas obligatoirement élevée de par la structure même de la matière poreuse. Pour pallier de tels inconvénients l'invention consiste à utiliser, à la place de la 15 matrice poreuse, un tissu 30 de fibres d'un seul tenant. Comme illustré sur la figure 3, les fibres de chaîne 31 sont continues d'un bout à l'autre de la pile (il n'y a pas d'interface, donc pas de perte de place) et sont en un matériau isolant électrique. Les fibres 20 de trame sont réalisées alternativement par des fibres isolantes 31' ou des fibres conductrices 32 de manière à réaliser les différentes fonctions d'un élément de pile et juxtaposer les éléments pour constituer une pile. Les fibres isolantes 31 et 31' sont par exemple des fibres polymères ou en verre inerte chimiquement. Les fibres conductrices 32 sont par exemple des fibres de carbone ou d'acier inox. Ces fibres conductrices 32 forment, comme 30 illustré sur la figure 3, des zones conductrices 33 afin d'assurer localement sur une largeur b une B 14303.3 DB conductivité électronique dans l'épaisseur de la trame. Cette largeur b peut être de l'ordre de 2 millimètres, pour une surface de tissu d'environ 1 mètre carré, et une épaisseur comprise entre 20 micromètres et 100 micromètres. Comme illustré sur la figure 3, ce tissu 30 peut être réalisé par une toile classique tissée à angle droit. Le nombre de fibres et l'angle de tissage peuvent varier en fonction de la géométrie choisie pour 10 la pile. Le procédé de fabrication d'une telle pile à combustible planaire comprend les étapes suivantes: - découpe, à la forme souhaitée, du morceau 15 de tissu 30 qui comporte des zones isolantes 34 séparées par des zones conductrices 33, - dépôt d'une couche de joint 40 sur toute l'épaisseur de la périphérique de ce morceau de tissu en légère surépaisseur, - dépôt d'un conducteur ionique 41 dans toute l'épaisseur de ce morceau de tissu 30 - dépôt des anodes 44 sur une première surface du morceau de tissu ainsi rempli et des cathodes 45 sur l'autre surface, - dépôt (non illustré sur les figures 4 à 6) de collecteurs électroniques à une des deux extrémités de l'ensemble d'anodes 44, et à l'autre extrémité de l'ensemble de cathodes 45. Les différentes étapes de dépôt prévues ci30 dessus sont avantageusement réalisées à l'aide de masques. B 14303.3 DB Pour améliorer le fonctionnement, en évitant toute fuite ionique, il est possible de déposer des joints isolants de part et d'autre de chaque zone conductrice 33. Ainsi suivant ces étapes illustrées sur figures 4 à 6 il est possible de réaliser des piles à combustibles planaires possédant des performances supérieures à celle obtenues par les piles décrites dans le document référencé [2], et une tenue mécanique 10 renforcée par la suppression d'une interface conducteur ionique/conducteur électronique, limitant également les risques de fuites internes pouvant provoquer des mélanges hydrogène/oxygène. La structure de pile de l'invention 15 présentée ci-dessus n'est qu'un exemple. L'invention peut s'appliquer aux micro-piles par exemple matricées sur un support ou à toutes les piles qui possèdent sur un même plan, des surfaces conductrices électriques et des surfaces conductrices ioniques séparées. B 14303.3 DB REFERENCES [1] US 5, 863,672 [2] FR 2819107 B 14303.3 DB REVENDICATIONS 1. Pile à combustible planaire comportant un ensemble électrode-membraneélectrode, caractérisé e 5 en ce que la membrane comporte un tissu dont les fibres de chaîne (31) sont des fibres continues en matériau isolant électrique et dont les fibres de trame sont alternativement des fibres en matériau isolant (31') et des fibres en matériau conducteur électrique (32), pour 10 former respectivement des zones isolantes (34) et des zones conductrices (33). 2. Pile à combustible selon la revendication 1, dans laquelle les fibres en matériau 15 isolant (31, 31') sont en polymère ou en verre inerte. 3. Pile à combustible selon la revendication 1, dans laquelle les fibres en matériau conducteur électrique (32) sont des fibres de carbone 20 ou des fibres d'acier inox. 4. Procédé de fabrication d'une pile à combustible planaire, qui comprend les étapes suivantes: - découpe, à la forme souhaitée, d'un morceau (30) de matériau, - dépôt d'une couche de joint (40) sur toute l'épaisseur de la périphérique de ce morceau de matériau en légère surépaisseur, - dépôt d'un conducteur ionique (41) dans toute l'épaisseur de ce morceau de matériau, B 14303.3 DB - dépôt des anodes (44) sur une première surface du morceau de matériau ainsi rempli et des cathodes (45) sur l'autre surface, - dépôt de collecteur s éle ctronique à une 5 des deux extrémité de l'ensemble d'anodes (44) et à l'autre extrémité de l'ensemble de cathodes (45), caractérisé en ce que le morceau de matériau est un morceau de tissu dont les fibres de chaînes (31) sont des fibres continues en matériau 10 isolant électrique et dont les fibres de trame sont alternativement des fibres en matériau isolant (31') et des fibres en matériau conducteur électrique (32) pour former respectivement des zones isolantes (34) et des zones conductrices (33). 15 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel on dépose des joints isolants de part et d'autre des zones conductrices (33) du tissu (30). B 14303.3 DB