Brevet FR2896916A1 — publié le 20070803

"Pile à combustible comportant des moyens pour maintenir les plaques bipolaires d'au moins une cellule pressées l'une contre l'autre" L'invention concerne une pile à combustible pour un véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement une pile à combustible, notamment pour un véhicule automobile, qui comporte au moins une cellule comportant : - une membrane transversale centrale d'échange ionique io qui sépare axialement une anode et une cathode ; - une paire de plaques bipolaires transversales qui sont disposées axialement de part et d'autre de l'anode et de la cathode ; - un joint périphérique d'étanchéité qui entoure transver- is salement la membrane centrale, la cathode et l'anode, et qui est enserré entre les deux plaques bipolaires ; la pile à combustible comportant des moyens pour maintenir les plaques bipolaires de la cellule dans une position pressée dans laquelle les plaques bipolaires sont pressées axialement l'une 20 contre l'autre. Les piles à combustible comportent généralement un empilement de plusieurs cellules élémentaires. De manière connue, les cellules sont maintenues les unes par rapport aux autres par des tirants qui traversent axialement la pile à 25 combustible sur toute sa longueur. Pour le bon fonctionnement de la pile à combustible, chaque cellule doit être soumise à une force axiale de compression mécanique de manière à assurer un bon contact, notamment électrique, entre les différentes couches qui 30 constituent chaque cellule élémentaire. De plus, cette même force axiale de compression mécanique permet de comprimer le joint entre les deux plaques bipolaires de manière à assurer l'étanchéité de la cellule 2 élémentaire, et notamment d'éviter les fuites du carburant et du comburant qui alimentent la cellule. La compression des cellules est obtenue en vissant des écrous aux deux extrémités des tirants de manière à comprimer axialement et conjointement toutes les cellules de la pile à combustible. Cependant, lorsqu'une des cellules de la pile à combustible est défectueuse, il est nécessaire de retirer les tirants et de démonter toutes les cellules pour remplacer la cellule io défectueuse. Ainsi toutes les cellules doivent être de nouveau pressées lors du remontage de la pile à combustible. De plus, les systèmes de compression utilisant des tirants et des écrous sont encombrants et lourds, ce qui est handicapant pour une utilisation de la pile à combustible dans un véhicule is automobile dans lequel la place est limitée, et le poids augmente l'inertie du véhicule. En outre, le procédé d'assemblage d'une telle pile à combustible est long et onéreux. Pour résoudre ce problème l'invention propose une pile à 20 combustible du type décrit précédemment, caractérisée en ce que les plaques bipolaires sont maintenues en position pressée au moyen de rivets qui sont reçus dans des orifices de fixation des plaques bipolaires. Selon d'autres caractéristiques de l'invention 25 - la pile à combustible comporte un empilement axial d'une pluralité de cellules, les plaques bipolaires de chaque cellule étant maintenues pressées l'une contre l'autre, indépendamment des autres cellules, au moyen de rivets associés ; - la pile à combustible comporte un ensemble d'au moins 30 deux cellules qui sont empilées axialement l'une sur l'autre, les rivets traversant axialement au moins deux cellules de manière à presser conjointement les deux cellules l'une contre l'autre entre les deux plaques bipolaires d'extrémité de l'ensemble ; 3 - toutes les cellules de la pile à combustible sont maintenues pressées conjointement au moyen des rivets ; -la pile à combustible est divisée en au moins deux tronçons formés chacun d'un ensemble d'au moins deux cellules, toutes les cellules de chaque ensemble étant pressées conjointement au moyens de rivets, chaque ensemble étant pressé indépendamment de l'autre ; - les orifices de fixation sont agencés à la périphérie des plaques bipolaires, de manière que les rivets traversent io axialement le joint d'étanchéité ; - les - les - les - les rivets sont des rivets tubulaires ; rivets sont des rivets fendus ; rivets sont des rivets forés ; rivets sont des rivets aveugles ; 15 - les plaques bipolaires d'extrémité de chaque ensemble comportent des lamages qui sont agencés coaxialement aux orifices de fixation destinés à recevoir la tête des rivets associés ; - au moins une plaque bipolaire d'extrémité de chaque ensemble comporte des lamages pour recevoir les têtes des rivets 20 de l'ensemble adjacent de l'empilement. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés parmi lesquels : 25 - la figure 1 est une vue de côté qui représente schématiquement une pile à combustible qui comporte une pluralité de cellules et qui est réalisé selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue éclatée de côté qui représente une 30 cellule de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en section selon le plan de coupe 3-3 de la figure 1 ; 4 - la figure 4 est une vue similaire à celle de la figure 3 qui représente une pile à combustible réalisée selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Pour la suite de la description, on adoptera à titre non limitatif une orientation axiale indiquée par la flèche V des figures et dirigée de bas vers le haut. Pour la suite de la description, des éléments similaires, analogues ou identiques seront désignés par des mêmes numéros de référence. io On a représenté à la figure 1 une pile à combustible 10 qui comporte un empilement axial d'axe "A" d'une pluralité de cellules 12. Une telle pile à combustible 10 est susceptible de comporter de une à plusieurs dizaines voire plus d'une centaine de cellules 12. 15 Chaque cellule 12 de la pile à combustible 10 est alimentée en carburant et en comburant par l'intermédiaire d'un dispositif d'alimentation (non représenté) afin de produire du courant électrique aux deux bornes 14 d'extrémité axiale de la pile à combustible 10. 20 Toutes les cellules 12 ont une architecture analogue. Une cellule 12 est représentée plus en détail à la figure 2. Chaque cellule 12 comporte une membrane centrale 16 qui s'étend dans un plan transversal par rapport à l'axe "A". La membrane 16 est appelée membrane d'échange ionique. Elle est 25 par exemple réalisée en un matériau polymère. La membrane centrale 16 est enserrée axialement entre une anode 18 et une cathode 20. L'anode 18 et la cathode 20 se présentent chacune sous la forme d'une feuille qui s'étend dans un plan transversal. La membrane 16 sépare ainsi axialement 30 l'anode 18 de la cathode 20. L'ensemble formé par la superposition de l'anode 18, de la membrane 16 et de la cathode 20 sera appelé par la suite le coeur 21 de la cellule 12. La cellule 12 comporte aussi une paire de plaques transversales 22 d'extrémité, dites plaques bipolaires, de mêmes dimensions qui sont agencées axialement de part et d'autre de l'anode 18 et de la cathode 20. Les plaques bipolaires 22 s enserrent axialement le coeur 21 de la cellule 12. Les plaques bipolaires 22 sont réalisées en un matériau conducteur de courant électrique. Chaque plaque bipolaire comporte une face interne dont une portion centrale 24 est au contact de l'anode 18, io respectivement de la cathode 20. La portion centrale 24 comporte des sillons de distribution d'un fluide réactif tel que du carburant, respectivement du comburant. L'anode 18 est destinée à être alimentée en carburant tandis que la cathode 20 est destinée à être alimentée en 15 comburant. Il se produit alors une réaction chimique qui provoque une migration d'ions à travers la membrane 16, et qui provoque une migration d'électrons au travers des plaques bipolaires 22, produisant ainsi une différence de potentiel électrique entre les deux plaques bipolaires 22 de la cellule 12. 20 La cellule 12 comporte ici des feuilles de diffusion 23 du fluide réactif qui sont interposées entre les plaques bipolaires 22 et l'anode 18, respectivement la cathode 20 afin de répartir le fluide réactif sur toute la surface de l'anode 18, respectivement de la cathode 20. 25 Les plaques bipolaires 22 ont des dimensions transversales supérieures à celles du coeur 21 de la cellule 12 de manière que la face interne de chaque plaque bipolaire 22 comporte une bande périphérique 25 qui entoure la portion centrale 24 de manière à ce que la bande périphérique 25 ne soit 30 pas en contact avec l'anode 18, respectivement avec la cathode 20. Les bandes périphériques 25 des deux plaques bipolaires 22 sont en vis-à-vis l'une de l'autre. 6 La cellule 12 comporte aussi au moins un joint périphérique d'étanchéité 26 en forme de cadre qui s'étend dans un plan transversal en entourant le coeur 21 de la cellule 12. Le joint d'étanchéité 26 s'étend ainsi dans le même plan que le coeur 21 de la cellule 12. Le joint d'étanchéité 26 est interposé axialement entre les bandes périphériques 25 des deux plaques bipolaires 22. Les plaques bipolaires 22 sont pressées l'une contre l'autre de manière que les plaques bipolaires 22 soient pressées axialement io l'une contre l'autre. Ainsi, le joint d'étanchéité 26 est comprimé entre les plaques bipolaires 22 assurant l'étanchéité de la cellule 12 à la jointure entre les deux plaques bipolaires 22. Le joint d'étanchéité 26 permet ainsi d'éviter que du fluide réactif ne fuie à l'extérieur de la cellule 12. 15 Les plaques bipolaires 22 comportent ici des orifices 41 de d'alimentation qui permettent d'alimenter en fluides réactifs les sillons de distribution des plaques bipolaires 22. Le joint d'étanchéité 26 comporte aussi des orifices d'alimentation 43 similaire coïncidant avec les orifices d'alimentation 41 des 20 plaques bipolaires 22 afin de permettre le passage des fluides réactifs jusqu'aux sillons de distribution. Pour maintenir les plaques bipolaires 22 pressées axialement l'une contre l'autre en permanence, les plaques bipolaires 22 sont fixées l'une à l'autre au moyen de rivets 28. 25 Comme représenté à la figure 3, un rivet 28 est un élément d'assemblage de pièces plates, non démontable, formé d'une tige axiale 30 dont une première extrémité est renflée pour former une première tête 32, et dont on écrase la deuxième extrémité pour former une deuxième tête 32. Les rivets 28 sont aptes à maintenir 30 les plaques bipolaires 22 dans une position pressée dans laquelle les deux plaques bipolaires 22 de la cellule 12 sont pressées axialement l'une contre l'autre entre les deux têtes 32 des rivet 28. 7 Comme représenté aux figures 2 et 3, les plaques bipolaires 22 comportent des orifices de fixation 34 pour permettre le passage axialement de la tige 30 des rivets 28. Dans l'exemple représenté à la figure 3, un lamage 36 est réalisé dans la face externe 38 de chaque plaque bipolaire 22 autour de chaque orifice de fixation 34 de manière à loger la tête 32 du rivet 28 reçu dans l'orifice de fixation 34. Ainsi, la tête 32 du rivet 28 ne fait pas saillie axialement par rapport à la face externe de la plaque bipolaire 22. Il est donc possible d'empiler io axialement plusieurs cellules 12 de manière que les faces externes 38 de deux plaques bipolaires 22 adjacentes soient en contact plan l'une avec l'autre. Comme représenté aux figures 2 et 3, les orifices de fixation 34 sont agencés à la périphérie des plaques bipolaires 22 15 de manière que leur tige 30 ne traverse pas le coeur 21 de la cellule 12. Les orifices de fixation 34 sont ici plus particulièrement agencés de manière à déboucher dans la bande périphérique 25 de la plaque bipolaire 22, au droit du joint d'étanchéité 26. Le joint d'étanchéité 26 comporte des orifices de passage 20 40 coïncidant avec les orifices de fixation 34 des plaques bipolaires 22 pour permettre le passage de la tige 30 des rivets 28. On a représenté à la figure 2 une cellule 12 munie de dix rivets 28 répartis régulièrement le long du pourtour de la plaque 25 bipolaire 22. Cependant, le nombre de rivets 28 utilisés pour le maintien des cellules 12 sera bien sûr adapté en fonction de différents paramètres tels que notamment la force nécessaire pour maintenir les plaques en position pressée et/ou la dimension des cellules 12. 30 Il est possible d'utiliser tous les types de rivets connus et adaptés pour un tel usage dont on cite par la suite quelques exemples à titre non limitatif. 8 Les rivets du type fendus comportent une tige 30 dont une première extrémité est conformée en tête 32 et dont la deuxième extrémité est fendue axialement. Au moment de la pose du rivet 28, la tige 30 est insérée dans l'orifice de fixation 34 associé, puis les parties fendus de la tige 30 sont rabattues de part et d'autre de la tige 30 de manière à former la deuxième tête 32. Les rivets du type foré comportent une tige 30 dont une première extrémité forme une première tête et dont la deuxième extrémité présente un taraudage axial. Lors de la pose du rivet, la io tige 30 est introduite dans l'orifice de fixation 34 de manière que la deuxième extrémité fasse saillie par rapport à la face externe 38 de la plaque bipolaire 22. Puis la deuxième extrémité taraudée est rabattue en couronne autour de la tige 30 contre la face externe 38 de la plaque bipolaire 22 de manière à former la is deuxième tête 32. Les rivets du type aveugle comportent une tige 30 tubulaire dont une première extrémité est conformée en une première tête 32. Une barre de traction est insérée coaxialement à l'intérieur de la tige 30. La barre de traction est apte à tirer la deuxième 20 extrémité du rivet 28, en direction de la première extrémité 32, de manière à déformer la deuxième extrémité pour la conformer en une deuxième tête 32. La barre de traction est par exemple un clou dont la tête est en appui contre la deuxième extrémité de la tige 30 du rivet 25 28. Le clou comporte de préférence une amorce de rupture de manière que sa tête soit séparée du reste du clou lors de la traction et reste ainsi emprisonnée dans la deuxième extrémité déformée du rivet 28 pour participer à la formation de la deuxième tête 32 du rivet 28. 30 Les rivets 28 du type tubulaire comportent deux parties tubulaires complémentaires, une première partie mâle et une deuxième partie femelle. Chaque partie tubulaire comporte une 9 tête 32 déjà formée. La partie mâle pénètre à force dans la partie femelle de manière à former la tige 30 du rivet 28. Selon le type de rivet 28 utilisé, le rivet 28 peut être déformé à chaud ou à froid. Lors de l'assemblage de la cellule 12, le coeur 21 est agencé entre les deux plaques bipolaires 22. Puis un effort de compression axiale est appliqué à la cellule 12 par des moyens de compression non représentés. Les plaques sont alors dans leur position pressée. L'effort de compression axiale est maintenu io le temps de fixer les rivets 28 dans les orifices de fixation 34. Une fois que les plaques bipolaires 22 sont fixées l'une à l'autre au moyen des rivets 28, les moyens de compression relâchent leur effort de compression sur les plaques bipolaires 22 de la cellule 12. Les rivets 28 permettent de maintenir les plaques is en position pressée. Les têtes 32 des rivets empêchent en effet, les plaques bipolaires 22 de s'écarter axialement l'une de l'autre. Les têtes 32 sont elle-même retenues axialement l'une par rapport à l'autre par la tige 30 du rivet 28. C'est donc la tige 30 des rivets 28 qui supporte la contrainte de traction nécessaire pour 20 maintenir les plaques bipolaires 22 en position pressée. Les rivets 28 présentent notamment l'avantage d'être simples et rapides à fixer sur les cellules 12. Les cellules 12 ainsi obtenues sont ensuite empilées axialement pour former la pile à combustible 10 qui est illustrée à 25 la figure 1. Les plaques bipolaires 22 de chaque cellule 12 sont ainsi maintenues en position pressée par des rivets associés, indépendamment des autres cellules 12, c'est-à-dire qu'une cellule 12, par exemple défectueuse, peut être retirée de la pile à combustible 10 tout en maintenant les plaques bipolaires des 30 autres cellules 12 en position pressée. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention qui est représenté à la figure 4, la pile à combustible 10 comporte plusieurs tronçons dont chacun comporte un ensemble 42 de i0 plusieurs cellules 12. Chaque ensemble 42 est constitué d'un empilement axial de plusieurs cellules 12, ici un ensemble comporte une première cellule supérieure 12A et une deuxième cellule inférieure 12B. Les deux cellules 12 sont empilées axialement de manière que la plaque bipolaire inférieure 22 de la cellule supérieure 12A soit en contact plan avec la plaque bipolaire supérieure adjacente 22 de la cellule inférieure 12B. Pour la suite de la description, les deux plaques bipolaires 22 adjacentes seront appelées plaques io bipolaires internes 22i tandis que les deux autres plaques bipolaires 22 seront appelées plaques bipolaires d'extrémité axiale 22e de l'ensemble 42. Dans une telle configuration, les deux plaques bipolaires internes 22i peuvent être réalisées en deux éléments distincts, is comme illustré à la figure 4, ou en un seul élément formé venu de matière qui forme une plaque bipolaire mitoyenne 22i (non représentée) entre les deux cellules 12 adjacentes. Les plaques bipolaires 22 des deux cellules 12 sont maintenues conjointement en position pressée au moyen de rivets 20 28. Ainsi, la tige de chaque rivet 28 traverse axialement les deux cellules 12 et les têtes 32 d'extrémité du rivet 28 sont en appui sur les faces externes des plaques bipolaires d'extrémité 22e de l'ensemble 42. Ainsi les rivets 28 maintiennent conjointement en position pressée les plaques bipolaires 22 des deux cellules 12 de 25 l'ensemble 42. Les rivets 28 maintiennent ainsi les deux cellules 12A, 12B pressées conjointement l'une contre l'autre entre les deux plaques bipolaires d'extrémité 22e de l'ensemble 42. Les têtes 32 des rivets 28 empêchent les plaques bipolaires d'extrémité 22e de 30 s'écarter axialement l'une de l'autre. Le procédé de réalisation de l'assemblage est sensiblement le même que décrit précédemment, si ce n'est que les cellules 12 sont empilées l'une sur l'autre avant d'être soumises à l'effort de compression axial par les moyens de compression. Les ensembles 42 de cellules 12 sont ensuite empilés axialement les uns sur les autres pour former la pile à 5 combustible 10. Les cellules 12 de chaque ensemble 42 sont ainsi maintenus conjointement en position pressée par des rivets associés, indépendamment des cellules de autres ensembles 42, c'est-à-dire qu'il est possible de retirer une cellule d'un premier io ensemble 42 sans que les rivets 28 des autres ensembles 42 de la pile à combustible 10 ne soient retirés. Les cellules 12 des autres ensembles 42 restent donc en position pressée. Seules les cellules 12 de l'ensemble 42 défectueux ne sont plus maintenues en position pressée. 15 Selon une variante de l'invention qui est représentée à la figure 4 et qui est applicable aux deux modes de réalisation, les lamages 36 sont réalisés dans une seule des plaque bipolaire 22 d'extrémité de l'ensemble 42 pour loger la tête 32 des rivets 28 de l'ensemble 42 adjacent. 20 Ainsi, dans l'exemple représenté à la figure 4, la face externe 38 de la plaque bipolaire d'extrémité supérieure 22e ne comporte pas de lamage tandis que la face externe 38 de la plaque bipolaire d'extrémité inférieure 22e comporte des lamages 36 qui sont agencés autour des orifices de fixation 34. Les 25 lamages 36 sont ainsi aptes à loger la tête inférieure 32 des rivets 28 de l'ensemble 42 mais aussi la tête supérieure 32 de rivets 28 d'un ensemble inférieur adjacent représenté en traits interrompus à la figure 4. Selon une variante non représentée de l'invention, lorsque 30 la pile à combustible 10 comporte un petit nombre de cellules 12, il est possible de maintenir conjointement toutes les cellules 12 en position pressée au moyen des rivets 28. REVENDICATIONS 1. Pile à combustible (10), notamment pour un véhicule automobile, qui comporte au moins une cellule (12) comportant : - une membrane (16) transversale centrale d'échange ionique qui sépare axialement une anode (18) et une cathode (20) ; - une paire de plaques bipolaires transversales (22) qui sont disposées axialement de part et d'autre de l'anode (18) et de la cathode (20) ; lo - un joint (26) périphérique d'étanchéité qui entoure transversalement la membrane centrale (16), la cathode (20) et l'anode (18), et qui est enserré entre les deux plaques bipolaires (22) ; la pile à combustible (10) comportant des moyens (28) 1s pour maintenir les plaques bipolaires (22) de la cellule (12) dans une position pressée dans laquelle les plaques bipolaires (22) sont pressées axialement l'une contre l'autre, caractérisée en ce que les plaques bipolaires (22) sont maintenues en position pressée au moyen de rivets (28) qui sont 20 reçus dans des orifices de fixation (34) des plaques bipolaires (22). 2. Pile à combustible (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un empilement axial d'une pluralité de cellules (12), et en ce que les plaques bipolaires (22) 25 de chaque cellule (12) sont maintenues pressées l'une contre l'autre, indépendamment des autres cellules, au moyen de rivets (28) associés. 3. Pile à combustible (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte un ensemble (42) d'au moins 30 deux cellules (12A, 12B) qui sont empilées axialement l'une sur l'autre, et en ce que les rivets (28) traversent axialement au moins deux cellules (12A, 12B) de manière à presser conjointement les deux cellules (12A, 12B) l'une contre l'autre 13 entre les deux plaques bipolaires d'extrémité (22e) de l'ensemble (42). 4. Pile à combustible (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que toutes les cellules (12) de la pile à combustible (10) sont maintenues pressées conjointement au moyen des rivets (28). 5. Pile à combustible (10) selon la revendication 3, caractérisée en ce que la pile à combustible (10) est divisée en au moins deux tronçons formés chacun d'un ensemble (42) d'au moins deux cellules (12A, 12B), et en ce que toutes les cellules (12A, 12B) de chaque ensemble (42) sont pressées conjointement au moyens de rivets (28), chaque ensemble (42) étant pressé indépendamment de l'autre. 6. Pile à combustible (10) selon la revendication 1s précédente, caractérisée en ce que les orifices de fixation (34) sont agencés à périphéries des plaques bipolaires (22), de manière que les rivets (28) traversent axialement le joint d'étanchéité (26). 7. Pile à combustible (10) selon l'une quelconque des 20 revendications précédentes, caractérisée en ce que les rivets (28) sont des rivets tubulaires. 8. Pile à combustible (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les rivets (28) sont des rivets fendus. 25 9. Pile à combustible (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les rivets (28) sont des rivets forés. 10. Pile à combustible (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les rivets (28) sont 30 des rivets aveugles. 11. Pile à combustible (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les plaques bipolaires d'extrémité (22e) de chaque ensemble (42) comportent 14 des lamages (36) qui sont agencés coaxialement aux orifices de fixation (34) destinés à recevoir la tête (32) des rivets (28) associés. 12. Pile à combustible (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que au moins une plaque bipolaire d'extrémité (22e) de chaque ensemble (42) comporte des lamages (36) pour recevoir les têtes (32) des rivets (28) de l'ensemble (42) adjacent de l'empilement. Io