Brevet FR2896091A1 — publié le 20070713

La présente invention est relative à une pile à combustible du type comprenant des cellules empilées comprenant chacune une chambre cathodique et une chambre anodique pour produire de l'électricité par oxydation d'un combustible dans la chambre anodique, et réduction d'un carburant dans la chambre cathodique et un carter délimitant un volume intérieur recevant les cellules, et définissant une ouverture d'accès aux cellules débouchant dans le volume intérieur. Une pile à combustible à membrane échangeuse de protons est un dispositif de production d'électricité par réaction électrochimique entre un gaz contenant de l'hydrogène et un gaz contenant de l'oxygène, séparés par une paroi constituée d'un électrolyte solide. Dans un tel dispositif, 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 em- pilement 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 gaz hydrogène, d'autre part du gaz oxygéné, et enfin d'un fluide de refroidisse-ment tel que de l'eau. L'ensemble membrane/ électrode est un matériau multicouche 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, la cellule élémentaire est constituée d'un assemblage membrane/ électrode inséré entre deux plaques bipolaires qui sont intégrées elles-mêmes au cadre périphérique de la cellule élémentaire, et l'étanchéité est assurée par deux joints toriques disposés à la périphérie des plaques bipolaires. On connaît par exemple de FR-A-2 865 853 une pile à combustible du type précité destinée à être utilisée dans un véhicule automobile. A cet effet, pour protéger la pile des détériorations mécaniques extérieures, et pour protéger l'utilisateur du véhicule des risques d'électrocution liés à la pile, il est connu de disposer les cellules dans un carter délimitant un volume intérieur. Le carter reçoit les cellules et présente une ouverture d'accès aux cellules. Une telle pile ne donne pas entière satisfaction. En effet, l'étanchéité de l'empilement de cellules n'est pas parfaite, compte tenu de la faible masse volumique des gaz utilisés dans la pile à combustible, comme par exemple l'hydrogène. Par suite, il existe un risque que de l'hydrogène s'accumule dans le volume intérieur, entre l'empilement de cellules et la paroi du carter. La présence d'un mélange d'hydrogène et d'oxygène dans ce volume confiné peut conduire à une détonation. Un but de l'invention est donc d'obtenir une pile à combustible qui peut être utilisée de manière plus sûre et plus fiable dans un véhicule auto-mobile. A cet effet, l'invention a pour objet une pile à combustible du type précité, caractérisé en ce que le carter définit au moins une ouverture auxi- liaire de mise en circulation de gaz, la ou chaque ouverture auxiliaire étant apte à créer une circulation de gaz entre l'ouverture d'accès et l'ouverture auxiliaire pour balayer les cellules dans le volume intérieur. La pile à combustible peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute(s) combinaison(s) techniquement possibles : - le carter comprend une région comprenant une pluralité d'ouvertures auxiliaires formant une grille d'aération et une région adjacente dépourvue d'ouvertures auxiliaires ; - elle comprend un treillis poreux placé dans le volume intérieur en regard de la ou de chaque ouverture auxiliaire, le treillis couvrant la ou chaque ouverture auxiliaire ; - le carter comprend une paroi inférieure délimitant l'ouverture d'accès aux cellules et une paroi supérieure délimitant au moins une ouver- ture auxiliaire supérieure de mise en circulation des gaz située en regard de l'ouverture d'accès, les cellules étant disposées dans le volume intérieur entre l'ouverture d'accès et l'ouverture auxiliaire supérieure ; - le carter comprend au moins une paroi latérale reliant la paroi in- férieure à la paroi supérieure, au moins une ouverture auxiliaire latérale de mise en circulation de gaz étant ménagée dans la paroi latérale ; - les cellules sont empilées le long d'un axe sensiblement perpendiculaire à un axe reliant l'ouverture d'accès à l'ouverture auxiliaire supérieure ; et - le carter comprend une enveloppe interne réalisée à base d'un matériau isolant électriquement et délimitant le volume intérieur, et une enveloppe externe comprenant un matériau conducteur de l'électricité et appliquée sur l'enveloppe interne. L'invention a en outre pour objet un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend une pile à combustible telle que définie ci-dessus. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : - la Figure 1 est une vue en perspective de trois-quarts face d'une pile à combustible selon l'invention ; - la Figure 2 est une vue analogue à la Figure 1, dans lequel le carter de la pile à combustible a été retiré ; - la Figure 3 est une vue partielle schématique en coupe suivant le plan vertical III-III de la Figure 1 ; et - la Figure 4 est une vue partielle schématique en coupe suivant le plan horizontal médian IV-IV de la Figure 4. Les Figures 1 à 4 illustrent schématiquement une pile à combustible 10 suivant l'invention. Cette pile 10 comprend un support distributeur 12 central, deux empilements 14A, 14B de cellules de génération électrique montés sur le support 12, de part et d'autre d'un axe horizontal X-X', et des moyens 16A, 16B de fixation des empilements de cellules 14A, 14B sur le support 12, visibles sur la Figure 2. La pile à combustible 10 comprend un carter 18 de protection, visible sur la Figure 1, qui reçoit intérieurement les empilements 14A, 14B de cellules. Le support 12 comprend un corps 20 présentant deux surfaces 22A, 22B verticales de montage des empilements de cellules 14A, 14B. Le corps 20 délimite intérieurement des conduits de distribution d'un combustible à oxyder, des conduits de distribution d'un comburant à réduire, et des conduits de distribution d'un fluide réfrigérant, qui débouchent d'une part dans les surfaces 22A, 22B, et d'autre part, dans des embouts 24 qui font saillie extérieurement par rapport au corps 22. Chaque empilement 14A, 14B comprend une pluralité de cellules 26. Les cellules 26 sont par exemple du type décrit dans la demande française n 05 07402 de la demanderesse et ne sont pas représentées en détail. El-les comprennent chacune une chambre cathodique, une chambre anodique, et une membrane échangeuse d'ions qui sépare les deux chambres. Ainsi, la chambre cathodique peut comprendre une cathode et une plaque polaire et la chambre anodique peut comprendre une anode et une plaque polaire. Les deux plaques polaires enserrent l'anode et la cathode qui enserrent elles-mêmes la membrane échangeuse d'ions. De manière classique, une telle cellule 26 permet de produire de l'électricité par oxydation d'un combustible dans la chambre anodique et réduction d'un comburant dans la chambre cathodique. De préférence, le combustible est un fluide hydrogéné, par exemple de l'hydrogène gazeux, et le comburant est un fluide oxygéné, par exemple 25 de l'oxygène gazeux ou de l'air gazeux. Les modes d'alimentation en combustible et en comburant et d'évacuation de l'eau produite par la réaction d'oxydoréduction, de collecte des électrons produits et des refroidissements de la pile n'étant pas l'objet de la présente invention, ils ne seront pas décrits plus en détail. Toutefois, 30 ils peuvent être obtenus grâce à des moyens classiques tels que ceux décrits dans la demande française précitée. Dans l'exemple représenté, les cellules 26 ont des sections carrées et chaque empilement 14A, 14B présente une forme sensiblement parallélépipédique. En variante, les cellules 26 peuvent avoir d'autres formes. Les moyens de fixation 16A, 16B comprennent, pour chaque empile-ment 14A, 14B, une plaque terminale 28A, 28B disposée à l'extrémité de l'empilement 14A, 14B et des tiges 30 de traction longitudinale de la plaque 28A, 28B vers la surface d'application 22A, 22B. Ainsi, les cellules 26 sont maintenues sur les tiges 30, enserrées entre une surface d'application 22A, 22B et une plaque terminale 28A, 28B en regard. Les plaques terminales 28A, 28B sont par ailleurs munies de connecteurs 32 de raccordement électrique qui font saillie axialement à partir des plaques 28A, 28B, à travers le carter 18, pour raccorder la pile 10 à un dis-positif à alimenter électriquement, comme par exemple un moteur électrique de véhicule automobile. Comme illustré par les Figures 1, 3 et 4, le carter 18 comprend deux demi-coques 34A, 34E3 fixées de part et d'autre du support distributeur 12 pour recevoir intérieurement les empilements 14A, 14B respectifs. Les demi-coques 34A, 34B sont symétriques par rapport à un plan vertical médian passant par le support 12. Ainsi, seule la demi- coque gau- che 34A sera décrite en détail. La demi-coque droite 34B présente une structure analogue à celle de la demi-coque 34A. La demi-coque 34A comprend une paroi supérieure 36 et une paroi inférieure 38, raccordées entre elles par une paroi latérale gauche 40, par une paroi latérale avant 42, et par une paroi latérale arrière 44. La demi- coque 34A présente ainsi une forme sensiblement parallélépipédique de dimensions légèrement supérieures aux dimensions de l'empilement 14A. Les parois 36 à 44 délimitent un volume intérieur 46 dans lequel est reçu l'empilement 14A. Lorsque l'empilement 14A est disposé dans le volume intérieur 46, il définit avec la demi-coque 34A un espace intermédiaire. Chaque paroi de la demi-coque 34A, 34B comprend une couche intérieure 48 délimitant le volume intérieur 46, réalisée en un matériau isolant de l'électricité, et une couche extérieure 50, appliquée sur la couche intérieure 46 et réalisée en un matériau conducteur de l'électricité. La paroi supérieure 46, la paroi avant 42, la paroi arrière 44, et la paroi inférieure 38 sont fixées par leurs bords droits respectifs sur le support distributeur 12, autour de l'empilement 14A. Selon l'invention, la demi-coque 14A délimite une ouverture inférieure 52 d'accès aux cellules 26, une grille supérieure d'aération 54 formée par une pluralité d'ouvertures supérieures 56 de mise en circulation de gaz, et une pluralité d'ouvertures latérales 58 de mise en circulation de gaz ménagées dans la paroi latérale gauche 40. La demi-coque 34A comprend, pour chaque ouverture 52, 56, 58, des moyens de protection 60 disposés dans le volume intérieur 46. L'ouverture inférieure 52 débouche dans le volume intérieur 46. Elle est formée par une encoche ménagée dans la paroi inférieure 38 et s'ouvrant dans le bord droit de cette paroi 38. Les ouvertures supérieures 56 formant la grille 54 sont ménagées dans la paroi supérieure 36. Elles sont disposées au voisinage de la surface d'application 22A dans une partie centrale de la paroi 36 et débouchent dans le volume intérieur 46. Ainsi, la grille 54 s'étend sensiblement en regard de l'ouverture inférieure 52. Elle présente une longueur inférieure à celle de l'empilement 14A et à celle de l'ouverture inférieure 52. La grille 56 définit sur la paroi supérieure 36 une région adjacente dépourvue d'ouvertures. Les ouvertures supérieures 56 présentent une section inférieure à la section de l'ouverture d'accès 52. Les ouvertures latérales 58 sont ménagées au voisinage du bord su- périeur de la paroi latérale gauche 40, le long d'une ligne sensiblement horizontale. Les ouvertures 58 débouchent dans le volume intérieur 46 et pré-sentent une section inférieure à la section de l'ouverture d'accès 52. Les moyens de protection 60 comprennent un tamis supérieur 62 fixé à la paroi supérieure 46, sous la grille 54, un tamis latéral 64 fixé à la paroi latérale 40 en regard des ouvertures latérales 58, et un tamis inférieur 66 fixé à la paroi inférieure 38 au dessus de l'ouverture inférieure 52. Chaque tamis 62, 64, 66 présente une section supérieure à la section des ouvertures 52, 56, 58 respectives qu'ils couvrent. Chaque tamis 62, 64, 66 présente des passages de dimension transversale au moins dix fois inférieure à la dimension des ouvertures 52, 56, 58 respectives. En fonctionnement, les moyens de fixation 16A, 16B enserrent les cellules 26 de chaque empilement 14A, 14B de sorte qu'une étanchéité quasi-totale est réalisée entre les cellules 26 pour éviter les fuites de gaz comburant ou de gaz combustible. Toutefois, si des gaz parviennent à s'échapper hors des cellules 26, ces gaz sont collectés dans le volume intérieur 46, entre chaque empilement 14A, 14B et les parois de la demi-coque 34A, 34B correspondante. La présence des ouvertures supérieures 56 de mise en circulation de gaz dans la grille supérieure 54, située en regard de l'ouverture inférieure 52 crée un balayage d'air extérieur permanent dans le volume intérieur 46, de-puis l'ouverture inférieure 52, puis autour de la périphérie des cellules 26 perpendiculairement à l'axe X-X', et à travers les ouvertures supérieures 56, comme indiqué par les flèches représentées sur la Figure 3. Ce balayage permanent évacue le gaz combustible qui pourrait s'accumuler dans le volume intérieur 46. En outre, un balayage d'air extérieur est également produit par la mise en circulation d'air extérieur entre l'ouverture inférieure 52 et les ouvertures latérales 58, ce qui améliore encore l'évacuation de gaz potentielle-ment accumulés. En outre, les risques de court-circuit entre deux cellules 26 des empilements 14A, 14B sont limités, notamment en cas d'accident puisque les parois du carter 18 comprennent une couche intérieure 48 en matériau isolant. La présence d'une couche extérieure 50 en matériau conducteur évacue les charges électostatiques qui pourraient s'accumuler sur les parois du carter 18, ce qui limite la formation d'étincelles par décharge électrostati- que. Ainsi, la pile à combustible 10 selon l'invention est utilisable de manière plus fiable et plus sûre dans un véhicule automobile. REVENDICATIONS 1. Pile à cornbustible (10), du type comprenant : - des cellules (26) empilées comprenant chacune une chambre cathodique et une chambre anodique pour produire de l'électricité par oxy- dation d'un combustible dans la chambre anodique, et réduction d'un carbu- rant dans la chambre cathodique ; - un carter (18) délimitant un volume intérieur (46) recevant les cellules (26), et définissant une ouverture (52) d'accès aux cellules (26) dé-bouchant dans le volume intérieur (46), caractérisée en ce que le carter (18) définit au moins une ouverture auxiliaire (56, 58) de mise en circulation de gaz, la ou chaque ouverture auxiliaire (56, 58) étant apte à créer une circulation de gaz entre l'ouverture d'accès (52) et l'ouverture auxiliaire (56, 58) pour balayer les cellules (26) dans le volume intérieur (46). 2. Pile à combustible (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le carter (18) comprend une région comprenant une pluralité d'ouvertures auxiliaires (56) formant une grille d'aération (54) et une région adjacente dépourvue d'ouvertures auxiliaires. 3. Pile à combustible (10) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comprend un treillis poreux (62, 64) placé dans le volume intérieur (46) en regard de la ou de chaque ouverture auxiliaire (56, 58), le treillis (62, 64) couvrant la ou chaque ouverture auxiliaire (56, 58). 4. Pile à cornbustible (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le carter (18) comprend une paroi inférieure (38) délimitant l'ouverture (52) d'accès aux cellules et une paroi supérieure (36) délimitant au moins une ouverture auxiliaire supérieure (56) de mise en circulation des gaz située en regard de l'ouverture d'accès (52), les cellules (26) étant disposées dans le volume intérieur (46) entre l'ouverture d'accès (52) et l'ouverture auxiliaire supérieure (56). 5. Pile à combustible (10) selon la revendication 4, caractérisée en ce que le carter (18) comprend au moins une paroi latérale (40) reliant la paroi inférieure (38) à la paroi supérieure (36), au moins une ouverture auxi-liaire latérale (58) de mise en circulation de gaz étant ménagée dans la paroi latérale (40). 6. Pile à combustible (10) selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisée en ce que les cellules (26) sont empilées le long d'un axe (X-X') sensiblement perpendiculaire à un axe reliant l'ouverture d'accès (52) à l'ouverture auxiliaire supérieure (56). 7. Pile à combustible (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le carter (18) comprend une enveloppe interne (48) réalisée à base d'un matériau isolant électriquement et délimitant le volume intérieur (46), et une enveloppe externe (50) comprenant un matériau conducteur de l'électricité et appliquée sur l'enveloppe in-terne (48). 8. Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comprend une pile à combustible (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes.