Brevet FR2883666A1 — publié le 20060929

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne les piles à combustible à membrane polymère. Plus particulièrement, elle concerne les plaques bipolaires installées entre chacune des cellules électrochimiques élémentaires et les plaques d'extrémité installées de part et d'autre de l'empilage des différentes cellules électrochimiques. ETAT DE LA TECHNIQUE Les plaques bipolaires utilisées dans les piles à combustible remplissent deux fonctions très différentes. On sait qu'il faut alimenter la pile en gaz carburant et en gaz comburant, c'est-à-dire en l'hydrogène et en air ou en oxygène pur, et qu'il faut également la refroidir, c'est-à-dire la faire traverser par un fluide de refroidissement comme de l'eau. L'une des fonctions des plaques bipolaires est de permettre l'acheminement de ces différents fluides nécessaires au fonctionnement de la pile à combustible. Par ailleurs, les plaques bipolaires remplissent également une fonction électrique: assurer la conduction électrique entre l'anode et la cathode de chacune des cellules électrochimiques adjacentes. En effet, une pile à combustible est toujours constituée par l'assemblage en série d'un grand nombre de cellules électrochimiques élémentaires, la tension nominale de la pile étant obtenue par connexion électrique en série du nombre requis de cellules électrochimiques élémentaires. Ces différentes fonctions, acheminer les fluides et conduire l'électricité, donnent le cahier des charges auquel doivent satisfaire les matériaux utilisés pour la réalisation de ces plaques bipolaires. Les matériaux utilisés doivent présenter une très grande conductibilité électrique. Les matériaux utilisés doivent aussi être étanches aux fluides utilisés et faire preuve d'une très grande stabilité chimique vis- à-vis de ces fluides. En outre, les plaques bipolaires doivent présenter les caractéristiques mécaniques suffisantes pour permettre la superposition d'un grand nombre de cellules électrochimiques élémentaires et plaques bipolaires associées et le maintien de l'ensemble par compression entre des plaques d'extrémité grâce à des tirants. Les P10-1717-FR plaques bipolaires doivent présenter des caractéristiques mécaniques suffisantes pour supporter cette compression. Le graphite est couramment utilisé car ce matériau offre tout à la fois une grande conductibilité électrique et est chimiquement inerte aux fluides utilisés. La demande de brevet WO 2005/006472 montre une réalisation possible de telles plaques bipolaires. On voit qu'elles sont constituées par la superposition de deux plaques en graphite relativement rigides avec interposition d'une feuille réalisée en matière graphite assez souple afin de s'accommoder des tolérances d'épaisseur des différentes couches. Malheureusement, les éléments rigides participant à la constitution des plaques bipolaires en graphite sont assez fragiles aux chocs, en particulier pendant les manipulations lors de l'assemblage de la pile. La couche réalisée en matériau graphite souple, dont il a été fait état précédemment, est en outre tout particulièrement difficile à manipuler de façon industrielle. Tout ceci obère de façon importante les coûts de fabrication de telles plaques bipolaires. Le brevet US 6,379,476 propose de réaliser des plaques bipolaires en acier inoxydable revêtu d'un film passivé en surface et ayant des inclusions en carbure faisant protubérance à la surface. Le produit proposé présente une résistance électrique de contact suffisamment basse pour en faire des plaques bipolaires. Cependant, si cette solution peut présenter quelques avantages par rapport aux plaques bipolaires entièrement réalisées en graphite, l'objectif de la présente invention est d'apporter une alternative qui soit au moins aussi facile à fabriquer et qui rende l'utilisation de la pile à combustible dans un véhicule automobile nettement plus aisée. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION L'invention propose une plaque de distribution ayant une première face destinée à être mise en contact avec une membrane de diffusion de l'un des gaz utilisé par une pile à combustible, ayant une seconde face opposée à la ladite première face, ladite plaque de distribution présentant une épaisseur donnée et présentant une section utile destinée à être installée en regard d'une membrane échangeuse d'ions, comportant sur la première face une rainure formant un premier canal de distribution pour l'un des gaz, ledit premier canal de distribution étant sensiblement réparti sur toute la section P10-1717-FR utile de ladite première face, caractérisée en ce que ladite plaque de distribution est formée d'un matériau de base à surface non conductrice de l'électricité et inerte chimiquement, en ce que ladite plaque de distribution comporte des pions traversant toute l'épaisseur et débouchant de part et d'autre sur chacune desdites première et seconde face dans la section utile, lesdits pions étant isolés dudit premier canal, lesdits pions étant réalisés en matériau conducteur de l'électricité. Bien entendu, si l'on ne fait état ci-dessus que d'un seul canal de distribution de gaz, ce qui évoque en particulier les plaques de distribution utilisées aux extrémités d'une pile à combustible, l'invention concerne tout autant les plaques bipolaires insérées entre deux cellules électrochimiques adjacentes et couplées électriquement en série via lesdites plaques bipolaires. Dans ce cas, l'invention s'étend à une plaque de distribution formant plaque bipolaire, la seconde face étant cette fois destinée à être mise en contact avec une membrane de diffusion de l'autre des gaz utilisé par une pile à combustible, la seconde face comportant une rainure formant un deuxième canal de distribution pour l'autre des gaz, ledit deuxième canal de distribution étant sensiblement réparti sur toute la section utile à la seconde face. Avantageusement, la plaque de distribution selon l'invention, en particulier lorsqu'elle constitue une plaque bipolaire, comporte dans son épaisseur un canal interne ayant un tracé parcourant sensiblement toute la section utile et ne débouchant ni sur la première face ni sur la seconde face dans ladite section utile, pour la circulation d'un fluide de refroidissement. L'invention propose ainsi de séparer les fonctions d'acheminement de fluides et de conduction électrique dans les plaques de distribution, en particulier les plaques bipolaires. L'invention fait le choix d'un matériau inerte ou rendu inerte chimiquement aux fluides utilisés. En effet, il est très important que la surface du matériau ne soit pas attaquée par l'hydrogène, par l'oxygène, par l'eau qui se reforme, par toute autre substance véhiculée dans les canaux, et en particulier que le matériau reste inerte en surface aux conditions sévères régnant dans une pile à combustible en fonctionnement. Le matériau de base, là encore au moins en surface, est nécessairement non conducteur de l'électricité ou très peu conducteur. Les propriétés mécaniques du matériau de base sont adaptées aux sollicitations mécaniques dues au procédé de fabrication et survenant en service. La conductivité électrique nécessaire à P10-1717-FR la fonction électrique d'une plaque de distribution, en particulier dans sa forme bipolaire, est assurée par un nombre suffisant de pions en matériau conducteur, traversant toute l'épaisseur de la plaque et de préférence répartis sur toute sa surface. Par exemple, on réalise une plaque bipolaire en deux plaques de distribution superposées, ceci n'étant pas limitatif. L'une de ces plaques de distribution comporte un canal d'acheminement d'un des gaz et l'autre de ces plaques de distribution comporte un canal d'acheminement de l'autre des gaz sur une de ses faces et un canal destiné à faire traverser le fluide de refroidissement sur l'autre de ses faces. Les plaques de distribution sont superposées en disposant le canal pour le fluide de refroidissement au centre, d'où l'appellation de canal interne . Le matériau de base pour la plaque peut être une matière plastique, ou peut être de l'aluminium rendu inerte aux agressions chimiques des fluides utilisés. On sait en effet passiver une plaque en aluminium et il est bien connu qu'un tel revêtement de passivation rend l'aluminium non conducteur car il forme un oxyde d'aluminium. On a percé avant assemblage chacune des plaques de distribution ou bien on peut ensuite percer après assemblage la plaque bipolaire ainsi réalisée d'une multitude de perçages de très petit diamètre dans les zones où on ne croise pas les canaux. On peut ensuite insérer dans ces perçages des pions en matériau conducteur. Il faut donc s'arranger pour que le tracé des premier et deuxième canaux et du canal interne laissent, dans la section utile, des zones permettant de réaliser de tels perçages de sorte que ces perçages soient eux aussi répartis sur toute la section utile et forment une section cumulée suffisante compte tenu de l'intensité maximale du courant que délivrera la pile à combustible. Notons que la section des perçages peut être tout autre que circulaire, par exemple carrée, ou ovale, que les sections des différents perçages peuvent être de formes différentes ou de diamètres ou dimensions différentes. Le matériau utilisé pour les pions peut être du graphite, même sans qualités mécaniques particulières. Notons qu'il est toutefois utile qu'il présente une bonne insensibilité chimique vis-à-vis des fluides car ses extrémités seront en contact avec les gaz utilisées et avec l'eau reformée de par le contact sur les membranes de diffusion de chaque cellule électrochimique. P10-1717-FR La description suivante décrit en détails une plaque bipolaire. Bien entendu comme déjà dit, l'invention ne se limite pas aux plaques bipolaires; elle s'étend aussi aux plaques de distribution disposées de part et d'autre de l'empilage des cellules élémentaires. Aux extrémités, la plaque de distribution est très semblable à la première plaque de distribution décrite ci-dessous car, à chacune des extrémités, il ne faut diffuser que l'un des deux gaz utilisés par la pile à combustible et il est en général inutile de prévoir un canal interne de refroidissement. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES La présente invention sera mieux comprise grâce à la description détaillée d'un mode de réalisation illustré avec les figures jointes dans lesquelles: La figure 1 est un éclaté montrant les différents éléments constitutifs d'une plaque bipolaire selon l'invention; La figure 2 montre une plaque bipolaire selon l'invention telle qu'elle apparaît lorsqu'elle est assemblée. DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES DE L'INVENTION A la figure 1, on voit une plaque bipolaire 1 constituée par l'assemblage d'une première plaque de distribution 11 et d'une seconde plaque de distribution 12. La plaque bipolaire 1 est destinée à être associée à des éléments formant une cellule électrochimique 2. On sait qu'une cellule électrochimique 2 élémentaire est à l'heure actuelle (sans que ceci ne limite en aucune façon l'invention) habituellement constituée de la superposition de cinq couches: une membrane polymère échangeuse d'ions, deux électrodes comportant des éléments chimiques nécessaires au déroulement de la réaction électrochimique, comme par exemple du platine, et deux couches de diffusion des gaz permettant d'assurer une diffusion homogène des gaz acheminés par les réseaux des plaques bipolaires sur la totalité de la surface de la membrane échangeuse d'ions. On repère sur la cellule électrochimique 2 de la figure 1 une surface correspondant à la section utile S de la pile à combustible, c'est-à-dire la zone qui est le siège de la réaction électrochimique permettant de produire de l'électricité. P10-1717-FR La première plaque de distribution 11, la deuxième plaque de distribution 12 et la cellule électrochimique 2 comportent d'un côté une zone présentant trois ouvertures 31, 32 et 33 de section relativement importante, ainsi que sur le côté opposé une autre zone présentant également trois ouvertures 34, 35 et 36 de section relativement importante. Toutes les ouvertures 31 sont alignées d'une plaque de distribution 11 à l'autre 12 et des plaques de distribution 11 et 12 à la cellule électrochimique 2. De même, toutes les ouvertures 32, respectivement 33, 34, 35 et 36 sont alignées d'une plaque de distribution 11 à l'autre 12 et des plaques de distribution 11 et 12 à la cellule électrochimique 2. L'ensemble des ouvertures 31, respectivement 33, forme une nourrice pour l'acheminement d'un des gaz: les ouvertures 31 et 33 acheminent les unes (par exemple 31) l'hydrogène et les autres (par exemple 33) l'oxygène. L'ensemble des ouvertures 34, respectivement 36, forme une nourrice pour le retour d'un des gaz: les ouvertures 34 et 36 assurent le retour les unes (34) de l'hydrogène non consommé par la pile et les autres (36) de l'oxygène non consommé par la pile. Toutes les ouvertures 32 forment une nourrice qui achemine le fluide de refroidissement tandis que toutes les ouvertures 35 forment une nourrice qui assure le retour du fluide de refroidissement servant à réguler la pile à combustible en température. L'une des faces 111 de la première plaque de distribution 11 comporte un premier canal de distribution 111 tracé pour répartir sur la totalité de la section utile S de la première plaque 11 l'un des deux gaz utilisés par la pile à combustible. Le premier canal de distribution 111 débute par un orifice 111 a traversant l'épaisseur de la première plaque de distribution 11, et se termine par un orifice 111 b traversant lui aussi la première plaque de distribution 11. L'une des faces 121 de la seconde plaque de distribution 12 comporte un canal interne 122, tracé pour répartir sur la totalité de la section utile S de la seconde plaque de distribution 12 le fluide de refroidissement utilisé pour réguler la pile à combustible en température. L'orifice 111 a est aligné avec le bout d'un tronçon de canal 111c creusé sur la face 121 pour communiquer avec ledit canal 111c. L'orifice 111 b est aligné avec le bout d'un tronçon de canal 111d creusé sur la même face 121, pour communiquer avec ledit canal 111d. Chacun de ces tronçons de canal 111c et 111d communique P10-1717-FR avec les ouvertures 31 et 34. Ceci assure la communication entre le premier canal de distribution 111 et les nourrices concernées. Sur l'autre 12r de ces faces, non visible à la figure 1, la seconde plaque 12 présente un deuxième canal de distribution 121 (non visible, semblable au canal de distribution 111 et lui aussi tracé pour répartir sur la totalité de la section utile de la seconde plaque de distribution 12 l'autre des deux gaz utilisés par la pile à combustible). Les ouvertures 33 et 36 de la seconde plaque de distribution 12 sont en communication avec, respectivement, un tronçon de canal 121c et avec un tronçon de canal 121d creusés tout deux sur la face 121. Chacun des tronçons de canal 121c et 121d se termine par un orifice (non visible à la figure 1) traversant l'épaisseur de la seconde plaque de distribution 12, pour mettre en communication le deuxième canal 121 avec les nourrices concernées. On voit que la première plaque de distribution 11 et la seconde plaque de distribution 12 comportent un grand nombre de perçages 3. Les perçages 3 réalisés sur la première plaque de distribution 11 et les perçages 3 réalisés sur la seconde plaque de distribution 12 sont alignés. On peut observer que les perçages 3 sont réalisés de façon à ne jamais couper aucune des canalisations 111, 121 et 122 aménagées sur chacune des première 11 et seconde 12 plaques de distribution. A la figure 1, on voit également les pions 10 destinés à être introduits dans chacun des perçages 3. Ces pions sont formés par de petits cylindres réalisés par exemple en graphite. Il est possible de réaliser un grand nombre de perçages, par exemple une centaine, sur la surface d'une plaque de distribution sans jamais croiser les canaux de distribution de gaz ou le canal interne prévu pour la circulation du fluide de refroidissement. La section de chacun de ces perçages est par exemple de l'ordre de 1 mm2. Ainsi, on voit que la section cumulée de l'ensemble des pions va permettre de passer les courants de service importants tels que développés dans une pile à combustible. La figure 2 montre une plaque bipolaire 1 selon l'invention après assemblage des différents éléments (plaques de distribution 11 et 12 et pions 10) présentés avec l'aide de la figure 1. Cet assemblage peut se faire par exemple par collage des plaques de distribution l'une sur l'autre, puis par emmanchement en force des pions 10, afin d'assurer une bonne étanchéité entre les canaux de distribution entre eux et vis-à-vis du canal interne, et entre les faces 111 et 11 r afin de ne pas mélanger les gaz. P10-1717-FR Chacune des faces 111 et 11 r d'une telle plaque bipolaire peut coopérer avec une des couches de diffusion des cellules électrochimiques 2 adjacentes. La figure 2 montre une plaque bipolaire 1, d'épaisseur x, associée à une cellule électrochimique élémentaire 2. On superpose un grand nombre de cellules électrochimiques 2 avec interposition de plaques bipolaires 1, et on dispose aux extrémités des plaques de distributions simples (non bipolaires) pour former une pile à combustible. Ainsi, grâce à l'invention, on peut choisir comme matériau constitutif de base de chacune des plaques élémentaires un matériau présentant des caractéristiques mécaniques suffisantes pour permettre non seulement la transmission des sollicitations de service pour la pile à combustible, mais également pour permettre l'automatisation de la fabrication des plaques bipolaires. En effet, une telle automatisation suppose des manipulations par des robots de fabrication et si ces manipulations requièrent peu de précautions grâce à la solidité du matériau constitutif des plaques de base, la réalisation de la fabrication automatique n'en sera que plus simple, plus robuste et plus économique. La conduction électrique d'une cellule électrochimique 2 à l'autre est assurée uniquement par les pions 10, dont on voit l'une des extrémités 101 affleurant sur la face 11l de la plaque bipolaire 1 à la figure 2. La concentration de la fonction électrique sur une surface réduite par rapport à la section utile S permet malgré tout de transmettre les courants de service sans atteindre une densité de courant trop élevée. Ainsi, la concentration de la partie conductrice sur une petite partie de la surface des plaques utilisées, typiquement moins de 10 % de la totalité de la section utile, permet d'aménager le tracé des canaux de distribution et canal interne sans difficulté particulière. Enfin, signalons un avantage très intéressant de la présente invention. Du fait que la partie des plaques bipolaires conductrice de l'électricité ne croise aucun des canaux, en particulier ne croise pas le canal interne dans lequel circule le fluide de refroidissement, il n'y a plus de mise à la masse par le ou les circuits de fluide. Il n'y a donc plus à les isoler de la masse ou à utiliser comme fluide de refroidissement un fluide non conducteur. Un mélange d'eau et de glycol classique, tel que celui utilisé pour refroidir les moteurs à combustion interne, convient parfaitement. P10-1717-FR REVENDICATIONS 1. Plaque de distribution (11) ayant une première face (111) destinée à être mise en contact avec une membrane de diffusion de l'un des gaz utilisé par une pile à combustible, ayant une seconde face (11r) opposée à la ladite première face (111), ladite plaque de distribution présentant une épaisseur donnée et présentant une section utile (S) destinée à être installée en regard d'une membrane échangeuse d'ions, comportant sur la première face une rainure formant un premier canal (111) de distribution pour l'un des gaz, ledit premier canal de distribution étant sensiblement réparti sur toute la section utile de ladite première face, caractérisée en ce que ladite plaque de distribution est formée d'un matériau de base à surface non conductrice de l'électricité et inerte chimiquement, en ce que ladite plaque de distribution comporte des pions (10) traversant toute l'épaisseur et débouchant de part et d'autre sur chacune desdites première et seconde face dans la section utile, lesdits pions étant isolés dudit premier canal, lesdits pions étant réalisés en matériau conducteur de l'électricité. 2. Plaque de distribution selon la revendication 1, formant plaque bipolaire (1), la seconde face (12r) étant destinée à être mise en contact avec une membrane de diffusion de l'autre des gaz utilisé par une pile à combustible, comportant sur la seconde face une rainure formant un deuxième canal de distribution (121) pour l'autre des gaz, ledit deuxième canal de distribution étant sensiblement réparti sur toute la section utile à la seconde face. 3. Plaque de distribution selon la revendication 1 ou 2, comportant dans son épaisseur un canal interne (122) ayant un tracé parcourant sensiblement toute la section utile et ne débouchant ni sur la première face ni sur la seconde face dans ladite section utile, ledit canal interne étant prévu pour la circulation d'un fluide de refroidissement. 4. Plaque de distribution selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce qu'elle comporte une première plaque de distribution (11) et une deuxième plaque de distribution (12) superposées dans ladite épaisseur, ledit premier canal (111) P10-1717-FR - 10- étant aménagé sur la première plaque de distribution, lesdits deuxième canal et canal interne premier canal (122) étant aménagés sur la deuxième plaque de distribution. 5. Plaque de distribution selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle lesdits pions sont répartis sur toute la section utile. 6. Plaque de distribution selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le matériau de base est non conducteur de l'électricité. 7. Plaque de distribution selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le matériau de base est une matière plastique. 8. Plaque de distribution selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que 15 le matériau de base est de l'aluminium passivé en surface. 9. Plaque de distribution selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les pions sont réalisés en graphite. P10-1717-FR