Brevet FR2863104A1 — publié le 20050603

Dispositif de refroidissement central et périphérique d'une pile à combustible La présente invention concerne les piles à combustibles et en particulier un dispositif de refroidissement central et périphérique d'une telle pile. La présente invention s'applique à plusieurs types de piles à combustible, pris à titre d'exemples io nullement limitatifs, tels qu'une pile à combustible de type à membrane échangeuse d'ion PEMFC ( Proton Exchange Membrane Fuel Cell ) ou de type à électrolyte solide SOFC ( Solid Oxid Fuel Cell ). La pile à combustible apparaît de plus en plus comme le convertisseur d'énergie le plus propre et le plus efficace pour convertir l'énergie chimique en une énergie directement utilisable sous forme électrique et thermique. Son principe de fonctionnement est simple: il s'agit d'une combustion électrochimique et contrôlée d'hydrogène et d'oxygène, avec production simultanée d'électricité, d'eau et de chaleur, selon la réaction chimique: H2 + 1/2 02 -p H2O. Cette réaction s'opère au sein d'une structure essentiellement composée de deux électrodes, l'anode et la cathode, séparées par un électrolyte: c'est la réaction inverse de l'électrolyse de l'eau. De nombreuses piles à combustible sont constituées d'un empilement de cellules électrochimiques, appelé stack , chacune comprenant deux électrodes, dont une anode et une cathode, auxquelles sont apportés continûment un comburant et un combustible, qui restent séparées par une membrane échangeuse d'ions faisant office d'électrolyte. La membrane échangeuse d'ions peut être formée d'un électrolyte solide polymère et sépare le compartiment de l'anode, où se produit l'oxydation du combustible, tel que l'hydrogène, du compartiment de la cathode, où le comburant, tel que l'oxygène de l'air, est réduit. Chaque cellule d'un empilement d'une pile à combustible est ainsi constituée d'un ensemble central comprenant la membrane, prise en sandwich entre les deux électrodes, cet ensemble étant lui-même placé entre deux flasques, appelées plaques bipolaires. Ces dernières ont plusieurs fonctions. La première de ces fonctions est d'amener au contact de io l'ensemble réunissant la membrane et les électrodes, d'un côté le carburant, par exemple de l'hydrogène, et de l'autre côté le comburant, par exemple l'oxygène de l'air. Pour ce faire, un canal de distribution est prévu sur toute la face des plaques polaires en contact avec la membrane. Chaque canal possède une entrée par laquelle pénètre le comburant ou le carburant, par exemple sous la forme gazeuse sèche ou humide, et une sortie par laquelle sont évacués les gaz neutres, l'eau générée par la réaction d'oxydoréduction dans le côté air et l'humidité résiduelle de l'hydrogène de son côté. Bien entendu, les deux circuits doivent être parfaitement étanches l'un par rapport à l'autre et chacun vis-à-vis de l'extérieur. La deuxième fonction des plaques bipolaires est de collecter les électrons produits par la réaction d'oxydoréduction. La troisième fonction de ces plaques bipolaires est d'assurer l'évacuation des calories produites conjointement avec les électrons lors de la réaction d'oxydoréduction. En outre, les plaques bipolaires assurent la tenue mécanique de l'ensemble électrodes-membrane. Un des problèmes liés au fonctionnement de la pile à combustible est que celle-ci dégage une quantité d'énergie importante sous forme thermique. Il est ainsi nécessaire de refroidir la pile à combustible pour éviter une dégradation de certains de ses composants, tel que la membrane, en raison d'une température interne trop élevée. Dans le document JP6338334, le refroidissement de la pile à combustible se fait grâce à l'utilisation de cellules de refroidissement avec canaux destinés à la circulation du fluide de refroidissement. Dans la publication FR 2836283, l'utilisation d'un composé en changement de phase dans les plaques bipolaires permet de refroidir l'empilement de cellules d'une pile à combustible. Il est connu de refroidir la pile à combustible en prolongeant soit la plaque cathodique soit la plaque anodique par des ailettes latérales servant à évacuer la chaleur, tel que décrit dans le document W001544218. Toutefois, les piles à combustibles de type classique présentent l'inconvénient de mal résister à de brusques variations de températures. De plus, les cellules de refroidissement occupent une partie importante du volume global de l'empilement des cellules. L'utilisation de structures en serpentin, ou d'autres distributions sur les plaques de refroidissement, entraîne des pertes de charge qui peuvent être importantes pour le fluide de refroidissement. La présente invention propose une pile à combustible 20 remédiant à ces inconvénients. En particulier, la présente invention propose une pile à combustible qui puisse supporter des phases transitoires durant lesquelles la puissance exigée est importante, comme par exemple une phase d'accélération ou de dépassement dans le cas d'un véhicule utilisant une pile à combustible. La présente invention fournit une pile à combustible comprenant une ou plusieurs cellules élémentaires, chaque cellule élémentaire comprenant un ensemble formé par une anode, une cathode et un électrolyte situé entre l'anode et la cathode, l'ensemble formé par l'anode, l'électrolyte et la cathode étant placé entre deux plaques bipolaires, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de refroidissement périphériques le long des côtés latéraux desdites cellules élémentaires et des moyens de refroidissement centraux traversant lesdites cellules élémentaires dans leur partie centrale. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - des canaux de refroidissement traversant sensiblement perpendiculairement les cellules élémentaires fournissent le refroidissement central de l'empilement de cellules de la pile à combustible; - le moyen de refroidissement périphérique transporte un fluide réfrigérant qui part d'une zone supérieur de chaque cellule io élémentaire de l'empilement de cellules, par exemple le coin supérieur, et sort par une autre zone, par exemple le coin inférieur opposé dudit empilement de cellules après avoir refroidit les côtés latéraux de chaque cellule élémentaire; les cellules élémentaires de l'empilement de cellules définissent un évidement dans leur partie centrale destiné au passage du moyen de refroidissement central; - le moyen de refroidissement central comporte un canal dans lequel circule un fluide réfrigérant; - le moyen de refroidissement périphérique comporte un film de fluide réfrigérant recouvrant les parois latérales de l'empilement de cellules et circulant dans un interstice latéral entourant l'empilement de cellules; - le moyen de refroidissement périphérique comporte un réseau de canaux recouvrant les parois latérales de l'empilement de 25 cellules; - le moyen de refroidissement périphérique comporte une combinaison d'un réseau de canaux et de zones de film de fluide, recouvrant les parois latérales de l'empilement de cellules; - le moyen de refroidissement périphérique comporte un fluide réfrigérant circulant dans un matériau poreux. L'invention concerne en outre un procédé pour refroidir un empilement de cellules d'une pile à combustible comprenant une ou plusieurs cellules élémentaires, le procédé opérant en faisant passer du liquide réfrigérant le long des cotés latéraux desdites cellules élémentaires; et en faisant passer du liquide réfrigérant à travers la partie centrale desdites cellules élémentaires. La présente invention s'applique à un véhicule comprenant une telle pile à combustible ou utilisant un tel procédé de refroidissement. La présente invention s'applique enfin à l'utilisation pour la traction électrique d'un véhicule automobile d'une pile à combustible. 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 illustre schématiquement une cellule élémentaire d'une pile à combustible; - la figure 2 illustre schématiquement un ensemble de plaques bipolaires selon un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 3 illustre schématiquement une structure de deux empilements de cellules adjacents partageant le système de refroidissement périphérique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. La figure 1 montre schématiquement une cellule élémentaire 1 d'une pile à combustible. La cellule 1 comprend deux plaques bipolaires 2 encadrant la cellule 1. A l'intérieur de la cellule 1 se trouve un électrolyte 6 entouré par deux électrodes, une anode 5a et une cathode 5b, deux joints 4 et deux collecteurs de courant 3. L'électrolyte 6 est de préférence une membrane échangeuse d'ions. On peut utiliser par exemple des membranes en polymère perfluoré sulfuré. La figure 2 montre schématiquement une plaque bipolaire selon un mode de réalisation de l'invention. L'invention comporte un refroidissement périphérique 8, sur les côtés latéraux de l'empilement de cellules et il peut être complété par un refroidissement central 7 qui traverse de façon perpendiculaire toutes les cellules de l'empilement de cellules. Dan une autre variante de l'invention, on peut utiliser plusieurs canaux de refroidissement qui traversent perpendiculairement les cellules, et qui sont répartis de façon plus ou moins homogène sur les cellules. La forme de la section de ce canal central ou de ces canaux centraux peut être variable. La figure 2 présente donc un exemple de refroidissement périphérique et de refroidissement central, dans lequel un seul io canal est proposé. Le refroidissement se fait par un fluide réfrigérant partant du coin supérieur de chaque cellule et sortant par le coin inférieur opposé, selon la direction 8, après avoir léché les côtés latéraux des cellules élémentaires. La direction d'écoulement du fluide réfrigérant peut aussi être différente de celle présentée à la figure 2. Le refroidissement central, selon la direction 7, est perpendiculaire aux cellules. La figure 3 montre schématiquement un exemple d'une structure de deux empilements de cellules adjacents partageant le même système de refroidissement périphérique 8. Les éléments qui constituent l'invention sont: - la présence d'un refroidissement périphérique 8, qui lèche les surfaces latérales de l'empilement de cellules, - la présence d'un refroidissement central 7, qui traverse perpendiculairement les cellules, - l'absence de cellules de refroidissement. Le refroidissement périphérique 8 concerne les côtés latéraux de l'empilement de cellules: le fluide de refroidissement rentre par un coin supérieur de chaque cellule, et sort par le coin inférieur opposé. Les points d'entrée et de sortie du fluide de refroidissement peuvent être positionnés en plusieurs points des côtés latéraux des cellules. Le refroidissement périphérique 8 peut être complété par un refroidissement central 7: le fluide de refroidissement traverse de façon perpendiculaire toutes les cellules dans leur partie centrale. La forme de la section de ce canal central peut être variable. On doit prévoir, lors de la conception, que les cellules de l'empilement de cellules, de type plaques bipolaires ou ensemble électrode-membrane MEA ( Membrane Electrode Assembly ), aient un ou plusieurs trous dans leur partie centrale, qui servira pour le passage du système de refroidissement. Après avoir effectué l'empilement des cellules, le circuit de refroidissement central 7 sera installé. Ce circuit peut être io constitué par un canal dans lequel circule un fluide réfrigérant. Dans la suite, l'ensemble des cellules qui composent le l'empilement de cellules sera enfermé dans une boite étanche et de matériel très conducteur thermique. Cette boite sera mise directement en contact avec le circuit de refroidissement périphérique. Le refroidissement périphérique peut être effectué par: - un film de fluide de refroidissement qui recouvre entièrement les parois latérales de l'empilement de cellules, en circulant dans un fin interstice latéral qui entoure ledit empilement de cellules, - un réseau de canaux qui recouvre les parois latérales de l'empilement de cellules, - une combinaison de canaux et zones de film de fluide, - un fluide de refroidissement circulant dans un matériau poreux. Pour que ce type de refroidissement soit efficace, il faut optimiser la taille de la cellule à refroidir par rapport aux performances des circuits de refroidissement (périphérique et central) afin d'avoir une température bien homogène sur la cellule. Puisqu'on évite l'utilisation de cellules de refroidissement intercalées entre les cellules actives, on obtient un gain en volume de l'empilement de cellules. S'il est bien dimensionné par rapport à la taille des cellules, le refroidissement, qui est effectué à la périphérie et dans la zone centrale de la cellule, peut garantir l'homogénéité de la température sur les plaques bipolaires. Par rapport à un refroidissement seulement périphérique, qui peut induire la formation d'une zone assez chaude au centre de la plaque, et grâce au refroidissement central ce type refroidissement est plus homogène sur chaque cellule et entre les différentes cellules de l'empilement. Si on utilise une combinaison de plusieurs empilements de cellules adjacents, le système de refroidissement latéral proposé peut être commun à io plusieurs empilements de cellules. REVENDICATIONS 1. Pile à combustible comprenant une ou plusieurs cellules élémentaires (1), chaque cellule élémentaire (1) comprenant un ensemble formé par une anode (5a), une cathode (5b) et un électrolyte (6) situé entre l'anode (5a) et la cathode (5b), l'ensemble formé par l'anode (5a), l'électrolyte (6) et la io cathode (5b) étant placé entre deux plaques bipolaires (2), caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de refroidissement périphériques (8) le long des côtés latéraux desdites cellules élémentaires et des moyens de refroidissement centraux (7) traversant lesdites cellules élémentaires dans leur partie centrale. 2. Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que des canaux de refroidissement (7) traversent sensiblement perpendiculairement les cellules élémentaires fournissant le refroidissement central de l'empilement de cellules de la pile à combustible. 3. Pile à combustible selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moyen de refroidissement périphérique (8) transporte un fluide réfrigérant qui part d'une zone supérieur de chaque cellule élémentaire de l'empilement de cellules, par exemple le coin supérieur, et sort par une autre zone, par exemple le coin inférieur opposé dudit empilement de cellules après avoir refroidit les côtés latéraux de chaque cellule élémentaire. 4. Pile à combustible selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les cellules élémentaires de l'empilement de cellules définissent un évidement dans leur 2863104 io partie centrale destiné au passage du moyen de refroidissement central (7). 5. Pile à combustible selon la revendication 4, 5 caractérisée en ce que le moyen de refroidissement central (7) comporte un canal dans lequel circule un fluide réfrigérant. 6. Pile à combustible selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moyen de refroidissement io périphérique (8) comporte un film de fluide réfrigérant recouvrant les parois latérales de l'empilement de cellules et circulant dans un interstice latéral entourant ledit empilement de cellules. 7. Pile à combustible selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moyen de refroidissement périphérique (8) comporte un réseau de canaux recouvrant les parois latérales de l'empilement de cellules. 8. Pile à combustible selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moyen de refroidissement périphérique (8) comporte une combinaison d'un réseau de canaux et de zones de film de fluide, recouvrant les parois latérales de l'empilement de cellules. 9. Pile à combustible selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moyen de refroidissement périphérique (8) comporte un fluide réfrigérant circulant dans un matériau poreux. 10. Procédé pour refroidir un empilement de cellules d'une pile à combustible comprenant une ou plusieurs cellules élémentaires (1), le procédé opérant: - en faisant passer du liquide réfrigérant le long des côtés latéraux desdites cellules élémentaires (1) ; et 2863104 Il - en faisant passer du liquide réfrigérant à travers la partie centrale desdites cellules élémentaires (1). 11. Véhicule comprenant une pile à combustible selon 5 l'une des revendications 1 à 9 ou utilisant un procédé de refroidissement selon la revendication 10.