Brevet FR2858115A1 — publié le 20050128

L'invention concerne une pile à combustible et plus particulièrement une cellule de pile à combustible. Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui permet de convertir l'énergie 5 chimique en énergie électrique à partir d'un carburant, 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 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 + i 02 - H20 Une pile à combustible peut être utilisée pour 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 20 des dispositifs électriques contenus dans un véhicule. Une pile à combustible peut être constituée d'une ou de plusieurs cellules. Pour décrire le principe de fonctionnement d'une pile à combustible de l'art antérieur, on se réfère à la 25 figure 1 qui représente une coupe longitudinale d'une cellule d'une telle pile à combustible. Comme une cellule d'une pile à combustible présente une symétrie de construction entre les compartiments anodique et cathodique, les éléments de ces deux parties 30 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 relatifs au compartiment anodique et la lettre c pour les éléments relatifs au compartiment cathodique. 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 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 électronique de la couche active 3a vers la couche active 3c. A cet effet, l'électrolyte peut être par exemple un 15 électrolyte solide polymère, la pile résultante étant du type SPEFC (Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell) ou plus 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 20 combustible étant particulièrement intéressant pour la traction automobile à condition que l'on garantisse à la 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 3c est la suivante: 4 02 + 2H+ + 2e- -+ H20 (2) Chaque électrode poreuse anodique 2a et cathodique 30 2c comprend également une couche de diffusion respective 9a,9c qui est intercalée entre la couche active 3a, 3c et une plaque bipolaire 5a, 5c. Les plaques bipolaires 5a, 5c sont réalisées en un matériau électriquement conducteur par exemple en métal, 35 en graphite ou en composite polymère + graphite. Ces plaques bipolaires 5a et 5c assurent notamment 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 5 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. Le courant produit dans la cellule et collecté par les plaques bipolaires 5a,5c permet alors d'alimenter 10 tout système nécessitant une telle alimentation. Pour assurer le bon fonctionnement de la pile, le carburant doit atteindre la couche active 3a de l'électrode anodique 2a et le comburant doit atteindre la couche active 3c de l'électrode anodique 2c. L'alimentation en carburant du coté anodique et en comburant du coté cathodique est un impératif de fonctionnement de la pile mais joue également un rôle en ce qui concerne ses performances. En effet, on comprend que les performances de la 20 pile dépendent des réactions qui se produisent à l'anode et à la cathode elles-mêmes dépendantes de l'alimentation en carburant et en comburant des couches actives respectives 3a et 3c. Dans la pile de l'art antérieur de la figure 1, la 25 distribution en carburant, par exemple l'hydrogène, au niveau de l'électrode poreuse anodique 2a et la distribution de l'oxygène au niveau de l'électrode poreuse cathodique 2c sont assurées par les plaques bipolaires 5a et 5c au moyen d'une entrée de gaz 30 respectivement 6a et 6c qui traverse la plaque correspondante 5a, 5c et d'une sortie de gaz respectivement 8a et 8c qui traverse également la plaque correspondante 5a, 5c mais aussi au moyen de canaux de distribution 7a,7b qui sont usinés dans les plaques 35 bipolaires respectives 5a et 5c ou mis en forme par embouttissage d'une plaque métallique. L'hydrogène et l'oxygène 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 3a et cathodique 3c. 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 10 de diffusion respectivement 9a et 9c qui est intercalée 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 15 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 20 même phénomène de diffusion de l'oxygène se produisant du coté cathodique. Selon une autre cellule de pile à combustible également connue et non représentée, les couches de diffusion 9a,9c sont absentes et les gaz circulant dans 25 les canaux de distribution 7a,7b atteignent la couche active respective 3a,3c uniquement au niveau de la surface de la couche active 3a,3c située en regard des canaux de distribution 7a,7b. Au contraire, dans la cellule représentée sur la 30 figure 1, l'hydrogène atteint alors de façon plus homogène toute la surface de la couche active 3a en contact avec la couche de diffusion 9a et de la même façon, l'oxygène atteint de façon plus homogène toute la surface de la couche active 3c en contact avec la couche 35 de diffusion 9c, ce qui favorise les réactions dans les couches actives 3a,3c et augmente ainsi l'efficacité de la pile par rapport à une pile ne comportant pas de couche de diffusion 9a,9a. En outre, un système de distribution de fluide de refroidissement permettant de compenser le dégagement de 5 chaleur résultant des réactions dans la pile peut être inséré dans la plaque bipolaire cathodique 5c par exemple. Cependant, la pile à combustible représentée sur la figure 1 présente les inconvénients suivants. L'usinage des canaux de distribution des gaz dans les plaques bipolaires 5a, 5c est une contrainte importante puisque d'une part, les opérations d'usinage de ces canaux dans les plaques bipolaires 5a,5c sont longues, délicates, complexes et coûteuses et d'autre 15 part, elles imposent une épaisseur minimum aux plaques bipolaires, ce qui entraîne un encombrement et un poids excessif de la pile lorsqu'elle comprend plusieurs cellules. Dans ce contexte, l'invention vise une pile à 20 combustible permettant de pallier les inconvénients précités et présentant en outre des performances accrues en matière de production énergétique et donc d'efficacité. A cet effet, la cellule de pile à combustible de 25 l'invention est essentiellement caractérisée en ce qu'une couche poreuse anodique électriquement conductrice lOa est intercalée entre la couche active anodique 3a et la plaque bipolaire anodique Sa en formant entre ces deux dernières au moins une cavité 12a qui assure la 30 distribution du carburant dans la couche active anodique 3a et en ce que qu'une couche poreuse cathodique électriquement conductrice 10c est intercalée entre la couche active cathodique 3c et la plaque bipolaire cathodique 5c en formant entre ces deux dernières au 35 moins une cavité 12c qui assure la distribution du comburant dans la couche active cathodique 3c. Ainsi, dans la pile de l'invention, il n'est pas nécessaire de réaliser des canaux de distribution dans les plaques bipolaires 5a et 5c, puisque ce sont les cavités 12a, 12c qui font office de canaux de distribution. Aussi, grâce à cette configuration, la surface active de la pile est fortement augmentée et ses performances le sont également. Avantageusement, les couches actives anodique 3a et 10 cathodique 3c reposent respectivement sur les couches poreuses anodique 0la et cathodique 10c. De préférence, les couches poreuses 10a,10c sont des grilles métalliques 10a,10c. En outre, les grilles métalliques (10a,10c) peuvent 15 présenter, en section transversale perpendiculaire aux plaques bipolaires 5a,5c, une forme ondulée constituant une première ondulation. Avantageusement, les grilles métalliques 10a,10c comportent, en section transversale perpendiculaire aux 20 plaques bipolaires 5a,5c suivant la direction longitudinale de la première ondulation, au moins une deuxième ondulation. De préférence, la première ondulation des grilles métalliques 10a,lOc est de type sinusoïdale. Selon l'invention, le carburant peut être l'hydrogène, par exemple issu du reformage d'hydrocarbures, mais il est également possible, de façon avantageuse, que le carburant soit un mélange d'eau et de méthanol. Préférentiellement, comburant est l'oxygène. Il est également possible que la comburant soit de l'air. L'électrolyte de la cellule de la pile de l'invention peut être un polymère. L'électrolyte de la cellule de la pile de l'invention peut également être une membrane échangeuse d'ions. Les couches actives 3a,3b sont constituées, par exemple, de carbone poreux supportant un électrocatalyseur de platine. En outre, la cellule de pile à combustible comprend 5 un circuit de refroidissement dans la plaque bipolaire cathodique 5c. De préférence, les couches poreuses 10a,0lc, les couches actives 3a,3c et l'électrolyte 4 sont encapsulées dans un boîtier isolant et hermétique 13. L'invention concerne également une pile à combustible comprenant au moins une cellule comme définie précédemment. Cette pile à combustible peut être avantageusement utilisée pour assurer la traction d'un véhicule 15 automobile et/ou l'alimentation des dispositifs électriques contenus dans ce véhicule. Cette pile à combustible peut également être avantageusement 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 est une coupe longitudinale d'une cellule de pile à combustible de l'art antérieur; - la figure 2 est une coupe longitudinale d'une cellule de pile à combustible de l'invention selon un premier mode de réalisation; - la figure 3 représente une vue en perspective du compartiment cathodique d'une cellule de la pile de l'invention suivant la flèche III de la figure 2; et - la figure 4 représente une vue en perspective identique à celle de la figure 3 d'une partie de la 35 partie cathodique de la pile à combustible de l'invention selon un second mode de réalisation. Les éléments ayant la même fonction dans la pile de l'art antérieur représentée sur la figure 1 et dans la pile de l'invention représentée sur les figures 2 à 4 porteront les mêmes références dans la description qui suit. On se réfère d'abord aux figures 2 et 3 pour décrire la cellule de la pile à combustible de l'invention selon un premier mode de réalisation. Cette cellule comprend un électrolyte 4, des 10 électrodes poreuses anodique 2a et cathodique 2a intercalées entre les plaques bipolaires 5a et 5c. Les électrodes poreuses 2a, 2c comprennent chacune une couche active 3a, 3c entre lesquelles l'électrolyte 4 est pris en sandwich. Une grille métallique 10a, 10c est disposée entre la plaque bipolaire 5a, 5c et la couche active 3a,3c. Cette grille métallique 10a,10c présente en section transversale perpendiculaire aux plaques bipolaires 5a,5c, une forme ondulée constituant une première 20 ondulation en formant des cavités 12a,12c entre la plaque bipolaire 5a,5c et la grille 10a,10c. La couche active 3a,3c repose sur toute la surface de la grille métallique 10a et 10c et présente ainsi une ondulation imposée par cette grille 10a,10c. 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 10a et 10c puisqu'il est préférable que l'électrolyte soit en contact avec toute 30 la surface des couches actives 3a et 3c pour assurer au mieux le transfert électronique. Dans ce premier mode de réalisation, l'ondulation de la grille métallique 10a,10c est de préférence type sinusoïdale sur toute sa longueur. La grille métallique 10a, 10c présente des points de contact lla,llc avec la plaque bipolaire correspondante 5a,5c, ce qui permet à ces plaques 5a et 5c d'assurer leur fonction de collecteur de courant. Dans la pile de l'invention, le carburant Ca et le comburant, l'oxygène, sont introduits au niveau des 5 électrodes anodique 2a et cathodique 2c par des entrées de gaz 6a,6c qui traversent les plaques bipolaires respectives 5a,5c. Le gaz introduit pénètre alors dans les cavités 12a,12c et peut circuler d'une cavité à l'autre en 10 traversant la grille métallique 10a,1Oc et la couche active 3a,3c grâce à la porosité des grilles métalliques 10a et 10c et des couches actives 3a et 3c. Des sorties de gaz 8a,8c traversant les plaques bipolaires 5a,5c sont également prévues. Le gaz présent dans les cavités 12a,12c traverse la grille métallique 10a, 10c et atteint de façon homogène toute la surface de la couche active 3a, 3c au sein de laquelle il pénètre. Les cavités 12a,12c font ainsi office de canaux de 20 distribution de gaz. Il se produit alors les réactions à l'anode et à la cathode ainsi que le transfert électronique tel qu'il a été décrit dans ce dispositif de l'art antérieur représenté en figure 1. De préférence, les électrodes poreuses 2a et 2c et l'électrolyte 4 sont encapsulés dans un boîtier isolant et hermétique 13 comme illustré sur la figure 3. Ainsi, la configuration de la grille métallique 10a,10c, sa nature poreuse et la présence des cavités 30 12a,12c résultant de la configuration de la grille, permettent d'assurer la distribution homogène des gaz dans les couches actives 3a,3c. De plus, la surface de ces couches actives 3a,3c est considérablement augmentée par rapport à la pile de l'art 35 antérieur grâce à leur configuration ondulée puisque ces couches actives 3a, 3c reposent sur les grilles métalliques respectives 10a, 10c qui sont elles-mêmes ondulées. Toute autre configuration de la grille métallique 10a,10c dans la pile de l'invention est possible à 5 condition que le contact électrique entre la grille métallique 10a,10c et les plaques bipolaires 3a,3c soit établi et que le gaz puisse circuler dans les cavités 12a,12c et atteindre une surface maximum de la couche active 3a, 3c. Par exemple, comme représenté sur la figure 4, la grille métallique 10a, 10c peut prendre une configuration du type 'boîte à oeuf', c'est à dire présentant une première ondulation identique à celle de la grille métallique 10a,10c de la pile représentée en figures 2 et 15 3 et une deuxième ondulation en section transversale perpendiculaire aux plaques bipolaires 5a,5c suivant la direction longitudinale de la première ondulation sinusoïdale. Dans ce mode de réalisation, la surface de la couche 20 active 3a,3c sera fortement augmentée par rapport à celle de la cellule représentée en figure 2. On comprend ainsi que plus les grilles métalliques 10a et 10c présentent des repliements ou ondulations, plus les surfaces actives 3a,3c correspondantes 25 augmentent et plus la performance de la pile est également accrue. Selon l'invention, la grille métallique 10a,10c peut être remplacée par n'importe quelle couche poreuse réalisée en un matériau électriquement conducteur, à la 30 fois suffisamment souple pour être repliée mais également suffisamment solide pour supporter les couches actives 3a, 3c et l'électrolyte 4. Dans la pile de l'invention, l'absence des canaux de distribution de gaz 7a,7c dans les plaques bipolaires 35 5a,5c est très avantageuse tant au niveau du coût de fabrication des plaques bipolaires que pour l'encombrement et le coût de la pile qui sont réduits. Aussi, comme les couches de diffusion 9a, 9c de la pile de l'art antérieur sont remplacées par les grilles métalliques 10a, lOc, il en résulte également un abaissement du coût de fabrication par rapport à la pile de l'art antérieur. En ce qui concerne le carburant, il est possible d'utiliser de l'hydrogène pour alimenter l'anode, mais pour s'affranchir des contraintes liées au reformage et/ou au stockage de l'hydrogène, il est avantageusement 10 possible d'alimenter directement l'anode de la pile avec un mélange d'eau et de méthanol (pile de type DMFC). Dans ce cas, la réaction se produisant à l'anode est la suivante: CH3OH + H20 - 6H++6e + C02 Enfin, comme expliqué précédemment, la pile de l'invention présente avantageusement une surface de couches actives 3a, 3c accrue par rapport à la pile de l'art antérieur et donc une performance de fonctionnement également plus importante. REVENDICATIONS 1. Cellule de pile à combustible qui comprend un 5 électrolyte (4) pris en sandwich entre deux couches actives respectivement anodique (3a) et cathodique (3c) qui sont chacune reliées électriquement à une plaque bipolaire respective anodique (5a) et cathodique (5c), et dans laquelle le carburant et le comburant sont amenés 10 au moins au niveau de la surface interne des plaques bipolaires respectives anodique (5a) et cathodique (5b), caractérisée en ce qu'une couche poreuse anodique électriquement conductrice (10a) est intercalée entre la couche active anodique (3a) et la plaque bipolaire 15 anodique (Sa) en formant entre ces deux dernières au moins une cavité (12a) qui assure la distribution du carburant dans la couche active anodique (3a) et en ce que qu'une couche poreuse cathodique électriquement conductrice (10c) est intercalée entre la couche active 20 cathodique (3c) et la plaque bipolaire cathodique (5c) en formant entre ces deux dernières au moins une cavité (12c) qui assure la distribution du comburant dans la couche active cathodique (3c). 2. Cellule de pile à combustible selon la 25 revendication 1, caractérisée en ce que les couches actives respectives anodique (3a) et cathodique (3c) reposent respectivement sur les couches poreuses anodique (10a) et cathodique (10c). 3. Cellule de pile à combustible selon la 30 revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les couches poreuses (10a,10c) sont des grilles conductrices (10a,10c). 4. Cellule de pile à combustible selon la revendication 3, caractérisée en ce que les grilles 35 métalliques (10a,10c) présentent, en section transversale perpendiculaire aux plaques bipolaires (5a,5c), une forme ondulée constituant une première ondulation. 5. Cellule de pile à combustible selon la revendication 4, caractérisée en ce les grilles métalliques (10a,10c) comportent, en section transversale perpendiculaire aux plaques bipolaires (5a,5c) suivant la 5 direction longitudinale de la première ondulation, au moins une deuxième ondulation. 6. Cellule de pile à combustible selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que la première ondulation des grilles métalliques (10a,10c) est de type 10 sinusoïdale. 7. Cellule de pile à combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le carburant est l'hydrogène. 8. Cellule de pile à combustible selon la 15 revendication 7, caractérisé en ce que l'hydrogène est produit à partir de reformage d'hydrocarbures. 9. Cellule à pile combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le carburant est un mélange d'eau et de méthanol. 10. Cellule de pile à combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le comburant est l'oxygène. 11. Cellule de pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce 25 que le comburant est l'air. 12. Cellule de pile à combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'électrolyte est un polymère. 13. Cellule de pile à combustible selon l'une 30 quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que l'électrolyte est une membrane échangeuse d'ions. 14. Cellule de pile à combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les couches actives 3a, 3b sont constituées par 35 du carbone poreux supportant un électrocatalyseur de platine. 15. Cellule de pile à combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un circuit de refroidissement dans la plaque bipolaire cathodique (5c). 16. Cellule de pile à combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les couches poreuses (10a,10c), les couches actives (3a,3c) et l'électrolyte (4) sont encapsulés dans un boîtier isolant et hermétique (13). 17. Pile à combustible comprenant au moins une cellule selon l'une des revendications précédentes. 18. Pile à combustible selon la revendication 17 utilisée pour assurer la traction d'un véhicule automobile et/ou l'alimentation des dispositifs 15 électriques contenue dans ce véhicule. 19. Pile à combustible selon la revendication 17, utilisée pour des applications stationnaires et/ou des dispositifs mobiles.