Brevet FR2897721A3 — publié le 20070824

FR 2897721 A3 20070824 FR 0650572 A 20060220 PLAQUE BIPOLAIRE POUR PILE A COMBUSTIBLE L'invention concerne le domaine des piles à combustibles. La pile à combustible apparaît de plus en plus comme le convertisseur d'énergie le plus propre et le plus efficace pour convertir l'énergie chimique en une énergie directement utilisable sous forme électrique et thermique. Son principe de fonctionnement est simple : il s'agit d'une combustion électrochimique et contrôlée d'hydrogène et d'oxygène, avec production simultanée d'électricité, io d'eau et de chaleur, selon la réaction chimique : H2 + %02 H2O Cette réaction s'opère au sein d'une structure d'un empilement 1 de cellules électrochimiques 2, 3 de la pile représentée à la figure 1. Ces cellules 2, 3 sont connectées en série, de façon à atteindre la 15 tension de fonctionnement de la chaîne de traction du véhicule. Chacune des cellules 2, 3 comprend deux électrodes, dont une anode 7 et une cathode 8, auxquelles sont apportés un comburant et un combustible, qui restent séparées par une membrane échangeuse d'ions faisant office d'électrolyte 9. La membrane 9 20 échangeuse d'ions peut être formée d'un électrolyte 9 solide polymère et sépare le compartiment de l'anode 7, où se produit l'oxydation du combustible, tel que l'hydrogène, du compartiment de la cathode 8, où le comburant, tel que l'oxygène de l'air, est réduit. L'électricité produite par la pile à combustible se 25 décompose en plusieurs étapes. Il y a d'abord une consommation de l'hydrogène pour former des protons et des électrons à l'anode 7 selon la réaction suivante : H2 * 2H+ + 2e- Les protons et les électrons sont ensuite transférés 30 respectivement par l'électrolyte 9 et par les plaques bipolaires 4 ou 5. Un circuit extérieur 10 comprenant un moteur électrique 11 permet la circulation des électrons formés à l'anode 7 jusqu'à la cathode 8 où ils sont consommés. L'oxygène de l'air est enfin combiné avec les -2 protons et les électrons à la cathode 8 pour former de l'eau selon la réaction suivante : 02+2H++2e- * Hep Chaque cellule 2, 3 d'un empilement d'une pile à combustible est ainsi constituée d'un ensemble central comprenant la membrane 9, positionnée entre les deux électrodes 7, 8, cet ensemble 6 étant lui-même placé entre deux flasques, appelées plaques bipolaires 4, 5. Ces plaques 4, 5 ont, en particulier, pour fonction d'amener au contact de l'ensemble 6 réunissant la membrane 9 et les électrodes io 7, 8 d'un côté le carburant, par exemple de l'hydrogène, et de l'autre côté le comburant, par exemple l'oxygène de l'air. Pour ce faire, des canaux de distribution 17, 18 sont prévus sur toute la face des plaques polaires en contact avec la membrane 9. Dans la suite de la description, le canal de distribution situé du côté de l'anode 7 est 15 appelé canal anodique 17 et le canal de distribution du côté de la cathode 8 est appelé canal cathodique 18. Chaque canal de distribution 17, 18 possède une entrée par laquelle pénètre le comburant ou le carburant, par exemple sous la forme gazeuse sèche ou humide, et une sortie par laquelle sont évacués les gaz 20 neutres, l'eau générée par la réaction d'oxydo-réduction dans le côté air et l'humidité résiduelle de l'hydrogène de son côté. Généralement, les canaux de distribution 17, 18 sont gravés ou emboutis de façon à ce que les canaux anodiques 17 et les canaux cathodiques 18 coïncident d'un côté et de l'autre de 25 l'ensemble 6. Les réactifs arrivant par les canaux pénètrent à travers l'ensemble 6 pour réagir au niveau de la membrane 9. La densité de courant est généralement supérieure dans les zones de l'ensemble 6 correspondant aux canaux 17, 18. En d'autres termes, la réaction chimique se réalise face aux canaux 17, 18, où les réactifs arrivent 30 directement. La densité de courant n'est donc pas homogène sur la membrane 9. Différentes solutions ont été proposées de façon à essayer d'homogénéiser la distribution de densité de courant. Par exemple, le brevet US2005/0064263 propose une pile à combustible dont les -3 canaux anodiques et cathodiques sont ondulés et positionnés de telle façon que les espaces entre les canaux cathodiques sont plus petits que ceux des canaux anodiques. Néanmoins, ces agencements ne suffisent pas à améliorer considérablement les performances de la pile à combustible. Afin de pallier ces inconvénients, l'invention a pour objet d'améliorer les performances d'une pile à combustible. L'invention a aussi pour objet d'homogénéiser la distribution de la densité de courant sur la surface de la cellule d'une pile à io combustible. A cet effet, l'invention propose une pile à combustible comprenant au moins une membrane échangeuse d'ions, interposée entre une anode et une cathode, cet ensemble étant lui-même interposé entre deux plaques bipolaires qui comportent des canaux 15 de distribution anodiques et cathodiques, caractérisé en ce que les canaux anodiques et les canaux cathodiques ne sont pas situés face à face. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, un canal est situé en face d'un espace intercanal. 20 Selon d'autres caractéristiques de l'invention, la dimension d'un canal est sensiblement supérieure ou égale à la dimension d'un espace intercanal. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, la dimension d'un espace intercanal et la dimension d'un canal sont sensiblement 25 identiques. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'exemples de réalisation en référence aux figures annexées. La figure 1 représente schématiquement une pile à 30 combustible de l'état de la technique. La figure 2 représente une vue en coupe longitudinale d'une pile à combustible selon un premier mode de réalisation de l'invention. -4 La figure 3 représente une vue en coupe longitudinale d'une pile à combustible selon un second mode de réalisation de l'invention. Dans la description qui suit, nous prendrons à titre non limitatif une orientation longitudinale, verticale et transversale indiquée par le trièdre L, V, T des figures 1 à 3. Des éléments identiques ou analogues sont désignés par les mêmes chiffres de référence. Dans l'état de la technique, telle que représentée à la figure io 1, une pile à combustible a été décrite précédemment. Telle que représentée aux figures 2 et 3, une pile à combustible comprend, de la même façon que dans l'état de la technique, deux cellules électrochimiques 2, 3. Chaque cellule 2, 3 comprend un ensemble formé par une anode 7, une cathode 8 et un 15 électrolyte 9 situé entre l'anode 7 et la cathode 8. L'ensemble formé par l'anode 7, l'électrolyte 9 et la cathode 8 est placé entre deux plaques bipolaires 4, 5 dans lesquelles circulent les réactifs de la réaction d'oxydo-réduction via les canaux de distribution 17, 18. L'invention propose d'agencer les canaux anodiques 17 et 20 les canaux cathodiques 18 de telle manière qu'ils soient décalés les uns par rapport aux autres dans une vue en coupe selon l'axe longitudinal L. En d'autres termes, les canaux anodiques 17 et les canaux cathodiques 18 ne sont pas agencés face à face dans une vue en coupe selon l'axe longitudinal L. 25 Selon un premier mode de réalisation de l'invention, tel que représenté à la figure 2, chaque canal anodique 17 est positionné face à un espace situé entre deux canaux cathodiques, appelé espace intercanal 14. De la même façon, chaque canal cathodique 18 est positionné face à un espace intercanal 14. Tel que représenté 30 à la figure 2, l'épaisseur d'un canal anodique 17, l'épaisseur d'un canal cathodique 18 et la distance entre deux canaux anodiques 17 ou cathodiques 18 correspondant à l'intercanal 14 sont sensiblement égales. -5 Selon un second mode de réalisation de l'invention, tel que représenté à la figure 3, l'épaisseur d'un canal anodique 17, l'épaisseur d'un canal cathodique 18 sont sensiblement égales et plus grandes que la distance entre deux canaux anodiques 17 ou cathodiques 18 correspondant à l'intercanal 14. Dans ce cas, un canal anodique 17 est situé face à un intercanal 14 et une partie de deux canaux cathodiques 18. De la même façon, un canal cathodique 18 est situé face à un intercanal 14 et une partie de deux canaux anodiques 17. io L'invention permet ainsi de mieux répartir l'utilisation de la surface de la membrane 9. De cette façon, la réaction d'oxydoréduction est plus uniforme sur la membrane 9 ce qui a pour effet d'homogénéiser la production de la densité de courant sur la membrane 9. Ainsi, la distribution de la densité de courant et la 15 distribution de puissance thermique dégagée par la réaction sont plus homogènes sur les plaques bipolaires. Par ailleurs, la production d'eau est elle aussi plus uniforme ce qui facilite son évacuation. 20 REVENDICATIONS 1. Pile à combustible comprenant au moins une membrane échangeuse d'ions (9), interposée entre une anode (7) et une cathode (8), cet ensemble étant lui-même interposé entre deux plaques bipolaires (4, 5) qui comportent des canaux de distribution anodiques (17) et cathodiques (18) caractérisée en ce que les canaux anodiques (17) et les canaux cathodiques (18) ne sont pas situés face à face. i0 2. Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un canal (17, 18) est situé en face d'un espace intercanal (14). 3. Pile à combustible selon la revendication 2, caractérisée en ce que 15 la dimension d'un canal (17, 18) est sensiblement supérieure ou égale à la dimension d'un espace intercanal (14). 4. Pile à combustible selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la dimension d'un espace intercanal (14) et la 20 dimension d'un canal (17, 18) sont sensiblement identiques.