Brevet FR2932612A1 — publié le 20091218

PLAQUE SEPARATRICE A DOUBLE GORGE POUR PILE A COMBUSTIBLE DESCRIPTION 5 Domaine de l'invention L'invention se rapporte au domaine des piles à combustible dont les applications industrielles 10 peuvent être stationnaires ou dédiées au transport. Les applications fixes ou stationnaires concernent, par exemple, les hôpitaux et autres bâtiments de service pour lesquels l'éventualité d'une interruption d'alimentation électrique doit être 15 exclue. Les applications relatives au transport concernent, entre autres, la propulsion des véhicules urbains de transport en commun, tels que les autobus et les tramways. Elle est en liaison directe avec la 20 problématique actuelle de développement durable et l'épuisement annoncé des ressources de combustibles fossiles qui impliquent un besoin sans cesse croissant de sources d'énergie si possible renouvelables et à haut rendement. 25 Art antérieur et problème posé La pile à combustible est un dispositif électrochimique qui convertit directement l'énergie 30 chimique d'un combustible en énergie électrique. Le principe de fonctionnement de ce générateur 2 électrochimique repose sur la réaction de synthèse électrochimique de l'eau. De nombreuses piles à combustible sont constituées d'une succession d'étages élémentaires appelés également cellules électrochimiques, comprenant chacun un élément de base constitué de deux électrodes, une anode et une cathode, auxquelles sont apportés continûment un comburant, par exemple de l'air ou de l'oxygène, et un combustible, par exemple de l'hydrogène, ces deux éléments gazeux restant séparés par une membrane échangeuse d'ions faisant office d'électrolyte. A l'anode, le combustible subit une oxydation catalytique libérant protons et électrons, dans le cas d'une pile à combustible du type à membrane échangeuse de protons. Les électrons produits circulent le long du circuit électrique extérieur, alors que les protons sont transportés de l'électrolyte vers la cathode, où ils se recombinent avec les électrons et l'oxygène. Cette réduction cathodique s'accompagne d'une production d'eau et d'un établissement d'une différence de potentiel entre les deux électrodes. Plusieurs types de piles à combustible coexistent et se différencient par la nature de leur électrolyte et leurs températures de fonctionnement. Concernant les piles à combustible fonctionnant à basses températures (températures inférieures à 100°C), la technologie la plus avancée est représentée par les piles à combustible à électrolyte polymère. L'invention développée dans la présente demande utilise une pile à combustible de type PEM ("Proton Exchange Membrane" en 3 anglais) dont l'électrolyte polymère est une membrane échangeuse de protons. En référence à la figure 1, le coeur d'une pile à combustible est constitué du montage de cellules électrochimiques élémentaires 1, empilées les unes sur les autres en nombre suffisant afin d'obtenir les valeurs de tension et courant souhaitées. Un tel empilement de cellules élémentaires d'un coeur de pile à combustible est couramment désigné par le terme anglais "stack". Chaque cellule élémentaire 1 d'une pile à combustible de type PEM se compose de deux plaques séparatrices 2 assurant l'apport des gaz réactifs, disposées de part et d'autre d'un ensemble membrane-électrodes 3, dit "EME". L'EME comprend une membrane échangeuse protonique 3A et deux électrodes catalytiques à diffusion de gaz, une anode et une cathode, constituées d'une couche active 3B et d'une couche de diffusion 3C. A l'anode, après diffusion au travers de la couche de diffusion 3C, l'hydrogène est oxydé catalytiquement dans la couche active 3B pour donner protons et électrons. Les électrons empruntent un circuit électrique vers la cathode, alors que la membrane 3A assure le transport des protons de l'anode vers la cathode, mais aussi la séparation des gaz réactants. A la cathode, l'oxygène subit une réduction catalytique et se recombine avec les protons et les électrons pour donner de l'eau. Dans un empilement de piles à combustible du type PEM, les plaques séparatrices 2 assurent également la fonction de distribution des gaz réactifs 4 (l'oxygène ou l'air, et l'hydrogène), de conduction thermique, de collection des électrons produits et d'évacuation des produits de la réaction, dont l'eau. La fonction de distribution des gaz réactifs est réalisée au moyen d'une structure cannelée en contact avec la membrane. Par exemple, des canaux de circulation 2A sont moulés ou usinés dans le matériau de plaque, faisant apparaître des crêtes (ou dents) collectrices de courant. Une plaque séparatrice 2 peut être de type "monopolaire" ou "bipolaire". Elle est dite "monopolaire" quand elle est en contact par une seule de ses faces avec une électrode (anode ou cathode) d'une cellule élémentaire. Dans ce cas, une face de la plaque contient des canaux de circulation gaz. A l'inverse, une plaque séparatrice est dite "bipolaire" quand elle est en contact par une de ses faces avec l'anode d'une cellule élémentaire N, et sur l'autre face avec la cathode d'une cellule élémentaire de rang N + 1. Dans ce cas, les deux faces de la plaque bipolaire 4 présentent des canaux de circulation gaz 4A. Quand une plaque séparatrice est du type "biplaque" 4, ce terme désigne le fait que la plaque séparatrice résulte de l'assemblage de deux plaques 4C. En outre, en référence à la figure 2, dans des piles à combustible de grande puissance, une première fonction de ces plaques séparatrices, est la réfrigération du stack par la circulation d'un liquide réfrigérant, par exemple, de l'eau, entre les différentes cellules de base de la pile à combustible. Le fluide réfrigérant circule dans des canaux de réfrigération 4B spécifiquement conçus et intégrés dans les plaques monopolaires ou bipolaires. Lorsque les plaques séparatrices utilisées 5 sont des biplaques 4, il est nécessaire de réaliser l'assemblage des deux plaques 4C constituant chaque biplaque, en veillant à ce que le contact électrique et thermique des deux plaques assemblées entre elles soit assuré, et à ce que l'étanchéité vis-à-vis des gaz et de l'eau de réfrigération soit réalisée. L'assemblage de deux plaques 4C formant une biplaque 4 séparatrice est traditionnellement effectué au moyen d'un adhésif compatible avec l'utilisation des gaz réactifs et de l'eau de réfrigération. Cependant, l'assemblage des plaques 4C présente l'inconvénient de créer une surépaisseur de colle adhésive entre les deux surfaces planes assemblées entre elles et surtout de générer des défauts géométriques de planéité et de parallélisme sur la biplaque 4 ainsi assemblée. La figure 3 illustre une surépaisseur d'adhésif 5 induite entre les deux plaques 2, sans canaux de réfrigération, assemblées par la méthode d'assemblage de l'état de l'art. Cette surépaisseur d'adhésif de colle 5 génère des défauts géométriques de planéité et de parallélisme puisque le maintien d'une épaisseur de colle homogène sur toute la surface d'assemblage est difficilement maîtrisable, les deux plaques 2 risquant fort de ne pas être parallèles. Sur un empilement monté dont le nombre de cellule élémentaires peut être très élevé, les surépaisseurs et les défauts géométriques d'assemblage 6 cumulés engendrent une variation de la longueur de l'empilement final, et surtout des difficultés d'ordre mécanique lors du montage des cellules élémentaires. L'objectif est donc de remédier à ces inconvénients en proposant un autre dispositif d'assemblage pour plaques séparatrices de pile à combustible de type PEM. Résumé de l'invention A cet effet, un premier objet principal de l'invention est une plaque séparatrice composée de deux demi-plaques, plaquées l'une contre l'autre par l'intermédiaire de moyens adhésifs placés entre les deux demi-plaques, à des endroits déterminés. Selon l'invention, des cavités sont prévues sur les bords des endroits déterminés pour que les moyens adhésifs puissent s'y répandre au moins partiellement de part et d'autre de surfaces d'appui de serrage, lors du serrage des deux demi-plaques, l'une contre l'autre. Dans une réalisation préférentielle, les cavités sont prévues sur une des deux demi-plaques. En correspondance, dans une deuxième réalisation, les cavités sont prévues sur les deux demi-plaques. De manière préférentielle, les endroits déterminés où on met les moyens adhésifs sont situés sur des crêtes, les cavités constituant des gorges adjacentes aux crêtes. 7 Un deuxième objet principal de l'invention est un procédé de fabrication d'une plaque séparatrice séparatrice, tel que mentionnée ci-dessus. Il consiste, selon l'invention, dans un premier temps, à mettre les moyens adhésifs aux endroits déterminés sur une plaque et, dans un deuxième temps, à serrer les deux demi-plaques l'une contre l'autre du côté des moyens adhésifs. Ce premier procédé concerne la première réalisation de la plaque séparatrice selon l'invention, les moyens adhésifs étant mis sur les endroits déterminés d'une seule demi-plaque. En correspondance et concernant la deuxième réalisation de la plaque séparatrice selon l'invention, le procédé consiste à mettre les moyens adhésifs sur les deux demi-plaques, aux endroits déterminés, avant de serrer celles-ci l'une contre l'autre, du côté des moyens adhésifs. Liste des figures L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, décrivant deux réalisations de l'invention et qui est accompagnée de plusieurs figures représentant respectivement : - figure 1, en coupe, une partie d'un empilement d'une pile à combustible utilisant des plaques séparatrices, selon l'invention ; 8 - figure 2, une plaque séparatrice du type bipolaire de l'art antérieur, mais auquel s'applique l'invention et son procédé ; - figure 3, une plaque bipolaire de l'art antérieur, avec l'inconvénient évité par l'invention ; - figure 4, en coupe, un premier type de plaque séparatrice selon l'invention, avant son montage ; - figure 5, en coupe, le premier type de plaque séparatrice selon l'invention, tel que représenté à la figure 4, mais après son serrage ; - figure 6, en coupe, un deuxième type de plaque séparatrice selon l'invention, avant son serrage ; et figure 7, le même type de plaque séparatrice, selon l'invention, que la figure 6, mais après son serrage. Description détaillée de deux réalisations de l'invention En référence à la figure 4, une première réalisation de l'invention consiste en une plaque séparatrice fabriquée par l'assemblage de deux demi-plaques 10A et 10B sur des surfaces 15A planes, pour la première demi-plaque 10A, et non plane 15B pour la deuxième demi-plaque 10B. Sur les figures 4 à 7, les canaux d'alimentation de gaz réactants et de liquide réfrigérant n'ont pas été représentés sur leur surface 9 fonctionnelle, l'objet de l'invention étant axé sur l'assemblage des deux demi-plaques 10A et 10B. L'ensemble des deux demi-plaques 10A et 10B se complète de moyens adhésifs, tels qu'un matériau souple 11, conducteur ou non du courant électrique, conducteur ou non de la chaleur, par exemple un matériau élastomère. Ce matériau souple adhésif 11 est placé sur une crête 12, placée entre deux gorges 13. Ceci est réalisé sur une partie de toute la deuxième demi-plaque 10B, la quantité de matériau souple adhésif 11 devant être suffisante pour assurer l'adhésion des deux demi-plaques 10A et 10B, l'une contre l'autre. La figure 5 montre ces deux mêmes demi-plaques 10A et 10B, fixées l'une contre l'autre, après rapprochement de celles-ci, jusqu'au contact des surfaces d'appui de serrage 15A et 15B de ces deux demi-plaques 10A et 10B. Le matériau souple adhésif 11 a donc été pressé lors de ce rapprochement et celui-ci a pu se répandre largement dans les gorges 13 adjacentes à la crête 12. On note que la hauteur de la crête 12 est légèrement inférieure à la profondeur des gorges 13. En d'autres termes, ces gorges 13 font office de réservoir par rapport aux crêtes 12. Ces gorges 13 peuvent être réalisées sur la 25 demi-plaque concernée par usinage, moulage ou emboutissage. Dans le cas où les deux demi-plaques sont utilisées dans une pile à combustible du type PEM, elles peuvent être constituées, par exemple, de 30 graphite ou de composé de graphite polymère. Elles peuvent même être métalliques. 10 Les dimensions, c'est-à-dire les longueurs, largeur et profondeur des gorges 13, ainsi que la profondeur existant entre la crête 12 et les gorges 13 et le plan d'appui de deux demi-plaques 10A et 10B sont variables et donc détermines en fonction des propriétés des paramètres de dépose de moyens adhésifs, dans le but d'assurer correctement la fonction d'étanchéité vis-à-vis des gaz actifs et de l'eau de refroidissement. La figure 6 propose une réalisation où les deux demi-plaques 20A et 20B comportent chacune des crêtes 22 et des gorges 23. Conjointement, les moyens adhésifs sous la forme de matériau souple adhésif 21 est déposé sur les crêtes 22 des deux demi-plaques 20A et 20B. De la même manière que précédemment, les gorges 23 sont adjacentes aux crêtes 22 sur lesquelles se trouvent le matériau souple adhésif 21, avant le serrage des deux demi-plaques 20A et 20B. En référence à la figure 7, leur rapprochement de deux demi-plaques 20A et 20B a été effectué, le matériau souple adhésif 21 s'étend répandu en partie dans les gorges 23, tout en remplissant l'espace subsistant entre les crêtes 21. Ces gorges 23 font donc également office de réservoir pour le surplus de matériau adhésif souple 21. Les surfaces de contact respectif 25A et 25B peuvent ainsi rentrer en contact et assurer une plaque séparatrice homogène, l'étanchéité étant assurée vis-à-vis de gaz et de l'eau de refroidissement. En effet, la quantité de matériau adhésif souple déposé et les dimensions des gorges sont 11 déterminées de façon à assurer leur assemblage parfait des deux demi-plaques et la fonction d'étanchéité, sans débordement du matériau adhésif entre les deux plans d'appui, c'est-à-dire les deux surfaces de contact des deux demi-plaques 20A et 20B. Avantages de l'invention Compte tenu de la conception de la présence de gorges vis-à-vis du matériau adhésif souple, on maîtrise parfaitement la fabrication et l'assemblage de la plaque séparatrice du point de vue dimensionnel et géométrique, tout particulièrement vis-à-vis de l'épaisseur de la plaque séparatrice et de la planéité de celle-ci. Les défauts de montage sont ainsi minimisés. Les contacts électrique et thermique entre les deux demi-plaques assemblées sont assurés, même si le moyen adhésif employé ne présente pas les caractéristiques thermique et électrique adéquates, c'est-à-dire s'il n'est pas conducteur. Ceci permet l'utilisation d'un plus grand choix de matériaux. De manière générale, l'assemblage de deux demi-plaques formant une plaque séparatrice, selon l'invention, peut être réalisé pour la mise en oeuvre sur l'une des deux demi-plaques à assembler d'un nombre déterminé N de gorges réservoirs, séparées par un nombre N - 1 de crêtes. Ainsi, il est possible de généraliser le dispositif utilisant une double gorge et une crête à un dispositif utilisant trois gorges et deux crêtes, et ainsi de suite. 12 Si les deux demi-plaques de l'assemblage présentent des gorges, le nombre N déterminé de gorges et le nombre déterminé de gorges N - 1 de crêtes pour chaque demi-plaque peut être différent. Dans tous les cas, les dimensions des crêtes peuvent différer au sein d'une même demi-plaque ou d'une demi-plaque à l'autre. REVENDICATIONS1. Plaque séparatrice composée de deux demi-plaques (10A, 10B, 20A, 20B) plaquées l'une contre l'autre par l'intermédiaire de moyens adhésifs placés entre les deux demi-plaques (10A, 10B, 20A, 20B), à des endroits déterminés, caractérisée en ce qu'on utilise des cavités sur les bords des endroits déterminés pour que les moyens adhésifs puissent se répandre, au moins partiellement, de part et d'autre de surfaces d'appui de serrage (15A, 15B), lors du serrage des deux demi- plaques (10A, 10B, 20A, 20B) l'une contre l'autre. 2. Plaque séparatrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que les cavités ne se trouvent que sur une des deux demi-plaques (10B). 3. Plaque séparatrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que les cavités se trouvent sur les deux demi-plaques (20A, 20B). 4. Plaque séparatrice selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les endroits déterminés sont des crêtes (12, 22) et les cavités sont des gorges (13, 23) adjacentes aux crêtes (12, 22). 5. Procédé de fabrication d'une plaque séparatrice selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il constitue successivement : - mettre des moyens adhésifs aux endroits déterminés sur une des deux demi-plaques (10B), puis à - serrer les deux demi-plaques (10A, 10B) l'une contre l'autre, du côté des moyens adhésifs. 25 30 14 6. Procédé de fabrication selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il consiste à successivement . - mettre les moyens adhésifs aux endroits déterminés sur les deux demi-plaques (20A, 20B) ; et - serrer les deux demi-plaques (20A, 20B) l'une contre l'autre, du côté des matériaux adhésifs.