Brevet FR2887685A1 — publié le 20061229

L'invention concerne principalement une plaque bipolaire de pile à combustible à isolation électrique améliorée. L'invention concerne également une pile à combustible assemblée comportant de telles plaques bipolaires et un procédé de réalisation d'une telle pile. L'invention porte en outre sur l'utilisation de la pile à combustible précitée. Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui permet de convertir l'énergie chimique en énergie électrique à partir d'un carburant, généralement l'hydrogène, et d'un comburant, l'oxygène ou un gaz contenant de l'oxygène tel que l'air, le seul produit de la réaction étant l'eau accompagnée d'un dégagement de chaleur et d'une production d'électricité. Au sein de la pile à combustible, la réaction chimique globale résultant des réactions se produisant aux électrodes est la suivante: H2 + 02 - H2O Une pile à combustible peut être utilisée pour fournir l'énergie électrique à tout dispositif tel que par exemple, un ordinateur, un téléphone portable mais elle peut être également utilisée pour assurer la traction d'un véhicule automobile et/ou l'alimentation des dispositifs électriques contenus dans un véhicule. Une pile à combustible peut être constituée d'une ou de plusieurs cellules. En référence à la figure 1 qui est une vue en perspective d'une cellule de pile à combustible 1 de l'art antérieur, à la figure 2 qui est une vue en coupe selon la ligne II-II de la figure 1 et à la figure 3 qui est une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 1 sur laquelle la cellule 1 est assemblée et à laquelle est accolée une autre cellule, la cellule 1 comporte un électrolyte conducteur protonique 2 qui est pris en sandwich entre deux électrodes poreuses cathodique 3 et anodique 4 et qui assure le transfert électronique entre ces deux électrodes 3, 4. A cet effet, l'électrolyte 2 peut être une membrane polymère échangeuse de protons d'épaisseur de 20 à 200 m, la pile résultante étant une pile de type à membrane échangeuse de protons. L'ensemble constitué par l'électrolyte 2 et les deux électrodes 3, 4 forme un assemblage membrane électrodes (AME) 5 qui est lui-même pris en sandwich entre des première 6 et deuxième 7 plaques bipolaires réalisées en un matériau électriquement conducteur qui assurent la collecte du courant, la distribution du comburant et du carburant dans les électrodes et la circulation du fluide caloporteur. Les plaques bipolaires 6,7 couramment utilisées sont réalisées dans des matériaux de type matériaux carbonés comme du graphite, du graphite imprégné de polymère ou des feuilles de graphite souple mis en forme par usinage ou par moulage. Il est également possible, pour réaliser les plaques bipolaires 6, 7, d'utiliser des matériaux métalliques tels que des alliages à base de titane, d'aluminium et de fer dont les aciers inoxydables. Dans ce cas, la mise en forme de la plaque bipolaire peut être obtenue par emboutissage ou estampage de feuilles de faible épaisseur. Afin d'assurer la distribution du comburant, du carburant et du fluide caloporteur dans toutes les cellules constitutives de la pile, la deuxième plaque bipolaire 7 comporte six perçages 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f dont trois d'entre eux 7a, 7b, 7c sont régulièrement disposés sur le bords supérieur 8 de cette plaque 7, les trois autre perçages 7d, 7e, 7f étant, de façon symétrique, également régulièrement disposés sur le bord inférieur 9 de cette plaque 7. La première plaque bipolaire 6 et le cadre périphérique de l'électrolyte 2 comportent les mêmes perçages disposés aux mêmes endroits que sur la plaque bipolaire 7, la figure 1 ne laissant apparaître que les trois perçages supérieurs respectifs 2a, 2b, 2c, 6a, 6b, 6c et un perçage inférieur respectif 6d, 2d de la première plaque bipolaire 6 et du cadre périphérique 2. Les perçages 6a, 6b, 6c, 6d de la première plaque bipolaire 6, les perçages 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f de la deuxième plaque bipolaire 7 et les perçages 2a, 2b, 2c, 2d de l'électrolyte 2 doivent être alignés et doivent coïncider pour assurer la circulation des fluides à travers toutes les cellules constitutives de la pile lors de l'assemblage de cette pile. Au niveau de chacun de ces perçages 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f, 6a, 6b, 6c, 6d, un conduit non représenté permet de distribuer ou de collecter le carburant ou le comburant circulant à la surface de la plaque 6,7 ou le fluide caloporteur circulant dans les circuits de refroidissement. En référence aux figures 2 et 3, un circuit de refroidissement 10 est réalisé dans l'épaisseur de la plaque bipolaire 7 et comporte un canal de distribution du fluide 15, un canal de collecte du fluide 18 et une série de canaux de circulation 11 disposés entre les premières 12 et deuxième 13 faces centrales formant cuvette de réception des électrodes respectives cathodique 3 et anodique 14 visibles sur la figure 3 et assurant la distribution du comburant et du carburant dans ces électrodes 3, 14. En référence à la figure 3, lorsque la pile, constituée par un empilement de cellules 1, est en état de fonctionnement, la chaleur produite par les réactions anodiques et cathodiques est récupérée par le fluide caloporteur circulant, selon les flèches 16 et 17, dans les canaux de circulation 11 depuis le canal de distribution 15 formé par au moins l'empilement des perçages 7a, 2a, 6a de la deuxième plaque bipolaire 7, de l'électrolyte 2 et de la première plaque bipolaire 6. Après circulation à travers la plaque bipolaire 6, 7, dans les canaux de circulation 11, le fluide caloporteur est récupéré, selon les flèches 19 et 20, dans le canal de collecte du fluide 18 formé par au moins l'empilement des perçages 7d, 2d, 6d de la deuxième plaque bipolaire 7, de l'électrolyte 2 et de la première plaque bipolaire 6, puis le fluide est évacué ou recyclé. Par exemple, lorsqu'une pile à combustible est utilisée comme fournisseur d'énergie dans un véhicule automobile, il est avantageux d'utiliser comme fluide caloporteur le liquide de refroidissement ou l'eau d'humidification disponibles dans le véhicule, de tels fluides étant des fluides conducteurs électriques. Bien entendu, cette application est donnée à titre d'exemple. D'une manière générale, lorsque le fluide caloporteur utilisé dans le circuit 10 est conducteur, il apparaît des courts circuits provenant du contact entre ce fluide et plusieurs plaques bipolaires de la pile lors de la circulation du fluide à travers cette pile. Pour pallier cet inconvénient, les fluides caloporteurs utilisés sont des fluides non-conducteurs électriques tels que du gaz ou de l'eau déionisée. Toutefois, lorsque ces fluides non conducteurs sont utilisés, ils doivent circuler à travers des unités de traitement à base de résine échangeuse d'ions pour abaisser régulièrement leur conductivité puisque ces fluides se chargent continuellement d'ions, notamment d'ions métalliques, au cours de la circulation dans le circuit de refroidissement 10. Par exemple, un tel dispositif de traitement permettant d'abaisser la conductivité d'un mélange eauéthylèneglycol est exposé dans l'article Leaching of ions from fuel cell vehicle cooling system and their removal to maintain low conductivity' de S.A. Mueller, B.R. Kim, J.E. Anderson, M. Kumar, C.Huang dans Fuel Cell Power for Transportation from SAE 2003 World Congress SP1741, 2003-01-0802. 2887685 5 Ainsi, dans les systèmes de l'art antérieur, les fluides disponibles dans les véhicules automobile ne peuvent pas être utilisés et les fluides caloporteur non conducteur utilisés doivent être traités dans des systèmes lourds, onéreux et nécessitant un entretien régulier. L'invention se situe dans ce contexte et permet de pallier les inconvénients précités. A cet effet, la plaque bipolaire de l'invention est essentiellement caractérisée en ce qu'au moins la surface interne respective 25, 26 des passages formant distributeur 7c, 7a et collecteur 7f, 7d de fluide caloporteur et la surface interne 24 de la partie du circuit de fluide caloporteur 11 proche de la zone de communication respective 83, 84 entre le dit circuit 11 et les dits passages formant respectivement distributeur 7c, 7a et collecteur 7f, 7d de fluide caloporteur sont recouverts d'un matériau essentiellement isolant électrique 23. De préférence, la surface interne 24 circuit de fluide caloporteur 11 est recouverte de matériau essentiellement isolant électrique 23 sur au moins 0,1 mm depuis la dite zone de communication 83, 84 respective. Avantageusement, toute la surface interne 24 du circuit de fluide caloporteur 11 est recouverte du matériau essentiellement isolant électrique 23. En outre, le matériau essentiellement isolant électrique 23 peut être un polymère ou un oxyde non conducteur électrique. Par ailleurs, l'épaisseur du matériau essentiellement isolant électrique 23 peut être comprise entre 0,1 et 500 micromètres. L'invention concerne également une pile à combustible réalisée par empilement de cellules 1 qui comprennent chacune un assemblage membrane électrodes 5 constitué par un électrolyte conducteur ionique 2 pris en sandwich entre une électrode cathodique 3 et une électrode anodique 4 et dans lesquelles le dit assemblage 5 est pris en sandwich entre deux plaques bipolaires 6, 7 telles que définies ci-dessus, chaque plaque bipolaire étant commune avec la cellule adjacente. L'invention concerne en outre un procédé de fabrication d'une pile décrite ci-dessus comportant notamment une étape de traitement de surface de synthèse du matériau essentiellement isolant électrique 23. Le traitement de surface peut être réalisé par un procédé de dépôt en phase vapeur ou par un procédé de passivation. Préférentiellement, le procédé de traitement de surface est appliqué sur chaque plaque bipolaire 6, 7 isolée avant assemblage de la pile ou sur au moins un groupe de cellules 1 assemblées. En outre, le procédé de traitement de surface est appliqué sur les plaques bipolaires 6, 7 isolées avant assemblage de la pile. Enfin, l'invention concerne également l'utilisation 20 de la pile à combustible définie plus haut dans un véhicule automobile. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit et qui est faite au regard des dessins annexés qui représentent des exemples non limitatifs de réalisation de la plaque bipolaire et de la pile de l'invention et sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective éclatée d'une cellule de pile à combustible de l'art antérieur; - la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne II-II de la figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 1 sur laquelle la cellule 1 est 35 assemblée et à laquelle est accolée une autre cellule; - la figure 4 représente la plaque bipolaire de l'invention dans une vue en coupe identique à celle de la figure 2; - la figure 5 représente plusieurs cellules de pile à combustible empilées comprenant les plaques bipolaires de la figure 4 dans une vue en coupe identique à celle de la figure 3; - la figure 6 représente la plaque bipolaire selon un mode avantageux de réalisation de l'invention dans une vue en coupe identique à celle de la figure 4; et la figure 7 représente plusieurs cellules de pile à combustible empilées comprenant les plaques bipolaires de la figure 6 dans une vue en coupe identique à celle de la figure 3. En référence à la figure 4, la plaque bipolaire 7 de l'invention comporte une couche de matériau isolant 23 sur la surface interne 24 des canaux de circulation de fluide caloporteur 11 et sur les surfaces internes respectives 25, 26 des perçages 7c, 7f par lesquels le fluide caloporteur est respectivement introduit dans et collecté depuis ces canaux de circulation 11. Plus généralement, la plaque bipolaire 7 de l'invention comporte une couche de matériau isolant 23 sur toutes les surfaces 24, 25, 26 du circuit de refroidissement 10 en contact avec le fluide caloporteur lors du fonctionnement de la pile. Ainsi, comme représenté en figure 5, le fluide caloporteur circule dans le canal de distribution 15, dans les canaux de circulation 11 et dans le canal de collecte 18 sans être au contact électrique avec les plaques bipolaires ce qui permet d'éviter les courts circuits lors du fonctionnement de la pile. Selon l'invention, le matériau utilisé est un polymère ou un oxyde non conducteur que l'homme du métier 35 saura déterminé. Le dépôt peut être effectué par un procédé de dépôt en phase vapeur réalisé sur chaque plaque bipolaire de 2887685 8 façon que le matériau isolant 23 puisse être déposé sur toute la surface interne 24, 25, 26 du circuit de refroidissement 10. Lors de l'application de ce procédé, des masques sont utilisés pour protéger les surfaces de la plaque bipolaire ne nécessitant pas de recouvrement par le matériau isolant 23 et en particulier les première 12 et deuxième 13 faces centrales formant cuvette de réception des électrodes respectives cathodique 3 et anodique 14. Il est également possible de ne pas utiliser de masque et de retirer la couche de matériau isolant 23 de ces surfaces 12, 13 par une action mécanique telle que l'abrasion par exemple. L'épaisseur de la couche de matériau isolant 23 15 varie entre 0,1 et 500 micromètres par maniement des paramètres du procédé de dépôt. Chaque plaque bipolaire 6,7 traitée est assemblée pour former une pile dans laquelle un fluide caloporteur conducteur ou non peut être utilisé sans danger et sans utilisation nécessaire d'unités de traitement complexes comme expliqué plus haut. Ce traitement de la surface interne du circuit de refroidissement 10 en contact avec les plaques bipolaires 6, 7 peut s'appliquer à tout type de plaque bipolaire 6, 7 et en particulier à une plaque bipolaire à étanchéité améliorée telle que décrite ci-dessous. En référence à la figure 6, selon une variante avantageuse de l'invention, le matériau isolant 23 n'est déposé que sur les surfaces internes respectives 25, 26 des perçages 7c, 7f et sur une partie de la surface interne 24 des canaux de circulation 11 d'au moins 5 mm depuis la zone de communication 83 entre le canal de distribution 15 et les canaux de circulation 11 et d'au moins 5 mm depuis la zone de communication 84 entre le canal de collecte 18 et les canaux de circulation 11. De cette façon, le procédé de dépôt de la couche de matériau isolant 23 peut être appliqué sur une, plusieurs cellules ou sur la pile totalement assemblée puisqu'il n'est pas nécessaire que le matériau isolant atteignent la surface interne 24 des canaux de circulation la plus éloignée des zones de communication 83, 84. Avantageusement, il n'est pas nécessaire de procéder à un masquage de surfaces lorsque le procédé de dépôt est réalisé sur pile assemblée. Un tel dépôt est également moins coûteux qu'un dépôt sur toute la surface interne 24 du circuit de refroidissement 10 et tout à fait efficace puisque, lorsque la conductivité du fluide caloporteur le permet, dans les zones non recouvertes, la longueur du chemin à parcourir pour le courant éventuellement présent dans le fluide entre deux plaques bipolaires 6, 7 est tel que l'intensité du courant devient négligeable et qu'un court circuit éventuel résultant n'aura pas d'impact sur le comportement de la pile et sur le rendement du système. Les caractéristiques de la couche de matériau isolant sont les mêmes que celles décrites dans le cas d'un recouvrement intégrale du circuit de refroidissement 10. On peut également choisir de traiter chaque plaque bipolaire isolée de façon que le dépôt ne s'effectue que sur une partie de la surface interne 24 des canaux de distribution 11 en faisant varier les paramètres du procédé tel que le temps d'exposition. Ainsi, la plaque bipolaire de l'invention, la pile résultante et le procédé de l'invention permettent l'utilisation de fluides caloporteurs conducteurs électriques comme le liquide de refroidissement d'un véhicule automobile lorsque la pile est utilisée dans un tel véhicule. De plus, dans le cas d'un procédé de dépôt sur groupe de cellules ou sur pile assemblée, les coûts de 35 mise en oeuvre du procédé sont faibles. Enfin, ce dépôt assure une protection efficace contre la corrosion en évitant le dépôt de particules sur la surface des plaques bipolaire de la pile ce qui contribue à allonger la longévité d'une telle pile. 11 REVENDICATIONS 1. Plaque bipolaire (6, 7) de pile à combustible comportant un circuit de fluide caloporteur (11) qui est réalisé dans l'épaisseur de la plaque (6, 7) et qui est en communication avec au moins un passage (7c, 7a) formant distributeur de fluide caloporteur et au moins un passage (7f, 7d) formant collecteur du fluide caloporteur réalisés dans la dite plaque (6, 7), caractérisée en ce qu'au moins la surface interne respective (25, 26) des passages formant distributeur (7c, 7a) et collecteur (7f, 7d) de fluide caloporteur et la surface interne (24) de la partie du circuit de fluide caloporteur (11) proche de la zone de communication respective (83, 84) entre le dit circuit (11) et les dits passages formant respectivement distributeur (7c, 7a) et collecteur (7f, 7d) de fluide caloporteur sont recouverts d'un matériau essentiellement isolant électrique (23). 2. Plaque bipolaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface interne (24) circuit de fluide caloporteur (11) est recouvert de matériau essentiellement isolant électrique (23) sur au moins 0,1 mm depuis la dite zone de communication (83, 84) respective. 3. Plaque bipolaire selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que toute la surface interne (24) du circuit de fluide caloporteur (11) est recouverte du matériau essentiellement isolant électrique (23). 4. Plaque bipolaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le matériau essentiellement isolant électrique (23) est un polymère ou un oxyde non conducteur électrique. 5. Plaque bipolaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'épaisseur du matériau essentiellement isolant électrique (23) est comprise entre 0,1 et 500 micromètres. 2887685 12 6. Pile à combustible réalisée par empilement de cellules (1) qui comprennent chacune un assemblage membrane électrodes (5) constitué par un électrolyte conducteur ionique (2) pris en sandwich entre une électrode cathodique (3) et une électrode anodique (4) et dans lesquelles le dit assemblage (5) est pris en sandwich entre deux plaques bipolaires (6, 7) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, chaque plaque bipolaire étant commune avec la cellule adjacente. 7. Procédé de fabrication d'une pile selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte notamment une étape de traitement de surface de synthèse du matériau essentiellement isolant électrique (23). 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le procédé de traitement de surface est appliqué sur chaque plaque bipolaire (6, 7) isolée avant assemblage de la pile ou sur au moins un groupe de cellules (1) assemblées. 9. Procédé selon la revendication 7 pour réaliser une pile dans laquelle les plaques bipolaires (6, 7) sont selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le procédé de traitement de surface est appliqué sur les plaques bipolaires (6, 7) isolées avant assemblage de la pile. 10. Utilisation de la pile à combustible de la revendication 6 dans un véhicule automobile.