Brevet FR2976732A1 — publié le 20121221

PLAQUE CONDUCTRICE BIPOLAIRE D'UNE PILE A COMBUSTIBLE, COMPORTANT DES SURFACES CONDUCTRICES La présente invention concerne une plaque conductrice bipolaire pour une pile à combustible, elle concerne aussi une pile à combustible comprenant ce type de plaque, ainsi qu'un véhicule automobile équipé de cette pile à combustible. Les piles à combustible sont développées aujourd'hui en particulier pour équiper des véhicules en remplacement des moteurs thermiques, afin d'améliorer le rendement énergétique et de réduire les émissions de gaz polluants. Un type de pile à combustible connu comporte un empilement de cellules élémentaires comprenant deux électrodes séparées par un électrolyte polymère, reliées entre elles par des plaques conductrices bipolaires collectant le courant électrique. Ces plaques bipolaires comportent des conduits internes apportant aux électrodes les produits nécessaires à la réaction, notamment de l'hydrogène, et de l'oxygène qui peut être pris dans l'air ambiant. Les plaques bipolaires comportent aussi des canaux de circulation d'un fluide caloporteur. Les plaques bipolaires peuvent être fabriquées suivant différentes technologies, notamment par emboutissage d'une tôle, ou par usinage ou moulage d'un matériau composite ou de graphite. Les réactions électrochimiques qui se réalisent au contact des électrodes, génèrent un courant électrique et produisent de l'eau, tout en dégageant une énergie calorifique qui échauffe les différents composants. Pour fonctionner correctement, les piles à combustible doivent se trouver à une certaine température comprise suivant le type entre 60 et 800°C. La chaleur dégagée par le démarrage des réactions quand la pile est froide, sert d'abord à échauffer les cellules pour les amener à la température de fonctionnement souhaitée. Un problème qui se pose pour ce type de pile à combustible, est que l'oxygène contenu dans le gaz qui entre dans une plaque bipolaire, est consommé par la cellule jointe au cours de son avancement dans le réseau de canaux de cette plaque, et la pression partielle d'oxygène diminue. Suivant la disposition de l'entrée et de la sortie du circuit de gaz, et du réseau de canaux reliant ces entrée et sortie, on obtient une pression partielle d'oxygène variable sur la surface de la cellule, et donc une densité du courant électrique produit qui est aussi variable. On constate alors que l'échauffement des cellules qui dépend de la densité de courant électrique en chaque point, n'est pas homogène sur la surface de ces cellules, ce qui provoque un gradient de température et des contraintes sur les cellules qui réduisent les performances ainsi que la durée de vie des piles à combustible. Pour remédier à ce problème, un type de plaque bipolaire connu, présenté notamment par le document EP-A1-1970985, comporte des aménagements particuliers du réseau d'écoulement des fluides, de manière à homogénéiser la répartition des gaz utilisés pour la réaction, ainsi que la densité du courant produit sur les cellules. Un problème qui se pose avec ce type de plaque bipolaire, est qu'un tel réseau particulier d'écoulement des fluides n'est pas facilement réalisable, notamment pour des plaques bipolaires qui ne sont pas prévues à l'origine pour cela. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure, en proposant des plaques bipolaires qui permettent d'obtenir de manière simple et économique une meilleure répartition de température. Elle propose à cet effet une plaque conductrice bipolaire prévue pour être intercalée entre des cellules d'une pile à combustible, comportant des surfaces conductrices en contact avec une cellule pour collecter le courant électrique produit par cette cellule, et des réseaux de canaux de circulation de fluides nécessaires pour la réaction produisant l'électricité, caractérisée en ce que la valeur de la conductivité entre la plaque bipolaire et la cellule, est ajustée localement de manière variable. Un avantage de la plaque conductrice bipolaire selon l'invention est qu'en ajustant localement de manière simple la conductivité, pour établir une conductivité plus faible ou plus forte dans les cas où la pression partielle d'oxygène en ce point de la cellule est respectivement plus forte ou plus faible, on peut réguler la densité réelle de courant afin d'homogénéiser la température des cellules. La plaque conductrice bipolaire selon l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Selon un mode de réalisation, la valeur de la conductivité entre la plaque conductrice bipolaire et la cellule, est ajustée localement en modifiant la matière de cette plaque. Selon un autre mode de réalisation, la valeur de la conductivité entre la plaque conductrice bipolaire et la cellule, est ajustée localement en modifiant les dimensions des surfaces conductrices. Selon un autre mode de réalisation, la valeur de la conductivité entre la plaque conductrice bipolaire et la cellule, est ajustée localement en modifiant le revêtement de la plaque. En particulier, la conductivité peut être ajustée en modifiant la composition ou l'épaisseur du revêtement de cette plaque. Avantageusement, la plaque conductrice bipolaire comporte une tôle emboutie comprenant des creux constituant un réseau de canaux, délimités par les surfaces conductrices. Avantageusement, la valeur de la conductivité entre la plaque bipolaire et la cellule, est augmentée localement en fonction de la baisse de la pression partielle d'oxygène alimentant à cet endroit la cellule. En particulier, un gradient de conductivité peut être établi sur cette plaque, pour l'augmenter de manière progressive en s'éloignant de l'entrée de fluide fournissant l'oxygène à cette plaque. L'invention a aussi pour objet une pile à combustible disposant de plaques conductrices bipolaires intercalées entre des cellules, qui comportent l'une quelconque des caractéristiques précédentes. L'invention a de plus pour objet un véhicule électrique comprenant une pile à combustible de ce type, délivrant un courant électrique utilisé pour la traction. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'une cellule encadrée par deux plaques bipolaires selon l'invention ; et - la figure 2 est une vue schématique de face de cette plaque bipolaire. La figure 1 présente une cellule 2 comportant un empilage comprenant une membrane polymère 6, recevant sur chaque face une électrode 4 formant une cathode ou une anode. L'empilage comporte de plus sur chaque électrode 4, une plaque bipolaire 8 comprenant une tôle qui est emboutie pour former des creux 10 continus et linéaires, délimités par des surfaces conductrices 16 restant en appui sur cette électrode. Les creux constituent un réseau de canaux 10 qui couvre une partie de la surface en regard de cette électrode. Les réseaux de canaux 10 reçoivent à partir d'une alimentation commune pour l'ensemble des plaques bipolaires 8, les gaz nécessaires pour la réaction comme l'hydrogène, ou l'oxygène qui peut être pris dans l'air. Les canaux 10 peuvent aussi conduire un fluide caloporteur utilisé pour refroidir la cellule 2. Les surfaces conductrices 16 remplissant la surface entre les réseaux de canaux 10 sur toute la surface active de la cellule 2, permettent de transmettre entre la plaque bipolaire 8 et cette cellule, des électrons 14 venant de la réaction d'oxydation de l'hydrogène qui se réalise à partir des gaz 12 alimentant la cellule. Chaque plaque bipolaire 8 transmet ainsi le courant électrique entre les deux cellules 2 qui l'encadrent. Une plaque d'extrémité se trouvant de chaque côté de l'empilement de cellules 2, conduit le courant ainsi collecté vers un circuit électrique extérieur. Les plaques bipolaires 8 sont réalisées de manière à ajuster localement la conductivité pour équilibrer en chaque point la température de la cellule, qui pourrait être déséquilibrée par des variations locales de l'intensité du courant provenant d'une réactivité différente de ces points, due à une pression partielle d'oxygène variable. La figure 2 présente la face de la plaque bipolaire 8 comportant des entrée et sortie 20 de fluide caloporteur ainsi que des entrée et sortie 22 d'hydrogène, pour alimenter des réseaux de canaux réservés à ces fluides. La plaque bipolaire comporte de plus une entrée d'air 24 située du côté gauche de la figure, et une sortie d'air 26 située de l'autre côté, ainsi qu'un réseau de canaux parallèles 10 qui relient l'entrée à la sortie. La flèche 30 indique schématiquement suivant un axe horizontal et un axe vertical, une baisse de la pression partielle d'oxygène contenue dans l'air qui est au maximum au niveau de l'entrée d'air 24, puis diminue progressivement en fonction de la consommation de cet oxygène par les cellules 2 au long des canaux 10, pour finir au minimum au niveau de la sortie de l'air 26. La flèche 32 indique schématiquement de la même manière suivant un axe horizontal et un axe vertical, une augmentation de la conductivité de la plaque bipolaire 8 qui est l'inverse de la baisse de la pression partielle d'oxygène, de manière à obtenir de manière complémentaire une conductivité électrique plus forte qui compense la baisse de réactivité, afin de délivrer une densité de courant sensiblement constante générant une température aussi constante. On obtient ainsi un gradient de conductivité, qui augmente de manière progressive en s'éloignant de l'entrée d'air 24 fournissant l'oxygène. En variante, les plaques bipolaires 8 peuvent être fabriquées avec d'autres technologies, comme l'usinage ou le moulage d'un matériau composite ou de graphite. La conductivité de la plaque bipolaire 8 peut être ajustée de différentes manières. Une première manière consiste à modifier la matière de la plaque bipolaire 8 elle-même, en utilisant un matériau comportant un gradient de résistivité, et en orientant ce gradient au moulage par exemple, de manière à correspondre à celui de la pression partielle d'oxygène. Une autre manière consiste à modifier les dimensions des surfaces conductrices 16, en augmentant ces surfaces pour améliorer la conductivité de manière à réduire la résistance de contact avec la cellule 2. Une autre manière consiste à modifier la composition ou l'épaisseur du revêtement de la plaque bipolaire 8 pour donner une résistivité variable, et en appliquant ce revêtement de manière différenciée en fonction des zones à couvrir. En particulier, le revêtement peut couvrir seulement les surfaces conductrices 16. On notera qu'un ajustement des caractéristiques du revêtement comme présenté ci-dessus, peut être fait facilement sur une même plaque bipolaire 8, ce qui permet d'adapter la conductivité en fonction des résultats obtenus sans modification importante de ces plaques, notamment dans son dessin, au cours du développement de la pile à combustible. On peut ainsi facilement faire évoluer les plaques bipolaires 8, pour s'adapter par exemple à différentes conditions de fonctionnement de la pile à combustible, ou à différentes générations de cellules 2 qui pourront être produites ultérieurement. On notera que ces différentes manières pour modifier la conductivité, peuvent être combinées entre elles. Ce type de pile à combustible comprenant un rendement ainsi qu'une fiabilité améliorés, est particulièrement adapté pour délivrer dans un véhicule automobile un courant électrique utilisé pour la traction. REVENDICATIONS1 - Plaque conductrice bipolaire prévue pour être intercalée entre des cellules (2) d'une pile à combustible, comportant des surfaces conductrices (16) en contact avec une cellule (2) pour collecter le courant électrique produit par cette cellule, et des réseaux de canaux de circulation de fluides (10) nécessaires pour la réaction produisant l'électricité, caractérisée en ce que la valeur de la conductivité entre la plaque bipolaire (8) et la cellule (2), est ajustée localement de manière variable. 2 - Plaque conductrice bipolaire suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la valeur de la conductivité entre cette plaque (8) et la cellule (2), est ajustée localement en modifiant la matière de la plaque. 3 - Plaque conductrice bipolaire suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la valeur de la conductivité entre cette plaque (8) et la cellule (2), est ajustée localement en modifiant les dimensions des surfaces conductrices (16). 4 - Plaque conductrice bipolaire suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la valeur de la conductivité entre cette plaque (8) et la cellule (2), est ajustée localement en modifiant le revêtement de la plaque. 5 - Plaque conductrice bipolaire suivant la revendication 4, caractérisée en ce que la conductivité est ajustée en modifiant la composition ou l'épaisseur du revêtement de cette plaque (8). 6 - Plaque conductrice bipolaire suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une tôle emboutie comprenant des creux constituant un réseau de canaux (10), délimités par les surfaces conductrices (16). 7 - Plaque conductrice bipolaire suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la valeur de la conductivité entre la plaque bipolaire (8) et la cellule (2), est augmentée localement en fonction de la baisse de la pression partielle d'oxygène alimentant à cet endroit la cellule. 8 - Plaque conductrice bipolaire suivant la revendication 7, caractérisée en ce qu'un gradient de conductivité est établi sur cette plaque (8), pour l'augmenter de manière progressive en s'éloignant de l'entrée de fluide (24) fournissant l'oxygène à cette plaque. 9 - Pile à combustible disposant de plaques conductrices bipolaires (8) intercalées entre des cellules (2), caractérisée en ce que ces plaques bipolaires sont réalisées suivant l'une quelconque des revendications précédentes. - Véhicule électrique comprenant une pile à combustible délivrant un 10 courant électrique utilisé pour la traction, caractérisé en ce que cette pile à combustible est réalisée suivant la revendication 9.