Brevet FR2958456A1 — publié le 20111007

La présente invention concerne une plaque de pile à combustible ainsi qu'une cellule et une pile comprenant une telle plaque. L'invention concerne plus particulièrement un plaque de pile à combustible, notamment pour pile à combustible de type à membrane échangeuse de protons (« PEM »), comprenant une face réactive destinée à acheminer un gaz comburant ou un gaz carburant vers un Assemblage Membrane Electrodes, la face réactive comprenant des arêtes en saillie délimitant des canaux prévus pour la circulation de gaz, sur au moins une partie de leur hauteur les arêtes ayant une largeur décroissante en direction de leur sommet selon un plan de coupe perpendiculaire au plan de la plaque et perpendiculaire à l'axe de circulation du canal délimité par les arêtes considérées. Les plaques de piles à combustibles sont prévues pour guider les réactifs (comburant contenant de l'oxygène et carburant contenant de l'hydrogène) jusqu'au siège des réactions électrochimiques des piles à combustibles. Plus précisément, dans les piles de type à membranes échangeuses de protons (« PEMFC ») deux plaques de pile prennent en sandwich un Assemblage Membrane-Electrodes (« AME » en français ou « MEA » en anglais). LAME est l'élément stratégique d'une cellule de pile car c'est le siège des réactions électrochimiques de la pile. A ce jour, le développement à grande échelle de la technologie des piles à combustibles « PEMFC » est limité par les coûts élevés au regard de la puissance électrique délivrée. Une part importante de ce coût est attribuable à l'AME. Les deux plaques ont notamment pour fonctions d'amener les gaz réactifs à la plus grande partie possible de la surface active des AME (c'est à dire la surface où se trouvent les électrodes). Pour ce faire, les faces réactives des plaques qui viennent au contact de l'AME comprennent à cet effet des canaux de guidage du gaz réactif (une plaque guide du comburant tandis que l'autre plaque guide du carburant). Les AME sont disposés sur les plaques de manière à ce que la surface couverte par le réseau de canaux corresponde à la surface active des AME. On peut alors définir deux types de situations possibles pour la surface active. Comme visible à la figure 1, la surface active de l'AME peut être : i) soit en face de l'ouverture 2 d'un canal, ii) soit en face d'une arête 3 qui délimite le canal 2. Dans le premier cas (i) ci-dessus, le gaz réactif accède facilement à l'électrode (AME), la surface de l'AME 5 correspondante est dite effectivement « active ». Dans le second cas (ii) ci-dessus, l'accès du gaz réactif à l'électrode est empêché (ou au moins limité), la surface d'AME correspondante est dite « inactive » (au moins partiellement). Il est ainsi théoriquement possible de calculer un taux d'utilisation de la surface potentiellement active des AME (c'est-à-dire la proportion de surface potentiellement active des AME qui est effectivement active). Actuellement, le taux d'utilisation effectif des AME est inférieur à 100 %. C'est-à-dire qu'une partie de la surface de l'électrode ainsi formée n'est pas active. Ce taux d'inutilisation est variable selon les conditions (en fonction notamment du type d'AME, de la géométrie des plaques ...). On estime généralement qu'un quart à tiers de la surface active des AME n'est pas utilisée efficacement dans les cellules de piles. Ce taux d'utilisation dépend notamment de la géométrie du réseau de canaux des plaques. La géométrie des canaux peut permettre d'augmenter ce taux d'utilisation cependant, cette géométrie est soumise à d'autres contraintes techniques et/ou économiques. Une solution pour augmenter ce taux d'utilisation consiste ainsi à prévoir des canaux délimités par des arêtes de très faible largeur A au regard de la largeur O des canaux (cf. figure 1). Cependant, pour des raisons de gestion thermique et de durée de vie des AME, la largeur O les canaux doit être limitée. Sans que ceci soit limitatif, le demandeur estime que généralement, la largeur des canaux doit être de préférence inférieure à 2mm environ. Prévoir des arêtes de largeur très faible pose d'autres problèmes. En effet, lorsque la largeur des arêtes est très faible, la fabrication de la plaque ne sera possible que par usinage. Ce mode de fabrication augmente considérablement le coût de fabrication de la plaque. Une autre solution envisagée pour augmenter ce taux d'utilisation consiste à utiliser de mousses métalliques ouvertes à la place de canaux. C'est-à-dire que, au lieu de prévoir des canaux sur la face réactive des plaques, les gaz réactifs se déplacent dans les pores de mousses métalliques prises en sandwich contre I'AME. Les mousses métalliques se sont ainsi en contact avec les AME que sur des zones de contact ponctuelles. Il en résulte ainsi taux d'utilisation élevé des AME. Cependant, d'autres problèmes se posent. Ainsi, les mousses métalliques ont une faible résistance à la corrosion. Leurs propriétés se dégradent donc rapidement et les produits de corrosion polluent les AME. De plus, la gestion de la répartition homogène des réactifs sur la surface des AME et de l'évacuation des résidus et produits de réaction sont plus difficiles à réaliser. Enfin, les propriétés mécaniques des ensembles ainsi obtenus ne sont pas satisfaisantes. On constate donc que les voies d'augmentation du taux d'utilisation de la surface utile des AME sont souvent incompatibles avec le mode de fonctionnement ou de fabrication des piles. 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 10 en ce que le sommet des arêtes est courbe et convexe. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - les flancs des arêtes sont inclinés par rapport à la direction perpendiculaire au plan de la plaque selon un angle compris entre 5 et 50 degrés et de préférence 15 entre 10 et 30 degrés (mesuré par exemple à mi-hauteur des arêtes), - les extrémités supérieures des arêtes sont courbes au niveau de la jonction entre les flancs et le sommet des arêtes, - les extrémités inférieures des arêtes sont courbes à la jonction entre les flancs des arêtes et la surface de la plaque délimitant le fond des canaux, 20 - le fond des canaux est courbe et concave, - les arêtes ont une section délimitée par une courbe de forme générale sinusoïdale selon un plan de coupe perpendiculaire au plan de la plaque et perpendiculaire à l'axe de circulation du canal délimité par les arêtes considérées, - en coupe selon un plan perpendiculaire au plan de la plaque et 25 perpendiculaire à l'axe de circulation du canal délimité par les arêtes considérées, le fond du canal et les arêtes se raccordent de façon continûment courbe selon un profil de forme générale sinusoïdale, - le fond des canaux possède une portion plane, - en coupe selon un plan perpendiculaire au plan de la plaque et 30 perpendiculaire à l'axe de circulation du canal délimité par les arêtes considérées, la largeur des canaux à mi-hauteur des arêtes est inférieure à 2,5mm et supérieure à 0,5mm et de préférence comprise entre 1 et 1,5mm, - selon un plan perpendiculaire au plan de la plaque et perpendiculaire à l'axe de circulation du canal délimité par les arêtes considérées, les arêtes ont, à 35 mi-hauteur, une largeur comprise entre 0,5 et 2 mm et de préférence entre 0,5 et 1 mm, - la plaque est constituée au moins en partie en matériau métallique ou en alliage métallique embouti et/ou moulé et/ou usiné mécaniquement ou chimiquement, - la plaque est constituée au moins en partie en matériau composite moulé 5 et/ou usiné, par exemple un composite carbone/polymère, ou tout autre moyen approprié. L'invention concerne également une cellule de pile à combustible comprenant deux plaques prenant en sandwich un Assemblage Membrane Electrodes, les plaques étant conformes à l'une quelconque des caractéristiques ci- 10 dessus ou ci-dessous L'invention concerne également une pile à combustible comprenant une ou des cellules conformes à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessous ou ci-dessus. L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif 15 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, d'un détail d'une coupe d'un Assemblage Membrane Electrodes pris en sandwich 20 entre deux plaques de pile selon une première configuration classique, - la figure 2 représente en coupe, schématique et partielle, d'un détail d'une plaque de pile selon une seconde configuration classique, - la figure 3 représente en coupe, schématique et partielle, d'un détail d'une plaque de pile selon un exemple de réalisation de l'invention. 25 La figure 1 illustre un exemple de canaux 2 délimités par des arêtes 3 de section rectangulaire (profil en créneaux). Ce profil peut être obtenu par usinage d'une plaque. L'hypothèse peut être faite que la proportion de la surface de l'Assemblage Membrane Electrodes 5 (AME) effectivement active %Sact est assimilable à la 30 fraction de la surface de la plaque en regard des canaux 2 (%Sact=longueur ouverte O par unité de longueur L). Pour vérifier cette hypothèse, le demandeur a mené une expérience consistant à faire varier ce rapport O/L, toutes les autres conditions étant égales par ailleurs. 35 Trois valeurs de proportion active %Sact sont testées. Les densités de courant obtenues à une tension de cellule de 0,6 V (valeur typique de fonctionnement nominal) ont été comparées. Les résultats montrent que la densité de courant est globalement proportionnelle à cette proportion active %Sact. Du fait des propriétés des matériaux et des contraintes de fonctionnement des piles, la valeur de proportion active %Sact est généralement comprise entre 67 5 % et 75 % pour des plaques usinées. Le demandeur a constaté que cette proportion active pouvait être améliorée sans pénaliser les conditions de fonctionnement ou de fabrication de la plaque. Pour cela, le demandeur a mis en évidence qu'en courbant au moins en 10 partie la portion supérieure des arêtes, une amélioration pouvait être constatée. Le demandeur a fait l'hypothèse que, lors du serrage des plaques contre l'AME 5, le sommet des arêtes pénètre dans la couche de diffusion de l'AME sur une distance de 50 à 80 micromètres environ. Pour les besoins de la démonstration, la valeur moyenne de 60 micromètres est retenue. 15 En conférant aux arêtes 3 une section de forme de type sinusoïdale telle que représentée à la figure 2, le demandeur a calculé que la proportion active %Sact de l'exemple de la figure 3 est de l'ordre de %Sact = 78,5 %. Ce profil sinusoïdal comporte de préférence : - un fond 12 de canal concave et se raccordant de façon continue avec le 20 profil des arêtes 3, - des flancs 13 d'arêtes inclinés formant un rétrécissement de la largeur des arêtes en direction du sommet 23 (par exemple, à mi-hauteur le flanc de l'arête a inclinaison par rapport à la perpendiculaire au plan de la plaque comprise entre 5 et 50 degrés et de préférence entre 10 et 30 degrés), 25 - un sommet 23 d'arête convexe. Cette géométrie a été usinée sur des plaques en matériau composite. Une vérification expérimentale a comparé ce profil à un profil classique moulé. La géométrie selon la figure 3 a permis d'obtenir une proportion active %Sact de 78,5 % contre 64% pour un profil classique d'une plaque en matériau 30 composite moulé. La densité de courant (en A/cm2) à une tension de 0,6V obtenue pour la réalisation de la figure 3 est de 0,726 A/cm2, contre 0,631 A/cm2 pour le profil classique à section rectangulaire. Le gain en densité de courant est ainsi de l'ordre de 15%. 35 Ceci démontre l'efficacité de l'invention même si le rapport densité de courant/proportion active %Sact ne confirme pas complètement les hypothèses du départ. En effet, ce rapport (densité de courant/%Sact) constaté est d'environ 0,98 pour la géométrie classique de la figure 2 contre environ 0,93 pour la géométrie selon l'invention (figure 3). Les performances selon l'invention sont améliorées également par rapport à la géométrie de la figure 2 obtenue par moulage dans la quelle les arêtes 3 ont, en section transversale, une forme générale trapézoïdale avec un sommet 23 plan. La plaque classique selon la figure 2 peut être obtenue en matériau composite carbone/polymère moulée. Lors du serrage des plaques contre l'AME 5, le sommet des arêtes du profil de la figure 2 pénètre dans la couche de diffusion de l'AME sur une distance de 50 à 80 micromètres environ. Il en résulte que la proportion de la surface de I'AME effectivement active %Sact est assimilable à une partie de l'arête 3 additionnée de la partie des zones courbes qui pénètrent dans la couche de diffusion de l'AME 5. Cette configuration permet d'obtenir une proportion active %Sact de l'ordre 15 de 70%, inférieure en performance selon l'invention. La géométrie originale selon l'invention permet ainsi une augmentation importante du taux d'utilisation de l'AME sans pénaliser le fonctionnement ou le coût de fabrication de la plaque. En effet, cette géométrie est compatible avec les méthodes de fabrication des plaques dites d'emboutissage et de moulage. C'est à 20 dire les méthodes considérées comme les plus prometteuses. L'invention permet ainsi d'augmenter le taux d'utilisation de la surface active des AME. Ceci permet de générer une augmentation de la puissance électrique délivrée par chaque AME et donc de réduire le coût d'une pile à combustible par kW produit. 25 Bien entendu, l'invention ne se limite pas au profil sinusoïdal décrit ci-dessus. En particulier, en coupe selon un plan perpendiculaire au plan de la plaque et perpendiculaire à l'axe de circulation du canal 2 délimité par les arêtes 3 considérées, le fond du canal 2 et les arêtes 3 peuvent se raccorder de façon continûment courbe selon un profil qui s'approche d'une sinusoïde, par exemple 30 une sinusoïde asymétrique (c'est-à-dire dans laquelle l'arête 3 et l'ouverture 2 n'ont pas la même largeur et/ou pas le même rayon de courbure). REVENDICATIONS1. Plaque de pile à combustible, notamment pour pile à combustible de type à membrane échangeuse de protons (« PEM »), comprenant une face (1) réactive destinée à acheminer un gaz comburant ou un gaz carburant vers un Assemblage Membrane Electrodes (5), la face (1) réactive comprenant des arêtes (3) en saillie délimitant des canaux (2) prévus pour la circulation de gaz, sur au moins une partie de leur hauteur les arêtes (3) ayant une largeur décroissante en direction de leur sommet selon un plan de coupe perpendiculaire au plan de la plaque et perpendiculaire à l'axe de circulation du canal (2) délimité par les arêtes (3) considérées, caractérisée en ce que le sommet (23) des arêtes (3) est courbe et convexe. 2. Plaque selon la revendication 1, caractérisée en ce que les flancs (13) des arêtes (3) sont inclinés par rapport à la direction perpendiculaire au plan de la plaque selon un angle compris entre 5 et 50 degrés et de préférence entre 10 et 30 degrés. 3. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les extrémités supérieures des arêtes (3) sont courbes au niveau de la jonction entre les flancs (13) et le sommet (23) des arêtes (3). 4. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les extrémités inférieures des arêtes (3) sont courbes à la jonction entre les flancs (13) des arêtes et la surface de la plaque délimitant le fond (12) des canaux (2). 5. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le fond (2) des canaux (2) est courbe et concave. 6. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les arêtes (3) ont une section délimitée par une courbe de forme générale sinusoïdale selon un plan de coupe perpendiculaire au plan de la plaque et perpendiculaire à l'axe de circulation du canal (2) délimité par les arêtes (3) considérées. 7. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 ou 6, caractérisée en ce que, en coupe selon un plan perpendiculaire au plan de la plaque et perpendiculaire à l'axe de circulation du canal (2) délimité par les arêtes (3) considérées, le fond du canal (2) et les arêtes (3) se raccordent de façon continûment courbe selon un profil de forme générale sinusoïdale. 8. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le fond des canaux (2) possède une portion plane. 9. Cellule de pile à combustible comprenant deux plaques prenant en sandwich un Assemblage Membrane Electrodes (5), caractérisé en ce que les plaques sont conformes à l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Pile à combustible comprenant une ou des cellules conformes à la 5 revendication 9.