Brevet FR2918798A1 — publié le 20090116

La présente invention concerne une plaque de pile à combustible, un empilage de cellules de pile à combustible et une pile à combustible comprenant une telle plaque. L'invention concerne plus particulièrement une plaque de pile à combustible destinée à être associée à un ensemble électrochimique pour former une cellule élémentaire de pile à combustible, la plaque comportant une face dite extérieure pourvue d'ailettes destinées à coopérer avec les ailettes de la face extérieure d'une plaque de pile à combustible d'une cellule adjacente pour former des canaux de guidage pour un fluide de refroidissement, la plaque comportant un côté d'entrée et un côté de sortie pour le fluide de refroidissement définissant une direction de circulation de fluide de refroidissement entre deux plaques adjacentes, les ailettes formant des nervures en saillie sur la face extérieure de la plaque et s'étendant sur au moins une partie de la plaque entre le côté d'entrée et le côté de sortie. L'invention concerne également un empilage d'au moins deux cellules élémentaires de pile à combustible, les cellules adjacentes comprenant des plaques de pile à combustible dont les faces extérieures sont disposées en vis-à-vis et en contact. Les piles à combustible, notamment à membrane protonique (PEMFC), sont constituées d'un empilage ( Stack ) de cellules planes élémentaires. Chaque cellule élémentaire comprend un ensemble électrochimique (dont une membrane échangeuse de protons) qui est pris en sandwich entre deux plaques. Les plaques polaires ou bipolaires sont constituées de graphite et/ou de matériau composite et/ou d'un alliage métallique. Ces piles à combustibles sont en général limitées à des températures de fonctionnement de l'ordre de 70 C à cause de leur électrolyte (membrane). Une conséquence de cette limitation est la difficulté de faire fonctionner les piles lorsque la température ambiante est élevée car la différence de température entre la pile et la source froide (air ambiant) ne permet plus de céder la quantité de chaleur à l'environnement. Ceci peut par exemple conduire à limiter la puissance de la pile à certaines températures ambiantes élevées. Des moyens de refroidissement sont ménagés dans l'espace entre deux cellules adjacentes, pour évacuer la chaleur produite par la réaction chimique. Il est connu de refroidir les cellules via, par exemple, un écoulement d'air entraîné par un système ventilateur. Ce type de refroidissement par air est soumis à de nombreuses contraintes. Ainsi, le refroidissement de la cellule doit être le plus homogène possible pour refroidir efficacement toute la surface de toutes les membranes des cellules. Ceci est nécessaire pour éviter les points localement chauds susceptibles d'endommager ou de réduire la durée de vie des membranes. Par ailleurs, le différentiel de température entre la cellule et l'air de refroidissement est relativement limité, en particulier quand la température de l'air extérieur est élevée. De plus, la puissance consacrée à la ventilation doit être la plus faible possible car la consommation énergétique associée est prise sur la production de la pile et donc diminue son rendement net. En outre, le système de refroidissement est sujet à des contraintes d'encombrement, de sécurité et de niveau sonore qui limitent d'autant les possibilités d'optimisation. Enfin, les cellules doivent de préférence pouvoir être retirée indépendamment les unes pour faciliter leur maintenance. Comme illustré schématiquement à la figure 1, les plaques formant électrode (en graphite, en composite ou autre), peuvent comporter classiquement sur leur face externe des ailettes 3 alignées parallèlement au flux d'air de refroidissement. Une fois empilées, les ailettes 3 de deux plaques adjacentes viennent en contact pour former des canaux pour la circulation de l'air de ventilation (cf. fig. 2). L'empilement de plusieurs cellules se présente généralement sous forme d'un bloc parallélépipédique (cf. fig.3), l'air de refroidissement devant être distribué de façon homogène entre tous les canaux, pour assurer un refroidissement homogène. Comme représenté, l'empilement est classiquement ventilé au moyen d'un ou plusieurs ventilateurs (soufflants ou aspirants). Ce type de dispositif connu présente cependant quelques inconvénients et notamment une distribution d'air peu satisfaisante sur les canaux de l'empilement. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, la plaque de pile à combustible selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce qu'au moins une partie des ailettes présente au moins une encoche destinée à créer une turbulence dans l'écoulement du fluide de refroidissement. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - au moins une encoche est formée par une portion d'ailette ayant une hauteur en saillie moindre par rapport au reste de l'ailette, - au niveau de la au moins une encoche l'ailette a une hauteur en saillie nulle ou sensiblement nulle par rapport à la face extérieure de la plaque, - la au moins une encoche a une longueur selon la direction de circulation supérieure à 1,5 mm et de préférence de l'ordre de 2, 5 à 3 mm, - au moins une partie des ailettes comprend une pluralité d'encoche, lesdites encoches étant espacées d'une de l'autre selon la direction de circulation d'une distance supérieure à 1,5 cm et de préférence comprise entre 2 et 3 cm, - au moins une partie de des ailettes s'étend depuis le côté d'entrée jusqu'au côté de sortie, - au moins une partie des ailettes est sensiblement parallèle à la direction de circulation du gaz de refroidissement. L'invention concerne également un empilage d'au moins deux cellules élémentaires de pile à combustible, les cellules adjacentes comprenant des plaques de pile à combustible dont les faces extérieures sont disposées en vis-à-vis et en contact, caractérisé en ce que lesdites plaques sont conformes à l'une quelconque des caractéristiques précédentes et sont au moins partiellement symétriques de sorte que au moins une partie des nervures d'une première plaque sont en contacte et coïncident au moins partiellement avec les nervures de la seconde plaque et en ce qu'au moins une partie de la ou des encoches de la première plaque coïncident avec la ou les encoches de la seconde plaque. Selon d'autres particularités possibles : - la surface des encoches de chaque plaque qui vient en vis-à-vis de la plaque adjacente n'excède pas 10% à 20% environ de la surface de contact entre les deux plaques, - la pile à combustible comprend un empilage de cellules élémentaires. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : la figure 1 représente une vue de côté, schématique et éclatée (et selon la direction de circulation de l'air de refroidissement) d'une cellule de pile à combustible, - la figure 2 représente une vue de côté, schématique (et selon la même direction de circulation de l'air de refroidissement) de deux plaques accolées appartenant respectivement à deux cellules adjacentes (lesdites cellules n'étant pas représentées), - la figure 3 représente une vue de face d'un empilement de cellules refroidi par ventilateur d'une pile à combustible comprenant des plaques conformes aux figures 1 et 2, - la figure 4 représente une vue en perspective d'une plaque de pile à combustible conforme à un exemple de réalisation de l'invention, - la figure 5 représente une vue de dessus (face extérieure de la plaque tournée vers le haut) de la plaque de la figure 5, - la figure 6 représente une vue en coupe selon la ligne AA de la plaque de la figure 5, - la figure 7 représente une vue en coupe selon la ligne CC de la plaque de la figure 5, - la figure 8 représente une vue agrandie d'un détail D de la figure 7, - la figure 9 représente les profils de la température T maximale en degrés kelvin (K) de l'ensemble membrane électrodes (MEA = Membrane Electrode Assembly ) d'une cellule de pile pourvue d'une plaque selon l'art antérieur (courbe continu) et d'une cellule de pile pourvue plaque selon l'invention (courbe discontinue) en fonction de la vitesse v d'écoulement du fluide de refroidissement dans les canaux de refroidissement de deux plaques associées. En se référant à présent à l'exemple non limitatif illustré aux figures 4 à 8, la plaque 1 a une forme générale rectangulaire. Le petit côté de la plaque a par exemple une longueur de l'ordre de 74mm. La face extérieure 11 de la plaque est pourvue d'ailettes 3 parallèles aux petits côtés du rectangle et à la direction D de circulation du gaz de refroidissement (entre l'entrée E et la sortie S). Selon une particularité de l'invention au moins une partie des ailettes 3 5 présente au moins une encoche 4 ou découpe 4 destinée à créer une turbulence dans l'écoulement du fluide de refroidissement. Comme représenté, la majorité et de préférence toutes les ailettes 3 peuvent comporter des encoches ou découpes 4 réparties sur la plaque 1. Les encoches 4 sont prévues pour créer des turbulences dans l'écoulement 10 du gaz de refroidissement en cassant la couche limite de ce dernier sans créer cependant une perte de charge trop importante et sans pour autant trop affecter la surface d'échange thermique entre la plaque et l'air. La turbulence générée par l'invention permet d'augmenter les échanges thermiques entre l'air et la plaque. En effet, les encoches permettent de créer des discontinuités dans 15 l'écoulement d'air qui modifient les couches limites et créent des structures tourbillonnaires au sein du canal de refroidissement. Ceci améliore l'évolution du coefficient d'échange thermique le long du canal. Par ailleurs, ces encoches 4 augmentent quelque peu la surface d'échange entre le fluide et la plaque. Les encoches 4 ont par exemple une longueur I selon la direction D de 20 circulation supérieure à 1,5 mm et de préférence supérieure à 2, 5mm et encore plus préférentiellement de l'ordre de à 3 mm (cf. figure 7). Les encoches 4 peuvent être espacées l'une de l'autre selon la direction D de circulation d'une distance L supérieure à 1,5 cm et de préférence comprise entre 2 et 3 cm (cf. figure 7). 25 Ces encoches 4 ont ainsi un impact positif sur le refroidissement de la plaque 1 sans pour autant pénaliser trop la surface de contact entre deux plaques 1 adjacentes. En effet, par rapport à une plaque 1 sans encoche l'invention entraîne une légère diminution de la section de passage du courant entre deux plaques et donc augmentent la résistance de contact entre les deux plaques 30 adjacentes. Les ailettes peuvent avoir une hauteur en saillie par rapport à la plaque d'environ 2 à 3 mm. L'invention permet de ne pas affecter les performances de la pile. De préférence, la fraction de surface de contact perdue du fait des encoches 4 par rapport à une plaque 1 sans encoches est de l'ordre de 10% environ. Dans l'exemple représenté les encoches 4 sont identiques et disposées symétriquement de façon alignée. Bien entendu, tout autre agencement peut être envisagé. Cependant, pour garantir une surface d'appui suffisante entre deux plaques 1 adjacentes et donc une section de passage pour le courant, les géométries de plaques sont de préférence symétriques. La demanderesse a constaté que, notamment dans les cas extrêmes de fonctionnement les profils de température de la plaque 1 restent sensiblement identiques le long du canal de refroidissement par rapport à une solution sans encoche mais en revanche, la température maximale atteinte par l'ensemble membrane électrodes (MEA) se trouve réduite. Par condition extrême on peut citer par exemple le cas où la puissance thermique produite par la pile par unité de surface de l'ordre de 2600W/m2 (à évacuer) et une température ambiante extérieure de 45 C. Pour des vitesses d'écoulement de gaz de refroidissement supérieures à 3m/s, ce gain est d'au moins 2 C. Ce gain se stabilise à environ 3 C pour des vitesses supérieures à 4m/s (cf. figure 9). Cette géométrie de canaux de refroidissement permet donc pour une même quantité de chaleur à céder de diminuer la différence de température (ou delta T) entre la pile et l'air ambiant et donc de pouvoir faire fonctionner la pile par une température ambiante plus élevée. Le gain est d'environ 3 C ce qui représente proportionnellement un gain de 17% en différentiel de température pour une même quantité de chaleur à céder. Pour des vitesses inférieures à 2m/s, ce gain semble faible. Cependant, pour un canal de refroidissement moins bien alimenté (vitesse v du gaz inférieure à 4m/s par exemple), les encoches 4 permettent de mieux refroidir l'entrée E du canal. Ainsi, la température minimale d'entrée du gaz réactif est réduite par l'invention. De cette façon l'hygrométrie locale en entrée des gaz est améliorée ce qui diminue l'assèchement de l'ensemble membrane électrodes (MEA). Comme représenté à la figure 3, les plaques peuvent comprendre classiquement un plot central 20 en saillie destiné à assurer le positionnement de deux plaques en contact (pour éviter notamment leur engrènement). Ce plot central 20, qui peut contribuer à la création de zones chaudes au milieu de la cellule, peut être omis. La géométrie selon l'invention est donc bénéfique en terme d'échange thermique et ne diminue pas les performances électriques de la pile. Ceci permet notamment de diminuer la consommation énergétique des ventilateurs de refroidissement. L'invention permet ainsi d'améliorer les échanges de chaleur de l'air avec la plaque 1 et d'assurer une bonne distribution tout en limitant les pertes de pression pour limiter le bruit, la consommation des auxiliaires (ventilateur notamment). La surface d'échange thermique de la plaque et donc le volume de l'échangeur ainsi que le coût de fabrication sont pas affectés (ou peu) par l'invention. La solution proposée assure un gain en échange thermique qui se traduit par une facilité de fonctionnement accrue à température ambiante élevée. L'invention génère très peu de perte de charge supplémentaire par rapport aux autres solutions connues et permet ainsi de garder un système de refroidissement silencieux, peu couteux énergétiquement et financièrement et peu volumineux. Par ailleurs, la plaque selon l'invention présente notamment l'intérêt de pouvoir être moulée ce qui est très important pour son industrialisation. REVENDICATIONS 1. Plaque de pile à combustible destinée à être associée à un ensemble électrochimique (2) pour former une cellule élémentaire de pile à combustible, la plaque (1) comportant une face dite extérieure (11) pourvue d'ailettes (3) destinées à coopérer avec les ailettes (3) de la face extérieure d'une plaque (1) de pile à combustible d'une cellule adjacente pour former des canaux de guidage pour un fluide de refroidissement, la plaque (1) comportant un côté d'entrée (E) et un côté de sortie (S) pour le fluide de refroidissement définissant une direction (D) de circulation de fluide de refroidissement entre deux plaques adjacentes, les ailettes (3) formant des nervures en saillie sur la face extérieure de la plaque (1) et s'étendant sur au moins une partie de la plaque entre le côté d'entrée (E) et le côté de sortie (S), caractérisée en ce qu'au moins une partie des ailettes (3) présente au moins une encoche (4) destinée à créer une turbulence dans l'écoulement du fluide de refroidissement. 2. Plaque selon la revendication 1, caractérisée en ce que la au moins une encoche (4) est formée par une portion d'ailette (3) ayant une hauteur en saillie moindre par rapport au reste de l'ailette (3). 3. Plaque selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au niveau de la au moins une encoche (4) l'ailette (3) a une hauteur en saillie nulle ou sensiblement nulle par rapport à la face extérieure (11) de la plaque (1). 4. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la au moins une encoche (4) a une longueur selon la direction (D) de circulation supérieure à 1,5 mm et de préférence de l'ordre de 2, 5 à 3 mm. 5. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'au moins une partie des ailettes (3) comprend une pluralité d'encoche (4), lesdites encoches (4) étant espacées d'une de l'autre selon la direction (D) de circulation d'une distance supérieure à 1,5 cm et de préférence comprise entre 2 et 3 cm. 6. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'au moins une partie de des ailettes (3) s'étend depuis le côté d'entrée (E) jusqu'au côté de sortie (S). 7. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'au moins une partie des ailettes (3) est sensiblement parallèle à la direction (D) de circulation du gaz de refroidissement. 8. Empilage (10) d'au moins deux cellules élémentaires de pile à combustible, les cellules adjacentes comprenant des plaques (1) de pile à combustible dont les faces extérieures (11) sont disposées en vis-à-vis et en contact, caractérisé en ce que lesdites plaques (1) sont conformes à l'une quelconque des revendications précédentes et sont au moins partiellement symétriques de sorte que au moins une partie des nervures (3) d'une première plaque (1) sont en contacte et coïncident au moins partiellement avec les nervures (3) de la seconde plaque et en ce qu'au moins une partie de la ou des encoches (4) de la première plaque (1) coïncident avec la ou les encoches (4) de la seconde plaque (1). 9. Empilage selon la revendication 8, caractérisé en ce que la surface des encoches (4) de chaque plaque (1) qui vient en vis-à-vis de la plaque adjacente n'excède pas 10% à 20% environ de la surface de contact entre les deux plaques (1). 10. Pile à combustible, notamment du type à membrane échangeuse de protons, caractérisée en ce qu'elle comprend un empilage de cellules élémentaires conforme à l'une quelconque des revendications 8 ou 9.