Brevet FR2917900A3 — publié le 20081226

FR 2917900 A3 20081226 FR 0754688 A 20070425 PLAQUE DE CHAMP D'ECOULEMENT ANODIQUE POUR PILE A COMBUSTIBLE La présente invention concerne une plaque de champ d'écoulement pour pile à combustible, et en particulier une plaque de champ d'écoulement anodique, qui a un poids total extrêmement faible, et un faible coût de fabrication, et avec un processus de mélange amenant une densité uniforme pour mettre à disposition du combustible anodique et du produit anodique un environnement de champ fluide pour un écoulement régulier. La pile à combustible est un dispositif de génération de puissance destiné à transformer directement l'énergie chimique stockée dans un combustible en énergie électrique par l'intermédiaire de la réaction à l'électrode. Il existe de nombreux types de piles à combustible avec différents procédés de catégorisation. Si les piles à combustible sont catégorisées en fonction de la différence de caractéristiques de l'électrolyte, il existe cinq types de pile à combustible à différents électrolytes, tel qu'une pile à combustible alcaline, une pile à combustible à acide phosphorique, une pile à combustible à membrane d'échange protonique, une pile à combustible à carbonate fondu, une pile à combustible à oxyde solide. Dans la structure de pile à combustible classique, la plaque de champ d'écoulement est placée au niveau des deux côtés des assemblages d'électrode à membrane, et le matériau utilisé devrait présenter les propriétés de haute conductivité, haute résistance, facilité de fabrication, faible poids, et faible coût. Actuellement, le matériau destiné à fabriquer une plaque de champ d'écoulement est du graphite, de l'aluminium, et de l'acier inoxydable, et normalement est fabriqué à partir de graphite ; et, on usine des canaux sur la plaque de champ d'écoulement comme les canaux d'alimentation en combustible, de façon à ce que le réactif puisse atteindre la couche de dilatation par l'intermédiaire du canal, et entrer dans la couche catalytique pour rejoindre la réaction. De plus, la plaque de champ d'écoulement pourrait avoir la fonction de conduction de courant électrique, de façon à ce que le courant généré à partir de la réaction puisse être conduit et appliqué, et avoir la fonction de plaque collectrice de courant. Cependant, la plaque de champ d'écoulement classique, telle qu'une plaque en graphite, a un volume important, et le poids n'est pas suffisamment faible. Donc, l'inventeur de la présente invention a gardé à l'esprit les inconvénients de la plaque de champ d'écoulement classique, et s'est évertué à trouver des améliorations pour inventer une plaque de champ d'écoulement anodique. L'objet principal de la présente invention consiste à mettre à disposition une plaque de champ d'écoulement anodique, qui a un poids total extrêmement faible, et un faible coût de fabrication, et à mettre à disposition du combustible anodique et du produit anodique un environnement de champ fluide pour un écoulement régulier. Un autre objet de la présente invention consiste à mettre à disposition une plaque de champ d'écoulement anodique avec une fonction de collecte de courant, qui pourrait non seulement réduire fortement le volume et le poids de la pile à combustible elleûmême, mais également améliorer la fonction de collecte de courant de la plaque de champ d'écoulement. Un autre objet supplémentaire de la présente invention consiste à mettre à disposition une plaque de champ d'écoulement anodique avec une densité uniforme et un volume d'écoulement uniforme après mélange du combustible, qui permette d'accroître la performance de génération de puissance de la pile. A cette fin, la présente invention met à disposition une plaque de champ d'écoulement anodique pour pile à combustible, qui comprend un substrat, et une portion de dérivation (ou portion de shunt) configurée sur le substrat, une structure de canal d'entrée, au moins un corps à fentes, une structure de canal de sortie, et un trou de sortie ; dans laquelle la portion de dérivation est une petite zone du substrat creusée comme une zone creuse ; la structure de canal d'entrée est raccordée entre la portion de dérivation et ces corps à fentes, et les positions configurées pour l'agencement de ces corps à fentes sont associées à ces positions configurées des anodes pour chaque assemblage d'électrode à membrane ; la structure de canal de sortie est raccordée entre ces corps à fentes et le trou de sortie ; et, le trou de sortie est raccordé à la structure de canal de sortie, et on forme le trou de sortie avec une petite zone du substrat creusée comme une zone creuse. Suivant des modes particuliers de réalisation, la plaque comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - elle comprend en outre au moins une feuille collectrice de courant, qui est fabriquée à partir d'un matériau conducteur, et chaque feuille collectrice de courant est attachée et fixée sur chaque corps à fentes, - la feuille collectrice de courant comprend au moins un rebord, qui fait saillie depuis le corps à fentes, - la structure de canal d'entrée est une structure avec un volume d'écoulement uniforme, - le corps à fentes est formé par une pluralité de fentes parallèles, -une portion de la structure de canal de sortie est une structure creuse en forme de bande ; et, l'autre portion de la structure de canal de sortie est une structure de fentes, - le substrat est un substrat choisi parmi un substrat en plastique d'ingénierie non conducteur et résistant aux produits chimiques, un substrat en graphite, un substrat métallique, un substrat en carbone plastifié, un substrat en FR4, un substrat en FR5, un substrat en résine époxy, un substrat en fibre de verre, un substrat en céramique, un substrat plastifié polymère, et un substrat en matériau composite, - le substrat est en outre configuré avec un circuit imprimé, et le circuit imprimé est raccordé électriquement aux feuilles collectrices de courant, - la feuille collectrice de courant est une feuille choisie parmi une feuille d'acier inoxydable (SUS316), une feuille d'or, un métal à base de titane, un matériau à base de graphite, un matériau composé carboneûmétal, une feuille d'alliage métallique, et une feuille conductrice polymère à faible résistance, - la plaque de champ d'écoulement est une plaque de champ d'écoulement monoface, - la plaque de champ d'écoulement est une plaque de champ d'écoulement double face, - le corps à fentes est une structure évidée à partir de la surface du substrat, - le corps à fentes est formé avec une pluralité de fentes croisées, - elle comprend en outre au moins un composant électrique qui est configuré sur le substrat, - ces composants électriques comprennent : un capteur de température, un capteur de densité, un capteur de niveau de liquide, un dispositif de chauffage, un dispositif de refroidissement, et un filament chauffant, - elle comprend en outre au moins un composant électrique qui est reçu dans l'espace interne de la portion de dérivation, - ces composants électriques comprennent : un capteur de température, un capteur de densité, un capteur de niveau liquide, un dispositif de chauffage, un dispositif de refroidissement, et un filament chauffant, la portion de dérivation et le trou de sortie sont configurés du même côté du substrat, - elle comprend en outre au moins une feuille conductrice, qui est configurée et coincée entre chaque feuille collectrice de courant et chaque corps à fentes. L'objectif et les avantages ciûdessus de la présente invention deviendront plus apparents en se référant aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en élévation d'une plaque de champ d'écoulement anodique pour pile à combustible d'un mode de réalisation préféré selon la présente invention ; - la figure 2 est une vue en élévation d'une feuille collectrice de courant d'un mode de réalisation préféré selon la présente invention ; - la figure 3 est une vue en élévation d'une plaque de champ d'écoulement anodique avec des feuilles collectrices de courant d'un mode de réalisation préféré selon la présente invention ; - la figure 4 est une vue en élévation d'une plaque de champ d'écoulement anodique configurée avec des composants électriques d'un mode de réalisation préféré selon la présente invention ; - la figure 5 est une vue en élévation d'une plaque de champ d'écoulement anodique configurée avec des composants électriques d'un autre mode de réalisation préféré selon la présente invention ; - la figure 6 est un schéma d'une plaque de champ d'écoulement anodique pour pile à combustible d'un autre mode de réalisation en variante selon la présente invention ; et - la figure 7 est un schéma d'une plaque de champ d'écoulement anodique pour pile à combustible d'un autre mode de réalisation en variante supplémentaire selon la présente invention. Tel que représenté sur la figure 1, la plaque de champ d'écoulement anodique 1 selon la présente invention est appliquée à la pile à combustible, la pile à combustible étant prévue avec au moins un assemblage d'électrode à membrane. La plaque de champ d'écoulement anodique 1 selon la présente invention comprend un substrat 11, une portion de dérivation 12, une structure de canal d'entrée 13, au moins un corps à fentes 14, une structure de canal de sortie 15 et un trou de sortie 16, et ces composants seront décrits de façon détaillée ci après. Le substrat 11 pourra être choisi de façon à être un substrat parmi un substrat en plastique d'ingénierie non conducteur et résistant aux produits chimiques, un substrat en graphite, un substrat métallique, un substrat en carbone plastifié, un substrat en FR4, un substrat en FR5, un substrat en résine époxy, un substrat en fibre de verre, un substrat en céramique, un substrat plastifié polymère, et un substrat en matériau composite. Si la portion de dérivation 12, la structure de canal d'entrée 13, au moins un corps à fentes 14, la structure de canal de sortie 15, et le trou de sortie 16 sont configurés sur la surface supérieure du substrat 1, ils formeront une plaque de champ d'écoulement anodique monoface 1. D'autre part, si la portion de dérivation 12, la structure de canal d'entrée 13, au moins un corps à fentes 14, la structure de canal de sortie 15, et le trou de sortie 16 sont configurés aussi bien sur la surface supérieure que sur la surface inférieure du substrat 1, ils formeront une plaque de champ d'écoulement anodique double face 1. La portion de dérivation 12 est configurée d'un côté du substrat 11, et une petite zone du substrat 11 est creusée comme une zone creuse pour former une portion de dérivation 12. La zone creuse de la portion de dérivation 12 est adaptée pour recevoir le combustible anodique d'écoulement en entrée, tel qu'une solution de méthanol. Lorsque le combustible anodique d'écoulement en entrée remplit la portion de dérivation 12, le combustible anodique s'écoulera vers la structure de canal d'entrée 13. La structure de canal d'entrée 13 est configurée sur le substrat 11, et raccordée entre la portion de dérivation 12 et au moins un corps à fentes 14. Le moyen destiné à réaliser la structure de canal d'entrée 13 est creusée à partir de la surface du substrat 11 avec une pluralité de fentes, et ces extrémités de la pluralité de fentes dans la même direction sont raccordées à la portion de dérivation 12. Ces extrémités de la pluralité de fentes dans une autre direction sont en même temps raccordées aux corps à fentes 14. La structure de canal d'entrée 13 emploie une conception de volume d'écoulement uniforme, de telle sorte que le combustible anodique provenant de la portion de dérivation 12 après écoulement à travers la pluralité de fentes a le volume d'écoulement en sortie du combustible anodique s'écoulant hors de chaque extrémité raccordée au corps à fentes 14 qui forme un volume d'écoulement uniforme. Au moins un corps à fentes 14 est agencé et configuré sur le substrat 11, et chaque position configurée de chaque corps à fentes 14 est associée de manière correspondante à la position configurée de l'anode pour chaque assemblage d'électrode à membrane. Les moyens destinés à réaliser ces corps à fentes 14 sont creusés à partir de la surface du substrat 11 pour former une pluralité de fentes parallèles. Le combustible anodique provenant de la structure de canal d'entrée 13 s'écoulera dans chaque corps à fentes 14 puis s'écoulera vers l'anode de chaque assemblage d'électrode à membrane ; par ailleurs, le produit anodique généré par la réaction électrochimique pour l'anode de chaque assemblage d'électrode à membrane s'écoulera dans chaque corps à fentes 14 ; enfin, le produit anodique et le combustible anodique résiduel s'écouleront vers la structure dé canal de sortie 15. D'autre part, le corps à fentes 14 peut employer d'autres structures, par exemple, une pluralité de fentes croisées pour former une structure de grille, et la pluralité de corps à fentes en forme de grille 14 sont agencés et configurés sur le substrat 11. De plus, le corps à fentes 14 emploie une structure de rainure et est creusé à partir de la surface du substrat 11 pour former une zone évidée. La structure de canal de sortie 15 est configurée sur le substrat 11, et raccordée entre ces corps à fentes 14 et le trou de sortie 16. La conception d'une portion de la structure de canal de sortie 15 immédiatement adjacente par rapport au corps à fentes 14, emploie la structure de fentes. Le moyen pour la structure de fentes est creusé à partir de la surface du substrat 11 pour former une ou plusieurs rainures. La conception d'une portion de la structure de canal de sortie 15 immédiatement adjacente par rapport au trou de sortie 16 emploie une structure de trou en bande. Le moyen pour la structure de trou en bande est creusé à partir de la surface du substrat 11 pour former une ou plusieurs zones en forme de bande creuses. La conception pour une portion de la structure de canal de sortie 15 employant une structure de trou en bande consiste à agrandir le canal de sortie pour réduire la pression interne de la plaque de champ d'écoulement anodique 1. Ainsi, la conception pourrait décharger de manière régulière le produit anodique, tel que du CO2, ou des bulles vers le trou de sortie 16 pour éviter qu'il ne reste dans la structure de canal de sortie 15. Le trou de sortie 16 est configuré d'un côté du substrat 11, et raccordé à la structure de canal de sortie 15. Le moyen destiné à réaliser le trou de sortie 16 consiste à creuser une petite portion du substrat 11 comme une zone creuse. La position configurée du trou de sortie 16 peut être sélectionnée de façon à être du même côté que la portion de dérivation 12 du substrat 11. Le produit anodique et le combustible anodique résiduel provenant de la structure de canal de sortie 15 peuvent s'écouler hors de la plaque de champ d'écoulement anodique 1 depuis le trou de sortie 16. De plus, on peut en outre configurer la surface du substrat 11 avec des circuits, tel qu'en employant des circuits imprimés, et en revêtant d'une couche de peinture protectrice la surface des circuits imprimés, telle qu'une peinture verte. Les circuits imprimés sont raccordés électriquement à ces feuilles collectrices de courant 17. Par ailleurs, la présente invention comprend en outre au moins une feuille collectrice de courant 17. On se réfère à la figure 2 représentant une vue en élévation d'une feuille collectrice de courant 17 d'un mode de réalisation préféré selon la présente invention, et à la figure 3 représentant une vue en élévation d'une plaque de champ d'écoulement anodique avec des feuilles collectrices de courant d'un mode de réalisation préféré selon la présente invention. Le matériau pour la feuille collectrice de courant 17 est un matériau conducteur et un matériau résistant aux produits chimiques pour une fonction antiérosive et/ou antiacide, on sélectionnera par exemple un matériau parmi une feuille d'acier inoxydable (SUS316), une feuille d'or, un métal à base de titane, un matériau à base de graphite, un matériau à base de composé carboneùmétal, une feuille d'alliage métallique, et une feuille conductrice polymère de faible résistance. Chaque feuille collectrice de courant 17 est attachée et fixée à chaque corps à fentes 14. La feuille collectrice de courant 17 est prévue avec au moins un rebord 170, et ces rebords 170 font saillie depuis les corps à fentes 14. La structure concrète employée par la feuille collectrice de courant 17 est déterminée par la structure concrète du corps à fentes 14. De plus, une feuille conductrice est en outre attachée et coincée entre chaque feuille collectrice de courant 17 et chaque corps à fentes 14 (non représenté). La feuille conductrice peut employer le matériau à haute conductivité, et peut être choisie pour utiliser le procédé de soudure par points, de façon à lier ces couches de feuilles conductrices entre ces feuilles collectrices de courant 17 et ces corps à fentes 14 ; ou, avec une presse thermique, on emploiera une résine préimprégnée ou une liaison avec une fonction antiérosive et/ou antiacide, telle qu'une colle AB, pour presser et lier ces feuilles conductrices entre ces feuilles collectrices de courant 17 et ces corps à fentes 14. Par ailleurs, on peut choisir de sélectionner le processus de projection et de pulvérisation pour former une couche de métal mince sur la surface inférieure de la feuille collectrice de courant 17 ; ou pour former une couche de métal mince sur la surface supérieure du corps à fentes 14. Le matériau pour la feuille conductrice et la couche de métal mince peut être choisi parmi l'or, le cuivre, l'argent, le carbone, et un métal à haute conductivité. La feuille conductrice est prévue avec au moins un rebord, et ces rebords font saillie depuis les corps à fentes 14. La figure 4 est une vue en élévation d'une plaque de champ d'écoulement anodique configurée avec des composants électriques d'un mode de réalisation préféré selon la présente invention. La surface du substrat 11 autre que la zone utilisée par la portion de dérivation 12, la structure de canal d'entrée 13, au moins un corps à fentes 14, la structure de canal de sortie 15, et le trou de sortie 16 pourrait être utilisée pour être configurée avec au moins un composant électrique 18. Les modes de réalisation de ces composants électriques sont, par exemple, un capteur de température, un capteur de densité, un capteur de niveau de liquide, un dispositif de chauffage, un dispositif de refroidissement, et des filaments chauffants. La figure 5 est une vue en élévation d'une plaque de champ d'écoulement anodique configurée avec des composants électriques d'un autre mode de réalisation préféré selon la présente invention. L'espace interne formé par la zone creuse de la portion de dérivation 12 pourrait être utilisé pour recevoir au moins un composant électrique 18. Les modes de réalisation de ces composants électriques 18 sont, par exemple, un capteur de température, un capteur de densité, un capteur de niveau de liquide, un dispositif de chauffage, un dispositif de refroidissement, et des filaments chauffants. La figure 6 est un schéma d'une plaque de champ d'écoulement anodique pour pile à combustible d'un autre mode de réalisation en variante selon la présente invention, et la figure 7 est un schéma d'une plaque de champ d'écoulement anodique pour pile à combustible d'un autre mode de réalisation en variante supplémentaire selon la présente invention. Les figures 6 et 7 sont les exemples de configuration en. variante pour les éléments configurés sur le substrat 11, tel que la portion de dérivation 12, la structure de canal d'entrée 13, ces corps à fentes 14, la structure de canal de sortie 15, et le trou de sortie 16. Les hommes du métier pourront procéder à des modifications pour obtenir d'autres configurations différentes, et ces variations s'inscrivent toujours dans la portée de la présente invention. La plaque de champ d'écoulement anodique 1 selon la présente invention pourrait être appliquée à diverses piles à combustible, tel qu'une pile à combustible utilisant un combustible à base de méthanol, une pile à combustible utilisant un combustible liquide, une pile à combustible utilisant un combustible gazeux, et une pile à combustible utilisant un combustible solide. La plaque de champ d'écoulement anodique selon la présente invention pourrait avoir un poids total extrêmement faible, et un faible coût de fabrication, et mettre à disposition du combustible anodique et du produit anodique un environnement de champ fluide pour un écoulement régulier, ce qui donne les avantages, effets et améliorations de la présente invention. La présente invention a été décrite tel que précédemment. Ainsi, les modes de réalisation décrits ne sont pas limités à la portée de la présente invention. Les hommes du métier devront bien être conscients du fait que le changement et la modification apportés sans s'éloigner des revendications selon la présente invention devra s'inscrire dans l'esprit et la portée de la présente invention, et la portée de la protection de la présente invention devra être définie selon les revendications annexées. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ciùdessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Plaque de champ d'écoulement anodique (1) pour pile à combustible comprenant : un substrat (11) ; une portion de dérivation (12), configurée d'un côté du substrat (11), dans laquelle la portion de dérivation (12) est une petite zone du substrat (11) creusée comme une zone creuse ; une structure de canal d'entrée (13), configurée sur le substrat (11), qui est raccordée entre la portion de dérivation (12) et au moins un corps à fentes (14) ; les corps à fentes (14), agencés et configurés sur le substrat (11), dans lesquels la position configurée pour chaque corps à fentes (14) est associée de manière correspondante à la position configurée de l'anode pour chaque assemblage d'électrode à membrane ; une structure de canal de sortie (15), configurée sur le substrat (Il) et raccordée entre les corps à fentes (14) et le trou de sortie (16) ; et un trou de sortie (16), configuré sur un côté du substrat (11) et raccordé à la structure de canal de sortie (15), dans laquelle le trou de sortie (16) est une petite zone du substrat (II) creusée comme une zone creuse. 2. Plaque de champ d'écoulement (1) selon la revendication 1, comprenant en outre : au moins une feuille collectrice de courant (17), qui est fabriquée à partir d'un matériau conducteur, et chaque feuille collectrice de courant (17) est attachée et fixée sur chaque corps à fentes (14). 3. Plaque de champ d'écoulement (1) selon la revendication 2, dans laquelle la feuille collectrice de courant (17) comprend au moins un rebord (170), qui fait saillie depuis le corps à fentes (14). 4. Plaque de champ d'écoulement (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la structure de canal d'entrée (13) est une structure avec un volume d'écoulement uniforme. 5. Plaque de champ d'écoulement (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le corps à fentes (14) est formé par une pluralité de fentes parallèles. 6. Plaque de champ d'écoulement (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle une portion de la structure de canal de sortie (15) est une structure creuse en forme de bande ; et, l'autre portion de la structure de canal de sortie (15) est une structure de fentes. 7. Plaque de champ d'écoulement (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le substrat (11) est un substrat choisi parmi un substrat en plastique d'ingénierie non conducteur et résistant aux produits chimiques, un substrat en graphite, un substrat métallique, un substrat en carbone plastifié, un substrat en FR4, un substrat en FR5, un substrat en résine époxy, un substrat en fibre de verre, un substrat en céramique, un substrat plastifié polymère, et un substrat en matériau composite. 8. Plaque de champ d'écoulement (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le substrat (Il) est en outre configuré avec un circuit imprimé, et le circuit imprimé est raccordé électriquement aux feuilles collectrices de courant (17). 9. Plaque de champ d'écoulement (1) selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, dans laquelle la feuille collectrice de courant (17) est une feuille choisie parmi une feuille d'acier inoxydable (SUS316), une feuille d'or, un métal à base de titane, un matériau à base de graphite, un matériau composé carboneùmétal, une feuille d'alliage métallique, et une feuille conductrice polymère à faible résistance. 10. Plaque de champ d'écoulement (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la plaque de champ d'écoulement (1) est une plaque de champ d'écoulement monoface. 11. Plaque de champ d'écoulement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle la plaque de champ d'écoulement (1) est une plaque de champ d'écoulement double face.30 12. Plaque de champ d'écoulement (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le corps à fentes (14) est une structure évidée à partir de la surface du substrat (11). 13. Plaque de champ d'écoulement (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le corps à fentes (14) est formé avec une pluralité de fentes croisées. 14 14. Plaque de champ d'écoulement (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre au moins un composant électrique (18) qui est configuré sur le substrat (11). 15. Plaque de champ d'écoulement (1) selon la revendication 14, dans laquelle ces 15 composants électriques (18) comprennent : un capteur de température, un capteur de densité, un capteur de niveau de liquide, un dispositif de chauffage, un dispositif de refroidissement, et un filament chauffant. 16. Plaque de champ d'écoulement (1) selon l'une quelconque des revendications 20 précédentes, comprenant en outre au moins un composant électrique (18) qui est reçu dans l'espace interne de la portion de dérivation (12). 17. Plaque de champ d'écoulement (1) selon la revendication 16, dans laquelle ces composants électriques (18) comprennent : un capteur de température, un capteur de densité, 25 un capteur de niveau liquide, un dispositif de chauffage, un dispositif de refroidissement, et un filament chauffant. 18. Plaque de champ d'écoulement (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la portion de dérivation (12) et le trou de sortie (16) sont configurés 30 du même côté du substrat (11).5 19. Plaque de champ d'écoulement (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre au moins une feuille conductrice, qui est configurée et coincée entre chaque feuille collectrice de courant (17) et chaque corps à fentes (14).