Brevet FR2891404A1 — publié le 20070330

Pile à combustible alimentée par un système de distribution de fluides L'invention concerne une pile à combustible, notamment utilisée comme source électrique à bord d'un véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement un système de distribution de fluide alimentant cette pile à combustible en réactifs. Une telle pile à combustible 10, dont un exemple est représenté figure 1, est généralement formée d'un empilement de io cellules 11 dont chacune est composée d'une cathode plane 12 et d'une anode plane 14, séparées par une membrane électrolytique 16, en matériau polymère dans les cas des piles PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) et en céramique dans le cas des SOFC (Solid Oxyd Fuel Cell). Les cellules 11 de l'empilement sont is séparées par des plaques 18 destinées à alimenter les électrodes en réactifs. Les cathodes planes 12 sont ainsi alimentées en comburant, qui peut être de l'air atmosphérique ou toute autre source d'oxygène tandis que les anodes planes 14 sont alimentées en carburant, qui est de l'hydrogène H2. L'alimentation en hydrogène et oxygène de cette pile 10 est assurée par un système qui permet pour chaque réactif de distribuer, à partir d'une source unique, un fluide à des plaques alimentant des électrodes. Un tel système comporte: - des faisceaux de conduits parallèles 19 entre eux agencés dans des plaques 18 également parallèles entre elles et fournissant au moins un fluide aux électrodes; - au moins un collecteur 20 qui s'étend longitudinalement et qui comporte un orifice principal d'entrée 22 et une série d'orifices secondaires latéraux 24 reliés aux plaques 18 pour distribuer au moins un fluide dans les conduits 19; - et des moyens pour homogénéiser la répartition du fluide dans l'ensemble des plaques. Le système est généralement équipé d'un collecteur de sortie (non représenté à la figure 1) du même type que le collecteur d'entrée 20 et qui recueille le fluide n'ayant pas réagi, mélangé aux fluides produits par la réaction, pour le diriger vers un point d'échappement unique. Il existe deux possibilités d'alimentation de l'empilement en fonction du sens d'écoulement du fluide dans un tel système de distribution. Selon la première possibilité, les orifices principaux 22 io dans les collecteurs d'entrée 20 et de sortie 30 sont situés du même côté de l'empilement, de telle sorte que si le fluide s'écoule longitudinalement de gauche à droite dans le collecteur d'entrée 20 alors il s'écoule dans le sens inverse, de droite à gauche, dans le collecteur de sortie. Cette possibilité est appelée communé- is ment empilement en "U" ("U stack"). Selon la seconde possibilité, les orifices principaux dans les collecteurs d'entrée 20 et de sortie sont situés de part et d'autre de l'empilement, de telle sorte que le fluide s'écoule longitudinalement de gauche à droite dans le collecteur d'entrée et également dans le collecteur de sortie. Cette possibilité est appelée communément empilement en "Z" ("Z stack"). Il existe aussi des piles à combustible fonctionnant en mode dit "impasse" à l'anode 12. Dans une telle pile, le système de distribution anodique comporte alors un collecteur d'entrée du type décrit précédemment par lequel le carburant alimente les différentes anodes, mais il ne comporte pas collecteur de sortie du carburant. Avantageusement par rapport à un mode de fonctionnement traditionnel à l'anode, le mode de fonctionnement en "impasse" à l'anode permet de consommer sensiblement la totalité du carburant. Ainsi, il n'est pas nécessaire de prévoir un traitement du carburant non consommé. Toutes les cellules 11 d'une telle pile 10 sont, en général, reliées électriquement en série mais la distribution des fluides réactifs est effectuée en parallèle entre les cellules 11. La puissance électrique produite par la pile 10 est proportionnelle aux débits de comburant et de carburant. Il est donc nécessaire que toutes les cellules 11 soient alimentées de manière la plus homogène possible pour assurer un bon fonctionnement global de la pile 10. Dans un tel système de distribution de fluides dans les io piles à combustible, les collecteurs d'entrée et de sortie ont des sections constantes le long de l'empilement. Or, les pertes de charges systématiques "freinent" le flux, ce qui diminue progressivement le débit le long de l'écoulement dans le collecteur. Ainsi toutes les cellules 11 ne sont pas alimentées de is la même manière et cela a pour effet de réduire fortement le rendement global de l'empilement. Dans l'état actuel de la technique et dans les cas des piles à combustible utilisées dans l'automobile, la solution adoptée pour éviter la diminution progressive du débit du fluide et donc pour homogénéiser sa distribution consiste à surdimensionner les collecteurs de manière à rendre les pertes de charges négligeables. Cependant, la compacité et la légèreté sont des facteurs clés qu'il est impératif de respecter pour les applications automobiles. Une autre solution, proposée dans le document US-A-2003/0104265, consiste à "réguler" le flux entrant dans les plaques en introduisant un "obstacle" cylindrique dans le collecteur d'entrée an amont des orifices secondaires de distribution. Cet élément provoque un rétrécissement local de la section de passage du flux. La dispersion et la répartition du flux, du au passage par ce rétrécissement, provoquent une distribution plus homogène du gaz à l'entrée des faisceaux. Cependant, l'incorporation d'un tel obstacle cylindrique a pour inconvénient d'augmenter considérablement les pertes de charges et de diminuer de fait le rendement global du système. Pour remédier à ces problèmes, la présente invention propose une pile à combustible alimentée par un système de distribution de fluide du type décrit précédemment équipé de moyens pour homogénéiser la répartition du fluide dans l'ensemble des plaques, caractérisée en ce que la section efficace de passage du fluide dans le collecteur évolue io longitudinalement depuis l'orifice d'entrée jusqu'à son extrémité opposée. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - le collecteur est un boîtier de section constante dans lequel est agencée une cloison faisant varier progressivement la is section de passage du collecteur; -le collecteur est un conduit formé longitudinalement dans l'empilement des cellules; - la pile à combustible comporte au moins un collecteur d'entrée et un collecteur de sortie, réalisés conformément aux enseignements de l'invention, qui sont reliés aux plaques de faisceaux, et qui sont agencés longitudinalement de part et d'autre de l'empilement; - les orifices principaux des deux collecteurs d'entrée et de sortie sont situés du même côté de l'empilement et la section de passage est progressivement décroissante d'amont en aval selon le sens d'écoulement du fluide dans le collecteur d'entrée et la section de passage du fluide est progressivement croissante d'amont en aval selon le sens d'écoulement du fluide dans le collecteur de sortie; - les orifices principaux des deux collecteurs d'entrée et de sortie sont situés de part et d'autre de l'empilement et la section de passage du fluide dans les deux collecteurs est progressivement croissante d'amont en aval selon le sens d'écoulement du fluide jusqu'à mi-longueur de l'empilement puis progressivement décroissante; - la rugosité des parois internes des collecteurs est déterminée en fonction des pertes de charges. s 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 en annexe dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'une pile io 10 selon l'art antérieur; - la figure 2A est une vue en perspective du système de distribution selon l'art antérieur et la figure 2B est une vue schématique en perspective de la pile 10 avec un collecteur comportant une cloison selon un premier mode de réalisation de is l'invention; - la figure 3 est vue en coupe d'un empilement d'une pile selon le premier mode de réalisation de l'invention pour la distribution dite en "U" ; - les figures 4A et 4B représentent des coupes d'un 20 empilement d'une pile dont la distribution est dite en "Z" selon le premier mode de réalisation de l'invention; - les figure 5A et 5B illustrent le mode opératoire de réalisation selon la deuxième réalisation de l'invention. Dans la description qui va suivre des éléments identiques, 25 analogues ou ayant la même fonction seront désignés par les mêmes chiffres de référence. Dans la description et dans les revendications, on adoptera à titre non limitatif la terminologie verticale, longitudinale et transversale en référence au trièdre (L, V, T) des figures et l'orientation d'amont à aval selon le sens d'écoulement des flux en se référant aux flèches indiquant le sens d'écoulement dans les collecteurs. Le système de distribution, représenté figure 2A, comporte un collecteur d'entrée 20, qui est un boîtier 21 de forme générale tubulaire d'orientation longitudinale dont la longueur est sensiblement égale à l'épaisseur de l'empilement de la pile à combustible 10. Le collecteur 20 comporte à son extrémité amont un orifice principal 22 par lequel un fluide est injecté à une certaine vitesse et des orifices latéraux 24, répartis régulièrement le long du collecteur 20, par lesquels le fluide s'écoule hors du collecteur 20. Chacun de ces orifices latéraux 24 est relié à une io plaque 18 comportant un faisceau de conduits parallèles 19 (non visibles sur la figure 2). Ainsi, le fluide circulant dans le collecteur 20 s'écoule dans les faisceaux de conduits 19 des plaques 18. Le fluide dit restant, n'ayant pas réagi, mélangé aux fluides produits par la réaction, est recueilli dans un collecteur de sortie 30 du is même type que le collecteur d'entrée 20 et qui permet de diriger le fluide vers un point d'échappement unique. Les collecteurs d'entrée 20 et de sortie 30 sont ici agencés symétriquement par rapport à l'axe passant par les centres des cellules 11 de l'empilement pour une meilleure répartition du fluide dans la pile à combustible 10. Chaque collecteur a une section rectangulaire sensiblement constante sur toute sa longueur. Comme on peut le voir à la figure 2B, le collecteur d'entrée 20 comporte une cloison 26 et le collecteur de sortie 30 comporte une cloison 36. La cloison 26 situé dans le collecteur d'entrée 20 divise le boîtier 21 en deux volumes. On distingue sur la figure 3 un volume 28 isolé ou "mort" dans lequel le fluide ne circule pas, et un volume utile 29 dans lequel le fluide s'écoule. Pour le cas de l'écoulement dit en "U" et conformément aux enseignements de l'invention, la cloison 26 située dans le collecteur d'entrée 20 est inclinée de manière à réduire progressivement la section de passage le long de l'écoulement du fluide dans le collecteur d'entrée 20. De manière symétrique, la cloison 36 située dans le collecteur de sortie 30 est inclinée dans le sens inverse de celui de la cloison 26, comme le montre la figure 3, pour augmenter progressivement la section de passage le long de l'écoulement du fluide dans le collecteur de sortie 30. Ainsi, le fluide injecté dans le collecteur d'entrée 20 est soumis à des pertes de charges d'autant plus élevées que la section de passage dans le collecteur d'entrée 20 diminue. Le débit du fluide dans le collecteur diminue le long de l'écoulement tandis que le débit dans les plaques est uniforme. Cette perte de io vitesse est compensée par l'agencement de la cloison 36 dans le collecteur de sortie 30. En effet, le fluide recueilli dans le collecteur de sortie 30 subit alors des pertes de charges d'autant plus faibles que la section de passage augmente. Le fluide est ainsi "freiné" progressivement dans le collecteur d'entrée 20, puis is "accéléré" progressivement dans le collecteur de sortie 30, de telle sorte que, passé un régime transitoire de mise en route, la circulation du fluide dans le système est plus homogène que dans le cas des collecteurs à section constante selon l'état de la technique. Dans le cas de l'écoulement dit en "Z", représenté à la figure 4A, le collecteur d'entrée 20, les cloisons 26 et 36 situées dans les collecteurs d'entrée 20 et de sortie 30 sont inclinées dans le même sens, de manière à obtenir comme précédemment, une réduction progressive de la section efficace du boîtier 21 le long de l'écoulement dans le collecteur d'entrée 20 et une augmentation progressive de cette section dans le collecteur de sortie 30. Pour ce type d'empilement, on peut utiliser des cloisons 46 et 56, représentées à la figure 4B, qui comportent deux pentes d'inclinaisons opposées de manière à réduire progressivement la section de passage le long du de l'écoulement du fluide jusqu'à mi-longueur du boîtier 21, puis de l'augmenter progressivement. Le fluide subit ainsi des pertes de charges variables tout au long de son écoulement dans l'ensemble du système de distribution de manière à homogénéiser globalement sa diffusion dans les plaques 18 de l'empilement. Dans le cas des piles fonctionnant en "impasse" dans lesquelles il n'y a pas de collecteur de sortie, on peut fixer une cloison inclinée dans le collecteur d'entrée 20 orientée de telle sorte que la section de passage de fluide dans le boîtier 21 augmente le long de l'écoulement, de façon à compenser les pertes de charges et à rendre plus homogène la circulation du io fluide dans les différentes plaques 18. Pour les cloisons, on peut choisir des éléments plats ou pleins introduits dans le collecteur ayant des profils d'évolution linéaire ou parabolique, ou encore d'autres profils d'évolution plus spécifique ou d'inclinaison plus ou moins importante, de manière is à obtenir la variation voulue de la section de passage. Par ailleurs, toutes les cloisons peuvent être équipées de joints sur leurs bords afin d'assurer l'étanchéité du volume 28. On peut aussi mettre en ceuvre l'invention sans faire appel à des cloisons séparatrices mais en utilisant d'autres techniques de fabrication des collecteurs à section évolutive. Une deuxième réalisation de la présente invention concerne plus particulièrement les systèmes de distributions à collecteurs dits internes, fréquemment utilisés dans les piles à combustible de manière à augmenter leur compacité. Comme on peut le voir à la figure 5A, le boîtier 21 du collecteur 20 est formé dans l'empilement des cellules 1 1, percées chacune par une ouverture 38. Une fois les cellules 11 empilées, comme le montre la figure 5B, le collecteur interne d'entrée 20 comporte, comme pour le collecteur externe décrit précédemment, l'orifice principal 22 par lequel on injecte le fluide et le fluide restant est recueilli dans le collecteur interne de sortie 30. Des interstices entre les cellules 11 qui ont la fonction d'orifices latéraux 24 (non visibles sur la figure 5B) sont agencés de manière à n'alimenter que les électrodes de même nature électrique des cellules 11. Ce mode de réalisation de l'invention, résulte du fait que plusieurs ou toutes les cellules 11 comportent chacune une ouverture 38 de section différente de la cellule 11 qui la précède de manière que le collecteur d'entrée ou de sortie ainsi formé, a une section de passage du fluide qui varie progressivement le long de l'empilement. Ce mode de réalisation permet un gain de compacité car, io comme le montrent les figures 5A et 5B, on peut agencer les deux systèmes de distribution, anodique et cathodique, c'est-à-dire "percer" quatre collecteurs "tête-bêche", deux collecteurs opposés symétriquement pour la distribution anodique et les deux autres pour la distribution cathodique. is Pour les piles à combustible, il est fréquent de faire circuler trois fluides, deux fluides réactifs et un fluide de refroidissement. La présente invention peut être appliquée à chacun des trois circuits de distribution en fonction de la réalisation qui la mieux adaptée. Selon un autre mode de réalisation de l'invention (non représenté), les parois internes de collecteurs d'entrée et de sortie 20 et 30 comportent des éléments étrangers qui perturbent le flux et augmentent la résistance caractéristique des boîtiers. En augmentant progressivement le coefficient de frottement caractéristique le long de la conduite, on augmente progressive- ment les pertes de charges et on modifie la vitesse du flux. Ceci peut être obtenu, comme dans le document US-A-4.809.744, en ajoutant une grille en métal sur la paroi interne du boîtier 21, mais aussi par l'introduction de picots, grains ou autres éléments rugueux destinés à augmenter la rugosité des parois internes, tout en restreignant le diamètre de la conduite. io Selon l'application envisagée, ces éléments sont faciles à dimensionner et à introduire. On peut également introduire ou incruster ces éléments directement sur les cloisons séparatrices 26,36 décrites dans les modes de réalisation précédents ou bien les ajouter indépendamment par la suite. Il REVENDICATIONS 1. Pile à combustible (10), alimentée par un système de distribution de fluide (carburant, comburant ou liquide de refroidissement), comportant: s - des faisceaux de conduits (19) parallèles entre eux agencés sous la forme de plaques (18) de faisceaux parallèles entre elles et qui fournissent au moins un fluide aux électrodes de même nature électrique; au moins un collecteur (20) qui s'étend longitudinalement et io qui comporte un orifice principal (22) et une série d'orifices secondaires latéraux (24) reliés aux plaques (18) de faisceaux pour distribuer au moins un fluide dans les conduits (19) de faisceaux; - et des moyens pour homogénéiser la répartition du fluide is dans l'ensemble du système caractérisée en ce que la section efficace de passage du fluide dans le collecteur (20) varie progressivement le long de l'écoulement longitudinal du fluide depuis l'orifice principal d'entrée (22) jusqu'à son extrémité opposée. 2. Pile à combustible (10) alimentée par un système de distribution de fluides selon la revendication 1, caractérisée en ce que le collecteur (20) est un boîtier (21) de section constante dans lequel est agencée une cloison (26) qui le divise en un volume "mort" (28), dans lequel le fluide ne circule pas et un volume utile (29) dans lequel circule le fluide, et dont la section de passage varie progressivement. 3. Pile à combustible (10) alimentée par un système de distribution de fluides selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un élément plein introduit dans le collecteur de manière à faire varier progressivement la section efficace de passage du fluide. 4. Pile à combustible (10) alimentée par un système de distribution de fluides selon la revendication 1, caractérisée en en ce que le collecteur (20) est un conduit formé longitudinalement dans l'empilement des cellules (11). 5. Pile à combustible (10) alimentée par un système de distribution de fluides selon l'une quelconques revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un collecteur d'entrée (20) et un collecteur de sortie (30), réalisés conformément aux enseignements de l'invention, qui sont reliés aux plaques (18) de faisceaux, et qui agencés longitudinalement de part et d'autre de l'empilement. io 6. Pile à combustible (10) alimentée par un système de distribution de fluides selon la revendication 5, caractérisée en ce que les orifices principaux (22) et (32) des deux collecteurs d'entrée (20) et de sortie (30) sont situés du même côté de l'empilement et en ce que la section de passage est is progressivement décroissante d'amont en aval selon le sens d'écoulement du fluide dans le collecteur d'entrée (20) et la section de passage du fluide est progressivement croissante d'amont en aval selon le sens d'écoulement du fluide dans le collecteur de sortie (30). 7. Pile à combustible (10) alimentée par un système de distribution de fluides selon la revendication 5, caractérisée en ce que les orifices principaux (22) et (32) des deux collecteurs d'entrée (20) et de sortie (30) sont situés de part et d'autre de l'empilement et en ce que la section de passage du fluide dans les deux collecteurs est progressivement croissante d'amont en aval selon le sens d'écoulement du fluide jusqu'à mi-longueur de l'empilement puis progressivement décroissante. 8. Pile à combustible (10) alimentée par un système de distribution de fluides selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la rugosité des parois internes des collecteurs (20, 30) est déterminée en fonction des pertes de charges.