Brevet FR2971092A1 — publié le 20120803

PILE A COMBUSTIBLE COMPORTANT UNE PLAQUE MONOPOLAIRE COLLECTRICE La présente invention concerne une pile à combustible génératrice de courant électrique, une plaque monopolaire collectrice pour une telle pile à combustible, ainsi qu'un véhicule automobile et un groupe électrogène équipés de cette pile à combustible. Les piles à combustible sont développées aujourd'hui en particulier pour équiper des véhicules en remplacement des moteurs thermiques, elles permettent en produisant de l'électricité utilisée par une machine électrique de traction, d'obtenir un meilleur rendement énergétique que celui des moteurs thermiques. Les piles à combustible comportent généralement un empilement de cellules élémentaires comprenant chacune deux électrodes séparées par un électrolyte, et des plaques conductrices qui apportent le carburant et le comburant aux électrodes par des canaux internes. 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 20 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. Ensuite, un circuit de fluide caloporteur régule cette température. Un problème qui se pose dans le cas d'un démarrage de la pile à combustible comportant une température basse qui est inférieure à 0°C, est que l'eau produite par les réactions électrochimiques risque de geler tant que cette température se trouve en dessous de ce seuil de 0°C. La pile à combustible ne peut alors plus fonctionner correctement, et risque d'être détruite. L'empilement des cellules est généralement encadré de chaque côté, par une plaque collectrice de courant comportant une borne de connexion, et par une plaque de serrage d'extrémité qui est rigide pour pouvoir serrer axialement l'empilement des cellules, en répartissant la pression sur la surface de ces cellules. Un isolant électrique peut être interposé entre ces deux plaques dans le cas où la plaque de serrage est conductrice, pour l'isoler de la plaque collectrice. On constate alors pour des démarrages à froid de la pile à combustible, que si les cellules centrales montent relativement vite en température, par auto-échauffement, les cellules de chaque extrémité montent nettement moins vite en température car la plaque collectrice qui est métallique, forme une masse thermique absorbant l'énergie calorifique générée par les réactions électrochimiques. On a donc lors des démarrages à froid de la pile à combustible, des températures peu homogènes, et un risque plus important de gel de l'eau produite aux extrémités de l'empilement des cellules. Pour remédier à ce problème, un type de plaque collectrice connu, présenté notamment dans le document US-A1-2004/0161659, comporte des séries de perçages réalisés perpendiculairement à la plaque, pour réduire la quantité de matière et la masse thermique de cette plaque collectrice. Un problème qui se pose avec ce type de plaque collectrice, est que l'on obtient alors une répartition de la température, en particulier sur la surface de la plaque en contact avec la dernière cellule, qui n'est pas homogène, la température pouvant être élevée au niveau des perçages, et restant basse en dehors des perçages où se trouve la matière de la plaque. De plus le courant n'est pas collecté au niveau des perçages, ce qui provoque une mauvaise distribution de la densité de courant et une baisse des performances. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure et de proposer une pile à combustible comportant une masse thermique réduite. Elle propose à cet effet une pile à combustible comportant un empilement de cellules disposées en série, comprenant chacune un ensemble équipé de deux électrodes séparées par un électrolyte, encadré par des plaques électriquement conductrices dites « bipolaires », comportant des conduits qui alimentent ces cellules en réactifs pour les réactions électrochimiques de la pile, chaque extrémité de cette pile comprenant une plaque de serrage qui maintient et serre l'empilement des cellules, caractérisée en ce que la plaque conductrice dite « bipolaire » d'au moins une extrémité de la pile, située directement contre la plaque de serrage, est une plaque monopolaire collectrice qui comprend une borne de connexion vers un circuit électrique extérieur. Un avantage de cette pile à combustible comprenant une plaque monopolaire collectrice, réalisant à la fois l'alimentation en réactifs de la réaction et la conduction du courant vers le circuit électrique extérieur par sa borne de connexion, est qu'elle n'utilise pas de plaque collectrice additionnelle habituellement disposée entre la plaque de serrage et la plaque monopolaire, ce qui permet de réduire la masse thermique des extrémités de cette pile et de permettre un échauffement plus rapide. La pile à combustible selon l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Suivant un mode de réalisation, la plaque monopolaire collectrice comporte sur sa face opposée à la dernière cellule, une borne de connexion centrale. Avantageusement, la borne de connexion centrale traverse la plaque de serrage. La borne de connexion centrale peut comporter un perçage axial qui reçoit une vis de serrage, pour serrer un conducteur électrique extérieur. Suivant un autre mode de réalisation, la plaque monopolaire collectrice comporte une borne de connexion latérale, formant une languette dépassant vers l'extérieur. La borne de connexion latérale peut être disposée près d'un des angles de la plaque monopolaire collectrice, qui comporte un contour globalement rectangulaire. Avantageusement, la pile à combustible comporte une plaque monopolaire collectrice à chacune de ses extrémités. L'invention a aussi pour objet une plaque monopolaire collectrice d'extrémité d'un empilement de cellules d'une pile à combustible, située directement contre une plaque de serrage de l'empilement, comportant une borne de connexion pour transmettre directement le courant collecté vers un circuit électrique extérieur. L'invention a de plus pour objet un véhicule électrique comprenant une pile à combustible délivrant un courant électrique utilisé pour la traction, et un groupe électrogène comprenant une pile à combustible délivrant un courant électrique, ces piles comportant l'une quelconque des caractéristiques précédentes. 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 axiale, d'une extrémité d'une pile à combustible selon l'art antérieur ; - la figure 2 est une vue détaillée de cette 5 extrémité ; - la figure 3 est une vue schématique en coupe axiale, d'une extrémité d'une pile à combustible selon l'invention ; - la figure 4 est une vue en perspective de la 10 plaque monopolaire combustible ; et - la figure 5 plaque monopolaire collectrice selon de cette pile à en perspective d'une une variante. collectrice est une vue La figure 1 présente une extrémité de l'empilement 15 d'une pile à combustible 2, comprenant une succession de cellules comportant chacune un ensemble 4 disposant d'une anode et d'une cathode séparées par un électrolyte, encadré par des plaques bipolaires 6. La plaque bipolaire 6 est réalisée dans un métal conducteur, pour relier 20 électriquement deux cellules entre elles et transmettre le courant de l'une à l'autre, en constituant le pôle positif d'une de ces cellules et le pôle négatif de l'autre. La dernière cellule de l'empilement comporte une 25 plaque monopolaire 14, qui reçoit le courant de cette cellule en constituant seulement un des deux pôles positif ou négatif, pour cette cellule. De plus, les différentes plaques bipolaires 6 et monopolaires 14 apportent aux cellules les réactifs 30 nécessaires pour les réactions électrochimiques, soit par leurs deux faces pour les plaques bipolaires 6 alimentant les deux cellules accolées, soit par une seule face pour les plaques monopolaires 14 alimentant l'unique cellule accolée. 35 La plaque monopolaire 14 comporte du côté opposé à la dernière cellule, une plaque collectrice d'extrémité 8 comprenant une borne de connexion centrale 10 formant un axe perpendiculaire tourné vers l'extrémité de la pile à combustible 2. La borne de connexion 10 traverse une plaque de serrage 12 épaisse et rigide, réalisée dans un matériau électriquement isolant comme une matière plastique, qui est soumise à un serrage axial pour serrer l'empilement des cellules. La figure 2 détaille la plaque collectrice 8 réalisée dans un métal électriquement conducteur, formant un plan continu sensiblement carré et d'épaisseur constante, comprenant la borne de connexion 10 constituant un axe implanté au milieu de cette plaque. La plaque collectrice 8 collecte le courant électrique globalement sur l'ensemble de la surface de la plaque monopolaire 14, pour le conduire par sa borne de connexion 10 à un câble électrique extérieur 20 qui transmet le courant généré par la pile à combustible 2. Dans cet exemple, la borne de connexion 10 comporte un perçage axial fileté, qui reçoit une vis de serrage 22 venant dans un perçage de la cosse d'extrémité du câble électrique extérieur 20 pour serrer cette cosse. On notera que la plaque collectrice 8 constitue une certaine masse thermique qu'il faut échauffer lors des démarrages à froid de la pile à combustible 2, ce qui ralentit le réchauffement de ses extrémités. Les figures 3 et 4 présentent l'extrémité de l'empilement d'une pile à combustible 34 conforme à l'invention, comprenant une succession d'ensembles 4 disposant de deux électrodes séparées par un électrolyte, séparés à chaque fois par une plaque bipolaire 6. Le dernier ensemble 4 de l'empilement est accolé à une plaque monopolaire collectrice 30, qui collecte le courant de cette cellule et lui apporte par une série de canaux et de perçages 32 répartis sur la face en contact, les réactifs nécessaires aux réactions électrochimiques. La plaque monopolaire collectrice 30 reçoit sur sa face opposée à l'ensemble 4, une borne de connexion centrale 10 formant un axe perpendiculaire. La borne de connexion centrale 10 traverse une plaque de serrage 12 épaisse et rigide, similaire à celle présentée dans l'art antérieur, qui est de la même manière soumise à un serrage axial pour serrer l'empilement des cellules. La plaque monopolaire collectrice 30 est dessinée notamment pour obtenir une résistance mécanique suffisante, en particulier pour la borne de connexion 10, ainsi qu'une faible résistance électrique entre les différents points de cette plaque et la borne, de manière à réduire les pertes électriques. On notera que la plaque monopolaire collectrice 30 réunissant en une seule pièce les différentes fonctions d'une plaque monopolaire et d'une plaque collectrice de l'art antérieur, permet de réduire la quantité de matière utilisée. On obtient ainsi une pile à combustible 34 comportant des composants en moins et un poids réduit, ainsi qu'une longueur de l'empilement qui est diminuée. En particulier, les matériaux utilisés pour réaliser les composants des piles à combustibles étant onéreux, le coût d'une telle pile est réduit. De plus, les extrémités de la pile à combustible 34 comprenant une masse de matière réduite, donc une capacité thermique réduite, s'échauffent plus rapidement lors d'un démarrage à froid. Il est alors plus facile de passer au dessus de 0°C, et d'éviter un gel de l'eau produite par les réactions électrochimiques. La figure 5 présente en variante une plaque monopolaire collectrice 40, comportant une borne de connexion latérale 42 formant une languette dépassant vers l'extérieur, qui est disposée dans cet exemple près d'un des angles de cette plaque comportant un contour globalement rectangulaire. Le dessin de la plaque monopolaire collectrice 40 est réalisé de manière à conduire le courant collecté sur l'ensemble de la surface de cette plaque, vers la borne de connexion 42 avec un minimum de pertes électriques. Comme pour la borne de connexion centrale 10, la borne de connexion latérale 42 comporte des moyens non représentés permettant un raccordement avec un conducteur électrique extérieur. On notera que la borne de connexion latérale 42 permet d'utiliser une plaque de serrage 12 qui ne comporte pas de perçage central pour laisser passer une connexion. D'une manière générale, les plaques monopolaires collectrices suivant l'invention, peuvent comporter des dessins de bornes collectrices variés ne se limitant pas aux versions présentées, ces bornes pouvant être disposées à différents endroits de la plaque. La pile à combustible suivant l'invention peut servir avantageusement pour un véhicule automobile, mais aussi pour toutes applications stationnaires comme un groupe électrogène, dans lesquelles on recherche une montée en température rapide. REVENDICATIONS1 - Pile à combustible comportant un empilement de cellules disposées en série, comprenant chacune un ensemble (4) équipé de deux électrodes séparées par un électrolyte, encadré par des plaques électriquement conductrices (6) dites « bipolaires », comportant des conduits qui alimentent ces cellules en réactifs pour les réactions électrochimiques de la pile (34), chaque extrémité de cette pile comprenant une plaque de serrage (12) qui maintient et serre l'empilement des cellules, caractérisée en ce que la plaque conductrice dite « bipolaire » d'au moins une extrémité de la pile, située directement contre la plaque de serrage (12), est une plaque monopolaire collectrice (30, 40) qui comprend une borne de connexion (10, 42) vers un circuit électrique extérieur (20). 2 - Pile à combustible suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la plaque monopolaire collectrice (30) comporte sur sa face opposée à la dernière cellule, une borne de connexion centrale (10). 3 - Pile à combustible suivant la revendication 2, caractérisée en ce que la borne de connexion centrale (10) traverse la plaque de serrage (12). 4 - Pile à combustible suivant la revendication 3, caractérisée en ce que la borne de connexion centrale (10) comporte un perçage axial qui reçoit une vis de serrage (22), pour serrer un conducteur électrique extérieur (20). 5 - Pile à combustible suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la plaque monopolaire collectrice (40) comporte une borne de connexion latérale (42), formant une languette dépassant vers l'extérieur. 6 - Pile à combustible suivant la revendication 5, 35 caractérisée en ce que la borne de connexion latérale (42) est disposée près d'un des angles de la plaquemonopolaire collectrice (40), qui comporte un contour globalement rectangulaire. 7 - Pile à combustible suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une plaque monopolaire collectrice (30, 40) à chacune de ses extrémités. 8 - Plaque monopolaire collectrice (30, 40) d'extrémité d'un empilement de cellules d'une pile à combustible, située directement contre une plaque de serrage de l'empilement (12), caractérisée en ce qu'elle comporte une borne de connexion (10, 42) pour transmettre directement le courant collecté vers un circuit électrique extérieur (20). 9 - Véhicule électrique comprenant une pile à combustible (34) délivrant un courant électrique utilisé pour la traction, caractérisé en ce que cette pile à combustible est réalisée suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7. 10 - Groupe électrogène comprenant une pile à combustible (34) délivrant un courant électrique, caractérisé en ce que cette pile à combustible est réalisée suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7.