Brevet FR2973951A1 — publié le 20121012

La présente invention concerne un empilement de cellules élémentaires de pile à combustible ainsi qu'une pile à combustible. L'invention concerne plus particulièrement un empilement de cellules élémentaires de pile à combustible, chaque cellule comprenant deux plaques de pile prenant en sandwich un Assemblage Membrane Electrodes, un échangeurde refroidissement étant disposé entre au moins les deux plaques adjacentes appartenant à deux cellules adjacentes, le au moins un échangeur définissant une pluralité de canaux de guidage pour un fluide caloporteur de refroidissement des cellules. Un empilement (« Stack ») de cellules électrochimiques élémentaires de pile à combustible constitue le coeur d'une pile à combustible. Chaque cellule est constituée de deux plaques polaires ou bipolaires, un Assemblage Membrane Electrode pris en sandwiche entre les plaques, des joints périphériques de plaque pour l'étanchéité des fluides et un système permettant l'arrivée et la sortie des fluides dans la cellule. Afin d'optimiser les performances électriques des cellules et la durée de vie des Assemblages Membranes Electrodes, il est nécessaire de réguler la température de chaque cellule. Cette régulation thermique peut être réalisée par exemple via un liquide 20 caloporteur ou en ventilant de l'air. Dans ce cas par exemple d'un refroidissement par air, il peut être nécessaire d'intercaler un échangeur de chaleur entre deux cellules adjacentes. Un tel échangeur de chaleur peut être soumis à plusieurs contraintes ci-dessous : - un coût doit être le plus faible, 25 - une géométrie relativement simple, - un assemblage aisé dans l'empilement, - une bonne efficacité dans la régulation de la température de la cellule, - l'échangeur doit permettre une compression uniforme des Assemblages Membranes Electrodes à l'intérieur des cellules, 30 - l'échangeur doit être léger et assurer un bon contact électrique avec les plaques (faible résistance électrique de contact). Le développement d'un refroidisseur s'avère donc complexe puisque devant répondre à divers exigences souvent contradictoires. Une solution connue pour ce type d'échangeur utilise un échangeur 35 constitué de deux plaques embouties puis brasées entre elles. Cette solution n'est cependant pas suffisamment satisfaisante au regard des contraintes ci-dessus. 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'empilement selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le au moins un échangeur est constitué d'une unique plaque métallique ou en alliage métallique pliée selon une pluralité de lignes parallèles successives pour former, en section selon un plan perpendiculaire au plan de la plaque et perpendiculaire aux lignes de pliage, une ligne ondulée en forme de créneaux successifs, lesdits créneaux successifs formant une surface d'appui dite supérieure et une surface d'appui dite inférieure, les surfaces d'appui supérieure et inférieure formant des surfaces de contact et d'appui pour, respectivement, les deux plaques de pile situées de chaque côté de l'échangeur. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - les créneaux successifs délimitent des canaux longitudinaux pour le guidage d'un fluide caloporteur de refroidissement, - la plaque formant l'échangeur est pliée à angle droit au niveau des lignes de pliage de sorte que les créneaux successifs sont rectangulaires ou carrés, - la plaque formant l'échangeur est pliée de façon ondulée sur toute sa longueur située en vis-à-vis d'une plaque de pile, - la plaque formant l'échangeur a une épaisseur comprise entre 0,05mm et 20 0,3mm, - la plaque formant l'échangeur est constituée de l'un au moins des matériaux parmi : acier inoxydable, aluminium, cuivre pouvant ou non avoir subi un traitement de surface au préalable, - la plaque pliée formant l'échangeur est flexible, 25 - la plaque formant l'échangeur est maintenue en position entre deux plaques de pile adjacentes via au moins un ergot formé sur une bordure d'au moins une des plaques de pile, - chaque plaque de pile comprend, sur deux de ses bordures opposées de sa périphérie, au moins un ergot de maintien, chaque ergot est formé par une patte 30 venue de matière avec la plaque de pile et orientée perpendiculairement par rapport au plan de la plaque de pile, les ergots situés de part et d'autre d'une même plaque de pile formant un système de maintien par encliquetage élastique d'un échangeur disposé entre les ergots. L'invention concerne également une pile à combustible, notamment à 35 membrane échangeuse de protons, comprend un empilement selon l'une quelconque des 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 d'un échangeur de chaleur pour cellule de pile à combustible selon un exemple possible de réalisation de l'invention, - la figure 2 représente une vue de côté et partielle illustrant l'agencement de l'échangeur de la figure 1 entre deux plaques de pile de deux cellules adjacentes d'une pile à combustible, - la figure 3 représente une vue en coupe, schématique et partielle, d'un empilement de cellules de piles à combustible selon l'invention. La figure 1 représente un échangeur 5 de chaleur destiné à être interposé entre deux cellules de pile combustible. L'échangeur 5 est constitué d'une unique plaque métallique ou en alliage métallique pliée selon une pluralité de lignes parallèles successives. La plaque pliée forme ainsi une plaque ondulée. Plus précisément, en section selon un plan perpendiculaire au plan de la plaque et perpendiculaire aux lignes de pliage, la plaque forme une ligne ondulée en forme de créneaux successifs. Les créneaux successifs définissent des canaux longitudinaux pour le guidage pour le fluide caloporteur de refroidissement (de l'air notamment). Les sommets des créneaux successifs forment une surface d'appui 15 plane dite supérieure. Les bases des créneaux successifs forment une surface d'appui 25 plane dite inférieure. Ces surfaces d'appui supérieure 15 et inférieure 25 forment des surfaces de contact et d'appui pour, respectivement, les deux plaques 2, 3 de pile destinées à être disposées de chaque côté de l'échangeur 5. La plaque ondulée formant l'échangeur 5 a par exemple une forme générale rectangulaire dont les dimensions correspondent sensiblement aux dimensions des plaques de pile rectangulaires avec lesquelles elle s'associe. De préférence, l'échangeur 5 est ondulé sur toute sa longueur située en vis-à-vis d'une plaque 2, 3 de pile. Bien entendu d'autres variantes de forme peuvent être envisagées. Par exemple, les ondulations peuvent avoir la forme d'onde droite, d'une onde décalée ou une onde en cheverons (« herring bones »). La plaque formant l'échangeur 5 a par exemple une épaisseur comprise entre 0,05mm et 0,3mm. L'échangeur peut avoir une épaisseur totale comprise entre 3,5mm et 6,5mm. De même, la plaque formant l'échangeur 5 peut être constituée de préférence de l'un au moins des matériaux parmi : acier inoxydable, aluminium, cuivre pouvant ou non avoir subi un traitement de surface au préalable. La plaque pliée formant l'échangeur 5 est de préférence flexible. Comme à la figure 3, l'échangeur est disposé entre chaque paire de cellules à refroidir. Un échangeur peut également être disposé à chaque extrémité de l'empilement, entre une plaque de la dernière cellule et une plaque de serrage. Chaque cellule 1 comprend deux plaques 2, 3 prenant en sandwich un Assemblage Membrane Electrodes 4. Un échangeur 5 est placé (avec contact) entre deux plaques 2, 3 adjacentes appartenant respectivement aux deux cellules 1 adjacentes. L'échangeur 5 peut être maintenu en position entre deux plaques 2, 3 de pile adjacentes par calage et/ou via un emboîtement. Par exemple, comme représenté à la figure 2, les deux bordures longitudinales opposées de chaque plaque 2, 3 de pile peut comporter un ou de préférence au moins deux ergots 6 de maintien de l'échangeur 5. Chaque ergot 6 est exemple constitué par une patte venue de matière avec la plaque 2, 3 de pile (métallique ou en alliage métallique). Chaque ergot 6 est par exemple orienté perpendiculairement par rapport au plan de la plaque 2, 3 de pile, vers l'extérieur de la cellule. Les ergots 6 forment ainsi un système de maintien par encliquetage élastique d'un échangeur 5. Par exemple les ergots 6 sont prévus pour assurer l'accrochage et le positionnement sélectif de chaque échangeur 5 à une plaque, par exemple 20 cathodique. Ce système d'attache permet un positionnement précis de l'échangeur 5 et, une fois mise en place sur la plaque de pile, l'échangeur 5 ne bouge plus. Les opérations de maintenance sur les cellules 1 et les empilements de cellules sont alors facilitées. 25 L'agencement selon l'invention propose une géométrie simple et peu coûteuse d'échangeur de chaleur présente cependant de bonnes performances thermiques et mécaniques. En particulier, l'échangeur permet une répartition uniforme et adéquate de la force de serrage de l'empilement. REVENDICATIONS1. Empilement de cellules (1) élémentaires de pile à combustible, chaque cellule (1) comprenant deux plaques (2, 3) de pile prenant en sandwich un Assemblage Membrane Electrodes (4), un échangeur (5) de refroidissement étant disposé entre au moins les deux plaques (2, 3) adjacentes appartenant à deux cellules (1) adjacentes, le au moins un échangeur (5) définissant une pluralité de canaux de guidage pour un fluide caloporteur de refroidissement des cellules (1), caractérisé en ce que le au moins un échangeur (5) est constitué d'une unique plaque métallique ou en alliage métallique pliée selon une pluralité de lignes parallèles successives pour former, en section selon un plan perpendiculaire au plan de la plaque et perpendiculaire aux lignes de pliage, une ligne ondulée en forme de créneaux successifs, lesdits créneaux successifs formant une surface d'appui (15) dite supérieure et une surface d'appui (25) dite inférieure, les surfaces d'appui supérieure (15) et inférieure (25) formant des surfaces de contact et d'appui pour, respectivement, les deux plaques (2, 3) de pile situées de chaque côté de l'échangeur (5). 2. Empilement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les créneaux successifs délimitent des canaux longitudinaux pour le guidage d'un fluide caloporteur de refroidissement. 3. Empilement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la plaque formant l'échangeur (5) est pliée à angle droit au niveau des lignes de pliage de sorte que les créneaux successifs sont rectangulaires ou carrés. 4. Empilement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la plaque formant l'échangeur (5) est pliée de façon ondulée sur toute sa longueur située en vis-à-vis d'une plaque (2, 3) de pile. 5. Empilement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la plaque formant l'échangeur (5) a une épaisseur comprise entre 0,05mm et 0,3mm. 6. Empilement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la plaque formant l'échangeur (5) est constituée de l'un au moins des matériaux parmi : acier inoxydable, aluminium, cuivre pouvant ou non avoir subi un traitement de surface au préalable. 7. Empilement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la plaque pliée formant l'échangeur (5) est flexible. 8. Empilement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la plaque formant l'échangeur (5) est maintenue enposition entre deux plaques (2, 3) de pile adjacentes via au moins un ergot (6) formé sur une bordure d'au moins une des plaques (2, 3) de pile. 9. Empilement selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que chaque plaque (2, 3) de pile comprend, sur deux de ses bordures opposées de sa périphérie, au moins un ergot (6) de maintien, chaque ergot (6) est formé par une patte venue de matière avec la plaque (2, 3) de pile et orientée perpendiculairement par rapport au plan de la plaque (2, 3) de pile, les ergots (6) situés de part et d'autre d'une même plaque (2, 3) de pile formant un système de maintien par encliquetage élastique d'un échangeur (5) disposé entre les ergots (6). 10. Pile à combustible, notamment à membrane échangeuse de protons, caractérisée en ce qu'elle comprend un empilement selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.