Brevet FR2891090A1 — publié le 20070323

Plaque bipolaire pour pile à combustible La présente invention concerne une plaque bipolaire pour pile à combustible, notamment pour pile à combustible du type à membrane échangeuse d'ions (PEM), destinée à être montée sur un véhicule automobile. Les piles à combustible du type PEM comprennent généralement un empilement de plaques bipolaires et de membranes échangeuses d'ions, les membranes étant 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 rainures formant avec lesdites membranes des canaux ou conduits de distribution permettant une circulation des gaz en contact avec la membrane. Des gaz anodiques circulent d'un côté de la membrane et des gaz cathodiques circulent du côté opposé. Des réactions d'oxydoréduction des gaz anodiques et cathodiques se produisent de part et d'autre de la membrane, avec des échanges d'ions à travers elle, les électrons étant véhiculés par les plaques bipolaires. De l'énergie électrique est ainsi récupérée et utilisée notamment pour la traction du véhicule automobile. Lorsque les gaz circulent dans les canaux depuis une entrée vers une sortie, les réactifs sont consommés progressivement. La concentration de réactifs dans le flux circulant dans les canaux se réduit ainsi au fur et à mesure. Cette réduction de réactifs, a fortiori à proximité des sorties de canaux de distribution, peut résulter en une répartition non uniforme des réactifs sur la surface active d'échange de la membrane. Ceci ne permet pas d'atteindre un fonctionnement satisfaisant de la pile à combustible. Ainsi, dans le but d'obtenir de meilleures performances et une fiabilité accrue de la pile à combustible, il est souhaitable d'assurer une distribution homogène des réactifs anodiques et cathodiques sur les zones actives des membranes. Les documents EP-A2-1 107 339, EP-A2-1 109 241 et US 6, 099, 984 proposent des solutions pour obtenir une meilleure distribution des réactifs. Les solutions décrites dans ces documents préconisent d'utiliser une plaque bipolaire munie de canaux de distribution comprenant des tronçons d'entrée et de sortie et se présentant sous la forme de serpentins comportant une pluralité de coudes. Le tronçon d'entrée, respectivement de sortie, d'un canal est disposé au voisinage du tronçon d'entrée, respectivement de sortie, d'un canal adjacent. On connaît également, par le document US-Bl-6, 551, 736, une plaque bipolaire munie de canaux comprenant chacun des tronçons d'entrée et de sortie avec des volumes différents pour augmenter une vitesse de circulation des gaz dans le tronçon de sortie relativement à la vitesse de circulation des gaz dans le tronçon d'entrée compte tenu du débit constant. Ce document propose, dans un mode de réalisation, de former un tronçon de sortie plus court qu'un tronçon d'entrée. Pour cela, un canal discontinu comprend un tronçon d'entrée et un tronçon de sortie séparés. Le tronçon de sortie et le tronçon d'entrée circulent parallèlement en spirale, le tronçon de sortie étant situé à l'intérieur, de sorte que le tronçon de sortie soit plus court et possède un volume plus petit que le tronçon d'entrée. Les gaz circulent du tronçon d'entrée dans le tronçon de sortie par une zone de communication disposée entre les deux tronçons et située au centre de la plaque. 2891090 3 De tels canaux antérieurs présentent l'inconvénient d'entraîner des pertes de charge relativement importantes, ce qui peut perturber l'écoulement des gaz dans les canaux et favoriser des phénomènes de bouchage. Par ailleurs, les canaux proposés dans ces différents documents ne permettent pas un agencement de canaux d'alimentation et/ou d'évacuation sur la plaque bipolaire permettant d'améliorer de façon significative une répartition de réactifs. Comme on le conçoit, les structures conventionnelles présentent un certain nombre d'inconvénients majeurs concernant l'inefficacité relative des solutions utilisées pour l'obtention d'une distribution homogène des réactifs sur la membrane. La présente invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients en proposant une plaque bipolaire pour pile à combustible permettant de distribuer de façon homogène des fluides de manière à accroître la sûreté de fonctionnement de ladite pile. Selon un aspect de l'invention, une plaque bipolaire pour pile à combustible, notamment du type à membrane échangeuse d'ions, comprend une pluralité de canaux de circulation montés de façon consécutive entre eux et dans lesquels au moins un fluide réactif est destiné à circuler, chaque canal comprenant des tronçons d'entrée et de sortie continus et dans lesquels circulent respectivement un flux de fluide réactif à concentration relativement élevée et un flux de fluide réactif à concentration relativement faible. Le tronçon de sortie d'un canal de circulation est disposé entre le tronçon d'entrée dudit canal de circulation et le tronçon d'entrée d'un canal de circulation consécutif. 2891090 4 Avec une telle disposition, il devient dès lors possible d'obtenir une répartition plus homogène des réactifs sur la plaque bipolaire. En effet, le fluide circulant dans un canal de circulation étant plus riche en réactifs en entrée qu'en sortie, le tronçon de sortie d'un canal de circulation dans lequel le fluide est relativement moins riche en réactifs se situe entre le tronçon d'entrée dudit canal de circulation et le tronçon d'entrée d'un canal de circulation immédiatement consécutif relativement plus riches en réactifs. En d'autres termes, le tronçon de sortie dans lequel le fluide est moins riche en réactifs est intercalé entre deux tronçons d'entrée dans lesquels le fluide est riche en réactifs. Par ailleurs, la prévision de canaux de circulation comprenant des tronçons d'entrée et de sortie continus permet de faciliter la circulation de fluide dans lesdits canaux et de limiter les pertes de charge. Dans un mode de réalisation, la distance entre le tronçon de sortie d'un canal de circulation et le tronçon d'entrée dudit canal est sensiblement égale à la distance séparant ledit tronçon de sortie avec le tronçon d'entrée d'un canal de circulation consécutif. Avantageusement, chaque canal de circulation est constitué par un tronçon d'entrée, un tronçon intermédiaire, un tronçon de sortie, et deux coudes. Préférentiellement, les tronçons d'entrée, intermédiaire et/ou de sortie des canaux de circulation sont montés de façon parallèle entre eux. Avantageusement, les canaux de circulation sont identiques, de section constante, et montés en parallèle, de manière à obtenir une distribution des fluides particulièrement homogène. Dans un mode de réalisation, chaque canal de circulation est associé à une conduite d'entrée et à une conduite de sortie, les longueurs totales des ensembles constitués par un canal, une conduite d'entrée et une conduite de sortie en communication étant sensiblement égales entre elles Une telle disposition accroît encore l'homogénéité de la distribution des fluides au niveau de la plaque. Dans un autre mode de réalisation, les canaux de circulation sont reliés à une conduite d'entrée commune et à une conduite de sortie commune. Avantageusement, les canaux de circulation et les conduites d'entrée et de sortie sont agencés de manière que, dans une position verticale de la plaque, les écoulements de fluide circulent dans un sens descendant. Chaque tronçon d'entrée et/ou de sortie peut comporter une nappe de canaux en parallèle. L'invention concerne également une pile à combustible comprenant au moins une membrane échangeuse d'ions interposée entre une première et une seconde plaques bipolaires, au moins une des plaques comprenant une pluralité de canaux de circulation montés de façon consécutive entre eux et dans lesquels au moins un fluide réactif est destiné à circuler, chaque canal comprenant des tronçons d'entrée et de sortie continus et dans lesquels circulent respectivement un flux du fluide réactif à concentration relativement élevée et un flux du fluide réactif à concentration relativement faible. Le tronçon de sortie d'un canal de circulation est disposé entre le tronçon d'entrée dudit canal de circulation et le tronçon d'entrée d'un canal de circulation consécutif. Dans un mode de réalisation, les canaux de circulation de la première plaque sont montés en parallèle par rapport aux canaux de circulation de la seconde plaque. Dans un autre mode de réalisation, les canaux de circulation de la première plaque son montés en opposition par rapport aux canaux de circulation de la seconde plaque. La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels: -la figure 1 illustre un exemple d'agencement de canaux de circulation de fluide réactif d'une plaque bipolaire pour pile à combustible, - la figure 2 illustre un autre exemple d'agencement de canaux de circulation d'une plaque bipolaire, - la figure 3 illustre un troisième exemple d'agencement de canaux de circulation d'une plaque bipolaire, - la figure 4 illustre un quatrième exemple d'agencement de canaux de circulation d'une plaque bipolaire, - la figure 5 illustre un premier exemple de positionnement de canaux de circulation sur des plaques bipolaires d'une pile à combustible, et, - la figure 6 illustre un second exemple de positionnement de canaux de circulation sur des plaques bipolaires d'une pile à combustible. En référence aux figures 1 à 6, on va maintenant décrire différents modes de réalisation de canaux de circulation de fluide réactif pour plaque bipolaire de pile à combustible. Une plaque bipolaire de pile à combustible comprend un certain nombre de rainures qui délimitent entre elles, conjointement avec une membrane échangeuse d'ions, plusieurs canaux dans lesquels circule un fluide réactif. Sur la figure 1, on a représenté une pluralité de canaux de circulation, référencés 1 à 7, formés sur une plaque 8 bipolaire de forme générale en carré. Lesdits canaux se présentent sous la forme de rainures s'étendant sur une face de la plaque 8. Les canaux 1 à 7 s'étendent essentiellement en serpentins qui présentent un profil en forme de S inversé. Les canaux 1 à 7 sont montés de façon consécutive entre eux, ici en parallèle. Le premier canal 1 de circulation comprend un tronçon d'entrée 9, un tronçon intermédiaire 10, et un tronçon de sortie 11 circulant en parallèle. Le canal 1 est continu, c'est-à-dire que le tronçon d'entrée 9 débouche directement dans le tronçon intermédiaire 10 qui débouche dans le tronçon de sortie 11. En d'autres termes, les tronçons d'entrée, intermédiaire, et de sortie 9 à 11 ne sont que trois parties distinctes d'un seul et même canal 1. Le tronçon intermédiaire 10 comprend des portions d'entrée et de sortie de longueurs différentes, la portion de sortie étant située à proximité du tronçon de sortie 11. Ainsi, la majeure partie du tronçon intermédiaire 9 est un tronçon d'entrée. Le tronçon d'entrée 9 est relié à une conduite d'entrée 12 dont l'extrémité débouche directement au niveau d'un bord supérieur 8a de la plaque 8 et au voisinage d'un sommet, qui est sur la figure un sommet supérieur gauche. La conduite d'entrée 12 s'étend verticalement vers le bas, et est reliée au tronçon d'entrée 9 rectiligne cheminant sur la plaque 8 suivant une direction parallèle au bord supérieur 8a jusqu'à proximité d'un bord latéral 8b, qui est sur la figure un bord latéral droit. Le tronçon d'entrée 9 est prolongé verticalement vers le bas par un coude à 180 , lui-même prolongé par le tronçon intermédiaire rectiligne et parallèle au tronçon 9. Ledit tronçon intermédiaire 10 s'étend horizontalement en direction d'un bord latéral 8c gauche, et est prolongé verticalement vers le bas par un coude à 180 aligné verticalement avec la conduite d'entrée 12. Ledit coude est raccordé au tronçon de sortie 11 rectiligne, parallèle au tronçon d'entrée 9, et s'étendant en direction du bord latéral 8b. Les longueurs des tronçons d'entrée, intermédiaire, et de sortie 9 à 11 sont égales entre elles. Le tronçon de sortie 11 est relié à une conduite de sortie 13 aligné verticalement avec ledit coude à 180 reliant les tronçons d'entrée et intermédiaire 9 et 10. L'extrémité de la conduite de sortie 13 débouche directement au niveau d'un bord inférieur 8d de la plaque et au voisinage d'un sommet, qui est sur la figure un sommet inférieur droit. Dans le tronçon d'entrée 9 et dans le tronçon de sortie 11, le fluide circule dans un même sens d'écoulement, qui est opposé à la direction de cheminement du fluide à l'intérieur du tronçon intermédiaire 10. Le second canal 2 de circulation comprend des tronçons d'entrée, intermédiaire et de sortie 14, 14a et 15 présentant une structure identique à ceux du premier canal 1. Les canaux de circulation 1 et 2 sont juxtaposés et montés de façon parallèle entre eux de manière que le tronçon de sortie 11 du premier canal 1 de circulation soit disposé au voisinage du tronçon d'entrée 14 du second canal 2 consécutif, en étant décalé verticalement vers le haut. Ainsi, le tronçon de sortie 11 du premier canal 1 de circulation est disposé entre le tronçon intermédiaire 10 dudit canal, qui est ici un tronçon d'entrée, et le tronçon d'entrée 14 du second canal 2 de circulation. En d'autres termes, le tronçon de sortie 11 est bordé latéralement de part et d'autre par le tronçon intermédiaire 10 et 14. Avantageusement, les canaux 1 et 2 sont espacés entre eux de manière que la distance entre le tronçon de sortie 11 et le tronçon intermédiaire 10 soit sensiblement égale à la distance séparant ledit tronçon de sortie 11 avec le tronçon d'entrée 14 du second canal 2 de circulation. L'extrémité du tronçon d'entrée 14 est décalée horizontalement vers le bord latéral 8c par rapport à l'extrémité du tronçon d'entrée 9, et est reliée à une conduite d'entrée 16 parallèle à la conduite d'entrée 12 et débouchant directement au niveau du bord supérieur 8a. D'une manière analogue, l'extrémité du tronçon de sortie 15 est décalée horizontalement vers le bord latéral 8c par rapport à l'extrémité du tronçon de sortie 11, et est reliée à une conduite de sortie 17, parallèle à la conduite de sortie 13, et débouchant directement au niveau du bord inférieur 8d. Avantageusement, la longueur totale de l'ensemble constitué par les conduites 12 et 13 ainsi que par le premier canal 1 est sensiblement égale à celle de l'ensemble constitué par les conduites 16 et 17 et par le second canal 2. Les canaux de circulation 3 à 7 sont similaires aux canaux 1 et 2 précédemment décrits, la disposition relative d'un de ces canaux par rapport au canal immédiatement adjacent étant similaire à la position relative des canaux 1 et 2. Comme précisé précédemment, la majeure partie du tronçon intermédiaire 9 est un tronçon d'entrée. Pour chacun des canaux 2 à 7, le tronçon intermédiaire d'un canal présente une portion d'entrée plus réduite que le tronçon intermédiaire du canal le précédent de manière que la portion de sortie du tronçon intermédiaire du canal 7 soit située à proximité du tronçon d'entrée de ce canal, la majeure portion dudit tronçon intermédiaire étant ainsi un tronçon de sortie. Ainsi, de par la disposition relative des canaux entre eux, la répartition des réactifs sur la plaque bipolaire 8 est rendue plus homogène du fait de la circulation en parallèle des canaux sur la majeure partie de ladite plaque, de leur dimensionnement, et de la disposition adaptée des tronçons les plus proches de la sortie pour qu'un tronçon de sortie soit disposé entre des tronçons d'entrée de canaux immédiatement adjacents. La formation d'une pluralité de canaux permet également d'améliorer une homogénéisation de la répartition des réactifs sur l'ensemble de la plaque bipolaire. Par ailleurs, la prévision d'une pluralité de canaux séparés et comprenant uniquement deux coudes à 180 permet de limiter les pertes de charge dans chaque canal, favorisant ainsi la circulation de fluides dans lesdits canaux et limitant l'énergie nécessaire à apporter pour la circulation des fluides. On a prévu ici une alimentation des canaux 1 à 7 par des conduites d'entrée situés à proximité du sommet supérieur gauche de la plaque 8, et une évacuation par des conduites de sortie situés à proximité du sommet inférieur droit. Bien entendu, on pourrait prévoir une disposition inversée, à savoir des conduites d'entrée situées à proximité du sommet supérieur droit, et une évacuation par des conduites de sortie situées à proximité du sommet inférieur gauche. L'alimentation et l'évacuation du fluide respectivement par le bord supérieur et par le bord inférieur de la plaque 8 est particulièrement avantageuse pour l'écoulement des fluides lorsque la plaque se trouve dans une position verticale. Toutefois, il est également envisageable de prévoir une alimentation par le bord inférieur de la plaque et une évacuation par le bord supérieur, ou encore en prévoyant une alimentation et une évacuation sur les bords latéraux de la plaque, ou encore tel que représenté à la figure 2, en prévoyant une alimentation par le bord supérieur et une évacuation par le bord latéral droit. Comme illustré plus visiblement à la figure 3, il est également envisageable de prévoir une plaque 8 de forme générale rectangulaire pouvant être divisée en deux zones en carré ou rectangulaire, à l'intérieur de chacune desquelles chemine une pluralité de canaux 1 à 7 semblables à ceux décrits précédemment. En variante, il est également envisageable de prévoir un seul ensemble de canaux 1 à 7 cheminant sur toute la longueur de la plaque. Sur la figure 4, où les références aux éléments semblables à ceux des figures précédentes ont été reprises, une plaque bipolaire 8 comprend une pluralité de canaux de circulation 1 à 7, présentant une structure identique à celle décrite précédemment, reliés à une conduite d'entrée 18 commune dont l'extrémité débouche directement au niveau du bord supérieur 8a à proximité du sommet supérieur gauche, et reliés à une conduite de sortie 19 commune dont l'extrémité débouche directement au niveau du bord inférieur 8c à proximité du sommet inférieur droit. Les sections des conduites communes d'entrée 18 et de sortie 19 sont dimensionnées pour permettre l'écoulement des fluides dans l'ensemble des canaux. Dans ce mode de réalisation, les entrées et les sorties des canaux de circulation 1 à 7 sont ainsi alignées verticalement entre elles. En variante, il est également envisageable de remplacer chacun des canaux de circulation 1 à 7 par une nappe comprenant une pluralité de canaux, les canaux d'une nappe étant parallèles entre eux et ménagés dans l'épaisseur de la plaque bipolaire. Sur la figure 5. est représentée une plaque 8 sur laquelle les références aux éléments semblables à celles de la figure 1 ont été reprises, et une plaque 20. Lesdites plaques sont disposées verticalement de façon juxtaposée. Les plaques 8 et 20 constituent ici respectivement des plaques anodique et cathodique entre lesquelles peut être interposée une membrane échangeuse d'ions (non représentée). Les plaques 8 et 20 sont ici identiques entre elles et symétriques entre elles, les canaux de circulation d'une desdites plaques étant ainsi disposés de façon symétrique aux canaux de l'autre plaque, en considérant la membrane. Les canaux des plaques 8, 20 sont ainsi montés en parallèle. En variante, il est également envisageable de prévoir un montage des plaques 8 et 20, comme illustré à la figure 6, de manière que les canaux d'une plaque soient montés en opposition par rapport aux canaux de l'autre plaque. Une telle disposition verticale des plaques permet d'obtenir, lors de la circulation de fluides, un écoulement descendant dans chacun des canaux, et orienté dans le même sens que la force de pesanteur agissant verticalement vers le bas, selon la direction indiquée par les flèches G sur les figures 5 et 6. En effet, chaque canal est constitué de portions rectilignes s'étendant soit horizontalement d'un bord latéral de la plaque vers un bord latéral opposé, soit verticalement en direction d'un bord inférieur. En d'autres termes, chaque canal est dépourvu de portions s'étendant en direction d'un bord supérieur de ladite plaque. Ainsi, cette conception des canaux permet de faciliter l'écoulement des fluides, et de limiter le risque de bouchage total ou partiel des canaux, ce qui accroît la sûreté de fonctionnement d'une pile pourvue de telles plaques. Par ailleurs, l'agencement des canaux de distribution de manière à ce qu'une portion de canal pauvre en réactifs soit interposée entre deux portions riches en réactifs permet d'obtenir, de manière relativement simple et économique, une distribution plus homogène des fluides, ce qui assure également un fonctionnement optimal de la pile. REVENDICATIONS 1. Plaque bipolaire pour pile à combustible, notamment du type à membrane échangeuse d'ions, comprenant une pluralité de canaux de circulation (1 à 7) montés de façon consécutive entre eux et dans lesquels au moins un fluide réactif est destiné à circuler, chaque canal comprenant des tronçons d'entrée et de sortie continus et dans lesquels circulent respectivement un flux de fluide réactif à concentration relativement élevée et un flux de fluide réactif à concentration relativement faible, caractérisée en ce que le tronçon de sortie (11) d'un canal de circulation (1) est disposé entre le tronçon d'entrée (9) dudit canal de circulation et le tronçon d'entrée (14) d'un canal de circulation (2) consécutif. 2. Plaque selon la revendication 1, dans laquelle la distance entre le tronçon de sortie d'un canal de circulation et le tronçon d'entrée dudit canal de circulation est sensiblement égale à la distance séparant ledit tronçon de sortie avec le tronçon d'entrée d'un canal de circulation consécutif. 3. Plaque selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle chaque canal de circulation est constitué par un tronçon d'entrée, un tronçon intermédiaire, un tronçon de sortie, et deux coudes. 4. Plaque selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les tronçons d'entrée et/ou de sortie des canaux de circulation sont montés de façon parallèle entre eux. 5. Plaque selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les canaux de circulation (1 à 7) sont identiques, de section constante, et montés en parallèle. 6. Plaque selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle chaque canal de circulation est associé à une conduite d'entrée et à une conduite de sortie, les longueurs totales des ensembles constitués par un canal, une conduite d'entrée et une conduite de sortie en communication étant sensiblement égales entre elles. 7. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle les canaux de circulation sont reliés à une conduite d'entrée commune (18) et à une conduite de sortie commune (19). 8. Plaque selon la revendication 6 ou 7, dans laquelle les canaux de circulation et les conduites d'entrée et de sortie sont agencés de manière que, dans une position verticale de la plaque, les écoulements de fluide circulent dans un sens descendant. 9. Plaque selon la revendication 6 ou 7, dans laquelle au moins une des conduites d'entrée et de sortie débouche au niveau d'un bord latéral de la plaque. 10. Plaque selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle chaque tronçon d'entrée et/ou de sortie comporte une nappe de canaux en parallèle. 11. Pile à combustible comprenant au moins une membrane échangeuse d'ions interposée entre une première et une seconde plaques bipolaires, au moins une des plaques comprenant une pluralité de canaux de circulation (1 à 7) montés de façon consécutive entre eux et dans lesquels au moins un fluide réactif est destiné à circuler, chaque canal comprenant des tronçons d'entrée et de sortie continus et dans lesquels circulent respectivement un flux de fluide réactif à concentration relativement élevée et un flux de fluide réactif à concentration relativement faible, caractérisée en ce que le tronçon de sortie (11) d'un canal de circulation (1) est disposé entre le tronçon d'entrée (9) dudit canal de circulation et le tronçon d'entrée (14) d'un canal de circulation (2) consécutif. 12. Pile selon la revendication 11, dans laquelle des canaux de circulation de la première plaque sont montés en parallèle par rapport aux canaux de circulation de la seconde plaque. 13. Pile selon la revendication 11, dans laquelle les canaux de circulation de la première plaque sont montés en opposition par rapport aux canaux de circulation de la seconde plaque.