Brevet FR2932925A1 — publié le 20091225

La présente invention concerne une plaque de pile à combustible, un empilage de cellules de pile à combustible et une pile à combustible comprenant un empilage. 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 gaz de refroidissement, la plaque comportant un côté d'entrée et un côté de sortie pour le gaz de refroidissement définissant une direction de circulation de gaz de refroidissement entre deux plaques adjacentes 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. 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 gazeux 25 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 30 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 (généralement l'air ambiant) 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. Les plaques formant électrode (en graphite, en composite ou autre), comportent classiquement sur leur face externe des ailettes alignées parallèlement au flux d'air de refroidissement. Une fois empilées, les ailettes de deux plaques adjacentes viennent en contact pour former des canaux pour la circulation de l'air de ventilation. L'empilement de plusieurs cellules se présente généralement sous forme d'un bloc parallélépipédique, l'air de refroidissement devant être distribué de façon homogène entre tous les canaux, pour assurer un refroidissement homogène. En effet, les matériaux constitutifs des cellules étant peu conducteurs de la chaleur, il n'est pas possible de compter sur la conduction longitudinale ou transversale de la chaleur dans les matériaux pour estomper les différentiels de température importants. 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. En particulier, on constate une sous-alimentation en air de refroidissement dans les angles de l'empilement et dans les canaux masqués par le moyeu central du ventilateur. De plus, certaines parties de l'empilement sont au contraire suralimentées en air (notamment au niveau des parties directement exposées au refoulement du ventilateur). Par ailleurs, le coefficient d'échange thermique étant globalement constant dans l'empilement, la température de l'air de refroidissement augmente progressivement entre le côté d'entrée et le côté de sortie des canaux, ce qui engendre un gradient thermique dans la cellule selon la direction d'écoulement de l'entrée vers la sortie. Ainsi, les canaux rectilignes parallèles au flux d'air de refroidissement (c'est-à-dire parallèles à la direction entrée d'air/sortie d'air de refroidissement du stack) créent des hétérogénéités de température dans le stack, avec une efficacité d'échange thermique insuffisante. Pour résoudre ce problème il est connu d'augmenter le diamètre de passage du gaz de refroidissement ce qui nécessite cependant une puissance de ventilateur accrue. Une autre solution connue consiste à prévoir des canaux croisés sur les deux plaques adjacentes, pour favoriser les mélanges d'air entre les canaux et donc une homogénéisation des échanges thermiques. Cette solution a cependant l'inconvénient de réduire les surfaces de contact entre les canaux inclinés divergents de deux plaques adjacentes. Ceci diminue la surface de contact électrique entre deux plaques adjacentes et donc nuit à la bonne conduction électrique entre les plaques adjacentes. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des 15 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 sont orientées selon une direction générale en diagonale présentant un angle non nul 20 par rapport à la direction de circulation, et en ce qu'au moins une portion des ailettes orientées en diagonale a une configuration ondulée. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - au moins une partie des ailettes présente une orientation selon la direction 25 générale en diagonale sur l'intégralité de leur longueur - la configuration ondulée des ailettes est formée par une succession de portions d'ailette rectilignes d'orientations distinctes et/ou de portion(s) d'ailette incurvée(s), - la configuration ondulée des ailettes est formée par une alternance de 30 portions d'ailettes rectilignes et parallèles à la direction de circulation et de portions d'ailettes rectilignes et inclinées par rapport à la direction de circulation de gaz, - les portions d'ailettes parallèles à la direction de circulation ont une longueur comprise entre 7 mm et 22 mm et de préférence entre 8 et 17 et en ce que les portions d'ailettes inclinées par rapport à la direction de circulation ont une longueur comprise entre 0 et 75 et de préférence entre 40 et 60 mm, - les portions d'ailettes inclinées par rapport à la direction de circulation ont un angle d'inclinaison par rapport la direction compris entre 0 et 75 degrés et de préférence entre 45 et 55 degrés, - au moins une partie des ailettes a une largeur croissante sur au moins une partie de leur longueur depuis le côté d'entrée vers le côté de sortie, - la direction d'orientation générale en diagonale de la ou des ailettes présente un angle d'inclinaison par rapport à la direction de circulation compris entre 0 et 37,5 degrés et de préférence entre 18 et 28 degré. Un autre but de l'invention est de proposer 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. Selon l'invention lesdites plaques sont conformes à l'une quelconque des caractéristiques précédentes ou ci-après et les premières ailettes en diagonale d'une première plaque ont des directions croisées par rapport aux secondes ailettes en diagonale d'une seconde plaque adjacente à la première plaque. Un autre but de l'invention est de proposer une pile à combustible, notamment du type à membrane échangeuse de protons, comprenant un empilage de cellules élémentaires conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-après. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - les figures 1 et 2 représentent des vues schématiques de dessus de la face extérieure de, respectivement, deux plaques de pile à combustible conformes à un premier exemple de réalisation de l'invention, - la figure 3 représente une vue schématique en transparence et de dessus, de l'empilement (faces extérieures en contact) des deux plaques des figures 1 et 2, l'empilement étant disposé face à un ventilateur, - la figure 4 représente une vue schématique, en transparence et de dessus, de l'empilement (faces extérieures en contact) des deux plaques de pile à combustible selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'empilement étant disposé face à un ventilateur. En se référant à présent à la figure 1, la plaque 1 de pile à combustible selon l'invention peut comporter, sur sa face 11 dite extérieure, des d'ailettes 3 disposées selon une direction générale A diagonale. C'est-à-dire que les ailettes 3 sont orientées selon des directions A de préférence parallèles et présentant un angle non nul par rapport à la direction D de circulation de l'air de refroidissement (axe entrée E/sortie S). La direction D de l'air de refroidissement s'étend depuis le bord ou côté d'entrée E de la plaque 1 jusque vers le bord ou côté de sortie S de la plaque 1. Dans l'exemple de réalisation représenté, la plaque 1 a une forme parallélépipédique, la direction D de circulation de l'air étant perpendiculaire aux bords (les plus longs) définissant l'entrée E et la sortie S de la plaque 1. Dans l'exemple représenté aux figures 1 et 2, les ailettes 3 s'étendent sur la plaque 1 sur toute la surface destinée à recouvrir une membrane électrochimique. De préférence, les ailettes 3 sont parallèles entre elles et sont donc inclinées d'un même angle (compris par exemple entre 0 et 75 degrés) par rapport à la direction D de circulation). Bien entendu, les angles d'inclinaison des ailettes 3 peuvent être différents d'une ailette 3 à l'autre et certaines ailettes 3 peuvent avoir le cas échéant une inclinaison nulle. De même, les ailettes 3 peuvent être présentes sur une partie seulement de la surface utile de la plaque 1. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, au moins une partie des ailettes 3 a une configuration ondulée selon la direction longitudinale de l'ailette 3 (de l'entrée E vers la sortie S). Dans l'exemple des figures 1 et 2 les ailettes 3 sont formées chacune par une alternance de portions 13 d'ailettes rectilignes et parallèles à la direction D de circulation et de portions 23 d'ailettes rectilignes et inclinées par rapport à la direction D de circulation de gaz. Les portions 13 dites parallèles et dites inclinées 23 ont par exemple des longueurs différentes. La figure 3 symbolise l'empilement des deux plaques 1 des figures 1 et 2 de façon que les ailettes 3 soient en contact, les directions des ailettes 3 étant croisées. Cette configuration favorise le brassage et le mélange de l'air de refroidissement entre les canaux de refroidissement formés par les ailettes 3 (le flux d'air est généré par exemple par un ventilateur 4 du côté entrée E). Selon l'invention, la configuration ondulée des ailettes 3 permet simultanément de maintenir une surface de contact suffisamment importante entre les ailettes 3 des deux plaques 1, 10 (plaque anodique et cathodique par exemple). L'invention améliore l'efficacité du refroidissement dans l'empilement de plaques et réduit donc les hétérogénéités des températures dans l'ensemble notamment par rapport aux plaques ayant les canaux droits de refroidissement. Ceci crée des conditions de fonctionnement plus homogènes dans la pile notamment par rapport aux canaux droits, diminuant les risques de points chauds ou de bouchage par accumulation d'eau dans les canaux de réactifs. L'invention améliore ainsi également le niveau de contact électrique entre deux plaques 1, 10 adjacentes ayant des canaux croisés rectilignes. Par ailleurs, la configuration selon l'invention améliore également la solidité structurelle d'un empilage de plaques et notamment la stabilité d'un tel empilement. Ceci permet de garantir une compression homogène d'un empilement de plaques. L'invention permet de conserver la possibilité de pouvoir retirer les cellules élémentaires indépendamment les unes pour faciliter leur maintenance. La configuration illustrée à la figure 4 se distingue de celle de la figure 3 uniquement en ce que les portions 13 d'ailettes rectilignes parallèles à la direction D de circulation et les portions 23 d'ailettes inclinées ont des dimensions plus grandes que dans l'exemple des figures 1 à 3. De plus, comme représenté, les portions 23 d'ailettes inclinées peuvent avoir un angle d'inclinaison plus grand que dans l'exemple de la figure 3. De plus, comme représenté, les portions 29 d'ailettes inclinées peuvent avoir un angle d'inclinaison plus grand que dans l'exemple de la figure 3. De ce fait, les plaques 1, 10 de l'exemple de la figure 4 possèdent moins d'alternances de portions parallèles 13 et inclinées 23. La structure de canaux obtenue après empilement des deux plaques 1, 10 se trouve également modifiée (alternances moins nombreuses de canaux parallèles se subdivisant en plusieurs chemins possibles pour le flux de gaz). Tout ou partie des avantages de l'invention sont également obtenus selon ce mode de réalisation. Comme précédemment, tout ou partie de ces caractéristiques géométriques peuvent être modifiées (angles d'inclinaison distincts pour des groupes ailettes et/ou au sein d'un même groupe, certaines ailettes parallèles à la direction D de circulation, longueur des ailettes...). L'invention favorise l'établissement d'un profil de vitesse plat pour l'air, ceci même à partir d'une alimentation en air fortement hétérogène. Les structures selon l'invention interdisent tout "passage direct" du fluide entre l'entrée E et la sortie S et favorisent de multiples divisons et regroupements dans un écoulement qui suit les axes des ondulations ou croisements. La disposition selon l'invention corrige par ailleurs rapidement des effets de mauvaise distribution du gaz de refroidissement. De plus, le transfert de chaleur entre les plaques et l'air est amélioré par un haut niveau de turbulence de l'écoulement, cette turbulence étant maintenue sur toute la profondeur ou largeur de la cellule (la surface d'échange air/plaque est également augmentée). L'invention permet ainsi de réduire, voir d'annuler le gradient thermique dans la plaque entre l'entrée E et la sortie S de l'air de refroidissement. Un autre avantage de l'invention est la diminution de la perte de charge dans le système échangeur de chaleur, ceci pour une même température maximale. L'invention permet donc l'amélioration du refroidissement des piles à 25 combustibles, notamment du type à membrane échangeuse de proton (PEMFC) à plaques graphite ou composite ou autre. L'invention permet la diminution, voir annulation, des gradients de température axiaux et transversaux dans les cellules. L'invention permet également une diminution de la perte de charge de 30 l'échangeur et donc de la consommation du ou des ventilateurs utilisés ainsi qu'une diminution du niveau sonore du système de refroidissement. REVENDICATIONS1. Plaque de pile à combustible destinée à être associée à un ensemble électrochimique pour former une cellule élémentaire de pile à combustible, la plaque (1, 10) comportant une face dite extérieure (11) pourvue d'ailettes (3) destinées à coopérer avec les ailettes (3) de la face extérieure d'une plaque (10, 1) de pile à combustible d'une cellule adjacente pour former des canaux de guidage pour un gaz de refroidissement, la plaque (1, 10) comportant un côté d'entrée (E) et un côté de sortie (S) pour le gaz de refroidissement définissant une direction (D) de circulation de gaz de refroidissement entre deux plaques adjacentes, caractérisée en ce qu'au moins une partie des ailettes (3) sont orientées selon une direction (A) générale en diagonale présentant un angle non nul par rapport à la direction (D) de circulation, et en ce qu'au moins une portion des ailettes (3) orientées en diagonale a une configuration ondulée. 2. Plaque selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'au moins une partie des ailettes (3) présente une orientation selon la direction (A) générale en diagonale sur l'intégralité de leur longueur. 3. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la configuration ondulée des ailettes (3) est formée par une succession de portions (13, 23) d'ailette rectilignes d'orientations distinctes et/ou de portion(s) d'ailette (3) incurvée(s). 4. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la configuration ondulée des ailettes (3) est formée par une alternance de portions (13) d'ailettes rectilignes et parallèles à la direction (D) de circulation et de portions (23) d'ailettes rectilignes et inclinées par rapport à la direction (D) de circulation de gaz. 5. Plaque la revendication 4, caractérisée en ce que les portions (13) d'ailettes (13) parallèles à la direction (D) de circulation ont une longueur comprise entre 7 mm et 22 mm et de préférence entre 8 et 17 et en ce que les portions (23) d'ailettes (13) inclinées par rapport à la direction (D) de circulation ont une longueur comprise entre 0 et 75 et de préférence entre 40 et 60 mm. 6. Plaque selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que les portions (23) d'ailettes inclinées par rapport à la direction (D) de circulation ont un angle d'inclinaison par rapport la direction (D) compris entre 0 et 75 degrés et de préférence entre 45 et 55 degrés. 7. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'au moins une partie des ailettes (3) a une largeur croissante sur au moins une partie de leur longueur depuis le côté d'entrée (E) vers le côté de sortie (S). 8. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la direction (A) d'orientation générale en diagonale de la ou des ailettes (3) présente un angle d'inclinaison par rapport à la direction (D) de circulation compris entre 0 et 37,5 degrés et de préférence entre 18 et 28 degrés. 9. Empilage (100) d'au moins deux cellules élémentaires de pile à combustible, les cellules adjacentes comprenant des plaques (1, 10) 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, 10) sont conformes à l'une quelconque des revendications précédentes et en ce que les premières ailettes (3) en diagonale d'une première plaque (1) ont des directions croisées par rapport aux secondes ailettes (3) en diagonale d'une seconde plaque (10) adjacente à la première plaque (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 la revendication 9.25