Brevet FR2961957A1 — publié le 20111230

La présente invention concerne les piles à combustible. L'invention concerne plus particulièrement une pile à combustible, notamment du type à membrane échangeuse de protons (« PEMFC »), comprenant un empilement de cellules élémentaires, l'empilement étant pris en sandwich entre deux plaques de serrage pour appliquer une pression de serrage déterminée sur l'empilement, au moins une extrémité de l'empilement comprenant une plaque collectrice de courant conductrice de l'électricité reliée électriquement aux cellules de l'empilement pour collecter la somme des courants électriques produits par les cellules, la pile comprenant au moins un bossage disposé entre une plaque de serrage et une extrémité de l'empilement pour augmenter localement la pression sur une surface déterminée de la section de l'empilement. Une technologie privilégiée aujourd'hui pour la fabrication des piles à combustible utilise des cellules de pile de forme carrée ou rectangulaire. Ainsi, les plaques et les membranes échangeuses de protons sont de forme générale carrée ou rectangulaire. Cette forme carrée ou rectangulaire permet notamment d'optimiser le coûteux matériau qui constitue la membrane de l'assemblage Membrane Electrodes (« AME » ou « MEA » en anglais). En effet, cette géométrie permet de minimiser les chutes de matière lors de son découpage. Lors de la réalisation de plaques de pile de « grande taille » (c'est-à-dire des plaques ayant une surface supérieure à quelques cm2), il peut se poser le problème de l'homogénéité de la compression des cellules formant l'empilement à l'échelle de la surface active de la membrane. En effet, bien souvent, la tenue mécanique d'une pile est assurée au moyen de plaques terminales rigides dites « de serrage » disposées de part et d'autre d'un empilement de cellule. Ces plaques de serrage sont généralement reliées entre elles par des tirants pour assurer un effort de compression déterminé de l'empilement de cellules. L'effort de serrage induit généralement une courbure de déformation des plaques terminales et donc une compression hétérogène des cellules de l'empilement. Ainsi, le centre de la cellule est souvent moins bien comprimé que la périphérie des cellules. Cette hétérogénéité dans le serrage des cellules peut également être causée par la structure périphérique des AME. En effet, les AME comportent généralement une surépaisseur périphérique et/ou une rigidité supérieure à la périphérie liée à la présence d'un renfort polymère périphérique (dénommé également « subgasket » ou « rim » en anglais). D'autres facteurs peuvent contribuer à modifier encore la répartition de l'effort sur les coeurs de pile, par exemple : - la planéité et le parallélisme des faces des différents éléments de l'empilement, - la présence d'éléments dissymétriques au niveau des cellules (par exemple des collecteurs de fluide...). Une telle hétérogénéité de compression de l'empilement de cellules est défavorable non seulement à la performance des piles, mais aussi leur durée de vie. En effet, une zone insuffisamment comprimée présente une résistance de contact électrique augmentée par rapport à une zone plus comprimée. Une zone insuffisamment comprimée a donc un fonctionnement dégradé par des pertes ohmiques supérieures. Inversement, une zone de cellule qui serait relativement trop comprimée subit une dégradation mécanique accélérée. De plus, l'accès des gaz aux sites réactifs de la cellule est également dégradé. Ainsi, un serrage relativement homogène sur la surface active des cellules est généralement un objectif recherché. De nombreuses solutions très variées existent pour corriger l'hétérogénéité de l'effort de compression des cellules d'un empilement. Ces solutions connues génèrent généralement une difficulté de mise en oeuvre et un surcoût non négligeable par l'emploi de matériaux rigides (acier usiné...). De plus, ces solutions peuvent augmenter l'encombrement de la pile. Le document WO2005/04/5982 décrit notamment un empilement de cellules dont les extrémités possèdent un système de compression sélective d'une zone déterminée des cellules. Dans un mode de réalisation, le système de compression sélective comprend deux paires de plaques de serrage, la face interne de la plaque de serrage externe comprenant une saillie venant appuyer sur la face extérieure de la plaque de serrage de la seconde paire. Dans un autre mode de réalisation, chaque extrémité de l'empilement comporte en série dans cet ordre (de l'extérieur vers l'intérieur de l'empilement) : une plaque de serrage extérieure, un joint, une plaque collectrice de courant et une seconde plaque de serrage. Le système de compression sélective comprend une vis qui est vissée au travers de la plaque de serrage extérieure et au travers du joint. L'extrémité de la vis vient appuyer contre la plaque collectrice de courant. La vis assure également la fonction de collecte du courant de la plaque collectrice au travers de la plaque de serrage qui est isolante. Cet agencement connu permet renforcer sélectivement la pression de serrage au centre des surfaces actives des cellules. Cependant, sa structure nécessite deux paires de plaques de serrage. De plus, pour obtenir un serrage efficace, les plaques de serrage externes doivent être relativement rigides pour compenser la flèche des plaques internes de serrage. Ceci augmente les coûts de l'agencement. De plus, l'utilisation d'une vis assurant une fonction collectrice de courant complique l'agencement de l'ensemble. Enfin, la stabilité de la position angulaire de la vis et l'influence de la pression de la vis au cours de cycles thermiques peuvent être difficiles à déterminer. 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 pile à combustible selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce que le au moins un bossage est en matériau isolant de l'électricité et est situé entre une plaque de serrage et une plaque collectrice de courant, le au moins un bossage étant en contact direct avec la plaque collectrice de courant. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le au moins un bossage est formé par une excroissance d'une plaque de répartition d'effort en matériau isolant de l'électricité disposée entre une plaque de serrage et une plaque collectrice de courant, - la plaque de répartition d'effort est constituée de l'un au moins des matériaux suivants : un plastique, un polymère, un composite, une céramique, un métal, un alliage, - la plaque de répartition d'effort est solidaire d'une plaque de serrage, - la plaque de répartition d'effort est surmoulée sur une plaque de serrage, - la plaque de répartition d'effort est constituée par la plaque de serrage, - le au moins un bossage a une forme générale parallélépipédique ou cylindrique, - le au moins un bossage est solidaire d'une plaque de serrage, - la plaque comprend à chacune des deux extrémités de l'empilement au moins un bossage, le ou les bossages de chaque extrémité étant en matériau isolant de l'électricité et étant disposé entre une plaque de serrage et une plaque collectrice de courant, - chaque plaque de serrage est en matériau isolant électrique lesdites plaques de serrage étant réalisées par surmoulage de matière sur les plaques collectrices de courant, - au moins une des plaques de serrage comporte au moins un bossage, - le au moins un bossage est disposé dans une zone correspondant à la partie des cellules de l'empilement où, en fonction de la technique de serrage de la pile, la compression est relativement moindre, pour augmenter relativement la compression au niveau de ladite partie concernée desdites cellules de l'empilement (par exemple au niveau de la partie centrale des cellules), - les plaques de serrage sont composées de l'un au moins des matériaux parmi : du métal, de la céramique, un matériau composite, du plastique, - l'empilement comprend au moins une cellule comprenant une plaque monopolaire ou une plaque bipolaire pourvue d'au moins une surépaisseur localisée formant au moins un bossage destiné à augmenter localement la pression de serrage sur une surface déterminée de l'empilement. 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 de côté, schématique et partielle, illustrant une pile à combustible en configuration éclatée selon un exemple de réalisation de l'invention, - la figure 2 représente une vue agrandie d'un détail de la figure 1 illustrant l'agencement d'une extrémité de pile en position assemblée. En se référant à l'exemple de la figure 1, la pile à combustible, par exemple du type à membrane échangeuse de protons (« PEMFC »), comprend classiquement un empilement 1 de cellules 2 élémentaires. Par soucis de simplification, seule une cellule 2 est symbolisée schématiquement par des pointillés. Classiquement, chaque cellule peut comprendre un Assemblage Membrane Electrodes (AME) comprenant une membrane échangeuse de protons. L'AME 20 est pris en sandwich entre deux plaques 200 de pile à combustible (plaques bipolaires ou plaques monopolaires), cf. figure 2. Les deux extrémités de l'empilement 1 de cellules 2 sont prises en sandwich entre : - une paire de plaques 4 collectrices de courant, - une paire de plaques 15 de répartition d'effort décrites ci-après, et - une paire de plaque 3 de serrage. Les plaques 4 collectrices de courant sont situées aux extrémités de l'empilement 1, les plaques 15 de répartition d'effort étant disposées entre les plaques 4 collectrices de courant et les plaques 3 de serrage respectives. Classiquement, les plaques 4 collectrices de courant sont conductrices de l'électricité et sont reliées électriquement aux cellules 2 de l'empilement 1 pour collecter le courant électrique produit par l'empilement 1. Les deux plaques 3 de serrage encadrent l'ensemble et appliquent une pression de serrage déterminée sur l'ensemble. Par exemple, un système de tirants prévu à la périphérie des plaques 3 permet de comprimer l'ensemble selon la direction longitudinale de l'empilement 1. Par souci de simplification le système de serrage des plaques 3 est symbolisé schématiquement par des lignes pointillées parallèles à l'axe longitudinal de l'empilement 1. Les plaques 15 de répartition d'effort comportent, sur leur face interne (c'est-à-dire sur leur face tournée vers l'empilement 1), au moins un bossage 5 faisant saillie pour induire localement un effort de compression accru. Le bossage 5 est en matériau isolant de l'électricité et vient en contact direct avec la plaque 4 collectrice de courant (cf. figure 2). De préférence, le bossage 5 forme une surépaisseur solidaire de la plaque 15 de répartition d'effort. Avantageusement, la plaque 15 de répartition d'effort est en plastique et le bossage 5 est monobloc avec cette plaque 15. Selon la répartition d'effort à réaliser, un ou plusieurs bossages 5 peuvent être prévus. Le ou les bossages 5 ont une géométrie appropriée et un emplacement choisi en fonction de la répartition d'effort de compression nécessaire. La plaque 15 de répartition d'effort et le bossage 5 peuvent être constitués de polymère souple ou rigide. L'usage d'un matériau souple est préférable car il permet de limiter les contraintes dimensionnelles. De plus, au moins une isolation électrique doit de préférence être réalisée par rapport à la plaque collectrice de courant. Dans une variante de réalisation possible, le ou les bossages 5 ou la plaque 15 de répartition d'effort peuvent être rendus solidaires de la plaque 3 de serrage correspondante. Par exemple, les bossages 5 ou les plaques 15 de répartition d'effort peuvent être surmoulées sur les plaques 3 de serrage respectives. Ainsi, les fonctions de la plaque 3 de serrage et de la plaque 15 de répartition d'effort peuvent être assurées par une unique plaque de serrage en matériau isolant de l'électricité et comprenant, sur sa surface interne, un ou plusieurs bossages adaptés. Par exemple les bossages 5 et la plaque de serrage correspondante peuvent être constitués de céramique ou d'un matériau composite. La plaque considérée peut le cas échéant également assurer des passages de fluides (via des collecteurs internes). Ainsi, l'agencement selon l'invention est facile à mettre en forme et permet de reporter et de localiser un l'effort de serrage de façon peu coûteuse. L'invention permet également de conserver les plaques de serrage existantes. L'invention peut le cas échéant s'appliquer à d'autres assemblages par empilement tels que des plaques terminales de piles à combustible de type PEFC, PAFC..., pour tout type de réactif (oxydants tels que l'air ou l'oxygène ; réducteurs tels que l'hydrogène ou d'autres combustibles...). REVENDICATIONS1. Pile à combustible, notamment du type à membrane échangeuse de protons (« PEMFC »), comprenant un empilement (1) de cellules (2) élémentaires, l'empilement (1) étant pris en sandwich entre deux plaques (3) de serrage pour appliquer une pression de serrage déterminée sur l'empilement (1), au moins une extrémité de l'empilement (1) comprenant une plaque (4) collectrice de courant conductrice de l'électricité reliée électriquement aux cellules (2) de l'empilement (1) pour collecter la somme des courants électriques produits par les cellules (2), la pile comprenant au moins un bossage (5) disposé entre une plaque (3) de serrage et une extrémité de l'empilement (1) pour augmenter localement la pression sur une surface déterminée de la section de l'empilement (1), caractérisée en ce que le au moins un bossage (5) est en matériau isolant de l'électricité et est situé entre une plaque (3) de serrage et une plaque (4) collectrice de courant, le au moins un bossage (5) étant en contact direct avec la plaque (4) collectrice de courant. 2. Pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que le au moins un bossage (5) est formé par une excroissance d'une plaque (15) de répartition d'effort en matériau isolant de l'électricité disposée entre une plaque (3) de serrage et une plaque (4) collectrice de courant. 3. Pile à combustible selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la plaque (15) de répartition d'effort est constituée de l'un au moins des matériaux suivants : un plastique, un polymère, un composite, une céramique, un métal, un alliage. 4. Pile à combustible selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que la plaque (15) de répartition d'effort est solidaire d'une plaque (3) de serrage. 5. Pile à combustible selon la revendication 4, caractérisée en ce que la plaque (15) de répartition d'effort est surmoulée sur une plaque (3) de serrage. 6. Pile à combustible selon la revendication 4, caractérisée en ce que la plaque (15) de répartition d'effort est constituée par la plaque (3) de serrage. 7. Pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le au moins un bossage (5) a une forme générale parallélépipédique ou cylindrique. 8. Pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le au moins un bossage (5) est solidaire d'une plaque (3) de serrage. 9. Pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend à chacune des deux extrémités de l'empilement (1) au moins un bossage (5), le ou les bossages (5) de chaque extrémité étant en matériau isolant de l'électricité et étant disposé entre une plaque (3) de serrage et une plaque (4) collectrice de courant. 10. Pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que chaque plaque (3) de serrage est en matériau isolant électrique lesdites plaques (3) de serrage étant réalisées par surmoulage de matière sur les plaques (4) collectrices de courant. 11. Pile à combustible selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'au moins une des plaques (3) de serrage comporte au moins un bossage (5).