Brevet FR2986108A1 — publié le 20130726

La présente invention concerne une plaque de pile à combustible ainsi qu'une cellule et un empilement de cellules correspondants. L'invention concerne plus particulièrement une plaque de pile à combustible destinée à coopérer avec une autre plaque de pile pour prendre en sandwich un Assemblage Membrane Electrodes (« AME »), la plaque comprenant deux faces opposées respectivement une face réactive et une face de refroidissement, la face réactive de chaque plaque étant munie de reliefs et creux formant au moins un canal de circulation pour un réactif, le au moins un canal de circulation pour un réactif ayant une entrée située au niveau d'un premier bord de la plaque et une sortie située au niveau d'un second bord de la plaque, la face de refroidissement de chaque plaque comprenant des reliefs et creux formés par la contre-forme du au moins un canal, les reliefs et creux de la face de refroidissement de chaque plaque étant destinés à venir au contact d'une face de refroidissement d'une plaque d'une autre cellule de pile adjacente lors d'un empilement de cellules, de façon à délimiter un circuit pour un fluide de refroidissement. Un empilement (« stack » en anglais) de cellules élémentaires de pile à combustible est un assemblage de plusieurs cellules électrochimiques. Classiquement, chaque cellule est constituée de deux plaques (notamment bipolaires), un Assemblage Membrane Electrode, des joints de plaque 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 peut être réalisée à l'aide d'un liquide caloporteur ou en ventilant de l'air. La présente invention concerne de préférence le cas du refroidissement via un liquide tel que de l'eau. Dans le cas d'empilements de cellules à plaques métalliques, les plaques sont généralement embouties ou hydroformées. Les plaques de cellules électrochimiques sont donc très fines (quelques dixièmes de millimètres d'épaisseur au total). Dans le cas d'un refroidissement liquide, il faut donc intégrer un circuit de refroidissement entre les cellules. L'intégration d'un tel circuit de refroidissement doit satisfaire à diverses contraintes. Ainsi, l'empilement des cellules doit permettre une compression homogène des Assemblages Membrane Electrodes et doit résister au serrage de l'ensemble. De plus, les plaques doivent résister à la pression mécanique et un bon contact électrique doit être assuré d'une cellule à l'autre, c'est-à-dire d'une plaque cathodique à une plaque anodique ou, inversement, du côté refroidissement. L'assemblage de l'empilement doit être rapide et fiable, la géométrie des cellules électrochimiques et de refroidissement doivent donc faciliter cet assemblage. L'assemblage doit comprendre le moins de pièces possible afin de réduire les coûts au maximum. Le développement d'une cellule métallique à refroidissement liquide s'avère donc complexe puisque devant répondre à de nombreuses contraintes contradictoires. Le document US20110123887 décrit une pile à plaques métalliques définissant des canaux de réactifs rectilignes, c'est-à-dire reliant l'entrée à la sortie gaz. Les contre-formes des canaux de réactif définissent sur l'autre face de la plaque des formes formant le circuit pour du liquide de refroidissement. Cette architecture présente cependant les inconvénients suivants. Ces canaux rectilignes ne sont pas adaptés à un fonctionnement de la pile à faible pression. De plus, avec ces canaux rectilignes, l'optimisation du facteur de forme des différents éléments de la pile (Assemblages Membrane électrodes, plaques...) et donc l'optimisation du coût de fabrication de ces éléments n'est pas aisé. En effet, la longueur minimale nécessaire pour des canaux rectilignes est imposée par les conditions de fonctionnement de la pile. 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 plaque selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le canal de circulation pour un réactif de la plaque relie l'entrée à la sortie en serpentant sur la surface de la plaque successivement d'un bord à l'autre de la plaque, le canal définissant une pluralité de portions rectilignes ayant des directions non-parallèle à la direction fictive passant par l'entrée et la sortie. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - en serpentant, le canal définit une pluralité de portions rectilignes selon trois directions distinctes non-parallèles à la direction fictive passant par l'entrée et la sortie, - la face réactive de la plaque est de forme générale rectangulaire et de préférence carrée, une première partie des portions rectilignes définies par le canal étant parallèles à une diagonale du rectangle - une seconde partie des portions rectilignes définies par le canal sont parallèles à un premier côté du rectangle, - une troisième partie des portions rectilignes définies par le canal sont parallèles à un second côté du rectangle qui est adjacent au premier côté du rectangle, - le canal comporte une succession d'enchaînements composés chacun : d'une portion rectiligne parallèle à un premier côté du rectangle suivie d'une portion rectiligne parallèle à une diagonale du rectangle et suivie une portion rectiligne parallèle à un second côté du rectangle, - la plaque comprend deux entrées et deux sorties définissant deux canaux de circulation pour un réactif de la plaque, chaque canal serpentant respectivement sur deux zones distinctes de la surface de la plaque, - la plaque comprend une entrée et une sortie situées au niveau respectivement de deux extrémités diagonalement opposées du rectangle, la première partie des portions rectilignes définies par le canal étant perpendiculaires à la diagonale du rectangle sur laquelle sont situées les entrée et sortie, - la plaque est en métal ou alliage métallique et formée par emboutissage et/ou hydroformage, notamment les reliefs et creux formant le au moins un canal sur la face réactive et les reliefs et creux de la face de refroidissement sont formés par emboutissage et/ou hydroformage. L'invention concerne également une cellule élémentaire de pile à combustibles comprenant deux plaques de pile respectivement anodique et cathodique conformes à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous, les plaques prenant en sandwich un Assemblage Membrane Electrodes (« AME »), chaque plaque comprenant deux faces opposées respectivement une face réactive et une face de refroidissement, la face réactive de chaque plaque étant munie de reliefs et creux formant au moins un canal de circulation pour un réactif, à savoir un réactif anodique tel que de l'hydrogène gazeux pour la plaque anodique et un réactif cathodique tel que de l'air pour la plaque cathodique, le au moins un canal ayant une entrée située au niveau d'un premier bord de la plaque et une sortie située au niveau d'un second bord de la plaque, les faces réactives des deux plaques étant située en vis-à-vis de l'Assemblage Membrane Electrodes (« AME »), la face de refroidissement de chaque plaque comprenant des reliefs et creux formés par la contre-forme du au moins un canal, les reliefs et creux de la face de refroidissement de chaque plaque étant destinés à venir au contact d'une face de refroidissement d'une autre cellule de pile adjacente lors d'un empilement de cellules de façon à délimiter un circuit pour un fluide de refroidissement, le canal de circulation pour un réactif de chaque plaque serpentant sur la surface de la plaque successivement d'un bord à l'autre de la plaque depuis l'entrée vers la sortie, le canal définissant une pluralité de portions rectilignes ayant des directions non-parallèle à la direction fictive passant par l'entrée et la sortie. L'invention concerne également un empilement de plusieurs cellules de ce type, dans lequel les canaux des plaques en contact de deux cellules adjacentes ont des portions rectilignes croisées. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le circuit pour un fluide de refroidissement situé entre deux cellules adjacentes s'étend entre deux côtés opposé des plaques adjacentes et selon une direction distincte d'au moins une partie des portions rectilignes des canaux, le circuit pour un fluide de refroidissement comprenant une pluralité de chicanes entre les deux côtés opposé des plaques, les chicanes étant formées par des portions en contact des faces de refroidissement des plaques adjacentes, - les plaques anodiques et cathodiques ont des reliefs et creux identiques formant des canaux de identiques, au moins une partie des portions rectilignes 25 des canaux des plaques adjacentes étant croisés selon un angle de 45°. 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 : 30 - la figure 1 représente une vue éclatée, de dessus, schématique et partielle, d'un Assemblage Membrane Electrodes (AME) et de deux plaques constituant une cellule de pile à combustible selon un premier exemple de réalisation de l'invention, - la figure 2 illustre une vue en transparence, schématique et partielle de la cellule de la figure 1 en position empilée, - la figure 3 représente une vue de dessus de la face réactive d'une plaque de pile à combustible selon un second exemple de réalisation de l'invention, - la figure 4 représente une section transversale, schématique et partielle, d'un empilement de deux cellules de pile assemblées et conformes à la figure 1, - la figure 5 représente une vue éclatée en perspective, schématique et partielle, de deux plaques adjacentes de cellules adjacentes d'un assemblage de cellules de pile à combustible selon la figure 1, - la figure 6 représente, de façon schématique et partielle, une vue en perspective et en transparence, d'une partie de deux plaques adjacentes de la figure 5 en position assemblée. Dans la configuration des figures 1 et 2, la cellule 1 élémentaire est composée de deux plaques (respectivement anodique 2 et cathodique 3) prenant en sandwich un AME 4. Selon la configuration décrite plus en détail ci-après, l'utilisation d'un échangeur thermique supplémentaire (par exemple du type en forme « d'onde ») entre deux cellules 1 adjacentes n'est pas nécessaire. Chaque plaque 2, 3, par exemple en métal embouti et/ou hydroformé, comprend deux faces, à savoir une face réactive et une face de refroidissement. La face réactive de chaque plaque 2, 3 est munie de reliefs et creux et notamment un creux formant un canal 20, 30 de circulation pour un réactif, à savoir un réactif anodique tel que de l'hydrogène gazeux pour la plaque anodique 2 et un réactif cathodique tel que de l'air pour la plaque cathodique 3. Sur chaque plaque 2, 3 le canal 20, 30 possède une première extrémité formant une entrée 12 pour le réactif, l'entrée 12 étant située au niveau d'un premier bord de la plaque 2, 3 et une seconde extrémité formant une sortie 122 pour le réactif située au niveau d'un second bord de la plaque 2, 3. Le canal 20, 30 de circulation pour un réactif de chaque plaque 2, 3 serpente sur la surface de la plaque 2, 3 successivement d'un bord à l'autre de la plaque 2, 3 depuis l'entrée 12 vers la sortie 122. C'est-à-dire que le canal 20, 30 forme un chemin (de préférence unique) entre l'entrée 12 à la sortie 122 via un trajet indirect qui « balaye » la surface active (membrane) de la plaque destinée à être en vis-à-vis de l'AME 4. Le canal 20, 30 effectue par exemple des « aller- retour» transversaux à la direction la plus directe entre l'entrée 12 et la sortie 122. Plus précisément, le canal 20, 30 définit une pluralité de portions rectilignes ayant des directions non-parallèle à la direction fictive passant par l'entrée 12 et la sortie 122. Comme illustré à la figure 1, en serpentant le canal 20, 30 peut définir une pluralité de portions rectilignes selon trois directions distinctes non-parallèles à la direction fictive passant par l'entrée 12 et la sortie 122. Comme représenté, chaque plaque 2, 3 peut être rectangulaire et de préférence carrée. Par exemple une première partie des portions rectilignes définies par le canal 20, 30 sont parallèles à une diagonale du rectangle (portions qui s'étendent d'un bord à l'autre). Une seconde partie des portions rectilignes définies par le canal 20, 30 peuvent être parallèles à un premier côté du rectangle (cf. par exemple la première portion de canal qui débute à l'entrée 12 de la plaque 2 anodique). Une troisième partie des portions rectilignes définies par le canal 20, 30 peuvent être parallèles à un second côté du rectangle adjacent au premier côté du rectangle (cf. la dernière portion qui arrive au niveau de la sortie 122 de la plaque 2 anodique). Ainsi, dans la partie centrale active de la plaque 2, 3 le canal 20, 30 comporte une succession d'enchaînements composés chacun : d'une portion rectiligne parallèle à un premier côté du rectangle suivie d'une portion rectiligne parallèle à une diagonale du rectangle et suivie une portion rectiligne parallèle à un second côté du rectangle. Comme illustré, l'entrée 12 et la sortie 122 peuvent être situées au niveau respectivement de deux extrémités diagonalement opposées du rectangle (au 25 niveau de deux sommets du carré). Les flèches orientées de haut en bas sur la figure 1 symbolisent les entrée et sortie des réactifs. La première partie des portions rectilignes définies par le canal 20, 30 sont par exemple perpendiculaires à la diagonale du rectangle sur laquelle sont situées les entrée 12 et sortie 122. En position assemblée les canaux des plaques sont croisés (cf. figure 2). En 30 particulier, les canaux 20, 30 des plaques en contact de deux cellules (1) adjacentes ont des portions rectilignes croisées. De préférence, les plaques anodiques 2 et cathodiques 3 ont des reliefs et creux identiques formant des canaux 20, 30 identiques. Cependant, ces canaux 2 986 108 7 20, 30 sont croisés selon un angle de 45° lorsque les plaques 2, 3 sont assemblées (cf. figure 2). La face de refroidissement de chaque plaque 2, 3 comprend des reliefs et des creux formés par la contre-forme du au moins un canal 20, 30. C'est-à-dire 5 que le canal 20, 30 de chaque plaque 2, 3 forme, « en négatif » sur la face de refroidissement, une arête en saillie par rapport au plan de la plaque 2, 3 (cf. figure 5. Ces reliefs et creux de la face de refroidissement de chaque plaque 2, 3 sont destinés à venir au contact des reliefs et creux d'une face de refroidissement d'une autre cellule 3, 2 de pile adjacente lors d'un empilement de cellules 1 de 10 façon à délimiter un circuit 5 pour un fluide F de refroidissement (cf. figures 4 et 6). Comme visible aux figures 2, 4 et 6, le circuit 5 pour un fluide F de refroidissement situé entre deux cellules 1 adjacentes s'étend entre deux côtés opposé des plaques 2, 3 et selon une direction distincte d'au moins une partie des portions rectilignes des canaux 20, 30. Par exemple, le circuit 5 de refroidissement 15 comprend des canaux qui s'étendent entre deux extrémités parallèles des plaques tout en rencontrant sur le trajet pluralité de « chicanes » ou bifurcations 6 (cf. figures 2 et 6). Ces chicanes 6 sont formées par exemple par des points de contact des faces de refroidissement des plaques 2, 3 adjacentes (cf. figure 4). La figure 3 illustre une variante de réalisation de la plaque. La plaque 3 20 illustrée à la figure 3 se distingue de celles des figures 1 en ce qu'elle comprend deux entrées 12 et deux sorties 122 définissant deux canaux (20, 30) indépendants de circulation pour un réactif de la plaque 2, 3. Chaque canal 30 serpente sur une moitié respective de la surface active de la plaque 3. Les deux entrées 12 peuvent êtres contigües au niveau d'un même coin de la plaque 3 tandis que les sorties respectives 122 sont situées au niveau de deux autres coins opposés de la plaque 3. La forme de réalisation de la figure 3 permet de diminuer les pertes de charge dans le circuit du réactif par rapport au mode de réalisation de la figure 1. En effet, l'unique canal 20, 30 est remplacé par deux canaux de longueur divisée par deux environ. De plus, la double entrée 12 au centre de la plaque 30 et deux sorties 122 gaz aux autres extrémités selon la figure 3 permet une meilleure hydratation de la membrane (AME) que dans le cas de la figure 1. Ce système avec une entrée double 12 et deux sorties 122 diminue en outre les contraintes entre le dimensionnement des canaux gaz et la mise en forme des plaques 2, 3. L'architecture de la figure 1 pourrait être utilisée uniquement pour la plaque 2 anodique car les contraintes de perte de charge dans le circuit de l'hydrogène gazeux sont moindres. L'architecture de la figure 1 peut être utilisée pour les plaques 3 cathodiques. Afin de réduire les coûts de l'ensemble il est également possible d'utiliser la même géométrie de plaque pour la plaque anodique et pour la plaque cathodique. Les plaques identiques seraient dans ce cas uniquement décalées entre elles d'un quart de tour lors de l'empilement. Ces géométries de plaques 2, 3 permettent de manager un circuit 5 pour un liquide de refroidissement F entre deux cellules adjacentes. Ces architectures présentent de nombreux avantages parmi lesquels : - la géométrie des canaux 20, 30 des plaques anodiques et cathodiques peuvent êtres différentes (par exemple nombre de portions en parallèle) pour optimiser le fonctionnement et donc le rendement de la cellule, - la possibilité de s'affranchir d'une pièce formant échangeur entre les plaques anodiques et cathodiques de deux cellules adjacentes, ceci permet de diminuer la masse et le volume de l'empilement, - le croisement des portions de canaux des plaques empilées permet de créer des pertes de charge du côté refroidissement (chicanes 6 notamment), ceci augmente l'efficacité du refroidissement, - les croisements des portions des canaux de plaques empilées forment également de nombreux points de contact entre les plaques de cellules adjacentes permettant ainsi d'assurer la conductivité du courant produit, De plus, l'optimisation du facteur de forme des plaques est plus aisé car plus flexible que selon l'art antérieur.