Brevet FR2887691A1 — publié le 20061229

La présente invention est relative à une plaque monopolaire d'extrémité d'une pile à combustible du type à membrane échangeuse de protons. Une pile à combustible à membrane échangeuse de protons est un dispositif de production d'électricité par réaction électrochimique entre un carburant, par exemple un gaz contenant de l'hydrogène, et un comburant, par exemple un gaz contenant de l'oxygène, séparés par une paroi constituée d'un électrolyte solide. Dans un tel dispositif, lorsque le carburant est un gaz hydrogéné et le comburant un gaz oxygéné, le gaz hydrogéné et le gaz oxygéné réagissent pour former de l'eau tout en générant un courant électrique qui peut être utilisé pour des usages divers. D'une façon générale, une pile à combustible est constituée d'un empilement de cellules réactives ou cellules élémentaires constituées chacune d'un ensemble membrane électrode inséré entre deux plaques bipolaires comportant des canaux destinés à assurer la circulation, d'une part, d'un carburant, d'autre part d'un comburant, et enfin d'un fluide caloporteur tel que de l'eau. L'ensemble membrane électrode est un matériau multicouche, connu en lui-même, comprenant une couche constituée d'une membrane d'électrolyte solide proprement dite disposée entre deux couches actives constituant, d'une part, une cathode, d'autre part, une anode, revêtues elles-mêmes de deux couches externes et d'une couche de diffusion. L'empilement de cellules élémentaires est généralement maintenu serré entre deux plaques terminales bridées par des goujons s'étendant d'une plaque terminale à l'autre et traversant l'empilement de cellules élémentaires. A l'une des extrémités de la pile à combustible, on trouve une plaque monopolaire anodique, plaquée à un collecteur de courant, et, à l'autre extrémité, une plaque monopolaire cathodique plaquée à un autre collecteur de courant. L'ensemble est maintenu mécaniquement par les plaques terminales et des tirants d'assemblage. Généralement, les plaques monopolaires d'extrémité sont réalisées dans des matériaux offrant une bonne aptitude à la résistance à la corrosion et ayant une bonne conductivité électrique, tels que par exemple des matériaux carbonés comme le graphite, le graphite imprégné de polymère ou des feuilles de graphite souples. Ces pièces sont généralement mises en forme par usinage ou par moulage, de façon à définir, d'une part, sur une face active, des canaux de circulation pour les gaz réactifs et, sur la face opposée, une surface de contact avec les plaques collectrices de courant. Cette technique présente l'inconvénient en particulier de nécessiter la réalisation de plaques monopolaires d'extrémité spécifiques qui se distinguent des plaques bipolaires réalisées pour l'ensemble de l'empilage de la pile. Il en résulte une augmentation significative des coûts. Le but de la présente invention est de remédier à cet inconvénient en proposant une plaque monopolaire d'extrémité pour une pile à combustible à membrane échangeuse de protons qui comporte des plaques bipolaires constituées d'assemblages de demi-plaques bipolaires obtenues par emboutissage, et qui puissent être fabriquées par des procédés plus économiques que les procédés de fabrication de plaques monopolaires d'extrémité connues. A cet effet, l'invention a pour objet une plaque monopolaire d'extrémité d'une pile à combustible du type à membrane échangeuse de protons, constituée d'une demi-plaque monopolaire cathodique ou anodique accolée à une plaque de fermeture, la demi-plaque monopolaire comportant, dans sa partie centrale, une zone active cathodique ou anodique et, à sa périphérie, au moins deux boîtes à comburant, si la demi-plaque monopolaire est cathodique, ou à carburant, si la demi-plaque monopolaire est anodique, cha- que boîte à comburant ou à carburant comportant au moins un canal débouchant à l'extérieur de la zone active pour permettre la circulation du comburant ou du carburant à l'extérieur de la plaque monopolaire du côté de la demi-plaque monopolaire, les boîtes à comburant ou à carburant ne comportant pas d'ouverture débouchant dans la zone centrale de la plaque de fermeture, de telle sorte que la partie centrale de ladite plaque de fermeture ne puisse être balayée ni par le carburant ni par le comburant. De préférence, au moins la demi-plaque monopolaire comporte, à sa périphérie, au moins deux boites à fluide caloporteur, et la partie centrale de 2887691 3 la demi-plaque monopolaire et la partie centrale de la plaque de fermeture délimitent entre elles un espace de circulation du fluide caloporteur en communication par des canaux de liaison avec les boites à fluide caloporteur. La partie centrale de la plaque de fermeture peut être identique à la partie centrale d'une demi-plaque monopolaire cathodique ou anodique selon que la demi-plaque monopolaire à laquelle elle est accolée est anodique ou cathodique, respectivement. La plaque de fermeture peut être une plaque collectrice de courant. De préférence, au moins un assemblage d'extrémité comprend une plaque monopolaire d'extrémité selon l'invention et, un moyen de collecte de courant électrique. Le moyen de collecte de courant est, par exemple, une plaque collectrice de courant venant en contact de la plaque de fermeture de la plaque monopolaire d'extrémité. L'assemblage d'extrémité peut comprendre en outre un joint entre périphérique assurant l'étanchéité entre la plaque monopolaire d'extrémité et moyen de collecte de courant électrique, et une plaque terminale. L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise mais non limitative en regard des dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective éclatée vue de trois-quarts arrière d'un assemblage d'extrémité d'une pile à combustible à membrane échangeuse de protons; et - la figure 2 est une vue en perspective éclatée vue de trois- quarts avant du même assemblage d'extrémité d'une pile à combustible que celui qui est représenté à la figure 1. L'assemblage d'extrémité d'une pile à combustible représenté aux figures 1 et 2 est constitué d'un empilement d'une plaque terminale 1, d'une plaque collectrice de courant 2, d'un joint périphérique 3, et d'une plaque monopolaire d'extrémité 4 qui comprend une face active 41 destinée à coopérer avec un assemblage membrane électrode réactif, et une face arrière de fermeture 42 qui est destinée à être en contact avec la plaque collectrice de courant 2. 2887691 4 La plaque monopolaire d'extrémité 4 est constituée de l'assemblage de deux demi-plaques 410 et 420. La demi-plaque 410 correspondant à la face active 41 est une demi-plaque monopolaire cathodique ou anodique selon que l'assemblage d'extrémité est un assemblage destiné à être placé à l'extrémité cathodique ou à l'extrémité anodique, respectivement, de la pile à combustible. Cette demi-plaque monopolaire cathodique ou anodique est identique à une demi-plaque monopolaire cathodique ou anodique d'une plaque bipolaire de la pile à combustible. La demi-plaque monopolaire cathodique ou anodique 410 comporte une partie centrale active 411 constituée de canaux obtenus par emboutis-sage entourée d'un cadre périphérique 412, comportant des ouvertures 413 destinées à recevoir un fluide actif qui est soit du comburant, si la demi-plaque monopolaire est une demi-plaque cathodique, soit du carburant, si la demi-plaque est une demi-plaque anodique. Ces ouvertures 413 qui sont destinées à faire circuler le fluide actif longitudinalement le long de la pile à combustible, sont reliées, par l'intermédiaire de canaux 414, à des ouvertures 415 qui débouchent à l'extérieur de la demi-plaque monopolaire de façon à permettre de faire circuler du fluide actif arrivant par les ouvertures collectrices 413 qui constituent des boîtes à fluide à la surface de la zone active centrale 411 de la demi-plaque monopolaire. La demi-plaque monopolaire comporte également des ouvertures périphériques 416 destinées à former des boîtes à fluide actif complémentaire du fluide actif qui est alimenté par les boîtes à fluide 413. Lorsque la demiplaque monopolaire 410 est cathodique, les boîtes à fluide 416 sont destinées à alimenter la pile en carburant et, inversement, lorsque la demi-plaque monopolaire est anodique, les boîtes à fluide 416 sont destinées à véhiculer le comburant. Ces boîtes à fluide 416 ne débouchent pas à la surface de la demi-plaque monopolaire, si bien qu'avec cette disposition, lorsque la pile est alimentée en fluide, la surface active 411 de la demi-plaque monopolaire 410 est alimentée uniquement dans le fluide qui correspond à la nature de la demi-plaque de la plaque monopolaire d'extrémité considérée. 2887691 5 La deuxième face 42 de la plaque monopolaire d'extrémité 4 est constituée par une plaque monopolaire 420, complémentaire de la plaque monopolaire 410 située sur la face active, qui comprend une zone centrale 421 identique à une zone centrale active d'une plaque bipolaire, cette plage centrale active 421 étant du type cathodique si la zone active centrale 411 de la demi-plaque monopolaire 410 est anodique, et inversement, si la demi-plaque 410 est cathodique. La demi-plaque 420 comporte une périphérie 422 qui entoure la plage centrale 421. Cette périphérie 422 comporte, comme la demi-plaque monopolaire 410, des ouvertures correspondantes 423 et 426 qui sont destinées à coopérer avec les ouvertures 413 et 416 de la demi-plaque monopolaire 410 afin de former les boîtes à fluide actif. Cette demi-plaque 420 qui constitue une plaque de fermeture se distingue d'une demi-plaque monopolaire uniquement par le fait qu'aucune des ouvertures 423 et 426 constituant des boîtes à fluide ne débouche à l'extérieur de la zone centrale 421. De ce fait, les fluides actifs transportés par les boîtes à fluide formées par les ouvertures 423 et 426 ne peuvent pas venir lécher la surface extérieure de la zone centrale 421 de cette plaque de fermeture. Les deux zones centrales actives 411 et 421 de la demi-plaque monopolaire 410 et de la plaque de fermeture 420 délimitent entre elles un espace permettant la circulation d'un fluide caloporteur. Cet espace est alimenté en fluide caloporteur par l'intermédiaire d'ouvertures 417 et 427 prévues dans les périphéries de la demi-plaque monopolaire 410 et de la plaque de fermeture 420 et destinées à former des boîtes pour fluide de refroidisse- ment, ces boîtes de fluide de refroidissement étant en communication avec l'espace délimité entre les deux zones centrales de la demi-plaque monopolaire et de la plaque de fermeture par des canaux de communication. L'ensemble des plaques obtenues sont des plaques réalisées en métal, découpées et embouties de façon à obtenir les formes souhaitées, et la demi-plaque monopolaire accolée à la plaque de fermeture est assemblée à celle-ci par soudage par exemple par soudage laser effectué notamment à la périphérie des plaques. 2887691 6 On notera en outre que la périphérie de la plaque monopolaire d'extrémité qui vient d'être décrite est prévue de façon à pouvoir recevoir un joint 3 qui assure l'étanchéité de l'ensemble. La plaque collectrice de courant 2 est une plaque métallique plane destinée à venir en contact avec la face arrière de la plaque de fermeture 420 de façon à collecter le courant électrique généré par la pile à combustible. Cette plaque collectrice comporte, dans sa partie centrale, un plot de connexion 22 permettant de connecter la pile à combustible à un circuit d'utilisation. Enfin, la plaque terminale 1 est une plaque dont le rôle est essentiellement mécanique. Elle comporte, à sa périphérie, une pluralité d'ouvertures 10 destinées à recevoir par exemple des tirants servant à assurer le serrage de l'empilement qui constitue la pile à combustible, entre une plaque terminale du côté cathodique et la plaque terminale du côté anodique. Cette pla- que terminale comporte également en son centre un trou 11 destiné à laisser passer le plot de connexion électrique 22 de façon à pouvoir assurer une connexion électrique de la pile à combustible vers l'extérieur. L'empilement qui vient d'être décrit peut être réalisé avec différentes variantes, en particulier les ouvertures prévues à la périphérie de la plaque monopolaire et qui ne sont pas destinées à alimenter cette plaque en un fluide actif, peuvent être fermées. En outre, par exemple, le plot de connexion extérieure de la pile à combustible peut être directement fixé sur la plaque de fermeture de la plaque monopolaire d'extrémité. Dans ce cas, la plaque de fermeture constitue elle-même la plaque collectrice de courant. 2887691 7 REVENDICATIONS 1. Plaque monopolaire d'extrémité (4) d'une pile à combustible du type à membrane échangeuse de protons, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une demi-plaque monopolaire (41) cathodique ou anodique ac-colée à une plaque de fermeture (42), la demi-plaque monopolaire comportant dans sa partie centrale, une zone active (411) cathodique ou anodique, et, à sa périphérie, au moins deux boites (413) à comburant, si la demi-plaque monopolaire est cathodique, ou à carburant, si la demi-plaque monopolaire est anodique, chaque boîte à carburant ou à comburant compor- tant au moins un canal (414) débouchant à l'extérieur de la zone active (411) pour permettre la circulation du comburant ou du carburant à l'extérieur de la plaque monopolaire du côté de la demi-plaque monopolaire, les boites à comburant ou à carburant ne comportant pas d'ouverture dé- bouchant dans la zone centrale de la plaque de fermeture, de telle sorte que la partie centrale de ladite plaque de fermeture ne puisse être balayée ni par le carburant ni par le comburant. 2. Plaque monopolaire selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'au moins la demi-plaque monopolaire (41) comporte, à sa périphérie, au moins deux boites à fluide caloporteur (417), et en ce que la partie centrale (411) de la demi-plaque monopolaire (41) et la partie centrale (421) de la plaque de fermeture (42) délimitent entre elles un espace de circulation du fluide caloporteur en communication par des canaux de liaison avec les boites à fluide caloporteur. 3. Plaque monopolaire selon la revendication 2, caractérisée en ce que la partie centrale (411) de la plaque de fermeture (42) est identique à la partie centrale d'une demi-plaque monopolaire cathodique ou anodique selon que la demi-plaque monopolaire à laquelle elle est accolée est anodique ou cathodique, respectivement. 4. Plaque monopolaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la plaque de fermeture est une plaque collectrice de courant. 5. Pile à combustible du type comprenant un empilement alterné de membranes électrodes et de plaques bipolaires enserrées entre un assem2887691 8 blage d'extrémité cathodique et un assemblage d'extrémité anodique, caractérisée en ce qu'au moins un assemblage d'extrémité comprend une plaque monopolaire d'extrémité (4), selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, et un moyen de collecte de courant électrique. 6. Pile à combustible selon la revendication 5, caractérisée en ce que le moyen de collecte de courant est une plaque collectrice de courant (2) venant en contact de la plaque de fermeture (42) de la plaque monopolaire d'extrémité. 7. Pile à combustible selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisée en ce que l'assemblage d'extrémité comprend en outre un joint entre périphérique (3) assurant l'étanchéité entre la plaque monopolaire d'extrémité (4) et le moyen de collecte de courant (2) électrique, et une plaque terminale (1).