Brevet FR2900769A1 — publié le 20071109

PLAQUE BIPOLAIRE POUR PILE A COMBUSTIBLE La présente invention concerne une plaque bipolaire pour pile à combustible, notamment pour pile à combustible du type à membrane échangeuse d'ions (PEM), destinée à être montée sur un véhicule automobile. Les piles à combustible du type PEM comprennent généralement un empilement de cellules élémentaires et de membranes échangeuses d'ions, les membranes étant formées par un électrolyte solide, réalisé par exemple à partir de matériau polymère. Des plaques dites plaques bipolaires emprisonnent chaque cellule individuelle afin de lui assurer une stabilité mécanique suffisante et de permettre une distribution de gaz dans des chambres anodiques et cathodiques. A cet égard, les plaques bipolaires sont munies, sur leurs faces en contact avec les membranes, de rainures formant avec lesdites membranes des canaux ou conduits de distribution. Pour plus de détails, on pourra par exemple se référer au brevet américain US 5 686 199 décrivant une plaque bipolaire munie, sur une de ses faces, de canaux de distribution de fluides cheminant d'un bord de la plaque vers un bord opposé. Les canaux de distribution sont réalisés sous la forme de serpentins continus s'étendant en boustrophédon. Avec de telles plaques, des gaz anodiques circulent d'un côté de la membrane et des gaz cathodiques circulent du côté opposé. Des réactions d'oxydoréduction des gaz anodiques et cathodiques se produisent de part et d'autre de la membrane, avec des échanges d'ions à travers elle, les électrons étant véhiculés par les plaques bipolaires. De l'énergie électrique est ainsi récupérée et utilisée, notamment pour la traction du véhicule automobile. Les réactions électrochimiques d'oxydoréduction étant exothermiques, il est nécessaire d'évacuer la chaleur produite par l'intermédiaire de circuits de refroidissement ménagés sur certaines des plaques bipolaires. De telles plaques dites plaques de refroidissement permettent ainsi, grâce à la circulation d'un fluide caloporteur, de maintenir la pile à combustible à une température convenable en évitant la surchauffe de ses éléments internes. En ce qui concerne les membranes électrolytes utilisées dans chacune des cellules de la pile à combustible, celles-ci doivent présenter une perméabilité faible aux gaz réactifs tout en restant stables thermiquement et mécaniquement. De plus, pour maintenir un fonctionnement convenable de ces membranes, il est nécessaire d'éviter leur asséchement, en humidifiant à la fois le carburant gazeux et l'air comprimé alimentant la pile à combustible. Dans ces conditions, on conçoit aisément qu'une pile à combustible contienne en fonctionnement une quantité non négligeable d'eau sous forme liquide. Ainsi, dans le but d'obtenir un meilleur fonctionnement de la pile à combustible, il est souhaitable de prévoir un drainage de l'eau produite par la pile à combustible. A cet effet, il peut être prévu des conduites de purge qui sont équipées de vannes d'ouverture et de fermeture commandées en fonction de valeurs caractéristiques du fonctionnement de la pile, par exemple des tensions unitaires de chacune des cellules. Toutefois, ces étapes de contrôle des tensions unitaires et de commande des vannes présentent un certain nombre d'inconvénients 3 majeurs concernant notamment un surcoût de la pile à combustible, ou encore une détection défaillante de bouchons. La présente invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients, en proposant une plaque bipolaire pour pile à combustible permettant de limiter de façon efficace et économique les éventuels bouchons pouvant se former au niveau des canaux de circulation desdites plaques, afin d'accroître la sûreté de fonctionnement de ladite pile. Selon un premier aspect, l'invention a pour objet une plaque bipolaire pour pile à combustible, notamment du type à membrane échangeuse d'ions, comprenant une pluralité de canaux de circulation montés de façon consécutive entre eux et dans lesquels au moins un fluide est destiné à circuler. Chaque canal de circulation est constitué par une conduite rectiligne et agencé de manière que, dans une position verticale de la plaque, l'écoulement de fluide circule dans un sens descendant. Avec une telle disposition, il devient dès lors possible de limiter sensiblement le risque d'apparition de bouchons au niveau de la plaque bipolaire. L'écoulement à l'intérieur de chacun des canaux est orienté sensiblement dans le même sens que la force de pesanteur, ce qui favorise une bonne circulation du fluide à l'intérieur desdits canaux. En d'autres termes, l'existence de canaux de circulation présentant une forme de droite, i.e. dépourvus de portions courbées ou coudées, permet d'accroître la sûreté de fonctionnement d'une pile pourvue d'une telle plaque. Avantageusement, les canaux de circulation sont montés de façon parallèle entre eux. Ils peuvent également être identiques et de section constante, de manière à obtenir une distribution des fluides qui 4 soit homogène. A cet effet, l'espacement entre les canaux de circulation peut également être constant. Dans un mode de réalisation, les canaux de circulation sont parallèles à un bord latéral de la plaque. En variante, il est également envisageable de prévoir des canaux inclinés par rapport audit bord latéral. Selon un second aspect, l'invention a pour objet une pile à combustible comprenant au moins une membrane échangeuse d'ions interposée entre une première et une seconde plaques bipolaires, lesdites plaques comprenant chacune une pluralité de canaux de circulation montés de façon consécutive entre eux et dans lesquels au moins un fluide est destiné à circuler. Chaque canal de circulation est constitué par une conduite rectiligne et agencé de manière que, dans une position verticale de la pile, l'écoulement de fluide circule dans un sens descendant. Avantageusement, les canaux de circulation de la première plaque sont identiques aux canaux de circulation de la seconde plaque. Dans un mode de réalisation, les canaux de circulation de la première plaque sont montés en parallèle par rapport aux canaux de circulation de la seconde plaque. En variante, les canaux de circulation de la première plaque sont montés en opposition par rapport aux canaux de circulation de la seconde plaque. La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels : -la figure 1 illustre un premier exemple d'agencement de canaux de circulation de fluide d'une plaque bipolaire pour pile à combustible ; - les figures 2 et 3 sont des graphiques représentant l'écoulement de fluide à l'intérieur de canaux de circulation de plaques bipolaires pour pile à combustible ; - la figure 4 illustre un second exemple d'agencement de canaux 5 de circulation d'une plaque bipolaire ; - la figure 5 illustre un premier exemple de positionnement de canaux de circulation sur des plaques bipolaires d'une pile à combustible ; et - la figure 6 illustre un second exemple de positionnement de canaux de circulation sur des plaques bipolaires d'une pile à combustible. En référence aux figures 1 et 2, on va maintenant décrire différents modes de réalisation de canaux de circulation de fluide réactif pour plaques bipolaires de pile à combustible. Une plaque bipolaire de pile à combustible comprend un certain nombre de rainures qui délimitent entre elles, conjointement avec une membrane échangeuse d'ions, plusieurs canaux dans lesquels circule un fluide réactif. Sur la figure 1, on a représenté une pluralité de canaux de circulation, référencés 1 à 9, formés sur une plaque 10 bipolaire de forme générale en carré. Lesdits canaux 1 à 9 se présentent sous la forme de rainures s'étendant sur une face de la plaque 10. Les canaux de circulation s'étendent essentiellement de façon rectiligne sur la plaque 10, et sont montés de façon consécutive entre eux, ici en parallèle. Le premier canal 1 de circulation comprend une extrémité qui débouche directement au niveau d'un bord supérieur l0a de la plaque 10 et au voisinage d'un sommet, qui est sur la figure un sommet supérieur gauche. 6 Le canal 1 de circulation s'étend verticalement vers le bas suivant une direction parallèle à un bord latéral 10b, qui est sur la figure un bord latéral gauche, jusqu'à déboucher directement au niveau d'un bord inférieur 10e de la plaque et au voisinage d'un sommet, qui est sur la figure un sommet inférieur gauche. En d'autres termes, le canal 1 de circulation est constitué par une conduite rectiligne de section constante s'étendant, à partir du bord supérieur 10a, verticalement vers le bas jusqu'au bord inférieur 10c de la plaque 10, en étant parallèle au bord latéral 10b. La conduite rectiligne peut par exemple présenter une section circulaire, carrée, ou rectangulaire. Bien entendu, il est également envisageable de prévoir d'autres types de section. Le second canal 2 de circulation est identique au canal 1 précédemment décrit, et disposé sur la plaque 10 d'une manière analogue. Ainsi, le canal 2 de circulation s'étend verticalement sur la plaque 10 du bord supérieur 10a au bord inférieur 10e, en étant parallèle au canal 1. Le second canal 2 de distribution est situé entre le premier canal de distribution 1 et un bord latéral 10d, qui est sur la figure un bord latéral droit. Les canaux de circulation 3 à 9 sont similaires aux canaux 1 et 2 précédemment décrits, la disposition relative d'un de ces canaux par rapport au canal immédiatement adjacent étant identique à la position relative des canaux 1 et 2. Ainsi, le canal 9 de circulation s'étend verticalement vers le bas suivant une direction parallèle au bord latéral 10d jusqu'à déboucher directement au niveau du bord inférieur 10e de la plaque 10, et au voisinage du sommet, qui est sur la figure un sommet inférieur droit. Avantageusement, les canaux 1 à 9 sont espacés entre eux de manière que la distance entre deux canaux consécutifs soit 7 sensiblement constante, pour obtenir une répartition homogène des fluides sur l'ensemble de la plaque 10. Cette répartition homogène est également accrue par la disposition en parallèle des canaux 1 à 9 ainsi que par leur dimensionnement respectif identique. Pour obtenir une répartition satisfaisante des fluides sur l'ensemble de la plaque 10, les canaux 1 à 9 sont également configurés de sorte que la dimension latérale d'un canal soit supérieure à la distance séparant deux canaux consécutifs. Les figures 2 et 3 sont respectivement des graphiques représentant l'écoulement de fluide à l'intérieur d'un canal de la plaque 10 de la figure 1 dans une position verticale, et l'écoulement de fluide à l'intérieur d'un canal de conception similaire d'une plaque dans une position horizontale. La demanderesse a déterminé expérimentalement que pour des écoulements diphasiques, dans les domaines de vitesses concernées pour une pile à combustible, il n'y a pas de formation de bouchons lorsque la plaque est dans une position verticale. Cela est illustré à la figure 2 sur laquelle, il existe un seul type d'écoulement. La demanderesse a déterminé expérimentalement que cet écoulement est annulaire. La figure comprend ici en ordonnée le flux de liquide en mm/s, et en abscisse le flux de gaz en cm/s avec une échelle logarithmique. A contrario, dans une position horizontale de la plaque, la demanderesse a déterminé qu'il existe, dans les domaines de vitesses concernées pour une pile à combustible, deux types d'écoulement à l'intérieur des canaux, comme cela est représenté à la figure 3, à savoir un écoulement annulaire (représenté en traits forts sur la figure), et un écoulement intermittent avec la présence de bouchons (représenté en traits pointillés sur la figure). 8 Ainsi, à la vue des expérimentations de la demanderesse, on conçoit aisément que l'orientation verticale de la plaque permet de réduire sensiblement le risque d'une éventuelle présence de bouchons à l'intérieur des canaux, ce qui permet notamment d'accroître la sûreté de fonctionnement de la pile. Dans le mode de réalisation illustré à la figure 4 sur lequel les références aux éléments semblables à ceux de la figure 1 ont été reprises, les canaux de circulation 1 à 9 sont légèrement inclinés par rapport aux bords latéraux 10b et 10c de la plaque 10. Les canaux de circulation 1 à 9 restent toutefois parallèles entre eux. L'inclinaison de chacun des canaux de circulation 1 à 9 peut par exemple être avantageusement comprise entre 0 et 45 , par rapport à un des bords latéraux 10b et 10d de la plaque 10 de manière à obtenir un bon écoulement. Bien entendu, il est également envisageable de prévoir une inclinaison supérieure. Toutefois, plus l'angle formé par chacun des canaux 1 à 9 par rapport aux bords latéraux 10b et 10e de la plaque 10, est important, moins la circulation de fluide est bonne. Dans cette variante de réalisation, on conserve un écoulement au niveau de la plaque 10 qui circule dans un sens descendant, lorsque ladite plaque 10 est dans une position verticale. Sur les variantes de réalisation illustrées aux figures 1 et 4, l'alimentation et l'évacuation des canaux 1 à 9 s'effectue respectivement par le bord supérieur 10a et par le bord inférieur 10e. Pour chaque canal, l'entrée et la sortie dudit canal est ainsi alignée verticalement. Cette disposition est particulièrement avantageuse pour l'écoulement des fluides lorsque la plaque 10 se trouve dans une position verticale. 9 Toutefois. il est également envisageable de prévoir une plaque présentant une pluralité de canaux de circulation présentant une structure similaire à celle décrite précédemment, qui soient cependant reliés à une extrémité à une conduite d'entrée commune débouchant au niveau d'un des bords latéraux de ladite plaque, et à l'autre extrémité à une conduite de sortie commune débouchant également au niveau d'un desdits bords latéraux. Sur la figure 5, est représentée une première plaque 10 sur laquelle les références aux éléments semblables à celles de la figure 1 ont été reprises, ainsi qu'une seconde plaque 11. La plaque 11 est une plaque bipolaire de forme générale carrée sur laquelle est formée une pluralité de canaux de circulation, référencés 12 à 20. Les plaques 10 et 11 sont identiques entre elles. Ainsi, les canaux 12 à 20 de la plaque 11 s'étendent verticalement vers le bas, de façon rectiligne, en étant espacés de façon régulière les uns par rapport aux autres. Lesdites plaques 10 et 11 sont disposées verticalement de façon juxtaposée. Elles constituent ici respectivement des plaques anodique et cathodique d'une pile à combustible entre lesquelles peut être interposée une membrane échangeuse d'ions (non représentée). Les plaques 10 et 11 sont symétriques entre elles, en considérant la membrane. Dans le mode de réalisation illustré à la figure 6, les plaques 10 et Il comprennent des canaux de circulation tels que décrits à la figure 4. Elles sont identiques et symétriques entre elles, les canaux de circulation d'une desdites plaques étant ainsi disposés de façon symétrique aux canaux de l'autre plaque, en considérant la membrane. Les canaux des plaques 10, 11 sont ainsi montés en parallèle. 10 En variante, il est également envisageable de prévoir un montage des plaques 10 et 11, de manière que les canaux de circulation d'une plaque soient montés en opposition par rapport à ceux de l'autre plaque. Il pourrait également être envisageable de prévoir un montage dans lequel l'une des plaques comprend des canaux de circulation tels que ceux illustrés à la figure 1, tandis que l'autre plaque est pourvue de canaux identiques à ceux de la figure 4. La disposition des canaux permet d'obtenir, lorsque les plaques sont orientées dans une position verticale, un écoulement descendant dans chacun des canaux, grâce à la force de pesanteur agissant verticalement vers le bas, selon la direction indiquée par les flèches G sur les figures 5 et 6. En effet, chaque canal est constitué de portions rectilignes s'étendant soit verticalement vers le bord inférieur, soit de façon légèrement inclinée, ce qui permet dans ces conditions de faciliter l'écoulement des fluides et de limiter le risque de bouchons à l'intérieur des canaux. Les pertes de charge dans chacun des canaux sont réduites. Ainsi, la sûreté de fonctionnement d'une pile pourvue de telles plaques est accrue. Avec une telle conception réduisant le risque d'une éventuelle présence de bouchons à l'intérieur des canaux, le contrôle de fonctionnement de la pile à combustible se trouve également simplifié. REVENDICATIONS 1-Plaque bipolaire pour pile à combustible, notamment du type à membrane échangeuse d'ions, comprenant une pluralité de canaux de circulation (1 à 9) montés de façon consécutive entre eux et dans lesquels au moins un fluide est destiné à circuler, caractérisée en ce que chaque canal de circulation est constitué par une conduite rectiligne et agencé de manière que, dans une position verticale de la plaque, l'écoulement de fluide circule dans un sens descendant. 2-Plaque selon la revendication 1, dans laquelle les canaux de circulation (1 à 9) sont montés de façon parallèle entre eux. 3-Plaque selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle les canaux de circulation (1 à 9) sont identiques et de section constante. 4-Plaque selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'espacement entre les canaux de circulation (1 à 9) est constant. 5-Plaque selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les canaux de circulation (1 à 9) sont parallèles à un bord latéral de la plaque. 6-Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle les canaux de circulation (1 à 9) sont inclinés par rapport à un bord latéral de la plaque. 7-Pile à combustible comprenant au moins une membrane échangeuse d'ions interposée entre une première et une seconde plaques bipolaires (10, 11), lesdites plaques comprenant chacune une pluralité de canaux de circulation (1 à 9, 12 à 20) montés de façon consécutive entre eux et dans lesquels au moins un fluide est destiné à circuler, caractérisée en ce que chaque canal de circulation est constitué par une conduite rectiligne et agencé de manière que, dans une position verticale de la pile, l'écoulement de fluide circule dans un sens descendant. 8-Pile à combustible selon la revendication 7, dans laquelle les canaux de circulation (1 à 9) de la première plaque sont identiques aux canaux de circulation (12 à 20) de la seconde plaque. 9-Pile à combustible selon la revendication 7 ou 8, dans laquelle les canaux de circulation (1 à 9) de la première plaque sont montés en parallèle par rapport aux canaux de circulation (12 à 20) de la seconde plaque. 10-Pile à combustible selon la revendication 7 ou 8, dans laquelle les canaux de circulation (1 à 9) de la première plaque sont montés en opposition par rapport aux canaux de circulation (12 à 20) de la seconde plaque.