Brevet FR2860104A1 — publié le 20050325

La présente invention concerne les piles à combustible du type à électrolyte solide à membrane-électrodes, chaque électrode étant associée à un collecteur de courant métallique via une couche de diffusion de gaz à base de fibres conductrices. La présente invention a plus précisément pour objet de proposer une structure de pile à combustible de ce type configurée pour diminuer la résistance électronique de contact entre le collecteur métallique et la couche de diffusion des gaz. Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, l'état de surface de la surface du collecteur métallique en contact avec la couche de diffusion est adapté à celui de la surface de la couche de diffusion. Selon des caractéristiques plus particulières de l'invention: - ladite surface du collecteur métallique est soumise à une déformation, typiquement mécanique, pour présenter des irrégularités de dimensions analogues à celles de la surface de la couche de diffusion, avec des creux typiquement compris entre environ 5 pm et 100 pm. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels - L a figure 1 est une vue schématique en perspective, non à l'échelle, d'une cellule de pile à combustible selon l'invention; - La figure 2 est une vue schématique en coupe partielle agrandie de la zone d'interface (I) entre le collecteur métallique et la couche de diffusion de gaz; - la figure 3 représente, à l'échelle macroscopique, trois états de surface différents du collecteur métallique; et - la figure 4 représente, à l'échelle de la figure 3, des morphologies de surfaces de couches de diffusion. Comme représenté schématiquement sur la figure 1, une cellule de pile à combustible selon l'invention comprend essentiellement une membrane échangeuse de protons 1 sur les faces de laquelle sont appliquées des couches actives comprenant un catalyseur, tel que le platine, et associées respectivement à une cathode 3 et à une anode 3', elles-mêmes associées extérieurement à des blocs métalliques bi-polaires 5 avec interposition d'une couche fibreuse de diffusion de gaz 7. Comme représenté schématiquement sur la figure 2, l'interface (I) entre une couche poreuse 7 et un bloc métallique 5 est effectué par contact sous pression entre les faces en regard 8 et 10, respectivement, de ces deux éléments. Classiquement, la surface de contact 8 du collecteur métallique 5, réalisé typiquement en acier inoxydable, présente un état de surface très lisse, obtenu par recuit brillant ou poli, comme figuré par la ligne 1 sur la figure 3. A contrario, la couche de diffusion de gaz 7 est réalisée sous la forme de tissu ou de feutre fibreux, typiquement de fibres de carbone, qui présente une rugosité externe intrinsèque, avec des irrégularités moyennes, comme représenté par le profil 1' sur la figure 4 pour les feutres, relativement rigides, ou avec des irrégularités assez fortes, comme représenté par le profil 2' de la figure 4 pour les tissus, généralement souples et élastiques. Selon l'invention, pour obtenir à l'échelle microscopique, la surface effective de contact la plus élevée entre les deux éléments 5 et 7, l'état de surface de la surface de contact 8 du collecteur métallique 5 est modifié, par déformation superficielle mécanique ou électromécanique, pour présenter également des irrégularités moyennes, comme représenté sur le profil 2 de la figure 3, avec des creux typiquement de l'ordre de 5 pm à 15 pm, ou fortes, comme représenté sur le profil 3 de la figure 3, avec des creux typiquement de l'ordre de 50 à 100 pm, correspondant sensiblement aux irrégularités de la couche de diffusion, en l'occurrence 1' et 2' respectivement. Avec un tel appareillement des morphologies des surfaces en contact, la performance de chaque cellule de pile à combustible se trouve améliorée, soit au plan électrique en terme de puissance et de rendement à densité de courant donnée pour une pression mécanique d'assemblage donnée, soit au plan mécanique avec une pression d'assemblage nécessaire plus faible pour obtenir une même puissance et un rendement identiques avec une densité de courant déterminé. La déformation superficielle de la surface métallique de contact peut être obtenue de différentes manières. Il peut s'agir d'un traitement antérieur ou postérieur à l'emboutissage de la plaque formant le collecteur métallique, par exemple par sablage, utilisation d'une lime à rugosité contrôlée ou encore d'un papier de verre. L'état de rugosité de la surface métallique peut aussi être obtenu pendant l'opération d'emboutissage en jouant sur l'état de surface de l'outil d'emboutissage, par exemple par électo-érosion. Dans tous les cas, la déformation est modulée pour donner un niveau de rugosité déterminé obtenu par un choix judicieux des particules de sable, de la maille de la lime, de la taille du grain du papier abrasif ou de la rugosité de la surface de l'outil d'emboutissage. Quoique l'invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Pile à combustible comprenant, de part et d'autre d'une membrane (1), une électrode (3;3') associée à un collecteur de courant métallique (5) via une couche fibreuse de diffusion de gaz (7), dans laquelle l'état de surface de la surface (8) du collecteur métallique en contact avec la couche de diffusion (7) est adapté à celui de la surface de la couche de diffusion. 2. Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface (8) du collecteur métallique est soumise à une déformation pour présenter des irrégularités analogues à celles de la surface (10) de la couche de diffusion (7). 3. Pille à combustible selon la revendication 2, caractérisée en ce que la déformation est effectuée par abrasion mécanique. 4. Pile à combustible selon la revendication 2, caractérisée en ce que la déformation est effectuée par emboutissage. 5. Pile à combustible selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que les irrégularités comprennent des creux entre environ 5 et 100 pm.