Brevet FR2899386A1 — publié le 20071005

Assemblage élémentaire d'une pile à combustible comprenant un composant élastique. La présente invention concerne un assemblage élémentaire d'une pile à combustible du type comprenant un assemblage membrane électrode inséré entre deux demi-plaques bipolaires. Une pile à combustible du type à membrane échangeuse de protons est un dispositif électrochimique de production d'électricité dans lequel de l'électricité est produite par la réaction d'un gaz contenant de l'oxygène avec un gaz contenant de l'hydrogène à travers une membrane échangeuse de protons. Une telle pile à combustible est constituée d'un empilage alterné de plaques bipolaires et d'assemblages membrane électrode. Ces plaques bipolaires sont des composants conducteurs d'électricité conformés de façon à constituer d'une part des réseaux de circulation de gaz oxygéné ou de gaz hydrogéné, et des réseaux de circulation de fluide de refroidissement. Ces plaques bipolaires sont constituées de matériaux conducteurs de l'électricité et sont en contact par leurs faces avec les assemblages membrane électrode. L'assernblage membrane électrode est un ensemble multicouches comportant une couche centrale échangeuse de protons qui est un électrolyte solide, enserrée entre deux couches qui constituent des électrodes, le tout étant enserré entre deux couches de diffusion. Chaque plaque bipolaire comporte une face en contact avec une face anodique de l'assemblage membrane électrode, et une face en contact avec une face cathodique de l'assemblage membrane électrode. De la sorte, on peut considérer que la pile à combustible est constituée d'un empilement d'assemblages élémentaires constitués d'un assemblage membrane électrodes enserré entre deux demi-plaques bipolaires, une demi-plaque bipolaire devant avoir un bon contact électrique avec la face cathodique de l'assemblage membrane électrodes et l'autre demi-plaque bipolaire devant avoir un bon contact électrique avec la face anodique de l'assemblage membrane électrode. Pour que la pile à combustible fonctionne dans les conditions satisfaisantes, et en particulier pour que sa résistance interne soit la plus faible possible, il est nécessaire que le contact électrique entre les demi-plaques bipolaires et les assemblages membrane électrode soit le meilleur possible. Cependant, compte tenu des tolérances géométriques de fabrication des demi-plaques bipolaires, des dispersions de profondeur des canaux, des défauts de planéité, et plus généralement des défauts géométriques de ces plaques, il est difficile de garantir des pressions de contact constantes entre les plaques bipolaires et les assemblages membrane électrode, et en particulier des pressions de contact uniformes sur toute la surface de contact entre les plaques bipolaires et les ensembles de membrane électrodes. Il résulte de cette difficulté des hétérogénéités de contact et par conséquent des résistances de contact parasites qui engendrent une forte baisse des performances de la pile à combustible. Le but de la présente invention est de remédier à cet inconvénient en proposant un assemblage élémentaire de pile à combustible du type comprenant un assemblage membrane électrodes enserré entre deux demi-plaques bipolaire, qui assure une bonne répartition de contact électrique sur toute la surface de contact entre les demi-plaques bipolaires et l'ensemble membrane électrodes. A cet effet, l'invention a pour objet l'assemblage élémentaire d'une pile à combustible, du type comprenant un assemblage membrane électrode enserré entre deux demi-plaques bipolaires, chaque demi-plaque bipolaire comportant des zones destinées à assurer le contact électrique avec l'assemblage membrane électrode. L'assemblage élémentaire comprend, en outre, au moins un composant conducteur électrique ayant une élasticité selon l'épaisseur, inséré entre une demi-plaque bipolaire et l'assemblage membrane électrode pour assurer le contact électrique entre la demi-plaque bipolaire et l'assemblage membranes électrodes. Ce composant, ayant une élasticité selon l'épaisseur, permet de compenser les irrégularités géométriques ou dimensionnelles de la demi-plaque bipolaire et, ainsi, assure l'uniformité de la répartition de la pression de contact sur l'ensemble de la surface réactionnelle de l'assemblage élémentaire. De préférence, la zone réactionnelle de l'assemblage membrane électrode est entourée par un cadre périphérique, et la demi-plaque bipolaire repose sur le cadre périphérique par l'intermédiaire d'entretoises rigides de façon à laisser un jeu entre la demi-plaque bipolaire et l'assemblage membrane électrode. Le cornposant conducteur électrique ayant une élasticité selon l'épaisseur est, par exemple, une plaque constituée d'un matériau conducteur électrique carboné fibreux, filaire ou poreux, ayant une épaisseur et un module d'élasticité en compression selon l'épaisseur, adaptés pour obtenir une répartition régulière de la pression de contact sur la surface active. Le cornposant conducteur électrique ayant une élasticité selon l'épaisseur peut être obtenu à partir d'une plaque mince en matériau conducteur électrique mise en forme pour lui conférer les caractéristiques d'un ressort selon l'épaisseur, et, par exemple, le composant peut être constitué d'une plaque mince ondulée. Le cornposant conducteur électrique ayant une élasticité selon l'épaisseur peut, aussi, être constitué d'une plaque comportant une pluralité de ressorts élémentaires en lamelles obtenus par découpage partiel et cintrage dans une tôle fine. Le composant conducteur électrique ayant une élasticité selon l'épaisseur peut, également, être constitué d'une plaque comportant une pluralité de ressorts élémentaires à spirale, obtenus par emboutissage et poinçonnage dans une tôle fine. Le composant conducteur électrique ayant une élasticité selon l'épaisseur peut, encore, être constitué d'une plaque comportant une pluralité de boutons formant ressort, obtenus par emboutissage. De préférence, la plaque dont est constitué le composant conducteur électrique ayant une élasticité selon l'épaisseur peut est constituée d'un acier inoxydable ou de carbone ou d'un polymère conducteur électrique éventuellement revêtu d'un métal tel que le nickel, le titane ou l'or. Dans un mode de réalisation particulier, le composant conducteur électrique ayant une élasticité selon l'épaisseur peut être constitué d'une pluralité de lamelles élastiques soudées ou brasées sur la demi-plaque bipolaire. De préférence, l'assemblage comprend deux composants conducteur électrique ayant une élasticité selon l'épaisseur, l'assemblage membrane électrodes étant disposé entre les deux composants élastiques. L'invention concerne également une pile à combustible constituée d'un empilement d'une pluralité d'assemblages élémentaires dans lequel au moins un assemblage est selon l'invention. L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise mais non limitative, en regard des figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue en coupe partielle d'un assemblage élémentaire d'une pile à combustible du type comprenant un assemblage membrane électrodes enserré entre deux demi-plaques bipolaires ; - la figure 2 est une vue latérale en coupe schématique d'un mode de réalisation d'un composant conducteur électrique élastique selon l'épaisseur, disposé entre un assemblage membrane électrodes et une demi-plaque bipolaire ; - la figure 3 est une vue latérale, en coupe, schématique d'un mode de réalisation d'un composant conducteur électrique élastique selon l'épaisseur disposé entre un assemblage membrane électrode et une demi-plaque bipolaire ; - la figure 4A et la figure 4B sont respectivement une vue en coupe latérale et une vue de dessus d'un mode de réalisation d'un composant conducteur électrique ayant une élasticité selon l'épaisseur, disposée entre un assemblage membrane électrode et une demi-plaque bipolaire ; - la figure 5A et la figure 5B sont respectivement une vue de dessus et une vue latérale en coupe d'un mode de réalisation d'un composant conducteur électrique ayant une élasticité selon l'épaisseur et disposé entre un assemblage membrane électrode et une demi-plaque bipolaire ; et - la figure 6 est une vue en coupe en perspective d'un mode de réalisation d'un composant conducteur électrique ayant une élasticité selon l'épaisseur disposée entre un assemblage membrane électrode et une demi-plaque bipolaire. L'assemblage élémentaire d'une pile à combustible, repéré généralement par 1 à la figure 1, est constitué d'un assemblage membrane électrodes 2 constitué d'une membrane échangeuse de protons 3 qui constitue un électrolyte solide, inséré entre deux couches 4 et 4' constituant des électrodes, d'une part une anode et d'autre part une cathode, le tout étant enserré entre deux couches de diffusion 5 et 5'. L'assemblage membrane électrodes est lui-même enserré entre une demi-plaque bipolaire anodique 6 et une demi-plaque bipolaire cathodique 6'. Les deux demi-plaques bipolaires sont conformées de façon à constituer des canaux 7 et 7' destinés à assurer la circulation des gaz réactifs dans l'assemblage membrane électrode. Les canaux 7 ou 7' sont séparés par des nervures 8 et 8' qui constituent des zones destinées à venir en contact électrique avec l'assemblage membrane électrode 2 de façon à permettre la collecte du courant électrique qui est généré par la réaction des gaz réactifs à travers l'assemblage membrane électrodes 2. Comme on peut le voir sur la figure, du fait de l'irrégularité de fabrication des demi-plaques bipolaires, les nervures 8, 8' peuvent avoir des hauteurs différentes qui peuvent se traduire par des jeux h qui sont tels que le contact direct de ces nervures avec l'assemblage membrane électrode peut être difficile. Aussi, afin d'assurer un bon contact entre l'assemblage membrane électrodes et les demi-plaques bipolaires, on insère entre l'assemblage membrane électrodes 2 et chaque demi-plaque bipolaire 6, 6', un composant conducteur électrique 9, 9' qui a une certaine élasticité dans le sens de l'épaisseur, et qui assure un contact élastique entre la demi-plaque bipolaire et l'assemblage membrane électrodes. Du fait de ce contact élastique, les pressions de contact peuvent être à peu près uniformes entre les différentes nervures et l'assemblage membrane électrode. La relative uniformité des pressions de contact permet d'avoir un bon contact électrique entre l'ensemble des nervures et l'assemblage membrane électrodes, et par conséquent sur l'ensemble de la surface de la demi-plaque bipolaire. Pour que le contact soit satisfaisant, le module d'élasticité d'écrasement E du composant conducteur électrique élastique selon l'épaisseur doit être adapté pour que, compte tenu de l'épaisseur sans contrainte Io et de la variation d'épaisseur Al, la pression P = E x Al/lo soit égale à la valeur souhaitée. A titre d'exemple, pour une pression souhaitée de 0,5 MPa, une épaisseur sans contrainte Io de 0,2mm et un écrasement moyen de 0,1 mm, le module d'élasticité E doit être d'environ 1 MPa. De préférence, on intercale un tel composant conducteur électrique élastique selon l'épaisseur entre chaque demi-plaque bipolaire et l'assemblage membrane électrodes. Afin d'assurer une bonne étanchéité à la périphérie de l'assemblage élémentaire de pile à combustible, l'assemblage membrane électrodes comporte à sa périphérie un cadre rigide 10 qui maintient notamment la membrane échangeuse de protons. Ce cadre 10 comporte un demi cadre supérieur 11 et un demi cadre inférieur 11'. A la périphérie de l'assemblage, la séparation entre le cadre rigide périphérique 10 de l'assemblage membrane électrodes et chacune des demi-plaques bipolaires 6 et 6' est réalisée par des entretoises 12 et 12' qui comportent des joints 13 et 13'. Ces joints permettent d'assurer l'étanchéité des contacts entre les entretoises et le cadre rigide de maintien de l'assemblage membrane électrodes d'une part, et entre les entretoises et les demi-plaques bipolaires d'autre part. Les composants conducteurs électriques ayant une élasticité selon leur épaisseur peuvent être constitués d'une plaque en matériau élastique selon l'épaisseur, conducteur d'électricité, qui peut être liée aux surfaces de contact de la plaque bipolaire par exemple par soudage laser ou par brasage, ou peut être partie intégrante de la couche de diffusion. Ces matériaux peuvent, par exemple, être des plaques de matériaux carbonés fibrés, filaires ou poreux, ayant un module élastique adapté de façon à pouvoir assurer une pression de contact suffisante. Les composants conducteurs électriques ayant une certaine élasticité selon l'épaisseur peuvent également être formés à partir de plaques mises en forme pour avoir une certaine élasticité. Différents modes de réalisation de ces plaques vont être décrits brièvement maintenant. Dans un premier mode de réalisation, représenté à la figure 2, le composant conducteur électrique ayant une certaine élasticité selon l'épaisseur, est une bande métallique 20 ondulée, conductrice d'électricité, insérée entre l'assemblage membrane électrode 2 et la demi-plaque bipolaire 6. Les ondulations confèrent à cette bande une certaine élasticité dans le sens de l'épaisseur. Cette bande en métal conducteur ondulé a une forme qui lui permet d'assurer le bon contact électrique entre les nervures et l'assemblage membrane électrodes tout en laissant libres les canaux de circulation des gaz réactifs. L'homme du métier sait adapter la forme de la bande à celle des canaux réactifs. La plaque ondulée conductrice d'électricité est par exemple en acier inoxydable. Elle peut également être constituée en d'autres matériaux susceptibles d'assurer une certaine élasticité et une bonne conductibilité électrique. Ces matériaux peuvent également être des polymères conducteurs électriques par exemple chargés en carbone, comportant ou non un revêtement métallique constitué de nickel, de titane, d'or ou de tout autre matériau métallique adapté. Dans un deuxième mode de réalisation, représenté aux figures 4A et 4B, le composant conducteur électrique ayant une certaine élasticité dans l'épaisseur, est une bande métallique 22, comportant une pluralité de découpes 23 qui comportent chacune une lamelle mise en forme de façon à former des lamelles ressorts 24 en saillie sur la face supérieure et sur la face inférieure de la bande. Cette bande est par exemple en un matériau métallique conducteur de l'électricité tel que de l'acier inoxydable. Dans un troisième mode de réalisation, représenté aux figures 5A et 5B, le composant conducteur d'électricité ayant une certaine élasticité dans l'épaisseur est une plaque 25 comportant une pluralité de découpes 26 selon des segments circulaires 27 imbriqués les uns dans les autres de façon à constituer des ressorts spirals 28. Ce composant, constitué d'une plaque dont la surface comporte une pluralité de ressorts spirals en saillie sur l'une de ses faces, peut être disposés entre la plaque bipolaire et l'assemblage membrane électrode puisque les ressorts spiraux forment des passages permettant aux gaz de circuler et d'atteindre les surfaces actives. Ce composant est obtenu par poinçonnage et emboutissage, dans une tôle fine par exemple en acier inoxydable. Dans un quatrième mode de réalisation, le composant conducteur d'électricité ayant une certaine élasticité est une plaque métallique 31 comportant une pluralité d'éléments ressorts, constitué chacun d'une coupelle 30 obtenue par emboutissage. La coupelle 30 comporte une partie centrale 32 en saillie sur une face de la plaque 30, et une couronne périphérique 33 en saillie sur l'autre face de la plaque métallique 31. Ce motif peut être reproduit périodiquement sur l'ensemble de la surface de la plaque de façon à assurer un ensemble de points de contact avec l'assemblage membrane électrodes et avec une plaque bipolaire. Cette forme de réalisation d'une plaque ayant des motifs qui constituent des ressorts assurant un contact élastique a l'avantage par rapport aux modes de réalisation précédents, d'assurer une étanchéité entre la face supérieure et la face inférieure. Dans un autre mode de réalisation, représenté à la figure 3, le composant conducteur électrique ayant une certaine élasticité dans l'épaisseur, est constitué par une pluralité de lamelles 21 soudées par une extrémité sur les nervures de la demi-plaque bipolaire 6, l'autre extrémité étant en contact avec l'assemblage membrane électrodes 2. Ces lamelles mises en forme de façon à constituer un ressort et fixées par soudage ou par tout autre moyen assurant la conduction électrique, sont constituées d'un matériau conducteur électrique susceptible d'être soudé, par exemple d'un 'matériau métallique tel que l'acier inoxydable. Comme on l'a indiqué précédemment, le composant conducteur électrique ayant une certaine élasticité selon l'épaisseur peut être en un matériau métallique tel que l'acier inoxydable, en un matériau carboné fibré, filaire ou poreux, ou en un polymère conducteur éventuellement revêtu d'une couche métallique. Plus généralement, le composant conducteur électrique élastique selon l'épaisseur peut être réalisé en tout matériau conducteur de l'électricité et élastique, et de préférence résistant à la corrosion. On comprendra que le mode de réalisation d'un assemblage élémentaire d'une pile à combustible présente plusieurs avantages qui sont notamment d'assurer une pression homogène de placage de chaque assemblage membrane électrodes contre les demi-plaques bipolaires correspondantes et de garantir ainsi une résistance électrique de contact entre l'assemblage membrane électrodes et la plaque bipolaire homogène sur toute la surface active. Cet assemblage élémentaire a également l'avantage de faciliter l'assemblage de la pile en le rendant plus tolérant aux efforts de bridage et en permettant de réaliser un assemblage à efforts imposés. Cet assemblage élémentaire est également beaucoup plus tolérant vis-à-vis des dispersions géométriques des plaques bipolaires et de l'assemblage membrane électrodes. II permet en outre d'absorber plus facilement les variations géométriques qui résultent des effets de dilatation thermique et des variations de chargement en eau de la membrane. Il facilite l'accès des gaz réactifs au droit des zones de contact entre les plaques bipolaires et la couche de diffusion de l'assemblage membrane électrodes, en augmentant notamment l'efficacité du catalyseur des couches électrodes, et assurant une meilleure disponibilité des réactifs. Il facilite enfin la réalisation de l'étanchéité des collecteurs notamment en rendant indépendants les efforts nécessaires pour la zone active et les efforts nécessaires pour l'étanchéité périphérique. L'homme du métier comprendra que d'autres modes de réalisation du composant conducteur électrique ayant une certaine élasticité dans l'épaisseur sont possibles et sont adaptés à la réalisation d'un assemblage élémentaire de piles à combustible conformes à l'invention. REVENDICATIONS 1. Assemblage élémentaire (1) d'une pile à combustible, du type comprenant un assemblage membrane électrodes (2) enserrée entre deux demi-plaques bipolaires (6, 6'), chaque demi-plaque bipolaire comportant des zones (8, 8') destinées à assurer le contact électrique avec l'assemblage membrane électrode, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, au moins un composant conducteur électrique ayant une élasticité selon l'épaisseur (9, 9'), inséré entre une demi-plaque bipolaire (6, 6') et l'assemblage membrane électrodes (2) pour assurer le contact électrique entre la demi-plaque bipolaire et l'assemblage membrane électrode. 2. Assemblage élémentaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone réactionnelle de l'assemblage membrane électrode est entourée par un cadre périphérique (10), et en ce que la demi-plaque bipolaires (6, 6') repose sur le cadre périphérique (10) par l'intermédiaire d'entretoises rigides (12, 12') de façon à laisser un jeu entre la demi-plaque bipolaire (6, 6') et l'assemblage membrane électrode (2). 3. Assemblage élémentaire de pile à combustible selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le composant conducteur électrique ayant une élasticité selon l'épaisseur est une plaque constituée d'un matériau conducteur électrique carboné fibreux, filaire ou poreux, ayant une épaisseur et un module d'élasticité en compression selon l'épaisseur, adaptés pour obtenir une répartition régulière de la pression de contact sur la surface active. 4. Assemblage élémentaire de pile à combustible selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le composant élastique est obtenu à partir d'une plaque mince en matériau conducteurélectrique mise en forme pour lui conférer les caractéristiques d'un ressort selon l'épaisseur. 5. Assemblage élémentaire de pile à combustible selon la revendication 4, caractérisé en ce que le composant est constitué d'une plaque mince ondulée (20). 6. Assemblage élémentaire de pile à combustible selon la revendication 4, caractérisé en ce que le composant est constitué d'une plaque (22) comportant une pluralité de ressorts élémentaires (24) en lamelles obtenus par découpage partiel et cintrage dans une tôle fine. 7. Assemblage élémentaire de pile à combustible selon la revendication 4, caractérisé en ce que le composant est constitué d'une plaque (25) comportant une pluralité de ressorts élémentaires à spirale (28), obtenus par emboutissage et poinçonnage dans une tôle fine. 8. Assemblage élémentaire de pile à combustible selon la revendication 4, caractérisé en ce que le composant élastique est constitué d'une plaque (31) comportant une pluralité de boutons (30) formant ressort, obtenus par emboutissage. 9. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que la plaque dont est constitué le composant élastique est constituée d'un acier inoxydable ou de carbone ou de polymère conducteur électrique éventuellement revêtu d'un métal tel que le nickel, le titane ou l'or. 10. Assemblage selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le composant élastique est constitué d'une pluralité de lamelles élastiques (21) soudées ou brasées sur la demi-plaque bipolaire. 5 11. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend deux composants conducteur électrique ayant une certaine élasticité selon l'épaisseur, l'assemblage membrane électrodes (2) étant disposé entre les deux composants élastiques (9, 9'). 12. Pile à combustible constituée d'un empilement d'une pluralité d'assemblages élémentaires, caractérisée en ce qu'au moins un assemblage élémentaire est selon l'une quelconque des revendications 1 à 11.