Brevet FR3008234A1 — publié le 20150109

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE PLAQUE BIPOLAIRE ET PLAQUE BIPOLAIRE POUR UNE CELLULE ELECTROCHIMIQUE La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une plaque bipolaire. Les plaques bipolaires sont utilisées par exemple dans des cellules électrochimiques, en particulier dans des piles à combustible et des cellules électrolytiques, et servent de préférence à l'établissement d'un contact entre les cellules et à la répartition de gaz de fonctionnement. L'objet de la présente invention consiste à proposer un procédé de mise à disposition d'une plaque bipolaire, au moyen duquel une plaque bipolaire conçue de façon stable mécaniquement et chimiquement peut être fabriquée de façon 10 économique. Cet objet est réalisé selon l'invention par un procédé de fabrication d'une plaque bipolaire, dans lequel le procédé comprend les étapes suivantes : préparation d'un substrat ; application d'une couche sur le substrat par un procédé d'injection de 15 plasma ; scellement de la couche. Comme, dans le procédé selon l'invention, un substrat est doté d'une couche, le matériau du substrat peut être un substrat économique qui peut être protégé lors du fonctionnement de la cellule électrochimique, au moyen de la couche. 20 Dans un mode de réalisation de l'invention, il peut être prévu que, sur le substrat, une couche soit appliquée, qui comprend du titane (Ti), du nitrite de titane (TiN), du nitrite de tantale (TaN), de l'oxyde de sélénium dopé au fluor (Sn02:F), du carbure de tungstène (WC) et/ou de l'or (Au) ou est constituée d'un ou plusieurs de ces matériaux. 25 En particulier, en remplissant au moins partiellement des pores de la couche avec un matériau de remplissage, un scellement de la couche et/ou du substrat peut être obtenu. Dans un mode de réalisation de l'invention, il peut être prévu que les pores de la couche soient remplis au moins partiellement d'un matériau polymère, en 30 particulier d'un matériau polymère à deux composants, et/ou d'un matériau céramique, ou le matériau de remplissage comprend un matériau polymère et/ou un matériau céramique. Le matériau polymère est de préférence un matériau polymère résistant à la corrosion. Il peut être avantageux de soumettre la plaque bipolaire à une pression négative après l'application de la couche sur le substrat et après le remplissage au moins partiel des pores de la couche avec le matériau de remplissage. En particulier, il peut être prévu que la plaque bipolaire soit traitée dans un procédé sous vide. Par exemple, il peut être prévu que le matériau de remplissage soit aéré et/ou dégazé, en particulier pour éliminer les inclusions de gaz du matériau de remplissage. De préférence, le matériau de remplissage est inséré sous forme liquide dans les pores de la couche, appliquée précédemment. Le matériau de remplissage est durci de préférence après l'insertion dans les pores. De préférence, la plaque bipolaire est soumise à une pression négative, en particulier pour éliminer les inclusions de gaz indésirables du matériau de remplissage, avant que le matériau de remplissage ne durcisse. En variante ou en plus d'un remplissage consécutif des pores au moyen du matériau de remplissage, il peut être prévu que du matériau de remplissage soit appliqué par un procédé d'injection de plasma. En particulier, il peut être prévu que du matériau de remplissage soit appliqué par un procédé d'injection de plasma, sur le substrat et/ou sur la couche. Il peut être particulièrement avantageux que du matériau de remplissage soit appliqué par un procédé d'injection de plasma pendant l'application de la couche, en particulier conjointement à l'application de la couche. Les pores qui sont formés lors de l'application de la couche sont fermés, de préférence complètement, au moyen du matériau de remplissage appliqué de façon concomitante. Dans un mode de réalisation de l'invention, il peut être prévu qu'un côté de la couche détourné du substrat soit libéré du matériau de remplissage après le remplissage au moins partiel des pores de la couche. Par exemple, il peut être prévu qu'un côté de la couche détourné du substrat soit libéré du matériau de remplissage après le remplissage au moins partiel des pores de la couche par un procédé de sablage, à jet de sable, et/ou par un procédé de meulage. En particulier, il peut être prévu qu'une surface de la couche détournée du substrat soit libérée du matériau de remplissage après le remplissage au moins partiel des pores de la couche, par exemple par un procédé de nettoyage ou par un procédé de traitement de surface (par exemple, procédé de sablage à jet de sable et/ou procédé de meulage). Le substrat est de préférence constitué d'un matériau d'acier ou réalisé à partir d'un tel matériau. En particulier, il peut être prévu que le substrat soit constitué d'une tôle d'acier ou réalisé à partir d'une telle tôle. Dans un mode de réalisation de l'invention, il peut être prévu que le substrat soit constitué d'un matériau d'acier inoxydable, en particulier d'une tôle d'acier inoxydable, ou réalisé à partir d'un tel matériau ou d'une telle tôle. Il peut être avantageux que le substrat soit doté d'un côté ou des deux côtés de plusieurs canaux d'écoulement, en particulier avant que la couche ne soit appliquée par le procédé d'injection de plasma. Le substrat, de préférence sous forme de plaque, est traité à cette fin, de préférence mécaniquement, en particulier par fraisage et/ou par formage, avant que la couche ne soit appliquée. Il peut être prévu que la surface du substrat soit rugosifiée, en particulier par un procédé de sablage à jet de sable et/ou par un procédé de meulage. La surface du substrat est de préférence rugosifiée avant que la couche ne soit appliquée. La couche est appliquée de préférence d'un côté sur la surface du substrat de sorte que, par exemple, toutes les surfaces d'appui, par lesquelles la plaque bipolaire peut être appliquée sur d'autres composants pour l'établissement d'un contact électrique, et/ou les surfaces des canaux d'écoulement soient revêtues. Il peut être prévu qu'un matériau en poudre, en particulier de la poudre de titane, soit fondu sous vide au moyen d'un plasma et soit appliqué sur le substrat. De cette façon, une couche présentant une densité supérieure et un bon contact électrique avec le substrat peut être constituée. Il peut être avantageux qu'un côté détourné du substrat, en particulier une surface, de la couche soit doté d'une couche mince. En particulier, il peut être prévu que la couche mince soit une couche de contact pour l'optimisation de l'établissement du contact électrique. La présente invention concerne en outre une plaque bipolaire pour une cellule électrochimique. L'objet de l'invention consiste, à cet égard, à préparer une plaque bipolaire pour une cellule électrochimique qui est conçue de façon stable mécaniquement et chimiquement et peut être fabriquée de façon économique. L'objet à la base de la présente invention est réalisé par une plaque bipolaire pour une cellule électrochimique qui comprend un substrat qui est doté d'une couche scellée appliquée par un procédé d'injection de plasma. La plaque bipolaire selon l'invention présente de préférence des caractéristiques et/ou avantages uniques ou multiples décrits en rapport avec le procédé selon l'invention. En particulier, il peut être prévu que la couche et/ou le substrat soit scellé au moyen du matériau de remplissage de sorte que le substrat n'entre de préférence pas en contact, lors du fonctionnement de la cellule électrochimique, avec les fluides de fonctionnement de la cellule électrochimique. Il peut être avantageux que la plaque bipolaire comprenne un substrat qui est doté d'un côté ou des deux côtés de canaux d'écoulement. Il peut être avantageux que le substrat soit recouvert d'un côté ou des deux côtés essentiellement complètement par la couche. La plaque bipolaire selon l'invention est particulièrement appropriée pour l'utilisation dans une cellule électrochimique. La présente invention concerne donc également une cellule électrochimique qui comprend au moins une plaque bipolaire selon l'invention. La cellule électrochimique est constituée en particulier comme une cellule électrolytique ou comme une pile à combustible. De préférence, la surface totale du substrat, venant en contact lors du fonctionnement de la cellule électrochimique avec des fluides de fonctionnement de la cellule électrochimique, est dotée de la couche et/ou du matériau de remplissage. Le procédé de fabrication d'une plaque bipolaire selon l'invention, la plaque bipolaire selon l'invention et/ou la cellule électrochimique selon l'invention peuvent de préférence présenter en outre un(e) ou plusieurs des caractéristiques et/ou avantages décrits ci-après : une couche particulièrement dense, en particulier une couche de titane, peut être obtenue en particulier lorsque celle-ci est appliquée par un procédé d'injection de plasma, dans lequel un débit d'alimentation de poudre est par exemple d'environ 11,66 g/min. Une enthalpie de plasma est de préférence d'environ 21,27 MJ1(g-1. La pression qui règne dans la région du substrat en particulier sous forme de plaque lors de la fabrication de la couche est de préférence d'environ 50 mbar. De préférence, la couche est fabriquée par un procédé à couches multiples, ce qui signifie que la couche totale à fabriquer est fabriquée par application de plusieurs couches de préférence très fines. Le matériau de remplissage présente de préférence une viscosité très faible. En particulier, on peut prévoir que le matériau de remplissage soit formé par une résine présentant une très faible viscosité (ultra low viscosity resin) et un durcisseur. Le matériau de remplissage est de préférence conçu de façon à être non conducteur, stable dans un environnement acide, même à un potentiel élevé supérieur par exemple à environ 2 V, et présente une température de décomposition d'au moins 20 environ 80 °C. La poudre utilisée pour la fabrication de la couche présente de préférence une granulométrie d'au moins environ 45 !am. Dans une couche formée en tant que couche de titane, la proportion en poids de titane par rapport à la plaque bipolaire totale est de préférence au plus d'environ 25 5 % en poids, en particulier au plus d'environ 3 % en poids, en particulier avec une épaisseur totale de la plaque bipolaire d'environ 1 mm. Une cellule électrochimique formée en tant que cellule électrolytique est appropriée en particulier pour la préparation d'hydrogène hautement pur, en particulier en utilisant des énergies renouvelables, par exemple l'énergie solaire, 30 l'énergie éolienne ou l'énergie thermique. La cellule électrochimique est en particulier une cellule électrochimique comportant une membrane polymère-électrolyte (PEM). La couche appliquée sur le substrat par un procédé d'injection de plasma peut de son côté être dotée d'une autre couche. L'autre couche, en particulier une couche mince, peut par exemple être appliquée par un procédé de pulvérisation au magnétron, par un procédé de dépôt physique en phase vapeur et/ou par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur. En outre, il peut être prévu d'appliquer également l'autre couche par un procédé d'injection de plasma. Une autre couche est appliquée de préférence après un traitement d'une surface détournée du substrat de la couche appliquée par un procédé d'injection de 10 plasma. Par exemple, une autre couche est appliquée sur la couche appliquée par un procédé d'injection de plasma, après que la surface, détournée du substrat, de la couche appliquée par un procédé d'injection de plasma a été traitée par un procédé de sablage à jet de sable et/ou dans un procédé de polissage. 15 En particulier, on peut prévoir comme autre couche une couche d'or. L'autre couche est en particulier un film mince d'un matériau résistant à la corrosion qui présente une conductivité électrique élevée. La couche appliquée par un procédé d'injection de plasma et/ou l'autre couche est de préférence constituée de nitrite de titane, nitrite de tantale, carbure, 20 titane, tantale, matériau en céramique électriquement conducteur, or, platine, iridium, oxyde de sélénium dopé au fluor (Sn02:F), carbure de silicium dopé au bore (SiC:B), oxyde de titane dopé ou conducteur par implantation d'ions (TiO2), diamant et/ou carbone graphite, par exemple des couches denses de graphite ou de graphes. Il peut être avantageux que la couche, en particulier l'autre couche, par 25 exemple la couche mince, soit conçue de façon à être auto-réparatrice, en particulier pour optimiser les propriétés électriques. En particulier, on peut empêcher de préférence de cette façon que des ions fer du substrat contribuent à polluer la cellule électrochimique. D'autres caractéristiques préférées et/ou avantages de l'invention sont l'objet 30 de la description suivante et des représentations graphiques des exemples de réalisation. La figure 1 est une représentation schématique en coupe d'un dispositif électrochimique dans lequel une plaque bipolaire est disposée entre deux autres composants du dispositif électrochimique ; la figure 2 est une représentation agrandie de la zone II de la figure 1, dans laquelle la plaque bipolaire comprend un substrat, une couche appliquée par un procédé d'injection de plasma et un matériau de remplissage ; et la figure 3 est un diagramme mettant en évidence la fonction de la plaque bipolaire de la figure 2. Des éléments identiques ou fonctionnellement équivalents comportent les mêmes références sur toutes les figures. Un mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2 d'un dispositif électrochimique présenté dans son ensemble et portant le numéro 100 est par exemple conçu comme un dispositif électrolytique 102 et comprend en tant que telles plusieurs cellules électrochimiques 106 conçues par exemple comme des cellules électrolytiques 104. Une cellule électrochimique 106 comprend de préférence une plaque bipolaire 108 au moyen de laquelle d'autres composants 110 de la cellule électrochimique 106 ou de cellules électrochimiques 106 voisines peuvent être mises en contact électriquement, les unes avec les autres. La plaque bipolaire 108 est formée à cet égard en particulier d'un ou plusieurs matériaux électriquement conducteurs. La plaque bipolaire 108 comprend des canaux d'écoulement 112 au moyen desquels des fluides de fonctionnement utilisés lors du fonctionnement du dispositif électrochimique 100, en particulier, des gaz de fonctionnement, peuvent être répartis, acheminés et/ou évacués uniformément dans chacune des cellules électrochimiques 106. Comme on le voit en particulier sur la figure 2, la plaque bipolaire 108 comprend un substrat 114. Le substrat 114 est conçu en particulier sous forme de plaque et est doté, par un traitement de celui-ci, de canaux d'écoulement 112. Le substrat 114 est constitué par exemple d'un matériau d'acier inoxydable, en particulier d'une tôle d'acier inoxydable 122. La plaque bipolaire 108 comprend en outre une couche 116 disposée sur le substrat 114. La couche 116 est en particulier une couche de titane et peut être appliquée de préférence par un procédé d'injection de plasma sur une surface 118 du substrat 114. La couche 116 est conçue en particulier de façon dense, ce qui signifie que la couche 116 présente une faible porosité. Les pores 124 de la couche 116 sont remplis d'un matériau de remplissage 128. La plaque bipolaire 108 du mode de réalisation présenté sur les figures 1 et 2 du dispositif électrochimique 100 peut par exemple être fabriquée comme suit : tout d'abord, on donne au substrat 114, en particulier une tôle d'acier inoxydable 122, une forme souhaitée, par exemple par formage. A cet égard, la plaque bipolaire 108 peut être conçue par exemple en forme de zigzag de sorte que des canaux d'écoulement 112 soient constitués lorsque la plaque bipolaire 108 est recouverte des deux côtés avec d'autres composants 110. Dans une étape suivante, le substrat 114 de la plaque bipolaire 108 constitué à partir de la tôle en acier inoxydable 122 est doté de la couche 116. La couche 116 est appliquée par un procédé d'injection de plasma, en particulier par fusion de la poudre de titane au moyen d'un plasma et application de la poudre de titane au moins partiellement fondue sur le substrat 114. Pour l'optimisation d'une adhérence de la couche 116 sur le substrat 114, un traitement préparatoire du substrat 114 peut être prévu dans un procédé de sablage à jet de sable. La couche 116 est conçue de façon dense. Cependant, des pores 124 peuvent être présents, par lesquels, lors du fonctionnement du dispositif électrochimique 100, des fluides de fonctionnement nécessaire peuvent parvenir jusqu'au substrat 114. Ceci peut entraîner une corrosion du substrat 114. La couche 116 et/ou le substrat 114 est donc de préférence scellé. Pour le scellement, il est prévu en particulier un matériau de remplissage 128 avec lequel les pores 124 de la couche 116 sont remplis au moins partiellement, en particulier, complètement. Au moyen du matériau de remplissage 128, de préférence une cavité 130 constituée par les pores 124 de la couche 116 est ainsi remplie dans la couche 116. En particulier, une surface intérieure 132 de la couche 116, qui entoure les pores 124, est revêtue au moins partiellement, de préférence complètement avec le matériau de remplissage 128. De même, la surface 118 encore libre, non revêtue par la couche 116, du substrat 114 est de préférence revêtue du matériau de remplissage 128. Le matériau de remplissage 128 constitue en particulier un scellement 134 de la surface 118 du substrat 114 pour protéger celui-ci contre la corrosion. Le matériau de remplissage 128 est de préférence un matériau électriquement non conducteur, par exemple un matériau polymère ou un matériau céramique. Pour une mise en contact fiable des composants voisins 110 du dispositif électrochimique 100, un revêtement d'une surface extérieure 136 de la couche 116, détournée du substrat 114, avec le matériau de remplissage 128 doit être évité ou éliminé au moins avant l'utilisation de la plaque bipolaire 108. La surface 136 extérieure détournée du substrat 114 constitue une surface d'appui 138 pour le placement d'autres composants 110 et assure un bon établissement du contact électrique. Le matériau de remplissage 128 est intégré par exemple en tant que matériau polymère à deux composants dans les pores 124 de la couche 116. Le matériau de remplissage 128 est de préférence un matériau présentant une très faible viscosité, de sorte que le matériau de remplissage 128 puisse se répandre par les pores 124 jusqu'à la surface 118 du substrat 114. Dans une étape suivante, le matériau de remplissage 128 est libéré des inclusions d'air indésirables, par exemple par évacuation. Enfin, le matériau de remplissage 128 est durci. Ce durcissement peut s'effectuer automatiquement par un choix approprié du matériau de remplissage 128. Par exemple, il peut être prévu que le matériau de remplissage 128 soit un mélange d'une résine et d'un durcisseur correspondant. Le matériau de remplissage 128 est ensuite solidifié en particulier par réticulation de la résine. Après l'application du matériau de remplissage 128, la surface extérieure 136 de la couche 116 est encore recouverte du matériau de remplissage 128. Ainsi, l'établissement d'un contact électrique avec les autres composants 110 peut être fortement gêné. Le matériau de remplissage 128 est en conséquence, de préférence, éliminé avant d'utiliser la plaque bipolaire 108. A cet égard, la plaque bipolaire 108 est traitée par exemple dans un procédé de sablage à jet de sable, pour éliminer le matériau de remplissage 128 de la surface extérieure 136 de la couche 116. A l'état fini, le substrat 114 est protégé en particulier au moyen du matériau de remplissage 128. Du fait que la surface extérieure 136 de la couche 116 est libérée, un bon établissement du contact électrique avec les autres composants 110 du dispositif électrochimique 100 est assuré. Dans d'autres modes de réalisation (non représentés) des dispositifs électrochimiques 100, un(e) ou plusieurs des caractéristiques et/ou avantages décrits précédemment peuvent être combinés. En outre, dans d'autres modes de réalisation, il peut être prévu que la couche 116 appliquée par un procédé d'injection de plasma, soit dotée sur sa surface 136 d'une couche supplémentaire, en particulier d'une couche de contact. Sur la figure 3 est présenté un diagramme mettant en évidence la fonction de la plaque bipolaire 108 décrite. Sur celui-ci figure la densité de courant par rapport au temps (Acm2/h). Ce diagramme selon la figure 3 présente un test de corrosion du substrat 114 20 doté de la couche 116 dans un environnement simulé d'une anode d'une cellule électrolytique PEM. Une densité de courant constante de 10 1.tA/cm2 sur 24 heures est mesurée. La plaque bipolaire 108 était alors polarisée à un potentiel constant de 2 V par rapport à l'électrode à l'hydrogène standard (SHE, Standard Hydrogen Electrode). D'autres 25 paramètres du procédé prévus étaient les suivants : saturation d'oxygène 0,5 M (1 N) H2504 (pH = 0) à 80 °C. A partir de l'évolution constante de la densité de courant pendant les 24 heures de mesure, on peut en déduire une stabilité élevée de la plaque bipolaire 108 et en particulier une fonction protectrice fiable de la couche 116 pour le substrat 30 114. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci- dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Liste des références 100 dispositif électrochimique 102 dispositif électrolytique 104 cellule électrolytique 106 cellule électrochimique 108 plaque bipolaire 110 composant 112 canal d'écoulement 114 substrat 116 couche 118 surface 122 tôle d'acier inoxydable 124 pore 126 surface 128 matériau de remplissage 130 cavité 132 surface intérieure 134 scellement 136 surface extérieure 138 surface d'appui REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une plaque bipolaire (108), comprenant : - la préparation d'un substrat (114) ; - l'application d'une couche (116) sur le substrat (114) par un procédé d'injection de plasma ; - le scellement de la couche (116). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, sur le substrat (114), une couche (116) est appliquée, qui comprend du titane (Ti), du nitrite de titane (TiN), du nitrite de tantale (TaN), de l'oxyde de sélénium dopé au fluor (Sn02:F), du carbure de tungstène (WC) et/ou de l'or (Au) ou est constituée d'un ou plusieurs de ces matériaux. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, pour le scellement de la couche (116) et/ou du substrat (114), des pores (124) de la couche (116) sont remplis au moins partiellement d'un matériau de remplissage (128). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau de remplissage (128) comprend un matériau polymère, en particulier un matériau polymère à deux composants, et/ou un matériau céramique ou est constitué d'un matériau polymère 20 et/ou d'un matériau céramique. 5. Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la plaque bipolaire (108) est soumise à une pression négative après l'application de la couche (116) sur le substrat (114) et après le remplissage au moins partiel des pores (124) de 25 la couche (116) avec le matériau de remplissage (128) 6. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le matériau de remplissage (128) est inséré sous forme liquide dans les pores (124) de la couche (116) appliquée précédemment et est durci après l'insertion et/ou en ce que du 30 matériau de remplissage (128) est appliqué par un procédé d'injection de plasma, en particulier pendant l'application de la couche (116). 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'un côté détourné du substrat (114), en particulier une surface (126), de la couche (116) est traité, en particulier est libéré du matériau de remplissage (128) après le remplissage au moins partiel des pores (124) de la couche (116), par exemple par un procédé de sablage et/ou par un procédé de meulage. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le substrat (114) est conçu sous forme de plaque et/ou le substrat (114) est constitué d'un matériau en acier, par exemple d'une tôle d'acier (122). 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le substrat (114) est doté d'un côté ou des deux côtés de plusieurs canaux d'écoulement (112), en particulier avant que la couche (116) soit appliquée par le procédé d'injection de plasma. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la surface (118) du substrat (114) est rugosifiée par un procédé de sablage à jet de sable et/ou par un procédé de meulage, en particulier avant que la couche (116) soit appliquée. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'un côté détourné du substrat (114), en particulier une surface (126), de la couche (116) est doté d'une couche mince. 12. Plaque bipolaire (108) pour une cellule électrochimique (106), comprenant un substrat (114) qui est doté d'une couche scellée (116) appliquée par un procédé d'injection de plasma. 13. Plaque bipolaire (108) pour une cellule électrochimique (106), selon la 30 revendication 12, caractérisée en ce que la plaque bipolaire (108) comprend un substrat (114) qui est doté d'un côté ou des deux côtés de canaux d'écoulement (112). 14. Plaque bipolaire (108) selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisée en ce que le substrat (114) est revêtu d'un côté ou des deux côtés essentiellement complètement par la couche (116). 15. Cellule électrochimique (106), en particulier cellule électrolytique (104) ou pile à combustible, comprenant au moins une plaque bipolaire (108) selon l'une des revendications 12 à 14.