Brevet FR2874129A1 — publié le 20060210

SYSTEME DE DISTRIBUTION DES FLUIDES DANS UNE PILE A COMBUSTIBLE DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne le domaine des piles à combustible constituées d'un empilement d'un grand nombre d'étages élémentaires placés entre deux plaques polaires ou bipolaires. Les applications peuvent être aussi bien civiles que militaires et concerner aussi bien des installations fixes que de nombreux moyens de transport différents. Les applications fixes ou stationnaires concernent les hôpitaux et autres bâtiments de service ou l'éventualité d'une interruption d'alimentation en électricité doit être exclue. Les applications relatives au transport concernent la propulsion des camions, des trains, des sous marins, et des véhicules urbains de transport en commun, tels que les autobus, les tramways et les trolleybus. Définitions: Clarinette: Conduit perforé de plusieurs trous sur sa longueur servant à distribuer un fluide à plusieurs endroits différents, par exemple pour évacuer, par soufflage d'air chaud, l'air humide contenu dans des poches d'air d'une sècherie de papeterie. Cellule de refroidissement: dispositif élémentaire au sein duquel circule un fluide servant à l'évacuation de la chaleur produite par la réaction électrochimique. Art antérieur et problème posé La pile à combustible convertit directement l'énergie chimique d'un combustible en énergie électrique. Le principe de fonctionnement de ce générateur électrochimique repose sur la réaction de synthèse électrochimique de l'eau. De nombreuses piles à combustible sont constituées d'une succession d'étages élémentaires (ou cellules électrochimiques) comprenant chacun un élément de base constitué de deux électrodes, une anode et une cathode, auxquelles sont apportés continûment un comburant, par exemple de l'oxygène de l'air et un combustible, par exemple de l'hydrogène, ces deux éléments gazeux restant séparés par une membrane échangeuse d'ions faisant office d'électrolyte. A l'anode, le combustible subit une oxydation catalytique libérant protons et électrons, dans le cas d'une pile à combustible du type à membrane échangeuse de protons. La réduction catalytique s'accompagne d'une production d'eau et d'un établissement d'une différence de potentiel entre les deux électrodes. Le rendement de la pile à combustible atteint des valeurs supérieures à celles des moteurs thermiques. De plus, elle est silencieuse et peu polluante, même si le combustible est un composé organique. Le bon rendement et la faible pollution sont parmi les raisons de la recherche et du développement dans ce domaine. La figure 1 montre schématiquement la constitution d'une pile à combustible, faite d'un empilement 1 de cellules 2 électrochimiques et de refroidissement, montées fuidiquement en parallèle. Elle présente également le principe de distribution des fluides (comburant, combustible ou de refroidissement). Pour chaque fluide, un conduit d'entrée 3E appelé clarinette comporte un même nombre de trous, symbolisé par les flèches 4E, qu'il y a de cellules 2 à alimenter. Chaque trou 4E alimente donc un circuit d'alimentation de la cellule correspondante. De même, un même nombre de trous de sortie symbolisés par les flèches 4F font partie d'une clarinette de sortie 3S. Un tel montage existe pour chaque fluide, que ce soit du comburant, du combustible ou éventuellement du fluide de refroidissement. Ces clarinettes d'alimentation et d'évacuation peuvent être intégrées dans le coeur de l'empilement de la pile à combustible. Leur axe est perpendiculaire aux surfaces des éléments membrane/électrode constituant les cellules électrochimiques élémentaires. Au sein d'une même cellule, une distribution de fluide similaire peut se retrouver. Toutefois, le rendement de la réaction mise en oeuvre dans la pile à combustible est, en particulier, fonction du débit d'alimentation de chaque cellule. De ce fait, dans un empilement composé de plusieurs cellules placées en parallèle d'un point de vue fluidique, il est important d'assurer une bonne homogénéité de la répartition du débit des fluides, que ce soit le fluide de refroidissement ou les combustibles et comburants, dans toutes les cellules constitutives de la pile à combustible. Ce problème se pose également au niveau de chaque cellule pour répartir les fluides de façon la plus efficace possible. Plus précisément, la répartition des débits de ces fluides dans les cellules placées en parallèle est régie, d'une part par les pertes de charge par frottement et les pertes de charge singulières dues aux séparations et aux réunions du courant, et d'autre part, par la nature des écoulements qui peut engendrer des perturbations comme des turbulences. Ces phénomènes peuvent donc amener à favoriser des directions d'écoulement, engendrant ainsi un manque d'homogénéité d'alimentation en fluide des cellules. Le but de l'invention est donc de remédier à ces inconvénients en présentant un système différent de distribution des fluides dans un empilement de piles à combustible. Résumé de l'invention A cet effet, l'objet principal de l'invention est un système de distribution des fluides dans une pile à combustible constitué d'un empilement de plusieurs cellules montées en parallèle d'un point de vue fluidique et recevant chacune du comburant et du combustible par l'intermédiaire de au moins clarinettes principales d'entrée et au moins deux clarinettes principales respectives de sortie, ces clarinettes principales étant perforées d'un même nombre de trous qu'il y a de cellules concernées dans l'empilement. Selon l'invention, les clarinettes principales d'entrée ont une forme interne convergente et les clarinettes principales de sortie ont une forme interne divergente. Dans une réalisation principale de l'invention, le système de distribution de fluide de refroidissement est équipé de façon similaire, de clarinettes principales d'entrée convergentes et de clarinettes principales de sortie divergentes. La réalisation principale de l'invention prévoit que la répartition des fluides au niveau de chaque cellule puisse se faire au moyen de clarinettes secondaires d'entrée ayant une forme interne convergente et de clarinettes secondaires de sortie ayant une forme interne de sortie divergente, chaque trou alimentant un canal de distribution de la cellule. Liste des figures L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, qui est accompagnée de trois figures représentant respectivement: - figure 1, déjà décrite, schématiquement, la distribution des fluides dans un empilement de pile à combustible selon l'art antérieur, - figure 2, schématiquement, le système de distribution des fluides selon l'invention dans une pile à combustible, et - figure 3, schématiquement, le système de 5 distribution de fluide selon l'invention, au niveau d'une cellule de la pile à combustible. Description détaillée d'une réalisation de l'invention En référence à la figure 2, l'empilement 10 de pile à combustible est également constitué de plusieurs cellules 12 montées fluidiquement en parallèle. Cette figure 2 représente le circuit d'un fluide dans l'empilement. Toutefois, ce circuit est réalisé au moins en deux exemplaires pour un empilement, un pour le combustible et un pour le comburant. Il s'applique également pour le fluide de refroidissement. Dans chaque circuit d'alimentation (comburant, combustible ou refroidissement), une clarinette principale d'entrée 14E reçoit le fluide provenant de l'entrée de fluide 13E. Cette clarinette principale d'entrée 14E possède un même nombre de trous qu'il y a de cellules 12 à alimenter. En correspondance, pour un même circuit, une clarinette principale de sortie 14S possédant un même nombre de trous est en communication avec une sortie de fluide 13S. Chaque circuit d'alimentation 15 de chaque cellule 12 est donc en communication avec un trou d'une clarinette d'entrée 14E et avec un trou de la clarinette de sortie 14S. La clarinette d'entrée 14E a une forme interne convergente. En d'autres termes, la section de passage interne de celle-ci est plus important à l'entrée qu'à l'autre extrémité, qui est éventuellement obturée, c'est-àdire qu'elle est décroissante dans le sens de circulation du fluide. De façon inversée, la clarinette de sortie 14S a une forme interne divergente. En d'autres termes, la section de passage interne de celle-ci est plus importante vers la sortie de fluide 13S que vers l'autre extrémité qui est éventuellement obturée. En fait, la section interne de cette clarinette de sortie 14S est croissante dans le sens de circulation du fluide. On précise que ce dispositif peut être appliqué 15 au comburant, au combustible ou au fluide de refroidissement. On note que les clarinettes principales d'entrée 14E ou de sortie 14S sont perpendiculaires aux canaux de distribution 15 à l'intérieur de chacune des cellules 12. La réalisation de ces sections divergentes et convergentes peut se faire par l'insertion dans un conduit de clarinette conventionnelle (c'est-àdire à section constante) d'une pièce en matériau électriquement isolant et usiné de manière à générer la forme convergente ou divergente. Il est également possible de procéder à l'usinage préalable de chacune des plaques constituant des cellules de l'empilement. Enfin, il est également possible d'usiner l'empilement des plaques préalablement empilées. La figure 3 montre un circuit d'alimentation dans une seule cellule. En fait, il faut considérer que ce schéma est d'une orientation perpendiculaire à celle de celui de la figure 2. En d'autres termes, on peut considérer que le schéma de la figure 3 est une coupe d'une cellule 12 de la figure 2. Chaque cellule 12 reçoit le fluide par une entrée de fluide 23E, alimentée par un trou de la clarinette principale d'entrée 14E et alimente une clarinette secondaire d'entrée 24E de la cellule 12. De façon analogue, une clarinette secondaire de sortie 24S est reliée à une sortie secondaire de fluide 23S débouchant dans un trou de la clarinette de sortie principale 14S. Entre ces deux entrée et sortie, sont alimentées des canaux secondaires de distribution 25. En fait, les canaux de distribution 15 de la figure 2 doivent être assimilés à l'ensemble clarinette d'entrée secondaire 24E-canaux de distribution 25-clarinette secondaire de sortie 24S d'une cellule 12. La clarinette secondaire d'entrée 24E a une forme interne convergente. En d'autres termes, la section interne est décroissante dans le sens de circulation du fluide. Cette clarinette secondaire d'entrée 24E est bouchée en fin de conduite et alimente un nombre déterminé N de canaux de distribution 25. En correspondance, la clarinette secondaire de sortie 24 possède un même nombre N de trous et a une section interne divergente, c'est-à-dire croissante dans le sens de circulation du fluide. Le nombre et la géométrie des canaux de distribution 25 peuvent être quelconque du moment qu'ils sont montés parallèlement fluidiquement. On précise que ce montage à l'intérieur de la cellule 12 peut être appliqué aux comburants, aux combustibles ou aux fluides caloporteurs, par exemple de l'eau, de l'eau déminéralisée ou de l'eau glycolée. Les circuits de refroidissement peuvent être internes aux cellules électrochimiques de l'empilement ou être incorporés dans des cellules de refroidissement intercalées entre les cellules électrochimiques. REVENDICATIONS 1. Système de distribution des fluides dans une pile à combustible constituée d'un empilement de 5 plusieurs cellules (12) montées fluidiquement en parallèle et combustible clarinettes principales d'entrée (14E) et au moins clarinettes clarinettes (14S) étant a de cellules (12) à alimenter dans l'empilement et sont reliées à des canaux de distribution (15) des cellules concernées, caractérisé en ce que les clarinettes principales d'entrée (14E) ont une section interne convergente et en ce que les clarinettes principales de sortie (14S) ont une section interne divergente. 2. Système de distribution selon la revendication 1, la pile à combustible possédant un système d'alimentation en fluide de réfrigération, caractérisé en ce que celui-ci possède les mêmes caractéristiques que le circuit de distribution du comburant et du combustible, c'est-à-dire des clarinettes principales d'entrée (14E) de section interne convergente et de clarinettes principales de sortie (14S) de section interne divergente. 3. Système de distribution selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les canaux de distribution (15) sont constitués d'au moins une clarinette secondaire d'entrée (24E) alimentant par recevant chacune du comburant et du par l'intermédiaire de au moins deux deux principales de sortie (14S), ces principales d'entrée (14E) et de sortie perforées d'un même nombre de trous qu'il y chaque trou un canal de distribution (25) débouchant dans au moins une clarinette secondaire de sortie (24S) possédant le même nombre de trous.