Brevet FR2887688A1 — publié le 20061229

La présente invention est relative à une plaque bipolaire pour une pile à combustible du type à membrane échangeuse de protons. La plaque bipolaire est constituée de deux demi-plaques bipolaires collées l'une à l'autre, chaque demi-plaque bipolaire étant constituée d'une plaque généralement rectangulaire comportant dans sa partie centrale un réseau de nervures constituant la zone active, et à sa partie périphérique une pluralité de découpes destinées à constituer des boîtes à fluide, ainsi que des nervures destinées à assurer l'étanchéité. 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 le carburant et le comburant réagissent pour former un produit de réaction, par exemple 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, du carburant, d'autre part, du comburant, et enfin, d'un fluide caloporteur de refroidissement, tel que de l'eau. L'ensemble membrane/ électrode est un matériau multicouches, connu en lui-même, comprenant une couche constituée de la 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 dites couches de diffusion. L'empilement de cellules élémentaires est 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. Généralement les plaques bipolaires sont réalisées dans des matériaux offrant de bonnes aptitudes de résistance à la corrosion et de conductivité électrique. On connaît par exemple des plaques bipolaires réalisées dans des matériaux carbonés tel que le graphite, le graphite imprégné de polymère, ou les feuilles de graphite souple, mis en forme par usinage ou par moulage. On connaît également des plaques bipolaires réalisées dans des matériaux métalliques tels que des alliages à base de titane, d'aluminium ou à base de fer et par exemple en acier inoxydable. Ces plaques bipolaires réalisées en matériau métallique sont en général des plaques mises en forme par emboutissage ou estampage. Dans les plaques bipolaires réalisées à partir de feuilles métalliques mises en forme par emboutissage, l'arrivée des fluides et l'évacuation des sous- produits sont réalisés dans des zones de la plaque bipolaire localement plane, ce qui nécessite l'utilisation d'un cadre ayant une forme adaptée et pouvant servir également à assurer l'étanchéité périphérique de la plaque bipolaire. Cette technique présente l'inconvénient de nécessiter pour une même plaque bipolaire en outre deux demi-plaques bipolaires, une pièce complémentaire destinée à assurer la jonction entre les deux demi- plaques bipolaires et à assurer les alimentations et les évacuations de fluide et de sous-produit. Il en résulte des plaques bipolaires relativement massives. En particulier, l'une des raisons pour lesquelles les plaques bipolaires sont relativement importantes est qu'il est nécessaire de prévoir, d'une part, des étanchéités autour de chacun des collecteurs de fluide, et d'autre part, d'assurer une étanchéité toute à la périphérie de la plaque bipolaire. Or, il n'est pas possible d'utiliser une même nervure pour assurer l'étanchéité à la fois de toutes les alimentations ou évacuations de fluide et de l'ensemble de la périphérie de la plaque bipolaire, car cela entraînerait un mélange des différents fluides. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant une plaque bipolaire réalisée à partir de plaques métalliques, qui soit plus légère et plus économique que les plaques connues tout en séparant les différents circuits de fluides. A cet effet, l'invention a pour objet une plaque bipolaire pour pile à combustible comprenant une demi-plaque bipolaire cathodique et une demiplaque bipolaire anodique accolées l'une à l'autre, chaque demi-plaque bipolaire étant constituée d'une plaque comportant dans sa partie centrale une zone active, et, à sa partie périphérique, une pluralité de découpes destinées à constituer au moins deux boîtes à fluide comburant, au moins deux boîtes à fluide carburant et au moins deux boîtes à fluide caloporteur, au moins une demi-plaque bipolaire comprenant au moins une nervure de liaison entre une découpe périphérique et la zone active. Chaque découpe d'une demi-plaque bipolaire destinée à constituer une boîte à fluide est entourée d'une nervure d'étanchéité de boîte à fluide, en saillie sur la face externe de la demi-plaque bipolaire, et chaque demi-plaque bipolaire comprend à sa périphérie une nervure d'étanchéité de la zone active, en saillie sur la face externe de la demi-plaque bipolaire, reliant de façon continue les nervures d'étanchéité des boîtes à fluide caloporteur et entourant par l'extérieur les boîtes à comburant et à carburant, chaque canal constitué par un segment de nervure entre deux boîtes à fluide caloporteur étant obstrué par au moins un moyen d'obstruction. Au moins un moyen d'obstruction d'un canal formé par une nervure entre deux boîtes de fluide caloporteur, est, par exemple un plot en saillie sur la face interne d'une demi-plaque bipolaire, destiné à coopérer avec l'intérieur de la nervure d'étanchéité de l'autre demi-plaque bipolaire. De préférence, les nervures d'étanchéité des boîtes de fluide de refroidissement et d'étanchéité de la zone active des deux demi-plaques bipolaires sont en regard les unes des autres, sauf dans au moins une zone située entre deux nervures d'étanchéité de boîtes à fluide caloporteur, et dans cette zone, au moins chaque demi-plaque bipolaire comporte un plot en saillie sur sa face interne, coopérant avec la partie interne de la nervure d'étanchéité de la zone active de l'autre plaque bipolaire, de façon à obstruer ladite nervure. Au moins une demi-plaque bipolaire est par exemple une plaque métallique dans laquelle les nervures et l'au moins un plot sont réalisés par emboutissage, et au moins une plaque bipolaire constituée d'une plaque métallique découpée et emboutie est en acier inoxydé. L'invention concerne également une cellule constituée d'un assemblage membrane/électrode comprend au moins une plaque bipolaire selon l'invention. L'invention va maintenant être décrite plus en détail mais de façon non limitative en regard des figures annexées dans laquelle: - la figure 1 est une vue de face d'une plaque bipolaire; - la figure 2 est une vue en perspective éclatée d'une plaque bipolaire constituée de deux demiplaques bipolaires accolées, dans la zone de jonction entre une nervure d'étanchéité et une découpe de boîte à fluide caloporteur; - la figure 3 est une vue agrandie d'une plaque bipolaire dans la zone de jonction d'une nervure d'étanchéité et d'une découpe de boîte à fluide caloporteur. La plaque bipolaire représentée à la figure 1, et dont on ne voit qu'une seule face, est constituée d'une demi-plaque bipolaire 1 cathodique ou anodique, et d'une demi-plaque bipolaire 1' (partiellement visible sur la figure 2), anodique ou cathodique respectivement, les deux demi-plaques étant accolées l'une contre l'autre par leurs faces internes. Les deux demi-plaques, qui ont des formes tout à fait comparables, sont constituées chacune d'une plaque métallique par exemple en acier inoxydable, de forme généralement rectangulaire. La partie centrale 2 de chaque demi-plaque bipolaire constitue une zone active destinée à assurer une bonne répartition de l'écoulement des fluides actifs sur les surfaces externe de chaque demi-plaque bipolaire, ainsi que du fluide caloporteur entre les deux demi-plaque bipolaires. A leurs périphéries, les deux demi- plaques bipolaires comportent des découpes 4, 5, 6 de forme généralement allongée destinées à réaliser des passages des boîtes à fluide pour l'alimentation et l'évacuation des différents fluides nécessaires au fonctionnement de la pile. En particulier à la partie supérieure et à la partie inférieure (tel que représenté sur la figure), les plaques bipolaires comportent des découpes 4 pour la demi-plaque bipolaire 1 et 4' pour la demi-plaque bipolaire 1', destinées à constituer les boîtes à fluide caloporteur. La découpe de la partie supérieure est par exemple destinée à réaliser la boîte d'alimentation en fluide caloporteur, et la découpe inférieure est destinée à réaliser la boîte d'évacuation du fluide caloporteur. Sur les deux bords latéraux, les demi- plaques bipolaires comportent des découpes 5 et 6, également généralement allongées et destinées à réaliser d'une part les boîtes d'alimentation et d'évacuation du fluide comburant, et d'autre part des boîtes d'alimentation et d'évacuation du fluide carburant. Les découpes 4, 4' destinées à réaliser les boîtes à fluide caloporteur, sont entourées par des nervures 7, 7' en saillie sur la surface externe de chacune des demi-plaques bipolaires 1, 1', destinées à assurer l'étanchéité. Sur leur bordure orientée vers la zone active 2, les découpes 4, 4' comportent également des nervures 8, 8' permettant la communication entre l'intérieur des boîtes à fluide caloporteur et l'espace situé entre les deux demi-plaques bipolaires 1, 1' en regard de la zone active 2. En effet, le fluide caloporteur est destiné à circuler dans l'espace situé entre les deux demi-plaques bipolaires. Il doit donc entrer par l'une des boîtes caloporteur, puis circuler entre les deux demi-plaques, et enfin être évacué par une deuxième boîte à fluide caloporteur. De la même façon, les découpes destinées à former des boîtes à comburant 5, 5' ou à carburant 6 sont entourées d'une part de nervures 9, 9' et 11 respectivement destinées à assurer l'étanchéité, et d'autre part de nervures 10 et 12 respectivement destinées à assurer la communication entre les boîtes d'amenée et d'évacuation du comburant ou du carburant, et les surfaces externes de la plaque bipolaire. En effet, les fluides comburant et carburant doivent circuler entre les faces externes des plaques bipolaires et les membranes actives interposées entre deux plaques bipolaires successives; le fluide comburant circulant sur la face externe de la demi- plaque bipolaire cathodique, et le fluide carburant sur la face externe de la demi-plaque bipolaire anodique. Les nervures destinées à assurer la communication entre les boîtes à fluides comburant ou carburant et les faces externes des plaques bipolaires, sont des nervures qui d'une part débouchent à l'intérieur des boîtes à fluides comburant ou carburant, et d'autre part débouchent à l'autre extrémité par l'intermédiaire d'une ouverture prévue dans la demiplaque bipolaire adaptée, l'une, correspondant au fluide comburant, sur la face externe de la demi- plaque bipolaire cathodique, et l'autre, correspondant au fluide carburant, sur la face externe de la demi-plaque anodique. L'étanchéité de la plaque bipolaire dans son ensemble est réalisée par deux nervures périphériques en regard l'un de l'autre en saillie sur les faces externes de la plaque bipolaire. Une nervure périphérique est prévue sur une demi-plaque bipolaire, et l'autre nervure sur l'autre demi- plaque bipolaire. Chaque nervure périphérique comporte des segments 15 et 15' assurant la liaison entre les nervures 7, 7' entourant les découpes 4, 4' destinées à réaliser des boîtes à fluide caloporteur. Les segments 15, 15' qui relient une ouverture correspondant à une boîte d'entrée du fluide caloporteur à une ouverture correspondant à une boîte de sortie de ce fluide, passent à l'extérieur des nervures d'étanchéité 9 et 11 des découpes 5 et 6 destinées à réaliser des boîtes à fluides comburant ou carburant. En l'absence de dispositions particulières, les segments 15, 15' des nervures d'étanchéité périphérique assureraient un passage direct, c'està-dire un bypass parasite, entre les nervures d'étanchéité 7, 7' d'une découpe 4, 4' d'une boîte à fluide caloporteur supérieur et les nervures d'étanchéités correspondantes de la découpe de boîte à fluide caloporteur inférieur correspondante. Du fait des liaisons entre les nervures 7, 7' d'étanchéité et les nervures 8, 8' d'alimentation en fluide caloporteur, cela conduirait à un circuit parasite du fluide de refroidissement entre l'entrée et la sortie sans passer par la zone à refroidir. Afin d'éviter cette communication parasite entre les boîtes à fluide caloporteur supérieure et inférieure, on prévoit sur les segments des nervures d'étanchéité périphérique 15 de la demi-plaque bipolaire 1, des zones de liaison avec les nervures d'étanchéité 7 entourant la découpe de boîte à fluide caloporteur 4, les liaisons 16 qui s'étendent par exemple vers l'extérieur et qui sont complétées chacune par un plot 17 en saillie sur la face interne de la demi-plaque bipolaire 1. De la même façon sur la demi-plaque bipolaire 1' qui comporte deux nervures d'étanchéité périphériques 15' venant en regard des segments de nervures périphériques 15 de la demi-plaque bipolaire 1, on prévoit au voisinage des nervures d'étanchéité 7' entourant les découpes 4' destinées à réaliser des boîtes à fluide caloporteur, des zones de liaison 16' qui sont orientées vers l'intérieur, de sorte que, lorsque les deux demi-plaques bipolaires sont accolées, chaque plot 17 de la demi- plaque bipolaire 1 vient obstruer la partie correspondante 16' d'un segment de nervure périphérique 15'. De la même façon sur la demi-plaque 1' on prévoit des plots 17' en saillie vers la face interne de la demi-plaque bipolaire 1', disposés de telle sorte que, lorsque les deux demi-plaques bipolaires sont accolées l'une à l'autre, chaque plot vient obstruer la partie correspondante 16 d'un segment de nervure d'étanchéité périphérique 15. Ainsi, avec des segments de nervure d'étanchéité périphérique 15 et 15' en continuité avec les nervures d'étanchéité périphérique 7, 7' des découpes 4, 4' destinées à former des boîtes à fluide de refroidissement, on diminue l'encombrement de la plaque bipolaire et, du fait de la disposition des plots 17 et 17' qui viennent obstruer les nervures d'étanchéité périphériques 15 et 15', on évite la création d'un bypass entre les boîtes d'arrivée de fluide de refroidissement et les boîtes d'évacuation de fluide de refroidissement. Le moyen d'obstruction ou de blocage du bypass tel qu'il a été décrit n'est pas limitatif et on peut envisager d'autres dispositions comparables permettant d'éviter un bypass entre les boîtes d'amenée de fluide de refroidissement et les boîtes d'évacuation des fluides de refroidissement. Ce moyen peut être, par exemple un bouchon en polymère de forme adaptée, inséré localement dans la nervure, et de taille suffisante pour être pincé entre les deux-demi plaques bipolaires. Ces bouchons peuvent être maintenus en place par des points de colle. REVENDICATIONS 1. Plaque bipolaire pour pile à combustible, du type comprenant une demiplaque bipolaire cathodique et une demi-plaque bipolaire anodique accolées l'une à l'autre, chaque demi-plaque bipolaire (1, 1') étant constituée d'une plaque comportant dans sa partie centrale une zone active (2) et à sa partie périphérique une pluralité de découpes (4, 4', 5, 5', 6) destinées à constituer au moins deux boîtes à comburant, au moins deux boîtes à carburant et au moins deux boîtes à fluide caloporteur, au moins une demi-plaque bipolaire (1, 1') comprenant au moins une nervure de liaison (8, 8', 10, 12) entre une découpe périphérique (4, 4', 5, 5', 6) et la zone active (2), caractérisée en ce que chaque découpe (4, 5, 6) d'une demi-plaque bipolaire destinée à constituer une boîte à fluide est entourée d'une nervure d'étanchéité (7, 7', 9, 9', 11) de boîte à fluide, en saillie sur la face externe de la demi-plaque bipolaire, et en ce que chaque demi-plaque bipolaire comprend à sa périphérie une nervure d'étanchéité (15, 15') de la zone active, en saillie sur la face externe de la demi-plaque bipolaire, reliant de façon continue les nervures d'étanchéité (7, 7') des boîtes à fluide caloporteur et entourant par l'extérieur les nervures d'étanchéité (9, 9', 10) des boîtes à comburant et à carburant, chaque canal constitué par un segment de nervure entre deux boîtes à flux de caloporteur étant obstrués par un moyen d'obstruction. 2. Plaque bipolaire pour pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que au moins un moyen d'obstruction d'un canal constitué par un segment de nervure entre deux boîtes caloporteur est constitué par un plot (17, 17') en saillie sur la face interne d'une demiplaque bipolaire et destiné à coopérer avec l'intérieur de la nervure d'étanchéité (15, 15') de l'autre demi-plaque bipolaire de façon à obstruer le canal constitué par la nervure entre deux boîtes à fluide caloporteur. 3. Plaque bipolaire pour pile à combustible selon la revendication 2, caractérisée en ce que les nervures d'étanchéité (7, 7', 9, 9', 11) des boîtes de fluide caloporteur et d'étanchéité (15, 15') de la zone active d'une demi-plaque bipolaire sont en regard des nervures d'étanchéité correspondantes de l'autre demi-plaque bipolaire, sauf dans au moins une zone située entre deux nervures d'étanchéité d'une boîte d'entrée et d'une boîte de sortie du fluide caloporteur, et en ce que, dans cette zone, au moins chaque demi-plaque bipolaire comporte un plot (17, 17') en saillie sur sa face interne, coopérant avec la partie interne de la nervure d'étanchéité (15, 15') de la zone active de l'autre plaque bipolaire, de façon à obstruer ladite nervure. 4. Plaque bipolaire selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisée en ce que au moins une demi-plaque bipolaire (1, 1') est une plaque métallique dans laquelle les nervures et l'au moins un plot sont réalisés par emboutissage. 5. Plaque bipolaire selon la revendication 4, caractérisée en ce que au moins une demi-plaque bipolaire constituée d'une plaque métallique découpée et emboutie est en acier inoxydable. 6. Pile à combustible du type comprenant au moins une cellule constituée d'un assemblage membrane/électrode comprenant au moins une plaque bipolaire, conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5. 7. Pile à combustible selon la revendication 6, caractérisée en ce que le moyen d'obstruction du bypass est un bouchon en polymère.