Brevet FR2865852A1 — 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 pour produire de l'électricité par oxydation d'un combustible dans la chambre anodique et réduction d'un comburant dans la chambre cathodique, et - des moyens élastiques de serrage longitudinal 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 > 2H20 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 refroidissement 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 disposées aux extrémités longitudinales de l'empilement de cellules et des goujons dont des premières extrémités sont vissées dans une première des plaques d'appui, et dont les deuxièmes extrémités 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 moyens élastiques de serrage. 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 élastiques de serrage longitudinal comprennent au moins une lame élastique de traction. 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: - la lame est cintrée transversalement, - les moyens de serrage comprennent deux éléments d'appui longitudinal sur les cellules, et la lame relie les deux éléments d'appui, - les éléments d'appui sont des plaques, - les éléments d'appui comprennent des saillies engagées dans des ouvertures ménagées dans la lame, - la lame est métallique, - la lame est réalisée en un matériau composite, et e comburant est un fluide oxygéné, et le combustible est un fluide hydrogéné. 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 aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en perspective éclatée d'une pile à combustible selon l'invention, - la figure 2 est une vue latérale schématique de la partie courante d'une lame élastique de la pile à combustible de la figure 1, avant assemblage de la pile, et - la figure 3 est une vue analogue à la figure 2, après assemblage de la pile à combustible. La figure 1 illustre schématiquement une pile à combustible 1 qui comprend principalement des cellules de base 3 empilées le long d'une direction longitudinale L et des moyens élastiques 5 de serrage longitudinal des cellules 3 pour les maintenir plaquées les unes contre les autres. Les cellules 3 ont par exemple une structure classique et comprennent 20 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 enserrent ellesmêmes 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, et 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 ceux décrits dans le document FR-2 819 343. Dans l'exemple représenté, les cellules 3 ont des sections carrées 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 quatre lames élastiques 9 de traction longitudinale des plaques 7. En variante, le nombre et la disposition des lames 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, par exemple, comprennent sur chacun de leur côté un ergot 11 qui fait saillie transversalement. En variante, les ergots peuvent être remplacés par des vis. Les ergots 11 ont par exemple des sections rectangulaires. 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 lames élastiques 9 ont des structures analogues. Elles s'étendent longitudinalement et comprennent, entre deux extrémités longitudinales 13, une partie courante 15. Une ouverture 17 de forme complémentaire de celle des ergots 11 est ménagée dans chaque extrémité longitudinale 13. Comme illustré par la figure 2, la partie courante 15 de chaque lame 9 est cintrée transversalement de sorte qu'elle présente au repos une flèche transversale FO par rapport à un plan longitudinal P dont la trace est représentée en trait mixte sur la figure 2. On notera que sur cette figure, les extrémités 13 de la lame 9 n'ont pas été représentées. Depuis cette position de repos, qu'elle occupe avant assemblage de la pile 1, la lame 9 peut être déformée élastiquement de sorte que sa flèche transversale F diminue comme illustré par la figure 3. Simultanément, la longueur de la lame 9 augmente. Chaque lame 9 peut par exemple être une lame métallique ou être réalisée en un matériau composite. Lors de l'assemblage de la pile à combustible 1, on applique les deux plaques 7 contre les extrémités longitudinales de l'empilement 6 de cellules 3, puis on relie les deux plaques 7 grâce aux quatre lames élastiques 9. Ainsi, les ouvertures 17 de chaque lame 9 reçoivent les ergots 11 en regard des deux plaques 7. Les lames 9 s'étendent alors longitudinalement chacune le long d'une face latérale de la pile à combustible 1. Au repos, la longueur de chaque lame 9 est inférieure à celle de l'empilement 6 de sorte que, dans la pile à combustible 1 assemblée, les lames 9 sont précontraintes. Leurs flèches F ont alors diminuées par rapport à la valeur FO et les lames 9 occupent, tant que la pile 1 ne fonctionne pas, la position de la figure 3. Les lames 9, qui tendent à revenir vers leurs positions de repos tirent donc les plaques 7 longitudinalement l'une vers l'autre et exercent ainsi un effort de serrage longitudinal des cellules 3. La fermeture des chambres et l'étanchéité des différents circuits de la pile à combustible sont ainsi assurées. Lorsque la pile à combustible 1 fonctionne et que les cellules 3 se dilatent longitudinalement, par exemple du fait de l'échauffement ou du fait de l'hydratation des membranes, les lames élastiques 9 se déforment encore élastiquement pour absorber la dilatation longitudinale de l'empilement 6. Leurs flèches F diminuent donc encore plus. Ainsi, les moyens 5 de serrage permettent de maintenir les cellules 3 plaquées les unes contre les autres et ainsi d'assurer l'étanchéité nécessaire, tout en permettant d'absorber les phénomènes de dilatation. Pour autant, l'encombrement longitudinal de la pile 1 est réduit puisque les lames élastiques 9 ne font pratiquement pas saillie longitudinalement par rapport aux plaques 7. De manière plus générale, la liaison des lames 9 aux plaques 7 peut être assurée autrement que par emboîtement et les plaques 7 peuvent être remplacées par d'autres éléments d'appui. % REVENDICATIONS 1. Pile à combustible (1) du type 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, et - des moyens élastiques (5) de serrage longitudinal des cellules (3), caractérisée en ce que les moyens élastiques de serrage longitudinal comprennent au moins une lame élastique de traction (9). 2. Pile selon la revendication 1, caractérisée en ce que la lame (9) est cintrée transversalement. 3. Pile selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les moyens (5) de serrage comprennent deux éléments (7) d'appui longitudinal sur les cellules, et en ce que la lame (9) relie les deux éléments d'appui (7). 4. Pile selon la revendication 3, caractérisée en ce que les éléments d'appui sont des plaques (7). 5. Pile selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que les éléments d'appui (7) comprennent des saillies (11) engagées dans des ouvertures ménagées dans la lame (9). 6. Pile selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la lame (9) est métallique. 7. Pile selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la lame (9) est réalisée en un matériau composite. 8. Pile selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le comburant est un fluide oxygéné, et en ce que le combustible est un fluide hydrogéné. 9. Véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend une pile à combustible selon l'une des revendications précédentes.