Brevet FR2956522A1 — publié le 20110819

La présente invention concerne un ensemble de plaques de pile à combustible, des cellules et empilements de cellules de pile à combustible ainsi qu'une pile à combustible ainsi obtenue. L'invention concerne plus particulièrement un ensemble de plusieurs plaques de pile à combustible, les plaques comprenant au mois une face réactive pourvu d'au moins un canal de guidage prévu pour la circulation d'un comburant comprenant de l'oxygène ou la circulation d'un carburant comprenant de l'hydrogène, lesdites plaques de l'ensemble étant solidaire d'un cadre commun. Les plaques de pile à combustible sont généralement des plaques monopolaires ou des plaques bipolaires. Les plaques sont dites monopolaires lorsqu'elles ne comportent que l'une des deux faces réactive (anode ou cathode). La face opposée est alors dédié au refroidissement (via un liquide ou de l'air par exemple). Les plaques sont dites bipolaires lorsqu'elles les deux faces sont réactives (anode d'un côté, cathode de l'autre). Le circuit de refroidissement est alors emprisonné entre les deux faces réactives. Généralement, une plaque bipolaire est fabriquée par l'assemblage (le collage) de deux plaques monopolaires. L'alimentation en gaz réactifs (par exemple hydrogène ou en air) peut être réalisée de façon interne ou externe à la plaque. La seconde solution présente l'avantage de pouvoir facilement contrôler individuellement l'étanchéité de chaque cellule (une cellule comprend une anode et une cathode séparées par une membrane échangeuse de protons). Des collecteurs internes à la plaque limitent le nombre de pièces auxiliaires. Cependant, dans ce cas, une fuite de fluide est quand même plus difficile à localiser. La cellule doit être étanche avec l'extérieur afin d'éviter les fuites d'hydrogène (gaz inflammable) et d'air (afin de respecter la stoechiométrie). L'étanchéité est faite par le montage d'un joint souple ou rigide. Les plaques de pile à combustible sont généralement réalisées dans deux familles de matériaux : des composites à base de résines thermodurcissables fortement chargées en particule de carbone et les métaux métallique essentiellement de l'inox. La fabrication de ces plaques est industrielle. Le montage des piles avec ces plaques est cependant pénalisé par le grand nombre de plaques à manipuler. De plus, l'étanchéité et la distribution des gaz sont réalisées par des pièces auxiliaires qui nécessitent des développements longs et coûteux (définition, commande, contrôle, montage...). Ces multiples pièces auxiliaires peuvent générer par ailleurs des problèmes de qualité. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, l'ensemble selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le cadre comprend au moins une ligne de pliage prévue pour le pliage du cadre de façon à empiler au moins deux plaques de l'ensemble pour former au moins une partie d'une cellule de pile à combustible. L'invention permet ainsi de regrouper l'ensemble des fonctions auxiliaires et plusieurs plaques en une seule et même pièce. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'ensemble comprend deux plaques de pile à combustible, - l'ensemble comprend quatre plaques de pile à combustible, - le cadre comprend une première ligne de pliage prévue pour un premier pliage du cadre de façon à empiler deux paires plaques pour former deux empilements de cellules distincts, - le cadre comprend une seconde ligne de pliage prévue pour un second pliage du cadre de façon à empiler les deux paires de plaques déjà empilées pour former un unique empilement, - le cadre comprend au moins une rigole d'amenée d'un comburant ou d'un carburant vers chaque plaque, la ou les rigoles comportant une extrémité en communication avec une extrémité du au moins un canal de guidage d'une plaque, - le moins un canal de guidage de chaque plaque communique avec au moins une et de préférence avec deux rigoles formées dans le cadre, - le cadre comprend au moins un orifice collecteur pour amener un comburant ou un carburant ou pour évacuer un effluent, le ou les orifices communiquant avec au moins une extrémité du au moins un canal (3) de guidage d'une plaque, - la face réactive d'au moins une des plaques est entourée par une nervure d'étanchéité formée sur le cadre, ladite nervure étant prévue pour former un joint d'étanchéité entre deux plaques superposées lors d'un pliage, - les plaques sont formées d'un matériau conducteur de l'électricité et en ce que le cadre commun est réalisé en matériau isolant de l'électricité, - la ou les plaques et éventuellement le cadre comprennent, sur la face opposée à la face réactive, des nervures de refroidissement prévu pour la circulation d'un fluide de refroidissement tel que l'air. - les rigoles de deux plaques adjacentes sont disposées de façon symétrique relativement à une ligne de pliage de façon à coïncider bords à bords et former un canal étanche après pilage de l'ensemble, - la ou les nervures d'étanchéité formées sur le cadre autour des plaques s'étendent autour des rigoles adjacentes aux plaques, pour assurer une continuité d'étanchéité entre les plaques et les rigoles adjacentes, - les orifices sont disposés de façon symétrique relativement à une ligne de pliage de façon à coïncider et former un canal étanche après pilage de l'ensemble, - le cadre comprend au moins une paire de passages prévus pour le passage de tirants de serrage des plaques empilées, - les paires de passages sont disposés de façon symétrique relativement à une ligne de pliage de façon à coïncider et former, après pliage de l'ensemble, un 10 passage pour un même tirant, - les parties isolantes du cadre forment une isolation thermique des orifices collecteurs ainsi qu'une isolation électrique par rapport à des tirants disposés dans les passages ainsi que par rapport à un contact extérieur, - le cadre comporte une géométrie non symétrique, pour favoriser un sens 15 de pliage et empêcher un pliage incorrect ainsi qu'un empilement incorrect des plaques, - le cadre comporte un système mécanique d'encliquetage ou une zone prévue pour recevoir un maintien élastique pour maintenir en position stable l'ensemble pilé, 20 - le cadre comprend au moins un système de centrage mécanique tel qu'un plot mâle et/ou un logement femelle formé(s) sur le cadre de façon à coïncider lors d'un pliage et/ou lors de l'empilement des cellules obtenues par pliage d'un ou plusieurs ensembles, - le plot mâle et le logement femelle sont monoblocs avec le cadre et 25 assurent un centrage pour faire coïncider bord à bord les joints adjacents de l'empilement et d'éventuels passages des tirants en fin de montage, - le cadre comprend un ou plusieurs logements ouverts vers l'extérieur pour permettre un accès à l'intérieur de l'empilement en vue notamment d'une mesure de tension, une mesure de température au niveau de chaque cellule obtenue par 30 pliage, - un empilement une cellule de pile à combustible peut être obtenue par le simple pliage, selon une ligne de pliage, d'un tel ensemble comportant deux plaques, ou par le double pliage, selon deux lignes ligne de pliage distinctes, d'un ensemble comportant quatre plaques, 35 - un double empilement de cellules de pile à combustible peut être obtenu par le simple pliage, selon une ligne de pliage, d'un ensemble comportant quatre plaques, ou par le double pliage ou plus, d'un ensemble comportant plus de quatre plaques, - les plaques de pile sont formées d'un matériau métallique et/ou en résine chargée de particules de carbone et en ce que le cadre commun est réalisé en plastique tel qu'un élastomère ou polymère L'invention concerne également une ou des cellules de pile à combustible ou un ou des empilements de cellules de pile à combustible obtenus par un ou plusieurs pliages d'au moins un ensemble selon l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous, dans lequel un ensemble « membrane électrode » (« MEA » = « Membrane Electrode Assembly ») est interposé entre les faces réactives de deux plaques situées en vis-à-vis en position pliée. L'invention concerne également une pile à combustible comprenant un ou plusieurs empilements de cellules selon les caractéristiques ci-dessus ou ci-après. 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, d'un exemple d'ensemble de plaques de pile à combustible selon l'invention, - les figures 2 à 4 représentent respectivement des détails distincts agrandis de l'ensemble de la figure 1, - la figure 5 représente une vue en perspective, schématique et partielle, de l'ensemble de la figure 1 en cours de pliage. La figure 1 représente un ensemble regroupant, en une seule pièce, quatre plaques 1, 2, 11, 12 de pile à combustible solidaires d'un cadre 4. Par exemple, l'ensemble comprend deux plaques 1, 11 monopolaires anodiques (pour accueillir un carburant comprenant de l'hydrogène gazeux) et deux plaques 2, 12 monopolaires cathodiques (pour accueillir un comburant comprenant par exemple de l'air gazeux). Par soucis de simplification de la figure, les plaques 2, 12 cathodiques ne sont pas représentées. Les quatre plaques sont solidaires du cadre 4 qui est par exemple réalisé en polymère ou analogue. Le cadre 4 est par exemple surmoulé autour desdites plaques 1, 2, 11, 12. Les plaques anodiques 2, 12 et cathodiques 1, 11 sont réparties selon deux lignes et deux colonnes. Les plaques ont au moins une face réactive pourvue, par exemple, d'au moins un canal 3 ou d'un réseau de canaux pour le guidage du 35 comburant/carburant. Selon une particularité avantageuse, le cadre 4 comprend au moins une première ligne 5 de pliage prévue pour le pliage du cadre 4 de façon à empiler, deux à deux, une plaque anodique 2, 12 contre une plaque 1, 11 cathodique respective. C'est-à-dire que chaque face réactive d'une plaque anodique vient contre une face réactive d'une plaque cathodique avec interposition entre ces deux faces réactive d'un ensemble « membrane électrode » « MEA » respectif (c'est-à-dire une couche comprenant membrane échangeuse de proton). La ligne 5 de pliage peut être réalisée par exemple en prévoyant localement une portion flexible, par exemple via une réduction localisée de l'épaisseur du cadre 4 et/ou via des découpes localisées et/ou via une géométrie localisée permettant ce pliage. Les deux paires de plaques 1, 12 ; 2, 11 ainsi associées par pliage forment deux cellules de pile à combustible disposées en parallèle (et solidaires). Par exemple, une zone de souplesse 5 peut être interrompue localement 25 afin de permettre le deuxième pliage (cf. figure 3). Ces deux cellules en parallèle peuvent être empilées sur d'autres cellules en parallèles (par exemple obtenues de la même façon) pour former deux empilements (« Stacks ») de cellules en parallèle. En variante, ces deux cellules en parallèle peuvent être repliées à nouveau l'une sur l'autre selon une seconde ligne de pliage prévue à cet effet. La figure 5 illustre notamment un début de pliage selon une seconde ligne 15 perpendiculaire à la première ligne 5 de pliage de la figure 1. Par exemple, la seconde ligne 15 de pliage est perpendiculaire à la première ligne 5 de pliage et sécante avec cette dernière. De cette façon, via un second pliage, il est possible de former un seul empilement de deux cellules de pile à combustible. Cet empilement peut à son tour être empilé sur un autre empilement de cellules. Comme représenté, une partie ou chaque plaque peut être alimentée en fluide réactif (par exemple hydrogène ou air sous forme gazeuse selon que la plaque est anodique ou cathodique) via des orifices collecteur 7 internes formés dans le cadre 4. Afin de distribuer ou d'évacuer le gaz réactif, des rigoles 6 sont formées dans le cadre pour relier un orifice 7 à la zone réactive de la plaque correspondante. Ce chemin pour le gaz forme une continuité entre le cadre 4 et la plaque correspondante. De plus, la cadre 4 comporte de préférence un joint 8 qui fait le tour de chaque plaque 1, 11, 2, 12. De préférence, le joint 8 s'étend également en continu autour de la ou des rigoles reliées à ladite plaque. De cette façon, chaque joint 8 forme un pourtour autour de chaque plaque qui a pour fonction de faire barrière étanche aux fuites de gaz (air ou hydrogène ou effluents). Un joint 18 d'étanchéité du même type peut être prévu également sur le pourtour des orifices collecteurs 7. De cette façon, le cadre 4 peut regrouper les fonctions de distribution des gaz et d'étanchéité. La face opposée à la face réactive est par exemple dédiée au refroidissement. Par exemple, les plaques 1, 2, 11, 12 et le cadre 4 peuvent comprendre, sur la face opposée à la face réactive, des nervures 10 de refroidissement prévues pour le guidage de la circulation d'un fluide de refroidissement tel que l'air (cf. figure 4). Ces nervures 10 ont de préférence une continuité entre la partie le cadre et la plaque. Dans l'axe des canaux ainsi formés, la partie isolante du cadre 4 possède la dimension la plus faible possible afin de ne pas pénaliser l'évacuation de la chaleur. C'est-à-dire que la surface isolante du cadre est diminuée au profit de la surface conductrice de la chaleur de la plaque. Du côté de cette face dite de refroidissement, les orifices 7 collecteurs peuvent comporter également un joint d'étanchéité sur leur périphérie ou un logement 18 destiné à recevoir le joint de la plaque qui vient en contact lors de l'empilement (cf. figure 4). Une géométrie d'étanchéité mâle/femelle peut être réalisée aux extrémités des orifices 7 collecteur, l'essentiel et de garantir l'étanchéité de la cellule et l'étanchéité entre des cellules adjacentes empilées. Les joints peuvent être surmoulés sur le cadre 4 ou peut être moulés d'une pièce avec ce dernier. De même, le cadre 4 peut être surmoulé sur les plaques 1, 2, 11, 12. L'adhésion du cadre 4 sur la partie composite ou métallique des plaques assure l'étanchéité de l'ensemble. Comme représenté, le cadre 4 peut comporter également des passages (perçages) prévus pour le passage des tirants ou équivalents nécessaires à la mise en compression de l'empilement de cellules. Cette configuration permet un isolement électrique des tirants par rapport aux parties conductrices des plaques notamment. Le cadre 4 permet ainsi une bonne isolation de l'empilement de cellules par rapport à l'extérieur, minimisant les risques d'électrocution d'un opérateur par exemple. Des plots de positionnement de l'ensemble membrane électrode peuvent être prévus sur le cadre 4. Le cadre 4 peut comporter également des plots de positionnement des cellules entre elles, une fois celles-ci pliées et fermées. Le cadre 4 peut comporter également un système de fermeture de la cellule, pour maintenir celle-ci pliée sur elle-même après positionnement de l'ensemble membrane. La partie active de la plaque 1, 2, 11, 12 peut être faite indifféremment en composite et/ou en métal et/ou alliage. Cette zone active peut notamment être moulée par compression ou par injection ou peut être estampée. La fabrication peut comporter l'une au moins des étapes décrites ci-après. Les plaques 1, 2, 11, 12 (par exemple quatre : deux pour l'air et deux pour hydrogène) sont positionnées dans un moule d'injection plastique. Après fermeture 10 du moule, un cadre est surmoulé autour des plaques. Ce procédé permet d'obtenir deux cellules ou plus en deux opérations (une première opération de prémoulage/estampage des plaques conductrice et une seconde opération de surmoulage du cadre assurant les fonctions accessoires). Outre le gain obtenu par la multiplication des fonctions sur un même 15 ensemble, le temps de montage et la qualité du positionnement des cellules sont également améliorés. L'ensemble permet également de conserver une souplesse dans l'architecture de pile que l'on souhaite obtenir (un ou plusieurs empilements). Un autre procédé de fabrication, plus adapté aux petites séries, peut consister à réaliser les deux parties (plaques et cadre) séparément et faire un 20 assemblage mécanique des plaques dans le cadre. REVENDICATIONS1. Ensemble de plusieurs plaques (1, 2, 11, 12) de pile à combustible, les plaques (1, 2, 11, 12) comprenant au mois une face réactive pourvu d'au moins un canal (3) de guidage prévu pour la circulation d'un comburant comprenant de l'oxygène ou la circulation d'un carburant comprenant de l'hydrogène, lesdites plaques (1, 2, 11, 12) de l'ensemble étant solidaire d'un cadre (4) commun, caractérisé en ce que le cadre (4) comprend au moins une ligne (5) de pliage prévue pour le pliage du cadre (4) de façon à empiler au moins deux plaques (1, 2 ; 11, 12) de l'ensemble pour former au moins une partie d'une cellule de pile à combustible. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux plaques (1, 2) de pile à combustible. 3. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend quatre plaques (1, 2) de pile à combustible. 4. Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que le cadre (4) comprend une première ligne (5) de pliage prévue pour un premier pliage du cadre (4) de façon à empiler deux paires plaques (1, 2 ; 11, 12) pour former deux empilements de cellules distincts. 5. Ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce que le cadre (4) comprend une seconde ligne (15) de pliage prévue pour un second pliage du cadre (4) de façon à empiler les deux paires de plaques (1, 2 ; 11, 12) déjà empilées pour former un unique empilement. 6. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le cadre (4) comprend au moins une rigole (6) d'amenée d'un comburant ou d'un carburant vers chaque plaque (1), la ou les rigoles (6) comportant une extrémité en communication avec une extrémité du au moins un canal (3) de guidage d'une plaque. 7. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le moins un canal (3) de guidage de chaque plaque (1, 2, 11, 12) communique avec au moins une et de préférence avec deux rigoles (6) formées dans le cadre (4). 8. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le cadre (4) comprend au moins un orifice (7) collecteur pour amener un comburant ou un carburant ou pour évacuer un effluent, le ou les orifice (7) communiquant avec au moins une extrémité du au moins un canal (3) de guidage d'une plaque. 9. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la face réactive d'au moins une des plaques (1, 2, 11, 12) est entourée par une nervure d'étanchéité (8) formée sur le cadre (4), ladite nervure étant prévue pour former un joint d'étanchéité entre deux plaques (1, 2 ; 11, 12) superposées lors d'un pliage. 10. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les plaques (1, 2, 11, 12) sont formées d'un matériau conducteur de l'électricité et en ce que le cadre (4) commun est réalisé en matériau isolant de l'électricité. 11. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la ou les plaques (1, 2, 11, 12) et éventuellement le cadre (4) comprennent, sur la face opposée à la face réactive, des nervures (10) de refroidissement prévue pour la circulation d'un fluide de refroidissement tel que l'air. 12. Cellule ou empilement de cellules de pile à combustible obtenus par un ou plusieurs pliages d'au moins un ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel un ensemble « membrane électrode » (« MEA » = « Membrane Electrode Assembly ») est interposé entre les faces réactives de deux plaques (1, 2 ; 11, 12) situées en vis-à-vis en position pliée. 13. Pile à combustible comprenant un ou plusieurs empilements de cellules selon la revendication 12.