Brevet FR2896623A1 — publié le 20070727

"Pile à combustible comportant des plaques bipolaires métalliques embouties" L'invention concerne une pile à combustible, et notamment une pile à combustible utilisée comme source d'énergie électrique à bord d'un véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement une pile à combustible comportant des plaques bipolaires métalliques embouties. Une telle pile comporte un empilement successif selon une direction longitudinale d'au moins trois ensembles : io - un premier ensemble et un troisième ensemble dont chacun constitue une cellule unitaire de production d'énergie électrique, dite MEA (Membrane Electrode Assembly), comportant : - une plaque anodique agencée dans un plan is transversal ; -une plaque cathodique agencée parallèlement à la plaque anodique ; - une membrane électrolytique agencée entre les plaques anodique et cathodique ; 20 - un deuxième ensemble qui constitue une plaque bipolaire alimentant en réactifs la cellule MEA et/ou assurant le refroidissement de la pile, cette plaque bipolaire étant entre la plaque anodique de la première cellule MEA et la plaque cathodique de l'autre cellule MEA, la plaque bipolaire 25 comportant : - deux plaques métalliques embouties délimitant des conduits dans lesquels circule un gaz réactif et/ou un liquide de refroidissement. On utilise couramment des plaques bipolaires 30 massives, 30 représentées à la figure 1, fabriquées dans un matériau métallique comme l'acier, dans lesquelles on creuse des conduits de circulation des fluides par usinage ou autres procédés de gravure. 2 Des conduits d'alimentation anodique 15 en contact avec une plaque anodique 14 alimentent cette électrode en gaz réactif riche en dihydrogène. Des conduits d'alimentation cathodique 17 en contact avec une plaque cathodique 12 alimentent cette électrode en gaz réactif riche en dioxygène. Enfin des conduits interstitiels 21 sont traversés par un liquide de refroidissement évacuant la chaleur produite par la réaction de production d'énergie électrique. Comme on peut le voir sur la figure 1, les plaques io bipolaires 30 sont volumineuses et représentent donc une proportion importante de la masse totale de la pile à combustible 10. Pour résoudre ce problème, il est connu d'utiliser des plaques embouties 18, comme représentées à la figure 2. Les is plaques embouties 18 sont des feuilles métalliques, par exemple de l'acier inoxydable d'environ 0,1 mm d'épaisseur mises en forme par emboutissage et empilées deux à deux pour former une plaque bipolaire 30. Une plaque ainsi emboutie 18 représente donc une moitié 20 de plaque bipolaire 30. Une telle plaque emboutie 18 comporte des dents 19 délimitant des conduits différents. De la même manière, des conduits d'alimentation anodique 15 en contact avec une plaque anodique 14 alimentent cette électrode en gaz réactif riche en dihydrogène. Des conduits 25 d'alimentation cathodique 17 en contact avec une plaque cathodique 12 alimentent cette électrode en gaz réactif riche en dioxygène. Enfin des conduits interstitiels 21 sont traversés par un liquide de refroidissement évacuant la chaleur produite par la réaction de production d'énergie électrique. 30 Dans l'empilement, des bases 23 des dents 19 de la plaque emboutie 18, en contact avec une électrode anodique 14 ou cathodique 12, assurent la conduction électrique et le bon 3 passage des électrons entre les cellules MEA de production d'énergie 26. Les plaques embouties 18 sont accolées par leurs sommets 22 des dents 19 pour former une plaque bipolaire 30. Les plaques bipolaires 30 et les cellules MEA 26 sont assemblées alternativement et comprimées selon une direction longitudinale pour former un empilement de pile à combustible 10. Si l'utilisation de plaques embouties 18 permet de diminuer la masse et le volume de l'empilement en conservant de très bons io résultats électriques pour de petits assemblages (deux à trois cellules MEA 26), il est difficile de l'appliquer à un empilement pour une pile à combustible 10 qui comporte généralement plusieurs centaines de cellules MEA 26 et autant de plaques bipolaires 30 de ce type. 15 Une première difficulté réside dans l'homogénéité de l'empilement des différentes plaques embouties 18. En effet, cette configuration nécessite de faire coïncider très précisément les sommets 22 des dents 19, lors de l'assemblage par compression, afin d'assurer de résistances de contact minimales, ce qui est 20 difficilement réalisable au niveau d'un empilement où on peut compter plusieurs centaines de plaques embouties 18. Le contact électrique doit être parfait au sommet 22 pour chaque dent 19 car les cellules MEA 26 dans une telle pile 10 sont connectées électriquement en série, et le rendement global 25 de la pile 10 est proportionnel au rendement de la cellule MEA 26 le plus faible. Or, les plaques sont fortement sujettes à la déformation du fait de leur faible épaisseur. Par conséquent, même si le contact entre les dents 19 existe, comme sur la figure 2, il peut être de 30 mauvaise qualité et présenter des trous ou des bossages dus à l'emboutissage ce qui réduit fortement la circulation des électrons entre les plaques embouties 18 et par conséquent le rendement des cellules MEA 26 associées. 4 Un document antérieur, US 2004/0265667-Al décrit et représente un empilement de pile à combustible du type décrit précédemment et qui comporte à au moins une de ses extrémités une plaque interposée entre les plaques embouties pour mieux distribuer le refroidissement à tout l'empilement. Dans ce document, le reste de l'empilement est conservé comme dans l'état de la technique. Ce document propose une solution pour améliorer l'homogénéité du refroidissement mais pas d'amélioration pour l'homogénéité de la conductivité électrique io entre les cellules MEA. Dans le but de résoudre ce problème, la présente invention propose une pile à combustible du type décrit précédemment caractérisée en ce que la plaque bipolaire comporte une plaque conductrice intermédiaire agencée entre les deux plaques is embouties de manière à améliorer le contact électrique entre des zones en vis à vis des deux plaques embouties Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - l'épaisseur de la plaque conductrice intermédiaire est sensiblement égale à celles des plaques embouties de la plaque 20 bipolaire ; - la plaque conductrice intermédiaire est réalisée dans le même matériau que les plaques embouties ; - les zones en contact des plaques métalliques formant la plaque bipolaire sont assemblées par collage avec une colle 25 conductrice de manière à améliorer le contact électrique ; - les zones en contact des plaques métalliques formant la plaque bipolaire sont assemblées par soudage ou brasage de manière à améliorer le contact électrique ; - une plaque métallique conductrice comporte des orifices 30 répartis régulièrement entre des conduits interstitiels formés par les plaques embouties de manière à augmenter le volume des conduits interstitiels de circulation du liquide de refroidissement ; - la pile à combustible est composée de l'empilement selon une direction longitudinale de blocs unitaires comportant : une cellule MEA ; deux plaques embouties agencées de part et d'autre de la cellule MEA et une plaque conductrice intermédiaire s agencée sur l'une ou l'autre des deux plaques embouties et ces blocs unitaires sont assemblés les uns aux autres par soudage, brasage ou collage ; - la pile à combustible est composée de l'empilement selon une direction longitudinale de blocs unitaires comportant : une io cellule MEA ; une plaque bipolaire agencée d'un côté ou de l'autre de la cellule MEA de manière à pouvoir différencier la plaque anodique de la plaque cathodique dans la cellule MEA et ces blocs unitaires sont assemblés les uns aux autres par soudage, brasage ou collage. 15 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente un empilement d'une pile à 20 combustible selon l'état de la technique ; - la figure 2 représente un autre empilement d'une pile à combustible selon l'état de la technique ; - la figure 3 représente un empilement d'une pile à combustible selon un premier mode de réalisation de l'invention ; 25 la figure 4 représente un empilement d'une pile à combustible selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. - les figures 5a et 5b illustrent en détails le contact entre les plaques avec et sans plaque conductrice intermédiaire. Dans la description qui va suivre des éléments identiques, 30 analogues ou similaires seront désignés par les mêmes chiffres de référence. 6 Dans la description suivante, on utilisera la dénomination longitudinale, et transversale en référence au repère (L, T) représenté à la figure 1. On a représenté à la figure 3 un empilement pour une pile à combustible selon un premier mode de réalisation de l'invention. Une pile à combustible 10 se compose d'un empilement successif d'au moins trois ensembles selon une direction longitudinale. Le premier et le troisième ensemble constitue une cellule io de production d'énergie électrique ou MEA (pour Membrane Electrode Assembly) 26 qui comporte une plaque cathodique 12 agencée transversalement, une plaque anodique 14 agencée parallèlement à la plaque cathodique 12, entre lesquelles est interposée une membrane électrolytique 16. 15 Le deuxième ensemble est une plaque bipolaire d'alimentation 30 agencée entre la plaque anodique 14 d'une première cellule MEA et la plaque cathodique 12 de la cellule MEA 26 suivante. Une plaque bipolaire 30 comporte deux plaques 20 métalliques 18 de faible épaisseur, environ 0,1 mm, embouties à des distances régulières, et entre lesquelles est interposée une plaque conductrice intermédiaire 20 plane et de même épaisseur que les plaques embouties 18. Plus précisément, les plaques embouties 18 comportent 25 des dents 19 ayant des sommets 22, en contact avec une plaque conductrice intermédiaire 20, et des bases 23, en contact avec une plaque anodique 14 ou cathodique 12. Les dents formées par emboutissage délimitent des conduits d'alimentation anodique 15, cathodique 17, et 30 interstitiels 21, pour la circulation des fluides réactifs et du liquide de refroidissement. Le deuxième ensemble est ainsi constitué de deux plaques embouties 18 entre lesquelles est interposée une plaque 7 conductrice intermédiaire 20, l'ensemble étant assemblé par compression. Un tel empilement permet de garantir un meilleur contact entre le sommet 22 des dents 19 et la plaque conductrice 20 comme illustré à la figure 3 et à la figure 5b. Un avantage certain de cette nouvelle structure est de limiter la résistance dite de contact au niveau d'une plaque bipolaire 30 ce qui se traduit par des chutes ohmiques moins importantes que dans le cas où les plaques embouties 18 sont io accolées directement les unes aux autres. Un autre avantage de cette structure est d'améliorer l'homogénéité des contacts pour un empilement de pile à combustible, comprenant généralement plusieurs centaines de cellules MEA 26. 15 En effet, une force de compression appliquée longitudinalement aux extrémités de l'empilement est la seule force qui permet de réaliser concrètement l'assemblage mécanique d'une pile à combustible 10. En effet, comme le montrent les figures 5a et 5b, les 20 sommets 22 des dents 19 présentent un profil légèrement bombé du fait de leur réalisation par emboutissage. En comprimant les sommets 22 légèrement bombés des plaques embouties 18 contre la surface plane d'une plaque conductrice 20 (figure 5b), on assure un meilleur contact que si 25 on comprime l'un sur l'autre les sommets 22 de deux plaques embouties accolées (figure 5a). On s'affranchit ainsi des éventuels glissements d'un sommet bombé 22 par rapport à l'autre lors de la compression pouvant altérer la conductivité électrique de la pile à combustible 10. 30 Cette configuration présente également l'avantage de limiter le processus de corrosion en milieu confiné favorisé par la structure de l'état de la technique illustré aux figures 2 et 5a. En effet, les éléments présents dans le milieu, les gaz réactifs et 8 notamment le dioxygène, peuvent facilement s'infiltrer entre les sommets bombés 22 accolés. Le phénomène de corrosion, une fois amorcé induit une réaction en chaîne qui fait rapidement chuter les performances de la pile à combustible 10 ainsi que sa durée de vie. Avantageusement par rapport aux empilements connus, le nouvel empilement permet d'améliorer le contact entre les plaques embouties 18 et de ce fait limiter la corrosion et augmenter la durée de vie globale d'une pile à combustible 10 io conçue selon l'invention. L'assemblage d'une telle pile 10 est facilité par la présente invention. En effet, grâce à ce nouvel empilement, on peut envisager de réaliser des blocs unitaires 36 indépendants comportant 15 chacun : - une cellule de production d'énergie ou MEA 26 ; - une plaque emboutie 18 de part et d'autres des électrodes 12 et 14 ; - et une plaque conductrice 20 d'un côté ou de l'autre 20 d'une des plaques embouties 18. Les plaques conductrices 20 et les plaques embouties 18, en plus d'être comprimées mécaniquement les unes sur les autres, sont fixées les unes par rapport aux autres par collage en utilisant des colles conductrices ou par soudage, brasure ou tout 25 autre moyen équivalent et n'altérant pas la conductivité des plaques bipolaires 30 conçues selon l'invention. Le fait d'avoir de petits blocs indépendants 36 facilite la maintenance d'une telle pile à combustible permettant ainsi de changer aisément un ou plusieurs blocs indépendants 36 sans 30 avoir à défaire totalement l'empilement. On peut aussi définir un autre bloc indépendant 38 comme suit : - une cellule de production d'énergie ou MEA 26 ; 9 et une plaque bipolaire 30 agencée d'un côté ou de l'autre de la cellule MEA 26. Avantageusement par rapport à la définition du bloc 36 précédent, ce bloc 38 permet de différencier facilement la cathode 12 de l'anode 14, et d'éviter ainsi une éventuelle erreur d'empilement qui engendrerait un court-circuit dans la pile à combustible 10. Selon une variante de l'invention représentée à la figure 4, une plaque conductrice 32 interposée entre les plaques io embouties 18 comporte des orifices 34 régulièrement répartis sur sa surface, entre les conduits interstitiels 21 où s'écoule le liquide de refroidissement de manière à augmenter le volume des conduits interstitiels 21 de circulation du liquide de refroidissement. REVENDICATIONS 1. Pile à combustible (10) composée d'un empilement successif selon une direction longitudinale d'au moins trois ensembles comprenant : - un premier ensemble et un troisième ensemble dont chacun constitue une cellule unitaire (26) de production d'énergie électrique, dite MEA, comportant : - une plaque anodique (14) agencée dans un plan transversal ; i0 - une plaque cathodique (12) agencée parallèlement à la plaque anodique (14) ; - une membrane électrolytique (16) agencée entre les plaques anodique (14) et cathodique (12) ; - un deuxième ensemble qui constitue une plaque bipolaire is (30) alimentant en réactifs la cellule MEA (26) et/ou assurant le refroidissement de la pile (10), cette plaque bipolaire (30) étant entre la plaque anodique (14) de la première cellule MEA (26) et la plaque cathodique (12) de l'autre cellule MEA (26), la plaque bipolaire (30) comportant : 20 - deux plaques métalliques embouties (18) délimitant des conduits dans lesquels circule un gaz réactif et/ou un liquide de refroidissement caractérisée en ce que la plaque bipolaire (30) comporte une plaque conductrice intermédiaire (20) agencée entre les deux 25 plaques embouties (18) de manière à améliorer le contact électrique entre des zones (22) en vis à vis des deux plaques embouties 2. Pile à combustible (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'épaisseur de la plaque conductrice 30 intermédiaire (20) est sensiblement égale à celles des plaques embouties (18) de la plaque bipolaire (30). 3. Pile à combustible (10) selon la revendication 2, caractérisée en ce que la plaque conductrice intermédiaire (20) 2896623 Il est réalisée dans le même matériau que les plaques embouties (18). 4 Pile à combustible (10) selon la revendication 3, caractérisée en ce que les zones en contact des plaques 5 métalliques (18, 20) formant la plaque bipolaire (30) sont assemblées par collage avec une colle conductrice de manière à améliorer le contact électrique. 5. Pile à combustible (10) selon la revendication 3, caractérisée en ce que les zones en contact des plaques io métalliques (18, 20) formant la plaque bipolaire (30) sont assemblées par soudage ou brasage de manière à améliorer le contact électrique. 6. Pile à combustible (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que une plaque is métallique conductrice (32) comporte des orifices (34) réparties régulièrement entre des conduits interstitiels (21) formés par les plaques embouties (18) de manière à augmenter le volume des conduits interstitiels (21) de circulation du liquide de refroidissement. 20 7. Pile à combustible (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est composée de l'empilement selon une direction longitudinale de blocs unitaires (36) comportant : - une cellule MEA (26) ; 25 - deux plaques embouties (18) agencées de part et d'autre de la cellule MEA (26) ; - et une plaque conductrice intermédiaire (20) agencée sur l'une ou l'autre des deux plaques embouties (18) ; et en ce que ces blocs unitaires (36) sont assemblés les uns aux 30 autres par soudage, brasage ou collage. 8. Pile à combustible (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle est composée de 12 l'empilement selon une direction longitudinale de blocs unitaires (38) comportant : - une cellule MEA (26) ; - une plaque bipolaire (30) agencée d'un côté ou de l'autre de la cellule MEA (26) de manière à pouvoir différencier la plaque anodique (14) de la plaque cathodique (12) dans la cellule MEA (26) et en ce que ces blocs unitaires (38) sont assemblés les uns aux autres par soudage, brasage ou collage.10