Brevet FR2926679A1 — publié le 20090724

B8415 - 07-T0-219 1 BOÎTIER POUR PILES À COMBUSTIBLE MINIATURES Domaine de l'invention La présente invention concerne un boîtier pour piles à combustible miniatures, et plus particulièrement un boîtier permettant d'évacuer la chaleur produite par les piles à combus- tible. Exposé de l'art antérieur Les piles à combustible miniatures visent notamment à équiper des équipements électroniques portables tels que des ordinateurs, des téléphones, des lecteurs de musique, etc. La figure 1 représente un exemple de cellule de pile à combustible intégrée réalisée en utilisant des techniques de microélectronique. Cette cellule est formée sur une tranche de silicium 1 revêtue d'une première couche isolante 2 fine et d'une seconde couche isolante 3 plus épaisse. Une ouverture est formée dans une partie de la couche isolante 3. Dans cette ouverture se trouve un empilement d'un support 4, d'une couche de catalyseur 5, d'un électrolyte 6 et d'une seconde couche de catalyseur 7. Cet ensemble de couches constitue l'empilement actif de la cellule de pile à combustible. Une électrode 10, placée sur la première couche isolante 2, permet de prendre un contact sur la face inférieure de la cellule de pile, sur le B8415 - 07-T0-219 2 support 4. Une ouverture 11 dans la seconde couche isolante 3 permet d'accéder à l'électrode 10. Une électrode supérieure 12 permet de prendre un contact sur la couche de catalyseur supérieure 7. Les électrodes 10 et 12 sont munies d'ouvertures, et des canaux 13 sont formés dans la tranche de silicium 1 en regard des ouvertures dans la métallisation de face inférieure. L'électrode inférieure 10 et l'électrode supérieure 12 constituent respectivement un collecteur d'anode et un collecteur de cathode. L'électrolyte 6 est par exemple un acide polymère tel que du Nafion sous forme solide et les couches de catalyseur 5 et 7 sont par exemple des couches à base de carbone et de platine. Ceci ne constitue qu'un exemple de réalisation. Divers types de piles à combustible réalisables sous la forme illustrée en figure 1 sont connus dans la technique. Pour faire fonctionner la pile à combustible, on injecte de l'hydrogène selon la flèche H2 du côté de la face inférieure et de l'air (porteur d'oxygène) est injecté du côté de la face supérieure. L'hydrogène est "décomposé" au niveau de la couche de catalyseur 5 pour former d'une part des protons H+ qui se dirigent vers l'électrolyte 6 et d'autre part des électrons qui se dirigent vers l'extérieur de la pile par le collecteur d'anode 10. Les protons H+ traversent l'électrolyte 6 jusqu'à rejoindre la couche de catalyseur 7 où ils se recombinent avec l'oxygène, arrivant de l'extérieur de la pile par le collecteur de cathode, et avec des électrons. De façon connue, avec une telle structure, on obtient un potentiel positif sur le collecteur de cathode 12 (côté oxygène) et un potentiel négatif sur le collecteur d'anode 10 (côté hydrogène). On soulignera que la figure 1 n'est pas à l'échelle. En particulier, la tranche de silicium 1 a typiquement une épaisseur de l'ordre de 250 à 700 }gym tandis que l'empilement actif des couches 4 à 7 a typiquement une épaisseur de l'ordre de 30 à 50 }gym. B8415 - 07-T0-219 3 Une pile à combustible classique est constituée d'un grand nombre de cellules adjacentes du type de celle représentée en figure 1, généralement plusieurs centaines, qui sont convenablement connectées. Ces piles à combustible ne peuvent être mises dans des boîtiers classiques de circuits intégrés puisque l'une de leurs faces doit s'ouvrir vers une enceinte contenant de l'hydrogène et l'autre de leurs faces doit être exposée à l'air ambiant. De plus, ces piles génèrent de la chaleur et, du côté de la face exposée à l'oxygène, de l'humidité. Résumé de l'invention Un mode de réalisation vise à proposer un boîtier simple contenant plusieurs piles à combustible permettant l'évacuation de la chaleur produite par les cellules de pile à combustible. Ainsi, un mode de réalisation prévoit un boîtier pour piles à combustible comprenant une plaque supérieure composée de l'empilement d'une première plaque isolante, de portions d'une première couche conductrice, d'une seconde plaque isolante et d'une seconde couche conductrice, cet empilement comportant des fenêtres, des piles à combustible étant placées en dessous de la première plaque isolante au niveau des fenêtres de façon à les obstruer, l'empilement comportant en outre des premières ouvertures remplies d'un matériau thermoconducteur formant un contact entre la périphérie des piles à combustible et la seconde couche conductrice. Selon un mode de réalisation, la première plaque isolante comprend des secondes ouvertures remplies d'un matériau conducteur formant un contact entre les bornes des piles à combustible et les portions de la première couche conductrice, les portions de la première couche conductrice étant formées de façon à connecter entre elles les bornes des différentes piles à combustible. Selon un mode de réalisation, la seconde plaque isolante et la seconde couche conductrice comprennent des secondes B8415 - 07-T0-219 4 ouvertures débouchant sur des portions de la première couche conductrice. Selon un mode de réalisation, un surplus de matériau thermoconducteur est formé au niveau des premières ouvertures 5 sur la seconde plaque conductrice. Selon un mode de réalisation, les première et seconde plaques isolantes sont des plaques de circuit imprimé (PCB), les première et seconde couches conductrices étant formées sur lesdites plaques de circuit imprimé par insolation à l'aide d'un typon, 10 puis par révélation, gravure et nettoyage. Selon un mode de réalisation, les première et seconde couches conductrices sont en cuivre. Selon un mode de réalisation, les portions de la première plaque conductrice s'arrêtent avant le contour des pre- 15 mières ouvertures, la seconde plaque isolante se déformant autour desdites premières ouvertures et contactant la première plaque isolante. Selon un mode de réalisation, le boîtier comprend en outre une plaque inférieure et des parois latérales formant, 20 avec la plaque supérieure, une enceinte. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif 25 en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, décrite précédemment, illustre une cellule de pile à combustible connue ; la figure 2 est une vue de dessus d'une pile à combustible utilisée dans un mode de réalisation ; 30 la figure 3 est une vue en coupe simplifiée d'un boîtier de pile à combustible selon un mode de réalisation ; les figures 4A à 4D sont des vues de dessus illustrant des étapes de formation de la plaque supérieure d'un boîtier selon un mode de réalisation ; B8415 - 07-T0-219 les figures 5A et 5B sont des vues de côté en coupe de la structure de la figure 4D selon ligne A-A, la figure 5B étant un agrandissement de la partie centrale de la figure 5A ; et les figures 6A et 6B sont des vues en coupe illustrant 5 la structure de la figure 5A à des étapes ultérieures de formation de la plaque supérieure du boîtier selon un mode de réalisation. Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des composants intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée La figure 2 est une vue de dessus d'une pile à combustible 20 selon un mode de réalisation. La pile à combustible 20 est constituée d'un support rectangulaire 22 comprenant une zone 24 qui contient des cellules de pile à combustible telles que celle illustrée en figure 1. On considère ici un exemple dans lequel la pile comporte trois bornes positives et trois bornes négatives. On notera que ce nombre n'est donné qu'à titre d'exemple. En vue de dessus, trois bornes 28 (positives ou négatives) sont formées à la périphérie de la zone 24, sur le côté gauche de celle-ci. Les trois autres bornes (positives ou négatives) 30 sont placées à la périphérie de la zone 24, sur le côté droit de celle-ci. La figure 3 illustre un boîtier de piles à combustible selon un mode de réalisation. Ce boîtier comprend une plaque supérieure 40, une plaque inférieure 42 et des parois latérales 44 qui définissent une enceinte fermée 46. L'enceinte 46 est alimentée en hydrogène à l'aide d'une ouverture 48 formée dans la plaque inférieure 42. Des piles à combustible 50 sont montées dans l'enceinte 46 sur la plaque supérieure 40. La face inférieure des piles à combustible 50 est ainsi en contact avec l'hydrogène présent dans l'enceinte 46. Des ouvertures 52 sont formées dans la plaque supérieure 40 au niveau de chaque pile à B8415 - 07-T0-219 6 combustible 50 pour permettre l'alimentation en oxygène sur les faces supérieures des piles à combustible 50. On s'intéressera ici à la formation de la plaque supérieure 40 et au montage des piles à combustible sur cette plaque. Les structures de la plaque 42 et des parois 44 sont données ici à titre d'exemple, et toute autre forme permettant d'obtenir une enceinte 46 alimentée en hydrogène pourra convenir. Par exemple, les parois 44 et la plaque inférieure 42 pourront ne former qu'une seule pièce. De la même façon, la plaque 40 pourra comprendre des rebords formant les parois 44. Les figures 4A à 4D, 5A et 5B, et 6A et 6B illustrent des étapes d'un procédé de fabrication d'une plaque supérieure d'un boîtier de piles à combustible selon un mode de réalisation. Comme cela est illustré en figure 4A, on part d'une première plaque 60 comprenant neuf emplacements 62 délimités par des pointillés dont chacun est destiné à recevoir une pile à combustible 50 du type de celle illustrée en figure 2. Les emplacements sont répartis sur deux lignes, une de cinq empla- cements et une de quatre emplacements. Un emplacement libre 64 est prévu sur la plaque, à côté de la ligne comprenant quatre emplacements, pour recevoir des bornes de connexion et/ou pour contenir un circuit de gestion des piles. En figure 4A, l'emplacement libre 64 est représenté comme étant situé en bas à gauche de la plaque 60. Cependant, on notera que le nombre d'emplacements représentés et la position de l'emplacement libre 64 ne sont que des exemples. Le présent mode de réalisation s'applique à un boîtier contenant un nombre supérieur ou inférieur d'emplacements, l'emplacement libre 64 pouvant être situé à n'importe quel endroit de la plaque 60. La plaque 60 est, par exemple, une plaque de circuit imprimé (PCB) de forme rectangulaire. Elle comporte, à l'inté- rieur de chaque emplacement 62, une fenêtre 66. Chaque fenêtre 66 a une forme sensiblement identique à la zone 24 de la pile à combustible illustrée en figure 2. Autour de chaque fenêtre 66, B8415 - 07-T0-219 7 au niveau des emplacements des bornes 28 et 30 (figure 2) de la pile à combustible, sont formées des ouvertures circulaires 68. Dans chaque emplacement 62 délimité par les pointillés, et le long de ces pointillés, sont formées de nombreuses ouvertures 70, par exemple oblongues. En figure 4A, on a représenté 18 ouvertures oblongues réparties autour de chaque fenêtre 66. On notera que le nombre et la forme des ouvertures 70 sont donnés ici uniquement à titre d'exemple. La figure 4B illustre la structure obtenue après avoir formé un circuit métallique composé de plusieurs portions métalliques 72 sur la plaque 60. Les portions 72 peuvent être en cuivre et être formées par des techniques de circuit imprimé classiques (par exemple par insolation à l'aide d'un typon, révélation, gravure puis nettoyage). Les portions 72 ont pour but de connecter les piles à combustible entre elles de façon adaptée. On considère ici que les bornes situées d'un même côté d'une pile sont au même potentiel, et, dans cet exemple, que les piles à combustible sont connectées en série. Entre deux fenêtres 66 situées côte à côte, la portion de cuivre 72 recouvre toute la zone située entre les fenêtres, entoure de préférence les bords supérieurs des ouvertures 68, et s'arrête éventuellement un peu avant le contour des fenêtres 66. Deux portions de cuivre 72 longent les contours droits des fenêtres 66 situées à droite de la plaque 60 et une piste de cuivre relie ces deux portions de cuivre. La connexion des piles à combustible situées aux extrémités du circuit série s'effectue par deux portions de cuivre 72 qui longent les parties gauches des fenêtres 66 et par une piste de cuivre qui relie ces portions à deux bornes 74 prévues dans l'emplacement libre 64. Les bornes 74 permettent la connexion de l'ensemble des piles vers l'extérieur. Les portions de cuivre 72 entourent les ouvertures 70 mais s'arrêtent de préférence un peu avant le bord de ces ouvertures 70. La figure 4C est une vue de dessus illustrant la structure obtenue après avoir déposé une seconde plaque de PCB rectangulaire 80 sur la structure de la figure 4B. La seconde B8415 -07-T0-219 8 plaque de PCB 80 comprend des fenêtres 66 et des ouvertures 70 identiques à celles de la première plaque de PCB 60. Elle est placée sur la plaque 60 de façon que les ouvertures 70 et que les fenêtres 66 se superposent. En figure 4C, la plaque 80 est représentée comme étant plus petite que la plaque 60, mais la plaque 80 aura de préférence la même taille que la plaque 60. Dans l'emplacement libre 64, deux ouvertures 82 sont formées au niveau des bornes 74 pour la connexion, par exemple, à un circuit extérieur. La figure 4D illustre la structure obtenue après avoir formé une couche métallique uniforme 84 sur la plaque de PCB 80. La couche métallique 84 pourra être en cuivre. Elle recouvre entièrement la plaque de PCB 80, excepté un dégagement autour des ouvertures 82. Ceci permet de prendre un contact sur les bornes 74 en évitant un court-circuit avec la couche de cuivre 84. Les contacts sur les bornes 74 dans les ouvertures 82 pourront, à titre d'exemple, être réalisés en injectant un matériau conducteur dans les ouvertures 82 de façon que le matériau conducteur soit en contact avec les bornes en cuivre 74. Les figures 5A et 5B sont des vues en coupe de la structure de la figure 4D selon une ligne A-A qui passe par l'une des ouvertures 82 et par des fenêtres 66. La figure 5B est un agrandissement de la partie centrale de la figure 5A. Ces figures illustrent l'empilement des deux plaques de PCB 60 et 80, la position des portions de cuivre 72 et 84, ainsi que la position des fenêtres 66 et des ouvertures 68, 70 et 82. Les fenêtres 66 et les ouvertures 70 s'étendent dans tout l'empi- lement, tandis que les ouvertures 68 sont formées uniquement dans la première plaque de PCB 60 et les ouvertures 82 unique- ment dans la seconde plaque de PCB 80. Puisque les portions de cuivre 72 ne vont pas jusqu'au contour des ouvertures 70, la seconde plaque de PCB 80 s'affaisse légèrement autour des ouver- tures 70 pour venir au contact de la première plaque de PCB 60. Ceci permet d'éviter tout contact entre les portions de cuivre B8415 -07-T0-219 9 72 et le matériau qui sera placé dans les ouvertures 70. De la même façon, mais de façon non limitative, les portions de cuivre 72 peuvent s'arrêter légèrement avant les fenêtres 66. La seconde plaque de PCB 80 s'affaisse ainsi également autour des fenêtres 66 pour contacter la première plaque de PCB 60. La figure 5B est un agrandissement de la partie centrale de la figure 5A, permettant de mieux voir l'affaissement de la seconde plaque de PCB 80 sur la première plaque de PCB 60. Les figures 6A et 6B sont des vues en coupe illustrant la structure de la figure 5A à des étapes ultérieures de formation de la plaque supérieure du boîtier selon un mode de réalisation. La structure de la figure 6A est obtenue à partir de la structure de la figure 5A et de neuf piles à combustible 90 telles que celle illustrée en figure 2. On dépose, sur chacune des bornes 28 et 30 des piles à combustible, une colle conductrice 92. Les piles à combustible 90 sont ensuite collées en dessous de l'empilement de la figure 4D et la colle 92 pénètre dans les ouvertures 68 jusqu'à contacter les portions de cuivre 72. Les procédés connus de collage permettent de déposer assez de colle pour assurer un bon contact avec les portions de cuivre 72, tout en évitant que la colle ne bave sur les parties actives des piles. On obtient ainsi la connexion en série des différentes piles à combustible 90. A l'étape illustrée en figure 6B, une colle 94 est injectée dans les ouvertures 70 de façon à relier des parties non actives des piles à combustible 90 à la couche de cuivre 84. La colle 94 est une colle thermoconductrice et aussi isolante électriquement que possible. La colle 94 est déposée en quantité suffisante pour remplir les ouvertures 70 et former un surplus de colle 96 au-dessus de la couche de cuivre 80, ce surplus permettant d'assurer un bon contact thermique sur la couche de cuivre 84. Une partie de la colle 94 passe également entre la première plaque de PCB 60 et les piles à combustible 90, autour des ouvertures 70, ce qui permet d'obtenir un joint continu et B8415 - 07-T0-219 10 donc une bonne étanchéité entre les deux faces des piles à combustible 90. Dans le cas où la colle 94 n'est pas totalement électriquement isolante, l'affaissement de la seconde plaque de PCB 80 autour des ouvertures 70 est indispensable. En effet, cet affaissement permet d'éviter tout contact entre les portions de cuivre 72 et la colle thermoconductrice 94. Au contraire, si la colle 94 est totalement électriquement isolante, l'affaissement de la seconde plaque de PCB 80 autour des ouvertures 70 devient optionnel. En effet, dans ce cas, les portions de cuivre 72 peu- vent s'étendre jusqu'aux ouvertures 70 et toucher la colle 94 sans provoquer de court-circuit. On obtient ainsi une plaque supérieure d'un boîtier de piles à combustible permettant : -l'alimentation en oxygène des piles à combustible 90 15 par les ouvertures 66 ; - la connexion en série de différentes piles à combustible 90 par l'intermédiaire des pistes de cuivre 72 et de la colle conductrice 92 ; -l'évacuation de la chaleur produite par les cellules 20 de pile à combustible grâce à la colle thermoconductrice 94 et à la couche de cuivre 84 qui joue le rôle de radiateur ; et - l'étanchéité de la structure, entre les faces supérieures et inférieures des piles à combustible 90, grâce à la colle thermoconductrice 94. 25 Les fenêtres 66 et les ouvertures 70 pourraient être formées après la réalisation de l'empilement des deux plaques de PCB 60 et 80. Les ouvertures 68 et 82 sont, quant à elles, réalisées avant l'assemblage des deux plaques de PCB 60 et 80. A titre d'exemple, la plaque 60 pourra avoir une ion- 30 gueur comprise entre 3 et 5 cm et une largeur comprise entre 2 et 3 cm. Les ouvertures 66 pourront avoir une largeur comprise entre 0,7 et 1,2 cm et une longueur comprise entre 0,3 et 0,7 cm. Les ouvertures 68, 70 et 82 pourront avoir des dimensions comprises entre 0,5 et 2 mm. B8415 - 07-T0-219 11 Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, en modifiant la structure des portions de cuivre 72, il est possible de connecter les différentes piles à combustible autrement qu'en série, si cela est désiré. A titre de variante, des ouvertures identiques aux ouvertures 82 peuvent être réalisées dans la seconde plaque de PCB 80 et dans la couche de cuivre 84 au niveau de certaines portions de cuivre 72. Ces ouvertures, remplies d'un matériau conducteur, permettent de former des contacts de test entre les différentes piles à combustible pour vérifier le bon fonctionnement de chaque pile. A titre d'exemple, ces ouvertures supplémentaires peuvent être formées au-dessus des ouvertures 68. On a décrit ici un mode de réalisation de la plaque supérieure du boîtier de piles à combustible composée de l'empilement de deux plaques de PCB sur lesquelles sont formées des portions de cuivre. Le boîtier de piles à combustible de la figure 6B pourrait également être obtenu en utilisant tout procédé de formation d'un empilement de matériaux isolant/conducteur/isolant/conducteur. On pourra par exemple réaliser, sur une plaque isolante, des dépôts successifs de couches conductrice, isolante et conductrice. REVENDICATIONS 1. Boîtier pour piles à combustible comprenant une plaque supérieure (40) composée de l'empilement d'une première plaque isolante (60), de portions d'une première couche conductrice (72), d'une seconde plaque isolante (80) et d'une seconde couche conductrice (84), cet empilement comportant des fenêtres (66), des piles à combustible (90) étant placées en dessous de la première plaque isolante (60) au niveau des fenêtres (66) de façon à les obstruer, l'empilement comportant en outre des premières ouvertures (70) remplies d'un matériau thermoconduc- teur (94) formant un contact entre la périphérie des piles à combustible (90) et la seconde couche conductrice (84). 2. Boîtier selon la revendication 1, dans lequel la première plaque isolante (60) comprend des secondes ouvertures (68) remplies d'un matériau conducteur (92) formant un contact entre les bornes des piles à combustible (90) et les portions de la première couche conductrice (72), les portions de la première couche conductrice (72) étant formées de façon à connecter entre elles les bornes des différentes piles à combustible (90). 3. Boîtier selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la seconde plaque isolante (80) et la seconde couche conductrice (84) comprennent des secondes ouvertures (82) débouchant sur des portions de la première couche conductrice (72). 4. Boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un surplus (96) de matériau thermo-25 conducteur (94) est formé au niveau des premières ouvertures (70) sur la seconde plaque conductrice (84). 5. Boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les première et seconde plaques isolantes (60, 80) sont des plaques de circuit imprimé (PCB), les 30 première et seconde couches conductrices (72, 84) étant formées sur lesdites plaques de circuit imprimé par insolation à l'aide d'un typon, puis par révélation, gravure et nettoyage.B8415 - 07-T0-219 13 6. Boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les première et seconde couches conductrices (72, 84) sont en cuivre. 7. Boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les portions de la première plaque conductrice (72) s'arrêtent avant le contour des premières ouvertures (70), la seconde plaque isolante (80) se déformant autour desdites premières ouvertures (70) et contactant la première plaque isolante (60). 8. Boîtier selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant en outre une plaque inférieure (42) et des parois latérales (44) formant, avec la plaque supérieure (40), une enceinte (46).