Brevet FR2864863A1 — publié le 20050708

Plaques bipolaires pour pile à combustible et pile à combustible équipée d'une telle plaque 5 La présente invention concerne les piles à combustible et en particulier une plaque bipolaire pour pile à combustible, ainsi qu'une pile à combustible équipée d'une telle plaque. Les piles à combustible du type à l'électrolyte solide comprennent généralement un empilement de plaques bipolaires, souvent appelé stack , et de membranes du type échangeuses d'ions formées par un électrolyte solide. Les plaques bipolaires sont munies de rainures formant des canaux 1s de circulation de gaz dont une paroi est constituée par une membrane. Des gaz anodiques et cathodiques circulent dans les canaux de circulation de part et d'autre de chaque assemblage électrode-membrane, souvent appelé MEA ( Membrane Electrode Assembly ) et qui constitue un des éléments actifs de la pile. A l'anode, il y a une oxydation, par exemple une oxydation d'hydrogène conduisant à la production de protons H+ et d'électrons. Les protons sont échangés à travers la membrane. A la cathode, il y a une réduction et un oxydant tel que l'oxygène. La réaction d'oxydoréduction, dans le cas notamment d'oxygène et d'hydrogène, entraîne la production d'eau. L'eau ainsi produite se propage vers les canaux de circulation par électro-osmose ou par diffusion. Par conséquent, on retrouve respectivement dans les canaux de circulation anodique et cathodique les gaz anodiques et cathodiques ainsi que du liquide tel que de l'eau. La présence d'eau dans les canaux de circulation peut, par un recouvrement partiel de la paroi des canaux de circulation constituée par les assemblages membrane-électrode, limiter l'efficacité de la pile à combustible en entravant les échanges à travers les membranes. Le document FR-2786027 décrit des plaques bipolaires pour pile à combustible comprenant des cannelures susceptibles de former des canaux de distribution de gaz prévus de manière à serpenter sur toute la surface de la membrane afin d'alimenter la membrane de la façon la plus uniforme possible. Pour atténuer les inconvénients liés à la présence de liquide dans les canaux, ce système comprend des o canaux de distribution présentant en section transversale une forme ou géométrie permettant d'éloigner un liquide circulant dans lesdits canaux de la surface des assemblages membrane-électrode. Ceci est notamment réalisé en prévoyant des canaux à profil en trapèze isocèle dont la petite base est constituée par ladite surface de membrane. Les angles aigus du profil en trapèze isocèle éloignés de la membrane permettent de retenir les liquides éloignés de la membrane par effet de capillarité. Il est également envisagé des cannelures dont les parois sont munies de gorges pour retenir les liquides éloignés de la membrane également par effet de capillarité. Les documents US-6242120B1 et US-020022167 décrivent aussi des plaques bipolaires pour pile à combustible et font appel à des techniques annexes de purge des cellules constituant l'empilement de cellules élémentaires. En effet, de tels systèmes nécessitent des moyens de purge extérieurs au système pile à combustible, ce qui va à l'encontre des contraintes de réduction du nombre de pièces et d'encombrement qui sont très strictes dans le secteur automobile. Ces systèmes causent également une surconsommation de carburant et d'oxygène. De plus les plaques bipolaires utilisées dans ces systèmes comportent des canaux ne permettant pas d'obtenir une circulation satisfaisante des fluides et un fonctionnement efficace d'une pile à combustible. Il est en outre connu d'utiliser des stratégies de fonctionnement. Lors d'une détection de la chute de tension moyenne de l'empilement des plaques bipolaires en dessous d'une valeur de tension seuil, indiquant un engorgement des canaux en eau liquide d'une ou de plusieurs cellules, une purge de cet empilement est réalisée par augmentation de la pression ou des débits de fluides. Cette stratégie permet d'évacuer instantanément l'eau liquide contenue dans les canaux de la pile et ainsi de remédier aux chutes de tension qui sont critiques pour zo son fonctionnement. D'autres systèmes définissent de nouvelles formes de sections de canaux, favorisant l'évacuation de l'eau liquide produite sans perturber la diffusion des gaz à travers l'assemblage électrode-membrane. Un des inconvénients de telles solutions peut résider dans la définition d'un algorithme de surveillance ou bien dans le coût des vannes supplémentaires nécessaires à la régulation des débits et des pressions dans le système. D'autres systèmes comportent des plaques bipolaires ayant des canaux à sections particulières, sections différentes des sections conventionnelles carrées ou rectangulaires, ce qui fait augmenter leur coût de fabrication. De plus, les performances d'une pile à combustible sont nettement influencées par la distribution interne des fluides. En effet, il est nécessaire que la distribution des réactifs sur la zone active soit la plus homogène possible et que l'eau produite par la réaction, qui transite jusqu'aux canaux d'alimentation en réactifs, ne vienne pas engorger ceux-ci, ce qui pourrait perturber la diffusion des gaz. Il est en outre important que la membrane soit suffisamment humidifiée pour garantir sa fonctionnalité. Pour la conception de la structure interne d'une pile à combustible, la connaissance du type d'écoulement des fluides dans les canaux de distribution permet de prévenir la formation de bouchons. Le comportement d'un mélange diphasique circulant dans des canaux de faibles sections a déjà été étudié au niveau théorique. Les cartes d'écoulements théoriques résument les différents régimes possibles et prédisent les transitions entre les différents régimes d'écoulement. Si on simplifie la description de l'écoulement à trois principaux types, les transitions qui peuvent apparaître dans des tuyaux de faible diamètre hydraulique sont de type régime stratifié / intermittent, régime stratifié / annulaire et régime annulaire I intermittent. Pour garantir de bonnes conditions de fonctionnement de la pile, il est connu que le régime d'écoulement des fluides qui lo circulent dans les canaux des plaques bipolaires soit toujours confiné dans la région stratifiée , quel que soit le point de fonctionnement de la pile, de façon à ce que l'électrode ne soit pas recouverte par l'eau liquide qui se trouve confinée en fond de canal. is La présente invention a pour objet une plaque bipolaire pour pile à combustible permettant d'améliorer un écoulement de fluides dans des canaux de circulation pour l'obtention de performances améliorées d'une pile à combustible. L'invention a également pour objet une plaque bipolaire pour pile à combustible permettant une meilleure utilisation de la surface d'une membrane de pile à combustible. La présente invention fournit une plaque bipolaire pour pile à combustible comprenant sur au moins l'une de ses faces au moins une cannelure susceptible de former avec la surface d'une électrode adjacente au moins un canal de distribution de fluide, caractérisée en ce que ledit canal est incliné par rapport à l'horizontale. Un des avantages de la présente invention est d'optimiser la distribution des fluides dans la pile par un choix approprié de conception des plaques bipolaires, permettant d'éviter l'engorgement en eau liquide des canaux de distribution. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - le canal est légèrement incliné par rapport à l'horizontale (X), par exemple de l'ordre de 5 à 10 degrés; - les deux faces de ladite plaque bipolaire comprennent au moins une cannelure; s - les deux faces de ladite plaque bipolaire comprennent au moins une cannelure légèrement inclinée par rapport à l'horizontale; les plaques bipolaires comprennent des moyens d'extraction des fluides; les plaques bipolaires comprennent des moyens d'amenée des io fluides les moyens d'extraction ou d'amenée des fluides comprennent au moins un élément poreux. La présente invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente schématiquement une pile à combustible comprenant plusieurs cellules élémentaires avec un assemblage électrode- membrane-électrode, ainsi que des plaques bipolaires; - la figure 2 représente de façon schématique le principe d'empilement des plaques bipolaires selon un mode de réalisation de l'invention; et - la figure 3 est un exemple de carte d'écoulement représentant l'effet de l'inclinaison des canaux d'alimentation sur la transition 25 écoulement stratifié / écoulement intermittent. En référence aux figures citées ci-dessus, l'invention représentée sur la figure 1 présente le schéma d'un empilement de cellules élémentaires 1. La pile est habituellement constituée d'un ensemble de cellules 2 et 3 connectées en série, de façon à atteindre la tension de fonctionnement de la chaîne de traction du véhicule. Le dimensionnement des cellules 2 et 3 est fait de façon à atteindre la puissance nominale de la chaîne de traction. Une cellule élémentaire se compose d'une plaque bipolaire 4 ou et d'un ensemble électrodes / membrane 6. Cet assemblage est constitué de l'anode 7, de la cathode 8 et de l'électrolyte 9. L'électricité produite par la pile à combustible se décompose en plusieurs étapes. Il y a d'abord une consommation de l'hydrogène pour former des protons et des électrons à l'anode 7 selon la réaction suivante: H2 - 2H+ + 2e". Les protons et les électrons sont ensuite transférés respectivement par l'électrolyte 9 et par les plaques bipolaires 4 ou 5. Un circuit extérieur 10 comprenant un moteur électrique 11 permet la io circulation des électrons formés à l'anode 7 jusqu'à la cathode 8 où ils sont consommés. L'oxygène de l'air est enfin combiné avec les protons et les électrons à la cathode 8 pour former de l'eau selon la réaction suivante: 1/2 02 + 2H+ + 2e" -- H20. Pour obtenir un rendement optimal, il faut réduire les pertes à chaque étape c'est à dire optimiser tous les matériaux de la cellule élémentaire. Les fonctions de la plaque bipolaire 4 ou 5 sont d'assurer la distribution des réactifs de manière uniforme sur les électrodes 7 et 8, de conduire les électrons, d'évacuer l'eau produite lors de la réaction électrochimique vers l'extérieur, d'évacuer la chaleur produite lors des réactions électrochimiques, et d'assurer l'étanchéité aux gaz. Sur la figure 2, sont représentés plusieurs axes parmi lesquels l'axe a est l'axe des canaux de distribution, l'axe X représente l'horizontale et l'axe G est l'axe de la pesanteur. L'angle a est l'angle d'inclinaison des canaux par rapport à l'horizontale X. Dans un mode de réalisation de la présente invention, les canaux 14 sont inclinés d'un angle a de l'ordre de 5 à 10 degrés par rapport à l'horizontale pour faciliter l'écoulement des fluides et éviter la formation de bouchons L'empilement de cellules élémentaires 1 est composé de plaques bipolaires 4 et 5, dans lesquelles circulent des éléments réactifs via des canaux de distribution 14. Les réactions chimiques se produisent dans l'assemblage électrodes- membrane 6 et produisent de l'eau liquide. La présente invention s'applique à ce type d'empilement évoqué par la figure 1, avec les canaux de distribution en parallèle, comme le montre la figure 2. En référence aux figures et plus particulièrement en référence à la figures 3, la présente invention propose une distribution interne des fluides qui permette de déplacer la ligne de transition 12 de façon à élargir la zone d'écoulement se rapportant au régime stratifié. L'utilisation de plaques bipolaires io constituées par un réseau de canaux très légèrement inclinés, d'un angle a d'environ 5 à 10 degrés, par rapport à l'horizontale permet d'obtenir ce résultat. La figure 3 est un exemple de carte d'écoulement obtenue pour un mélange d'air et d'eau liquide aux conditions opératoires suivantes: P=1 bar et T=80 C; où sont is représentés plusieurs transitions 12, 13 et 15 telles que la transition 12 est la transition stratifié / intermittent, la transition 13 est la transition stratifié I annulaire et la transition 15 est la transition annulaire I intermittent. De plus, les grandeurs représentées sur les axes des cartes d'écoulement sont telles que VGS est la vitesse superficielle du gaz (rapport entre le débit volumique de gaz et la section du canal) représentée sur l'axe horizontal des abscisses, et VAS est la vitesse superficielle du liquide (rapport entre le débit volumique de liquide et la section du canal) représentée sur l'axe vertical des ordonnées. La figure 3 représente l'effet de l'inclinaison des canaux d'alimentation sur la transition stratifié I intermittent 12 par rapport à l'écoulement d'un mélange diphasique aux conditions d'écoulement précédentes représenté par les transitions 12, 13 et 15. L'effet de l'inclinaison des canaux 14 des plaques bipolaires 4 ou 5 est que la région correspondant à la zone stratifiée est élargie, ce qui correspond à un déplacement de la transition 12 vers la transition 16 suivant la direction de la flèche 17. Les performances de la pile peuvent ainsi être améliorées pour une large gamme de points de fonctionnement. En effet, en régime stabilisé, les vitesses superficielles des gaz dans les canaux 14 évoluent peu. Cependant, les vitesses superficielles de l'eau liquide augmentent le long des canaux 14. En supposant que le régime soit stratifié à l'entrée de la pile à combustible, on se déplace alors verticalement sur la carte d'écoulement. Ainsi, plus on avance dans les canaux, plus le régime d'écoulement se rapproche de la zone de transition stratifié / intermittent 12. L'inclinaison des canaux facilite l'écoulement vers le bas de l'eau produite dans le canal. Cela io permet de maintenir l'écoulement en régime stratifié, en éloignant la zone de transition stratifiée / intermittent vers la transition 16. De plus, le système présenté comprend des moyens permettant de faire circuler les fluides dans les canaux 14. Pour réaliser l'enchaînement de réactions permettant de produire de l'électricité, ces moyens comprennent un élément poreux qui va acheminer les réactifs. La présente invention s'applique à plusieurs types de piles fonctionnant à basse température et produisant de l'eau liquide, ayant une distribution interne par canaux en parallèle. L'inclinaison des canaux 14 permet en outre de diminuer les pertes de charge et d'éviter les instabilités induites sur la tension de pile par le passage de bouchons isolés qui apparaissent quand il y a un régime intermittent. REVENDICATIONS 1. Plaque bipolaire (4) pour pile à combustible comprenant sur au moins l'une de ses faces au moins une cannelure (14) susceptible de former avec la surface d'une électrode adjacente (8) au moins un canal de distribution de fluide, ro caractérisée en ce que ledit canal est incliné par rapport à l'horizontale (X). 2. Plaque bipolaire (4) pour pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit canal est légèrement incliné par rapport à l'horizontale (X), par exemple de l'ordre de 5 à 10 degrés. 3. Plaque bipolaire (4) pour pile à combustible selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les deux faces de ladite plaque bipolaire (4) comprennent chacune au moins une cannelure. 4. Plaque bipolaire (4) pour pile à combustible selon la revendication 3, caractérisée en ce que les deux faces de ladite plaque bipolaire (4) comprennent chacune au moins une cannelure légèrement inclinée par rapport à l'horizontale. 5. Plaque bipolaire pour pile à combustible selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdites plaques bipolaires (7) comprennent des moyens d'extraction des fluides. 6. Plaque bipolaire pour pile à combustible selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdites plaques bipolaires (7) comprennent des moyens d'amenée des fluides. 7. Plaque bipolaire pour pile à combustible selon l'une des 5 revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que lesdits moyens d'extraction ou d'amenée des fluides comprennent au moins un élément poreux.