Brevet FR2879353A1 — publié le 20060616

"Plaque bipolaire comportant un sillon qui s'étend selon une double spirale et qui comporte un segment rectiligne agencé dans la zone centrale de la spirale" L'invention concerne une plaque bipolaire pour une pile à s combustible. L'invention concerne plus particulièrement une plaque bipolaire pour une pile à combustible qui comporte une face de contact qui est destinée à être plaquée contre une membrane, notamment de polymère, formant électrolyte de la pile o combustible, la face de contact comportant un sillon continu qui comporte: - un premier tronçon amont de distribution d'un fluide réactif qui s'étend selon une spirale convergente depuis une extrémité amont d'alimentation qui est agencée à la périphérie de la face de contact jusqu'à une extrémité aval d'alimentation qui est agencée dans une zone centrale de la spirale; - et un deuxième tronçon aval de retour du fluide réactif qui s'étend parallèlement au premier tronçon de distribution depuis une extrémité amont de retour qui est agencée dans la zone centrale de la spirale vers une extrémité aval de retour du fluide réactif qui est agencée à la périphérie de la face de contact. Les piles à combustible du type PEM comprennent généralement un empilement alterné de plaques bipolaires et de membranes dites échangeuses d'ions. Les membranes sont formées par un électrolyte solide, réalisé par exemple à partir de matériau polymère. Les plaques bipolaires sont munies, sur leurs faces en contact avec les membranes, de sillons formant avec les membranes des canaux de distribution de fluides réactifs permettant une circulation des fluides réactifs en contact avec la membrane. Des gaz anodiques, par exemple de l'hydrogène, circulent d'un côté de la membrane et des gaz cathodiques, par exemple de l'air, circulent du côté opposé. Des réactions d'oxydoréduction des gaz anodiques et cathodiques se produisent de part et d'autre de la membrane. Ces réactions provoquent des échanges d'ions à travers la membrane. Ces mouvements d'ions provoquent l'apparition d'un courant électrique le long de la pile à s combustible. Lorsque les gaz circulent dans les canaux depuis l'extrémité amont d'alimentation vers l'extrémité aval de retour, les réactifs sont progressivement consommés. La concentration de réactifs dans le flux circulant dans les canaux se réduit au fur Io et à mesure. L'agencement en forme de spirale du premier tronçon et du deuxième tronçon du sillon permet de répartir de manière homogène les réactifs sur la face de contact avec la membrane. La consommation des réactifs s'accompagne généralement 1s d'une production d'eau à l'état liquide. Cette eau à l'état liquide doit être évacuée par le deuxième tronçon de retour afin de ne pas perturber l'écoulement du fluide réactif dans le sillon. Cependant, dans la zone centrale de la spirale, le sillon présente des coudes de plus en plus rapprochés. Cet agencement est susceptible de ralentir voire de bloquer l'écoulement de l'eau à l'état liquide. Pour résoudre ce problème et favoriser l'évacuation de l'eau à l'état liquide, l'invention propose une plaque bipolaire du type décrit précédemment, caractérisée en ce que chaque tronçon amont et aval comporte un segment d'extrémité de forme rectiligne qui est agencé dans la zone centrale de la spirale. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - le sillon comporte un tronçon intermédiaire de raccordement des tronçons amont et aval formant des zigzags qui est agencé dans la zone centrale de la spirale et qui raccorde l'extrémité aval d'alimentation jusqu'à l'extrémité amont de retour; - le segment d'extrémité rectiligne du premier tronçon amont débouche directement dans le segment d'extrémité rectiligne du deuxième tronçon aval; - le sillon recouvre une zone rectangulaire de la face de 5 contact; - la face de contact comporte au moins un deuxième sillon qui est agencé de façon similaire au premier sillon et le deuxième sillon recouvrant une deuxième zone rectangulaire de la face de contact qui est adjacente à la première zone rectangulaire; to - l'extrémité amont d'alimentation de chaque premier et deuxième sillon est raccordée à un unique orifice d'alimentation; - l'extrémité aval de retour de chaque premier et deuxième sillon est raccordée à un unique orifice de retour des canaux de dérivation sont agencés dans la face de 1s contact de manière à raccorder le deuxième tronçon aval de retour du premier sillon au premier tronçon amont de distribution du deuxième sillon. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la 20 compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés parmi lesquels: - la figure 1 est une vue de dessus qui représente la face de contact d'une plaque bipolaire comportant un sillon agencé selon l'état de la technique; - la figure 2 est une vue similaire à celle de la figure 1 qui représente la face de contact de la plaque comportant un sillon agencé selon un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 3 est une vue similaire à celle de la figure 1 qui représente la face de contact de la plaque bipolaire comportant un sillon agencé selon un deuxième mode de réalisation de l'invention; - la figure 4 est une vue similaire à celle de la figure 3 qui représente la face de contact de la plaque bipolaire comportant plusieurs sillons agencés selon le deuxième mode de réalisation; - la figure 5 est une vue similaire à celle de la figure 4 qui représente une variante de l'agencement des sillons dans la face de contact de la plaque bipolaire selon le deuxième mode de réalisation. Dans la suite de la description, on adoptera une direction d'amont en aval orientée selon le sens d'écoulement des fluides. Par la suite, des éléments analogues, identiques ou similaires seront indiqués par des mêmes numéros de référence. On a représenté à la figure 1 une plaque bipolaire 10 qui o est réalisée selon l'état de la technique. La plaque bipolaire 10 comporte au moins une face de contact 12 qui est destinée à être plaquée contre une membrane (non représentée) formant électrolyte d'une pile à combustible (non représentée). La face de contact 12 a globalement une forme 1s de carré. Un sillon 14 continu est agencé dans la face de contact 12. Le sillon 14 comporte un premier tronçon 16 amont et un deuxième tronçon 18 aval. Le premier tronçon amont 16 est agencé en forme de spirale convergente depuis une extrémité amont d'alimentation 20 qui est agencée à la périphérie 12P de la face de contact 12 jusqu'à une extrémité aval d'alimentation 22 qui est agencée dans une zone centrale 23 de la spirale qui correspond ici à une zone centrale de la face de contact 12. Le deuxième tronçon aval 18 s'étend en forme de spirale parallèle au premier tronçon amont 16 depuis une extrémité amont de retour 24 qui est agencée dans la zone centrale de la spirale 23 vers une extrémité aval de retour 26 qui est agencée à la périphérie 12P de la face de contact 12. Le deuxième tronçon aval 18 prolonge directement le premier tronçon amont 16, c'est-à-dire que l'extrémité aval d'alimentation 22 est directement raccordée à l'extrémité amont de retour 24. Le sillon 14 est destiné à conduire un fluide réactif en contact permanent avec la membrane de polymère depuis l'extrémité amont d'alimentation 20 jusqu'à l'extrémité aval de retour 26. L'agencement en double spirale du sillon 14 permet notamment de répartir le fluide réactif de façon homogène sur toute la surface de la membrane de polymère. Dans le premier tronçon amont du sillon 16, qui sera par la suite qualifié de tronçon de distribution du fluide, le fluide réactif circule de façon centripète, en tournant dans un sens anti-horaire selon la figure 1, depuis la périphérie 12P de la face de contact 12 jusqu'à la zone centrale 23. Dans le deuxième tronçon aval du sillon 18, qui sera par la suite qualifié de tronçon de retour du fluide, le fluide réactif circule de façon centrifuge en tournant dans un sens horaire selon 1s la figure 1 depuis la zone centrale 23 jusqu'à la périphérie 12P de la face de contact 12. Le sillon 14 circule ainsi en une double spirale qui a ici un profil carré concentrique au carré formé par la face de contact 12. A la figure 1, le sillon 14 est représenté avec des coudes 27 vifs à angle droit. Il est bien entendu possible de prévoir des coudes 27 arrondis pour limiter les pertes de charge. Entre deux coudes 27 successifs, le sillon 14 présente des segments rectilignes 28. A mesure que le sillon approche de la zone centrale 23, les segments rectilignes 28 sont de plus en plus courts et les coudes 27 sont de plus en plus rapprochés. Dans la zone centrale 23 de la spirale, le fluide réactif est dilué dans l'eau résultant de la réaction d'oxydoréduction à laquelle participe le fluide réactif. La succession rapprochée de coudes 27 dans la zone centrale 23 perturbe l'écoulement de l'eau liquide qui risque alors de former un bouchon d'eau dans la zone centrale 23 empêchant ainsi le fluide réactif de circuler de façon continue. Pour la suite de la description, on définit plus précisément la zone centrale de la spirale 23 comme étant une zone délimitée par une frontière ayant un contour de forme similaire à celui de la spirale et dans laquelle la succession rapprochée de coudes 27 est susceptible de provoquer un bouchon d'eau liquide. A titre d'exemple non limitatif, la zone centrale 23 est celle dans laquelle les segments rectilignes 28 ont une longueur qui est inférieure à vingt fois le diamètre hydraulique du sillon 14. Aux figures 1 et 2, la zone centrale 23 est délimitée par une frontière qui est symbolisée par un trait interrompu. Aux figures 1 et 2, la frontière de la zone centrale 23 a un contour to carré concentrique au profil carré de la spirale. L'invention propose donc de résoudre ce problème en modifiant l'agencement du sillon 14 dans la zone centrale 23. Ainsi, selon un premier mode de réalisation de l'invention qui est représenté à la figure 2, le premier tronçon amont de ts distribution 16 est disposé de la même manière que décrit précédemment. Cependant, la spirale formée par le premier tronçon amont de distribution 16 selon l'invention est tronquée par rapport à la spirale formée par le premier tronçon de distribution selon l'état de la technique. En effet, en suivant le sens d'écoulement des gaz, le premier tronçon de distribution 16 se termine par un "long" segment rectiligne d'extrémité 28A qui s'étend depuis l'extérieur de la zone centrale 23 jusqu'à l'intérieur de la zone centrale 23. De la même manière, en suivant le sens d'écoulement des gaz réactifs, le deuxième tronçon de retour 18 commence par un "long" segment d'extrémité rectiligne 28B qui s'étend depuis la zone centrale 23 jusqu'à un coude 27 qui est agencé à l'extérieur de la zone centrale 23. Par l'expression "long segment", on entend un segment 30 suffisamment long pour que l'eau liquide s'écoule de façon non perturbée entre deux coudes 27 successifs. Comme illustré à la figure 2, l'extrémité amont de retour 24 est ici agencé à proximité d'un sommet de la limite de la zone centrale 23, et l'extrémité aval d'alimentation 22 est agencée à proximité du sommet opposé par rapport au centre de la spirale. Les deux segments rectilignes d'extrémité 28A, 28B sont parallèles et ils sont agencés au voisinage de deux bords opposés de la zone centrale 23. Ainsi le premier tronçon 16 et le deuxième tronçon 18 comportent chacun un segment rectiligne d'extrémité 28A, 28B qui est agencé dans la zone centrale de la spirale 23. De manière à raccorder le premier tronçon amont de distribution 16 au deuxième tronçon aval de retour 18, le sillon 14 comporte un tronçon intermédiaire 30 de raccordement des tronçons amont 16 et aval 18 qui s'étend dans la zone centrale de la spirale 23 depuis l'extrémité aval d'alimentation 22 jusqu'à l'extrémité amont de retour 24 en formant des zigzags. Le tronçon intermédiaire 30 s'étend ainsi en lacets comportant des portions rectilignes 32 parallèles aux segments rectilignes d'extrémité 28A, 28B qui sont reliées par des coudes 27. Les portions rectilignes 32 sont sensiblement de même longueur que les segments rectilignes d'extrémité 28A, 28B. Ce tronçon intermédiaire 30 permet notamment de distribuer le fluide réactif de façon homogène sur la surface de l'électrolyte en vis-à- vis de la zone centrale 23 de la face de contact 12. De plus, la longueur des portions rectilignes 32 permet de maintenir une distance suffisante entre les coudes 27 pour que l'écoulement de l'eau ne soit pas perturbé au point de former un bouchon. Lorsque la plaque 10 est agencée dans un plan vertical, les segments rectilignes d'extrémité 28A, 28B sont avantageusement orientés horizontalement, le segment rectiligne d'extrémité 28A du premier tronçon amont 16 étant situé au-dessus du segments rectiligne d'extrémité 28B du deuxième tronçon aval 18, afin que l'écoulement de l'eau liquide dans le tronçon intermédiaire 30 ne soit pas ralenti par la gravité. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention qui est représenté à la figure 3, le sillon 14 est agencé de façon sensiblement identique au premier mode de réalisation de l'invention. Cependant, la double spirale formée par le sillon 14 a un profil rectangulaire de manière que la zone centrale 23 se trouve réduite à un rectangle encadrant une unique portion rectiligne centrale 28C du sillon 14. Cette portion rectiligne 28C est divisé en deux parties amont et aval. io Selon l'invention, la partie amont correspond au segment rectiligne d'extrémité 28A du premier tronçon amont 16 tandis que la partie aval correspond au segment rectiligne d'extrémité 28B du deuxième tronçon aval 18. L'extrémité aval d'alimentation 22 est ainsi directement raccordée à l'extrémité amont de retour 24. Avantageusement, lorsque la plaque bipolaire 10 est agencée dans un plan verticale, le sillon 14 est réalisé de manière que la portion rectiligne centrale 28C s'étende dans un plan horizontal de manière que la gravité n'entrave pas la circulation de l'eau dans le sillon 14. Selon une variante de l'invention qui est représentée à la figure 4, lorsque la face de contact 12 a un contour de forme différente du contour de la spirale formée par le sillon 14, la face de contact 12 comporte une pluralité de sillons 14 qui sont chacun agencés selon le deuxième mode de réalisation de l'invention de manière à couvrir la totalité de la face de contact 12. Ainsi, on a représenté à la figure 4 une face de contact 12 dont le contour est de forme carrée. La face de contact comporte trois sillons 14A, 14B, 14C qui sont chacun agencés selon le deuxième mode de réalisation. Chaque sillon 14A, 14B, 14C est agencé en une double spirale de profil rectangulaire qui recouvre donc une zone rectangulaire de la face de contact 12. La largeur totale L de chaque zone rectangulaire est égale à la longueur d'un coté de la face de contact 12, et la hauteur H de chaque zone rectangulaire est sensiblement égale à un tiers de la longueur d'un coté de la face de contact 12. Les sillons 14A, 14B, 14C couvrent ainsi des zones rectangulaires adjacentes. Chaque sillon 14A, 14B, 14C comporte une extrémité amont d'alimentation 20A, 20B, 20C distincte. De même, chaque sillon 14A, 14B, 14C comporte une extrémité aval de retour 26A, 26B, 26C distincte. Selon une autre variante qui est représentée à la figure 5, tous les sillons 14 sont raccordés à une unique extrémité amont d'alimentation 20 et/ou à une unique extrémité aval de retour 26. o Avantageusement, des canaux de dérivation (non représentés) sont agencés dans la face de contact de manière à raccorder le deuxième tronçon aval de retour 18 d'un premier sillon 14B, 14C au premier tronçon amont de distribution 16 d'un deuxième sillon 14A, 14B. En effet, s'il est important d'évacuer is l'eau liquide pour ne pas créer de bouchon, il est cependant utile d'humidifier les fluides réactifs lorsque ceux-ci entrent en contact avec la membrane afin que cette dernière ne soit pas endommagée par dessèchement. Les canaux de dérivation permettent ainsi de dériver une partie de l'eau résiduelle depuis le deuxième tronçon aval de retour d'un premier sillon vers le premier tronçon amont d'alimentation d'un autre sillon. L'invention a été décrite en référence à une plaque bipolaire comportant deux faces de contact. On comprendra qu'elle est aussi applicable à des plaques ne comportant qu'une seule face de contact avec une membrane. Les formes du contour de la face de contact et du profil de la spirale sont données à titre d'exemples non limitatifs. L'invention peut par exemple s'appliquer à des faces de contact ou à des spirales de formes trapézoïdales. REVENDICATIONS 1. Plaque bipolaire (10) pour une pile à combustible qui comporte une face de contact (12) qui est destinée à être plaquée contre une membrane, notamment de polymère, formant électrolyte de la pile à combustible, la face de contact (12) comportant un sillon (14) continu qui comporte: - un premier tronçon amont de distribution (16) d'un fluide réactif qui s'étend selon une spirale convergente depuis une extrémité amont d'alimentation (20) qui est agencée à la o périphérie (12P) de la face de contact (12) jusqu'à une extrémité aval d'alimentation (22) qui est agencée dans une zone centrale de la spirale (23) ; - et un deuxième tronçon aval (18) de retour du fluide réactif qui s'étend parallèlement au premier tronçon de distribution (16) depuis une extrémité amont de retour (24) qui est agencée dans la zone centrale (23) de la spirale vers une extrémité aval de retour (26) du fluide réactif qui est agencée à la périphérie (12P) de la face de contact (12), caractérisée en ce que chaque tronçon amont (16) et aval (18) comporte un segment d'extrémité (28A, 28B) de forme rectiligne qui est agencé dans la zone centrale (23) de la spirale. 2. Plaque bipolaire (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le sillon (14) comporte un tronçon intermédiaire (30) de raccordement des tronçons amont (16) et aval (18) formant des zigzags qui est agencé dans la zone centrale (23) de la spirale et qui raccorde l'extrémité aval d'alimentation (22) jusqu'à l'extrémité amont de retour (24). 3. Plaque bipolaire (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le segment d'extrémité rectiligne (28A) du premier tronçon amont (16) débouche directement dans le segment d'extrémité rectiligne (28B) du deuxième tronçon aval (18). 4. Plaque bipolaire (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le sillon (14) recouvre une zone rectangulaire de la face de contact (12). 5. Plaque bipolaire (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la face de contact (12) comporte au moins un deuxième sillon (14A, 14B, 14C) qui est agencé de façon similaire au premier sillon (14) et le deuxième sillon (14A, 14B, 14C) recouvrant une deuxième zone rectangulaire de la face de contact (12) qui est adjacente à la première zone rectangulaire. 6. Plaque bipolaire (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'extrémité amont d'alimentation (20) de chaque premier et deuxième sillon (14A, 14B, 14C) est raccordée à un unique orifice d'alimentation (20). 7. Plaque bipolaire (10) selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que l'extrémité aval de retour (26) de chaque premier et deuxième sillon (14A, 14B, 14C) est raccordée à un unique orifice de retour (26). 8. Plaque bipolaire (10) selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que des canaux de dérivation sont agencés dans la face de contact (12) de manière à raccorder le deuxième tronçon aval de retour (18) du premier sillon (14B, 14C) au premier tronçon amont de distribution (16) du deuxième sillon (14A, 14B).