Brevet FR2944915A1 — publié le 20101029

La présente invention concerne une plaque de pile à combustible, son procédé de fabrication ainsi qu'une pile à combustible comportant une telle plaque. L'invention concerne plus particulièrement une plaque monopolaire ou bipolaire de pile à combustible destinée à être associée à un ensemble électrochimique pour former une cellule élémentaire de pile à combustible, la plaque comprenant une portion dite de refroidissement pourvue d'ailettes formant des canaux de guidage pour un fluide de refroidissement tel que de l'air, une portion dite réactive destinée à être en contact avec des réactifs de la pile à combustible (tels que des gaz réactifs et un ensemble membrane électrode), la portion de refroidissement étant formée d'une pièce métallique ou en alliage métallique. 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 Monopolaires ou bipolaires sont constituées généralement de graphite ou de matériau composite ou d'un alliage métallique. Plus précisément, à ce jour, essentiellement deux types de plaques de pile à combustible sont disponibles sur le marché : - les plaques en composites à base de résines thermodurcissables fortement chargées en particule de carbone et - les plaques en métaux essentiellement des inox. Les résines utilisées pour la réalisation de plaques composites sont en général des résines de type Polyester ou Vinylester. Certaines plaques proposées sont réalisées en polymères intrinsèquement conducteurs. Les charges de carbone utilisées pour ces plaques sont des particules sous forme de poudre ou une préforme obtenue par expansion de fibre (tel que du � Graphtec �). Pour obtenir des plaques en grande série à un coût acceptable, il est généralement nécessaire de prévoir une opération de moulage par compression de ces matériaux. Le temps de cycle pour la polymérisation de la résine est de quelques minutes. Ces plaques composites sont bien adaptées aux petites et moyennes séries de production et présentent de nombreux avantages : bonne résistance à la corrosion, ajustage possible de l'état de surface en vue de son exposition à un liquide (eau). Cependant, ces plaques composites présentent de nombreux inconvénients parmi lesquels : - des niveaux de conductivité électrique et thermique limités, - une fragilité mécanique, - une épaisseur minimale requise relativement élevée, - des temps de cycle de fabrication relativement longs, - la nécessité de prévoir des angles de dépouille lors de la fabrication, - une géométrie fortement liée à la conductivité thermique. Les plaques métalliques sont quant à elles réalisées à partir d'aciers inoxydables. Leur résistance à la corrosion est cependant encore limitée. Ce type de plaque métallique est bien adapté à une production en grande série et permet de réaliser des plaques d'épaisseur plus réduite et de bonne conductivité thermique. Cependant, ces plaques métalliques présentent également des inconvénients dont : - une résistance à la corrosion insatisfaisante, - une épaisseur minimale requise, - la difficulté de prévoir des rayons de courbure relativement faibles, des angles de dépouille minimum requis, - une mise au point complexe des outillages pour respecter les tolérances géométriques, - une difficulté à réaliser des plaques bipolaires (nécessite deux moulages et une opération de collage, ce qui entraine une baisse des caractéristiques électriques et thermiques de la plaque). 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 selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce que la portion réactive de la plaque est formée par une pièce en matériau plastique ou composite rapportée sur la pièce métallique et rendue solidaire de cette dernière. La portion plastique ou composite (ou autre matériau équivalent) est de préférence moulée (par injection ou compression) par-dessus la première portion métallique. De préférence, la première portion a un coefficient de conductivité thermique compris entre 10 et 450 W/m.K (Watt par mètre par Kelvin) et un coefficient de conductivité électrique compris entre 2. 103 et 6,25.10' S/m (siemens par mètre). Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la portion réactive est surmoulée sur la pièce métallique, - la portion métallique comporte au moins un logement destiné à accueillir du matériau de la seconde portion pour former une attache mécanique entre la portion de refroidissement et la portion réactive, - à au moins un endroit de la portion de refroidissement, le matériau de la portion réactive traverse de part en part l'épaisseur de la portion de refroidissement, - la portion de refroidissement est constituée d'une pièce plane dont le matériau constitutif comprend au moins l'un parmi : un alliage de cuivre, du zamak, un alliage d'aluminium, un alliage cupro-aluminium, un acier inoxydable, un alliage contenant de l'argent ou tout autre matériau conducteur, - la portion réactive est constituée d'une pièce plane dont le matériau constitutif comprend au moins l'un parmi : un plastique intrinsèquement conducteur, un matériau composite conducteur, ou tout autre polymère conducteur obtenu par injection ou moulage par compression. L'invention concerne également une pile à combustible, comprenant un ensemble de cellules élémentaires, lesdites cellules élémentaires comprenant des plaques de pile à combustible, au moins une partie desdites plaques sont conformes à l'une quelconque des caractéristiques précédentes. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une plaque 20 de pile à combustible comprenant : - une première étape de réalisation d'une première pièce plane en matériau métallique, - une seconde étape de surmoulage, sur la première pièce plane, d'une seconde pièce plane en matériau plastique ou composite. 25 Selon d'autres particularités possibles : - la première pièce plane est constituée d'un matériau comprenant au moins l'un parmi : un alliage de cuivre, du zamak, un alliage d'aluminium, un alliage cupro-aluminium, et en ce que la première étape de réalisation est obtenue par l'un au moins des processus suivants : moulage, filage, matriçage, 30 - la seconde pièce est constituée d'un matériau comprenant au moins l'un parmi : un plastique, un polymère, un matériau composite, - la première pièce est obtenue lors de la première étape par extrusion d'un profilé fermé définissant des orifices traversant destinés à laisser passer de la matière lors de la seconde étape. 35 L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. 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 en perspective, schématique et partielle, illustrant une première portion métallique constitutive de plaque de pile à combustible selon un premier exemple de réalisation de l'invention, - la figure 2 représente une vue similaire à celle de la figure 1 dans laquelle la première portion est revêtue d'une seconde portion plastique formant ainsi une plaque de pile selon l'invention, - la figure 3 représente une vue en perspective de la plaque de la figure 2, - la figure 4 représente une vue agrandie et de face d'un détail de la plaque de la figure 3, - la figure 5 représente une vue de dessus et schématique illustrant un autre exemple d'une première portion métallique constitutive d'une plaque de pile selon un second exemple de réalisation de l'invention, - la figure 6 représente une vue de face de la première portion de plaque de la figure 5, - la figure 7 représente une vue en perspective et partielle de la première portion des figures 5 et 6 revêtue d'une seconde portion plastique selon un exemple de réalisation de l'invention. La figure 1 représente une feuille métallique formant une première portion d'une plaque selon l'invention. La feuille 12 métallique (ou en alliage métallique inoxydable) a par exemple une forme générale parallélépipédique. La feuille 12 définit sur une de ses faces (face inférieure sur la représentation de la figure 1) une pluralité d'ailettes 22. Les ailettes sont prévues par exemple pour coopérer avec des ailettes conjuguées d'une plaque adjacente de façon à former des canaux de circulation d'un fluide de refroidissement de la plaque. L'autre face de la feuille 12 peut comprendre des rainures 32 (par exemple non traversantes). La feuille peut également comporter une pluralité d'orifices 42 de préférence traversants. Pour obtenir une plaque 1 de pile selon l'invention, une seconde portion plastique (ou composite) est surmoulée sur la première portion 12 métallique. La seconde portion 13 est par exemple surmoulée sur une face (seulement) de la première portion. La seconde portion 13 forme ainsi une seconde feuille constituant un revêtement solidaire de la feuille 12 métallique. Le matériau surmoulé pénètre dans les rainures 32 et/ou les orifices 42 le cas échéant (cf. figures 3 et 4). Ceci confère une cohésion mécanique à la plaque 1 bi-matière obtenue. Ainsi, pour améliorer la liaison mécanique entre les matériaux (composite-métallique) et pour augmenter les surfaces d'échange thermique entre ces derniers, les orifices 42 ou des perçages peuvent donc être prévus. Ceci permet le passage du matériau composite de part et d'autre de la feuille métallique lors du surmoulage. La seconde portion 13 forme de préférence la face de la plaque 1 destinée à coopérer avec les réactifs de la pile à combustible (ensemble membrane électrode � MEA �, les gaz oxydants et réducteurs...). La face métallique 12 de la plaque 1 obtenue assure quant à elle les fonctions de refroidissement de la plaque 1. Cette configuration permet de réaliser les fonctions de refroidissement de la plaque tout en améliorant les performances par rapport aux plaques uniquement composites. L'invention permet également de réduire la hauteur de la partie 12 métallique de refroidissement et d'augmenter ainsi la puissance volumique de la pile à combustible correspondante. La partie 13 plastique ou composite en contact avec les gaz réactifs est quant à elle insensible aux problèmes de corrosion que l'on rencontre avec une plaque métallique classique et peut être fabriquée avec de faibles rayons de courbure et une finesse des définitions géométriques. La faible épaisseur de matière pour la plaque possible selon l'invention permet d'homogénéiser rapidement la température dans le moule de surmoulage et ainsi réduire le temps de cycle de fabrication de la plaque. La plaque 1 bi-matière obtenue présente une solidité satisfaisante. De plus, la structure selon l'invention permet de supprimer l'usinage (surfaçage) de la face 12, nécessaire pour enlever la peau de moulage (couche dans laquelle le taux de particules conductrice est inférieur à celui rencontré au coeur du matériau). De préférence, la portion métallique a une épaisseur comprise entre 0,5 et 3 mm tandis que la portion plastique a une épaisseur comprise entre 0,5 et 3 mm. L'invention permet ainsi de gérer de manière indépendante les portions (faces) 12, 13 de la plaque destinées respectivement au refroidissement et à la production d'énergie. Les figures 5 à 7 illustrent un autre exemple de réalisation d'une plaque de pile à combustible. La première portion 12 métallique peut par exemple être obtenue par extrusion d'un profilé de cuivre fermé 3 (figures 5 et 6). Des canaux traversants transversalement peuvent être prévus sur des côtés de la première portion 12, pour accueillir de la matière composite de façon à permettre de surmouler une couche plastique 13 sur chaque face 5, 6. La pièce 1 obtenue peut être une plaque bipolaire bi-matière (cf. figure 7). Comme dans le cas précédent des rainures ou profils 22 et/ou des orifices 42 peuvent être prévus sur la feuille métallique 12. Ceci permet de réaliser une liaison mécanique du matériau composite 13 sur le profilé métallique 12. Une fois le surmoulage réalisé, ces orifices ou rainures sont remplies de matière 8 favorisant l'échange thermique avec le profilé 12 métallique. Chaque feuille 13 plastique ou composite peut comporter des micro canaux 7 de formes appropriée pour répondre aux contraintes de perte de charge, de gestion de l'eau... La première portion 12 métallique peut indifféremment être conformée ouverte pour coopérer avec un fluide de refroidissement constitué d'un gaz tel que l'air ou peut être configurée fermée pour coopérer avec un liquide de refroidissement. REVENDICATIONS1. Plaque monopolaire ou bipolaire de pile à combustible destinée à être associée à un ensemble électrochimique pour former une cellule élémentaire de pile à combustible, la plaque (1) comprenant une portion (12) dite de refroidissement pourvue d'ailettes (22) formant des canaux de guidage pour un fluide de refroidissement tel que de l'air, une portion (13) dite réactive destinée à être en contact avec des réactifs de la pile à combustible (tels que des gaz réactifs et un ensemble membrane électrode), la portion (12) de refroidissement étant formée d'une pièce métallique ou en alliage métallique, caractérisée en ce que la portion (13) réactive de la plaque (1) est formée par une pièce en matériau plastique ou composite rapportée sur la pièce métallique (112) et rendue solidaire de cette dernière. 2. Plaque selon la revendication 1, caractérisée en ce que la portion (13) réactive est surmoulée sur la pièce métallique (112). 3. Plaque selon la revendication 2, caractérisée en ce que la portion métallique (12) comporte au moins un logement destiné à accueillir du matériau de la seconde portion (13) pour former une attache mécanique entre la portion (12) de refroidissement et la portion (13) réactive. 4. Plaque selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que, à au moins un endroit de la portion (12) de refroidissement, le matériau de la portion (13) réactive traverse de part en part l'épaisseur de la portion (12) de refroidissement. 5. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la portion (12) de refroidissement est constituée d'une pièce plane dont le matériau constitutif comprend au moins l'un parmi : un alliage de cuivre, du zamak, un alliage d'aluminium, un alliage cupro-aluminium, un acier inoxydable, un alliage contenant de l'argent ou tout autre matériau conducteur. 6. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la portion (13) réactive est constituée d'une pièce plane dont le matériau constitutif comprend au moins l'un parmi : un plastiqueintrinsèquement conducteur, un matériau composite conducteur, ou tout autre polymère conducteur obtenu par injection ou moulage par compression. 7. Pile à combustible, comprenant un ensemble de cellules élémentaires, lesdites cellules élémentaires comprenant des plaques de pile à combustible caractérisé en ce qu'au moins une partie desdites plaques sont conformes à l'une quelconque des revendications précédentes. 8. Procédé de fabrication d'une plaque de pile à combustible 10 comprenant : - une première étape de réalisation d'une première pièce (12) plane en matériau métallique, - une seconde étape de surmoulage, sur la première pièce (12) plane, d'une seconde pièce (13) plane en matériau plastique ou composite. 15 11. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la première pièce plane est constituée d'un matériau comprenant au moins l'un parmi : un alliage de cuivre, du zamak, un alliage d'aluminium, un alliage cupro-aluminium, et en ce que la première étape de réalisation est obtenue par l'un au 20 moins des processus suivants : moulage, filage, matriçage. 12. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la seconde pièce (13) est constituée d'un matériau comprenant au moins l'un parmi : un plastique, un polymère, un matériau composite. 13. Procédé selon l'un quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que la première pièce (12) est obtenue lors de la première étape par extrusion d'un profilé fermé (3) définissant des orifices (4, 5) traversant destinés à laisser passer de la matière lors de la seconde étape. 25 30