Brevet FR2888047A1 — publié le 20070105

La présente invention est relative à une plaque bipolaire pour pile à combustible de type à membrane échangeuse de protons. On connaît des piles à combustible de type à membrane échangeuse de protons constituées d'un empilement alterné de membranes électrodes et de plaques bipolaires, les plaques bipolaires étant destinées à véhiculer des gaz actifs et des fluides de refroidissement, et à les répartir à la surface des assemblages membranes électrodes, de façon à engendrer des réactions électrochimiques à travers la membrane électrode pour engendrer des cou- rants électriques. Dans ces empilements, les plaques bipolaires sont en général des plaques rigides soit constituées de matériaux conducteurs rigides comme le graphite usiné pour former des canaux pour la circulation des gaz, soit formées de plaques métalliques mises en forme par emboutissage de façon à former également des canaux pour la circulation des gaz. Ces plaques bipolaires présentent l'inconvénient notamment d'être rigides, ce qui peut poser des problèmes pour assurer une bonne étanchéité des différents contacts qu'il peut y avoir entre les plaques bipolaires d'un empilage important. Ces plaques bipolaires présentent également l'inconvénient d'avoir des problèmes de corrosion, qui conduisent à l'empoisonnement de sites catalytiques. Les plaques bipolaires en matériau métallique ont en outre l'inconvénient de poser des problèmes de dilatation différentielle. Ces plaques bipolaires conduisent à des pertes ohmiques importantes provenant de résistances de contact relativement importantes résultant du fait que les contacts entre les plaques rigides sont parfois irréguliers. En outre, les assemblages réalisés avec ces plaques sont relativement lourds dans la mesure où les plaques bipolaires métalliques ou en carbone massif usiné ont un poids important. Enfin, la fabrication de ces plaques bipolaires est complexe puisqu'il faut, en particulier, usiner avec précision des réseaux de canaux de circulation de gaz souvent complexes. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant une plaque bipolaire pour pile à combustible de type à membrane échangeuse de protons qui soit légère, qui puisse être fabriquée facilement, qui ne pose pas de problème de corrosion ni de problème de dilatation ou de problème de contact et qui facilite la réalisation des étanchéités. A cet effet, l'invention a pour objet une plaque bipolaire pour pile à combustible du type à membrane échangeuse d'ions, constituée de deux couches en matériau poreux conducteur d'électricité séparées par une membrane étanche, les deux couches en matériau poreux étant connectées électriquement. De préférence, la membrane étanche est une membrane en poly- mère. Les couches en matériau poreux peuvent être conformées pour for-mer des canaux de circulation de fluide. Le matériau poreux est constitué, par exemple, de fibres de carbone ou d'une mousse métallique. De préférence, la connexion électrique des deux couches de matériau poreux est assurée par des fibres conductrices de courant traversant la membrane étanche. L'invention concerne également une pile à combustible comprenant un empilement alterné d'assemblage membranes/électrodes et de plaques selon l'invention. L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise mais non limitative en regard de l'unique figure annexée qui représente, de façon schématique, un empilage de plaques bipolaires et d'assemblages membranes électrodes d'une pile à combustible à membrane échangeuse de pro- tons. Pour réaliser un empilement alterné de plaques bipolaires et d'assemblages membranes électrodes, tel que représenté à la figure unique, et qui est constitué de trois plaques bipolaires 1, 1', 1" séparées par deux assemblages membranes électrodes 2, 2'. Les trois plaques bipolaires 1, 1', 1" qui sont identiques sont constituées de deux couches 10 et 11 ou 10' et 11' ou 10" et Il", respectivement, de matériau poreux tel que par exemple un matériau constitué de fibres de carbone formant un feutre ou du coton, ou bien d'une mousse métallique très poreuse, séparées par des membranes étanches au fluide 12 ou 12' ou 12", respectivement, les deux couches poreuses 10 et 11 ou 10' et 11' ou 10" et 11" étant connectées électriquement entre elles par l'intermédiaire de fibres conductrices 13 ou 13' ou 13", respectivement, traversant la membrane étanche 12 ou 12' ou 12". Lorsque la pile à combustible est en service, chacune des couches poreuses est alimentée en un gaz actif et par exemple la couche 11 de la plaque bipolaire 1 est alimentée en gaz carburant qui passe à travers la couche poreuse Il et vient au contact de la membrane électrode 2. La couche poreuse 10' de la plaque bipolaire 1' est alimentée en gaz comburant qui diffuse à travers la couche poreuse et vient lécher l'autre face de la membrane électrode 2. Le gaz carburant qui passe à travers la couche poreuse 11 réagit à travers la membrane électrode avec le gaz comburant qui passe à travers la couche poreuse 10', cette réaction produit de l'eau qui est évacuée également à travers la couche poreuse 10', et génère simultanément une tension électrique. De la même façon, la couche 11' est alimentée en gaz carburant, par exemple de l'hydrogène, qui réagit à travers la membrane électrode 2' avec du gaz comburant, par exemple de l'oxygène, qui passe à travers la couche poreuse 10". Du fait de la présence de la membrane étanche 12', le gaz comburant qui passe à travers la couche poreuse 10' n'est pas en contact avec le gaz carburant qui passe à travers la couche 11', il résulte que les seules réactions électrochimiques qui ont lieu sont les réactions électrochimiques qui s'effectuent à travers les membranes électrodes. Ainsi, l'empilement constitué par une couche poreuse 11 alimentée en gaz carburant, par l'électrode 2 et par la couche poreuse 10' parcourue par des gaz comburant constitue un générateur d'électricité. De même, l'empilement constitué par la couche poreuse 11' parcourue par du gaz carburant, par la membrane électrode 2' et la couche poreuse 10" parcourue par du gaz comburant constitue un deuxième générateur d'électricité. Du fait de la présence des fibres 13' conductrices d'électricité qui taversent la membrane étanche 12', le premier générateur de courant qui vient d'être décrit est connecté en série au deuxième générateur de courant qui vient d'être décrit, et ainsi de suite dans l'ensemble de l'empilement qui constitue la pile à combustible génératrice de courant électrique. Une telle conception de plaque bipolaire présente de nombreux avan-tages. En effet, une telle plaque bipolaire est souple et par conséquent tous les problèmes d'adaptation de l'empilement pour assurer un bon contact des plaques successives ou pour assurer l'étanchéité entre deux plaques successives sont simplifiés. De plus, les plaques sont en des matériaux qui ne posent pas les problèmes de dilatation différentielle que l'on rencontre avec les plaques bipolaires rigides. La souplesse de ces plaques bipolaires permet également d'obtenir une homogénéité de la pression des gaz réactifs dans les chambres réactionnelles en minimisant notamment les risques d'écart de pression entre l'anode et la cathode, du fait d'une auto-comprensation liée à la rigidité des membranes. Enfin, ces plaques souples évitent les irrégularités de pressions de contact locales. En particulier, elles évitent les pressions de contact locales élevées, notamment sur la partie périphérique des membranes échangeu- ses d'ions. Pour assurer le fonctionnement d'une telle pile à combustible, il est nécessaire de prévoir des inserts par exemple en matériau polymère permettant de créer des arrivées de fluide actif. On peut en outre prévoir des canaux de circulation d'un fluide de refroidissement noyés dans les maté- riaux poreux. REVENDICATIONS 1. Plaque bipolaire pour pile à combustible du type à membrane échangeuse d'ions, caractérisée en ce qu'elle est constituée de deux couches (10, 11) en matériau poreux conducteur d'électricité séparée par une membrane étanche (12), les deux couches en matériau poreux étant connectées électriquement. 2. Plaque bipolaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que la membrane étanche (12) est une membrane en polymère. 3. Plaque bipolaire selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que les couches en matériau poreux (10, 11) sont conformées pour former des canaux de circulation de fluide. 4. Plaque bipolaire selon l'une queconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le matériau poreux est constitué de fibres de carbone ou d'une mousse métallique. 5. Plaque bipolaire selon la revendication 4, caractérisée en ce que la connexion électrique des deux couches (10, 11) de matériau poreux est assurée par des fibres (13) conductrices de courant traversant la membrane étanche. 6. Pile à combustible du type à membrane échangeuse d'ions, carac-térisée en ce qu'elle comprend un empilement alterné d'assemblage membranes/électrodes et de plaques bipolaires selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.