Brevet FR2865853A1 — publié le 20050805

La présente invention concerne une pile à combustible du type comprenant: - des cellules empilées le long d'une direction longitudinale et comprenant chacune une chambre cathodique et une chambre anodique 5 pour produire de l'électricité par oxydation d'un combustible dans la cham- bre anodique et réduction d'un comburant dans la chambre cathodique, - deux éléments d'appui longitudinal sur les cellules, et - au moins un dispositif de traction longitudinale des éléments d'appui, le dispositif de traction comprenant des moyens élastiquement dé- formables pour absorber une dilatation longitudinale des cellules. Généralement, les chambres de chaque cellule sont séparées par une membrane échangeuse d'ions qui forme un électrolyte. Le comburant est un gaz oxygéné, par exemple de l'oxygène ou de l'air. Le combustible est un gaz hydrogéné, par exemple de l'hydrogène. Chaque chambre anodique comprend une anode où la réaction suivante se produit: 2H2 -+ 4 H+ + 4e La chambre cathodique comprend une cathode où la réaction suivante se produit: 02 + 4H+ + 4e- -* 2H2O FR-2 819 343 décrit une telle pile à combustible. Les cellules qui y sont décrites comprennent chacune deux plaques polaires qui enserrent les deux électrodes entre lesquelles la membrane échangeuse d'ions est placée. Ces plaques polaires assurent l'alimentation en combustible et en comburant des chambres anodique et cathodique, l'évacuation de l'eau produite par la réaction d'oxydoréduction, la collecte des électrons produits par la réaction d'oxydoréduction et la canalisation d'un fluide de refroidisse-ment de la pile. La pile décrite dans ce document comprend également des moyens de serrage des cellules pour les maintenir plaquées les unes contre les autres afin d'assurer la fermeture des chambres et l'étanchéité des différents circuits de fluides de la pile à combustible. Ces moyens de serrage comprennent deux plaques d'appui dis-posées aux extrémités longitudinales de l'empilement de cellules et des goujons de traction longitudinale des plaques d'appui. Des premières extrémités des goujons sont vissées dans une première des plaques d'appui, et les deuxièmes extrémités des goujons s'appuient sur la deuxième plaque d'appui par l'intermédiaire d'écrous. Afin de compenser les dilatations longitudinales dues à l'hydratation des membranes ainsi qu'à la chaleur produite par la réaction d'oxydoréduction, on a proposé des piles à combustible du type précité, c'est à dire avec des dispositifs de traction munis de moyens élastiquement déformables. Plus précisément, les deuxièmes extrémités des goujons font alors saillie longitudinalement fortement par rapport à la deuxième plaque et des ressorts sont intercalés entre cette deuxième plaque et les écrous vissés sur les goujons. Une telle structure permet, grâce aux ressorts, d'absorber les dilatations longitudinales, mais conduit à un encombrement longitudinal important. Or, il est nécessaire que l'encombrement de telles piles soit faible pour permettre leur implantation dans des véhicules automobiles. Un but de l'invention est de résoudre ce problème en fournissant une pile à combustible du type précité qui soit d'encombrement longitudinal plus réduit. A cet effet, l'invention a pour objet une pile à combustible du type précité, caractérisée en ce que les moyens élastiquement déformables sont disposés entre les éléments d'appui. Selon des modes particuliers de réalisation, la pile peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles: - le dispositif de traction comprend une première partie et une deuxième partie mobiles l'une par rapport à l'autre et reliées chacune à un élément d'appui respectif, et les moyens élastiquement déformables comprennent un ressort de rappel disposé entre la première partie et la deuxième partie, - la première partie comprend un boîtier dans lequel le ressort est disposé, - le ressort prend appui sur une paroi du boîtier et sur une première extrémité de la deuxième partie, - la première partie et la deuxième partie du dispositif de traction comprennent des tiges, traversant des passages prévus dans les éléments d'appui, et sont terminées par des organes d'accrochage aux éléments d'appui, - la tige de la première partie est prolongée par le boîtier et la tige 10 de la deuxième partie est munie d'un organe d'appui sur le ressort, et - les éléments d'appui sont des plaques. L'invention a également pour objet un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend une pile à combustible telle que définie ci-dessus. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant à la figure unique qui est une vue schématique en perspective d'une pile à combustible selon l'invention. La figure illustre schématiquement une pile à combustible 1 qui comprend principalement des cellules de base 3 empilées le long d'une di-rection longitudinale L et des moyens élastiques 5 de serrage longitudinal des cellules 3 pour les maintenir plaquées les uns contre les autres. Les cellules 3 ont par exemple une structure classique et comprennent ainsi chacune une chambre cathodique, une chambre anodique et une membrane échangeuse d'ions qui sépare les deux chambres. Plus précisément, et comme décrit dans le document FR-2 819 343, la chambre cathodique peut comprendre une cathode et une plaque polaire et la chambre anodique peut comprendre une anode et une plaque polaire. Les deux plaques polaires enserrent l'anode et la cathode qui enser- rent elles-mêmes la membrane échangeuse d'ions. De manière classique, une telle cellule 3 permet de produire de l'électricité par oxydation d'un combustible dans la chambre anodique et réduction d'un comburant dans la chambre cathodique. De préférence, le combustible est un fluide hydrogéné, par exemple de l'hydrogène gazeux, et le comburant un fluide oxygéné, par exemple de l'oxygène gazeux ou de l'air gazeux. Les deux réactions se produisant aux électrodes sont alors celles mentionnées précédemment. Les modes d'alimentation en combustible et en comburant, d'évacuation de l'eau produite par la réaction d'oxydoréduction, de collecte des électrons produits, et de refroidissement de la pile n'étant pas l'objet de la présente invention, ils ne seront pas décrits plus en détail. Toutefois, ils peuvent être obtenus grâce à des moyens classiques telles que celles décri- tes dans le document FR-2 819 343. Dans l'exemple représenté, les cellules 3 ont des sections car-rées et l'empilement 6 formé a donc une forme sensiblement parallélépipédique. En variante, les cellules 3 peuvent avoir d'autres formes. Les moyens de serrage 5 comprennent deux plaques 7 d'appui longitudinal sur l'empilement 6 de cellules 3 et par exemple douze dispositifs 9 de traction longitudinale des plaques 7. En variante, le nombre et la disposition des dispositifs 9 peuvent également être différents. Les plaques 7 sont par exemple de formes carrées et de dimensions légèrement supérieures à celles des cellules 3. Les plaques 7 présen- tent sur chacun de leur côté trois encoches 11. Les plaques 7 sont disposées aux extrémités longitudinales de l'empilement 6 de cellules 3. De manière classique, l'une ou les deux plaques 7 peuvent participer à la canalisation des différents fluides circulant dans les cellules 3. Les dispositifs de traction 9 ont des structures analogues et un seul sera donc décrit par la suite. Le dispositif de traction 9 comprend deux parties 13 et 15 mobiles l'une par rapport à l'autre. La première partie 13, située en avant sur la figure, comprend une tige 17 et un boîtier 19, par exemple métalliques. L'extrémité avant de la tige 17 est terminée par un cavalier 21 d'accrochage à la plaque 7 avant. L'extrémité arrière de la tige 17 est reliée, par exemple par soudure, au boîtier 19. La partie arrière 15 comprend une tige 23, par exemple métalli- que, dont l'extrémité arrière est munie d'un cavalier 21 analogue à celui de la tige 17, mais qui est masqué sur la figure par la plaque 7 arrière. L'extrémité avant de la tige 23 est filetée. Une rondelle 25 est enfi- 5 lée et un écrou 27 est vissé sur cette extrémité avant. La tige 23 traverse la paroi arrière 29 du boîtier 19 de sorte que tout un tronçon avant de la tige 23 s'étend à l'intérieur du boîtier 19. Le dispositif 9 comprend en outre des moyens élastiquement déformables sous forme d'un ressort hélicoïdal de compression 31 disposé dans le boîtier 19. Plus précisément, le ressort 31 est enfilé sur le tronçon avant de la tige 23 et prend appui d'une part sur la paroi arrière 29 du boîtier 19 et d'autre part sur la rondelle 25. Ainsi, la partie arrière 15 peut coulisser longitudinalement par rapport à la partie avant 13 entre une position non-représentée correspondant à une longueur réduite du dispositif 9, et des positions correspondant à des longueurs plus importantes du dispositif 9, telle que celle représentée sur la figure. Dans la position de longueur réduite, le ressort 31 n'est pas comprimé. Dans les positions de longueurs plus importantes, le ressort 31 est comprimé longitudinalement et rappelle le dispositif 9 vers sa position de longueur réduite. Le dispositif 9 s'étend longitudinalement sur une face latérale de l'empilement 6 de cellules 3. L'extrémité avant de sa tige avant 17 est engagée dans une encoche 11 de la plaque 7 avant et l'extrémité arrière de sa tige arrière 23 est engagée dans une encoche 11 de la plaque 7 arrière. Les bras latéraux des cavaliers 21 s'appuient alors de part et d'autre des encoches 11 sur les faces longitudinalement extérieures des plaques 7. Comme exposé précédemment, le ressort 31 est alors comprimé, de sorte que le dispositif 9 exerce des forces de traction sur les deux pla- ques 7 via les cavaliers 21. Les dispositifs 9 sont répartis régulièrement autour de l'empilement de cellules 3. Plus précisément, trois dispositifs 9 sont prévus sur chaque face latérale de l'empilement 6. Les dispositifs 9 exercent donc des efforts de traction sur les plaques 7 qui maintiennent les cellules 3 serrées les uns contre les autres, en assurant ainsi la fermeture des chambres et l'étanchéité nécessaire dans les circuits de fluide de la pile à combustible 1. On notera que les écrous 27 permettent de régler l'intensité de ces efforts de traction. Les ressorts 31 sont donc comprimés et les dispositifs 9 préchargés lorsque la pile à combustible 1 ne fonctionne pas, comme dans l'état illustré par la figure. Lorsque la pile 1 fonctionne et qu'une dilatation longitudinale de l'empilement 6 de cellules 3 intervient, par exemple du fait de la production de chaleur lors de la réaction d'oxydoréduction ou du fait de l'hydratation des membranes, les tiges 23 coulissent longitudinalement par rapport aux boîtiers 19 correspondants en comprimant plus fortement les ressorts 31. La longueur des dispositifs 9 augmente alors par rapport à celle qu'ils présentent sur la figure. Les dispositifs 9 permettent donc d'absorber les dilatations longitudinales de la pile 1. Pour autant, les dispositifs 9 ne font que très peu saillie longitudinalement au-delà des plaques 7 du fait de la disposition des ressorts 31 en- tre les plaques 7. L'encombrement longitudinal de la pile à combustible 1 est donc réduit, ce qui facilite son implantation dans les véhicules automobiles. On notera également qu'il est possible de diminuer le nombre de dispositifs 9 en augmentant le diamètre des tiges 17 et 23. La section d'une tige étant proportionnelle au carré de son diamètre, il suffit d'augmenter son diamètre d'un facteur d'environ 1,4 pour doubler sa section. Ainsi, en augmentant le diamètre des tiges 17 et 23, il est possible de diminuer le nombre de dispositifs 9 et de réduire l'encombrement transversal de la pile à corn- bustible 1. De manière plus générale, les dispositifs de traction 9 peuvent avoir des structures différentes de celle décrite précédemment. En particu- lier, les moyens élastiquement déformables disposés entre les plaques 7 peuvent être de nature différente de celle des ressorts 31. Ainsi, des ressorts 31 peuvent être remplacés chacun par une partie élastique venue de matière avec d'autres parties du dispositif 9 carrespondant, cette partie élastique étant disposée entre les plaques 7. De manière plus générale également, les plaques 7 peuvent être remplacées par d'autres éléments d'appui. De même, l'accrochage des dispositifs de traction 9 aux éléments d'appui peut être assuré par d'autres moyens que des cavaliers 21, par exemple par des vis. REVENDICATIONS 1. Pile à combustible (1) comprenant: - des cellules (3) empilées le long d'une direction longitudinale (L) et comprenant chacune une chambre cathodique et une chambre anodique pour produire de l'électricité par oxydation d'un combustible dans la chambre anodique et réduction d'un comburant dans la chambre cathodique, - deux éléments (7) d'appui longitudinal sur les cellules (3), et - au moins un dispositif (9) de traction longitudinale des éléments d'appui (7), le dispositif de traction comprenant des moyens (31) élastique- ment déformables pour absorber une dilatation longitudinale des cellules (3), caractérisée en ce que les moyens (31) élastiquement déformables sont disposés entre les éléments d'appui (7). 2. Pile selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif de traction (9) comprend une première partie (13) et une deuxième partie (15) mobiles l'une par rapport à l'autre et reliées chacune à un élément d'appui (7) respectif, et en ce que les moyens élastiquement déformables comprennent un ressort de rappel (31) disposé entre la première partie (13) et la deuxième partie (15). 3. Pile selon la revendication 2, caractérisée en ce que la première partie (13) comprend un boîtier (19) dans lequel le ressort (31) est disposé. 4. Pile selon la revendication 3, caractérisée en ce que le ressort (31) prend appui sur une paroi (29) du boîtier et sur une première extrémité (25, 27) de la deuxième partie (15). 5. Pile selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la première partie (13) et la deuxième partie (15) du dispositif de traction (9) comprennent des tiges (17, 23), traversant des passages (11) prévus dans les éléments d'appui (7), et sont terminées par des organes (21) d'accrochage aux éléments d'appui (7). 6. Pile selon les revendications 4 à 5 prises ensemble, caractérisée en ce que la tige de la première partie (13) est prolongée par le boîtier (19) et la tige de la deuxième partie (15) est munie d'un organe (25) d'appui sur le ressort (31). 7. Pile selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les éléments d'appui (7) sont des plaques. 8. Véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend une pile à combustible selon l'une des revendications précédentes.