Brevet FR3016476A1 — publié le 20150717

La présente invention concerne une plaque de pile à combustible ainsi qu'une cellule et une pile correspondantes. 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 ») afin de former une cellule élémentaire de pile à combustible, la plaque étant de forme générale rectangulaire ou carrée et comprenant deux faces opposées respectivement une face réactive et une face de refroidissement, la face réactive comprenant, dans sa partie centrale, une zone de circulation de forme rectangulaire ou carrée 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 coin de la zone de circulation et une sortie située au niveau d'un second coin opposé de la zone de circulation, la face de refroidissement de la plaque comprenant des reliefs et creux formés par la contre-forme du au moins un canal de circulation, les reliefs et creux de la face de refroidissement de la plaque étant destinés à venir au contact d'une face de refroidissement d'une plaque d'une autre cellule adjacente lors d'un empilement de cellules, de façon à délimiter un circuit pour un fluide de refroidissement. Une cellule de pile à combustible est formée d'un empilement de cellules élémentaires. Chaque cellule peut être composée de deux plaques polaires ou bipolaires prenant en sandwich un Assemblage Membrane Electrode (AME). Des joints de plaque et un circuit permettent l'arrivée et la sortie des fluides dans la cellule (hydrogène et air). 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 via un liquide caloporteur ou en ventilant de l'air. La présente invention concerne préférentiellement le cas du refroidissement liquide. Dans le cas des plaques métalliques, les plaques sont généralement embouties ou hydro-formées. Les cellules élémentaires obtenues sont donc très fines (de l'ordre de quelques millimètres d'épaisseur au total). Il est cependant nécessaire de trouver un moyen d'intégrer un système de refroidissement entre les cellules adjacentes. Cependant, plusieurs contraintes sont à respecter. Ainsi, par exemple, les cellules électrochimiques et les cellules de refroidissement doivent être étanches vis-à-vis de l'extérieur. De plus, l'assemblage des cellules doit permettre une compression mécanique homogène des Assemblage Membrane Electrode et doit pouvoir résister au serrage de l'empilement. Les plaques doivent donc résister à la pression mécanique. En outre, un bon contact électrique doit être assuré d'une cellule à l'autre au niveau de leur côté refroidissement, c'est-à-dire entre la face de refroidissement d'une plaque cathodique et le côté de refroidissement d'une plaque anodique (ou inversement). Le document US20090136824A1 décrit par exemple une plaque identique pour les côtés cathodiques et anodiques. Lors de l'assemblage, les deux plaques formant la cellule sont décalées l'une par rapport à l'autre d'un quart de tour. Le rendement de l'empilement de cellules ainsi constitué n'est cependant pas optimisé. En particulier, les canaux de circulation des réactifs de chaque plaque ne peuvent pas être optimisés pour le réactif considéré (air ou hydrogène). De plus, cette architecture ne permet pas d'optimiser la répartition des différentes entrées et sorties de fluide sur la plaque (imposé par le décalage d'un quart de tour des deux plaques de la cellule). 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 caractérisée en ce que le bords délimitant la zone de circulation ne sont pas parallèles respectivement aux côtés de la plaque mais sont décalés d'un angle de 45 degrés par rapport un axe perpendiculaire au plan de la plaque et en ce que le au moins un canal serpente sur la zone de circulation successivement d'un bord à l'autre de la zone de circulation avant de relier l'entrée à la sortie, le au moins un canal définissant une pluralité de portions rectilignes parallèles de circulation, ces portions rectilignes du au moins un canal étant parallèle à deux bords opposés de la zone de circulation. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - en serpentant, le au moins un canal définit une pluralité de portions rectilignes dont deux portions successives sont perpendiculaires entre-elles, chaque portion étant parallèle à un côté ou bord de la zone de circulation, - le au moins un canal comporte une succession d'enchaînements composés chacun : d'une portion rectiligne parallèle à un premier bord de la zone de circulation suivie d'une portion rectiligne parallèle à un second bord de la zone active, la seconde portion rectiligne étant perpendiculaire à la première portion rectiligne, - la plaque est en métal ou alliage métallique et formée par emboutissage 10 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, - la zone de circulation est composée d'une pluralité de canaux parallèles qui serpentent sur la zone de circulation successivement d'un bord à l'autre de la 15 zone de circulation avant de relier l'entrée à la sortie, les canaux parallèles définissant une pluralité de portions rectilignes parallèles à deux côtés opposés de la zone de circulation, - la plaque comprend des collecteurs d'entrée et de sortie pour le réactif situés respectivement au niveau de deux coins diamétralement opposés de la 20 plaque, - la plaque comprend des entrées et sorties collectrices pour le fluide de refroidissement situées respectivement de part et d'autre de deux côtés de la zone de circulation, L'invention peut concerner également une cellule élémentaire de pile à 25 combustible 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 30 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 coin de la zone de circulation et une sortie située au niveau d'un second coin opposé de la zone de circulation, les faces réactives des deux plaques étant située en vis-à-vis de l'Assemblage Membrane Electrodes(« AME »), les deux plaques étant superposées de sorte que le au moins un canal d'une plaque est perpendiculaire au moins un canal de l'autre plaque . Selon d'autres particularités possibles : - la surface active de l'Assemblage Membrane Electrodes (« AME ») est délimitée par la surface où les canaux des deux plaques sont se croisent perpendiculairement, c'est-à-dire excluant les zones de virage des canaux situées le long des bords de la zone de circulation, - le nombre et/ou la géométrie du au moins un canal d'une plaque est différent de celui du moins un canal de l'autre plaque. L'invention peut concerner également une pile à combustible comprenant un empilement de cellules conformes à l'une quelconque des caractéristiques ci- dessus ou ci-dessous. 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 de dessus, schématique et partielle, illustrant la structure d'une plaque de pile à combustible selon un premier mode de réalisation possible de l'invention, - la figure 2 représente une vue de dessus, schématique et partielle, illustrant la structure d'une plaque de pile à combustible selon un second mode de réalisation possible de l'invention, - la figure 3 représente une vue de dessus, schématique et partielle, illustrant en transparence la superposition de deux plaques de pile à combustibles conformes au mode de réalisation de la figure 1 pour former une cellule élémentaire de pile à combustible, - la figure 4 représente schématiquement un détail de la figure 3 illustrant notamment une portion des canaux de circulation de la surface active de l'une des plaques, - la figure 5 représente une vue de dessus, schématique et partielle, illustrant en transparence la superposition de deux plaques de pile à combustibles conformes au mode de réalisation de la figure 1 munies de passages pour des tirants de serrage les plaques. La plaque 1 illustrée à la figure 1 est de forme générale carrée et comprend classiquement deux faces opposées respectivement une face réactive et une face de refroidissement. La face réactive (visible à la figure 1) est prévue pour guider un réactif tel que l'hydrogène gazeux dans le cas d'une plaque anodique (ou de l'air dans le cas d'une plaque cathodique) contre un assemblage membrane électrode (AME). La face de refroidissement, située de l'autre côté, est prévue pour échanger thermiquement avec un fluide de refroidissement (par exemple liquide). Dans sa partie centrale, la face réactive comprend une zone 3 de circulation de forme rectangulaire ou carrée munie de reliefs et creux formant au moins un canal 10 de circulation pour le réactif. Le au moins un canal 10 de circulation comprend une entrée 11 située au niveau d'un premier coin de la zone 3 de circulation et une sortie 12 située au niveau d'un second coin opposé de la zone 3 de circulation. Les entrée 11 et sortie 12 sont reliées respectivement à des collecteurs d'entrée 5 et de sortie 6. Ces collecteurs 5, 6 sont situées par exemple au niveau de deux coins opposés de la plaque et reliés respectivement aux entrées et sorties 11, 12 via des canaux respectifs. La plaque 1 comprend en outre des collecteurs d'entrée 9 et de sortie 112 pour le fluide de refroidissement situées respectivement de part et d'autre de deux côtés de la zone 3 de circulation. Par exemple chaque collecteur 9, 112 pour le fluide de refroidissement est situé entre la zone 3 de circulation et un collecteur 5, 6 de réactif respectif. La face opposée de la plaque est la face de refroidissement. Cette face de refroidissement comprend des reliefs et des creux formés par la contre-forme du au moins un canal 10 de circulation. Les reliefs et creux de la face de refroidissement de la plaque sont destinés à venir au contact d'une face de refroidissement d'une plaque d'une autre cellule adjacente lors d'un empilement de cellules. De cette façon, les contre-formes délimitent entre deux cellules un circuit 4 pour un fluide L de refroidissement. Comme illustré, les bords délimitant la zone de circulation 3 ne sont pas parallèles respectivement aux côtés de la plaque mais sont décalés d'un angle de 45 degrés par rapport à un axe perpendiculaire au plan de la plaque1. De plus, le au moins un canal 10 serpente sur la zone 3 de circulation successivement d'un bord à l'autre de la zone 3 de circulation avant de relier l'entrée 11 à la sortie 12. C'est-à-dire que le au moins un canal 10 définit une pluralité de portions rectilignes parallèles de circulation. Ces portions rectilignes du au moins un canal 10 sont parallèles aux deux bords opposés de la zone 3 de circulation. En serpentant, le au moins un canal 10 définit une pluralité de portions rectilignes selon trois sens distincts de circulation. Ces trois sens de circulations ne sont pas parallèles à la direction fictive passant par l'entrée 11 et la sortie 12. Par exemple, le au moins un canal 10 comporte une succession d'enchaînements composés chacun : d'une portion rectiligne parallèle à un premier bord de la zone 3 de circulation suivie d'une portion rectiligne parallèle à un second bord de la zone 3 active, la seconde portion rectiligne étant perpendiculaire à la première portion rectiligne. La figure illustre de façon simplifiée un unique canal 10. Cependant, de préférence la zone de circulation est composée d'une pluralité de canaux 10 parallèles qui serpentent selon ce tracé sur la zone 3 de circulation. Ces canaux 10 parallèles définissent une pluralité de portions rectilignes parallèles à deux côtés opposés de la zone 3 de circulation. La figure 3 illustre en transparence la superposition d'une plaque anodique 2 et d'une plaque cathodique 1. Les deux plaques 1, 2 sont superposées bords à bords de sorte que les parties rectilignes centrale des canaux 10 de circulation 25 des deux plaques se croisent avec un angle de 90°. Dans l'exemple représenté ces canaux 10 sont identiques pour la plaque cathodique et pour la plaque anodique. Cependant, la forme des canaux (profondeur et/ou nombre de canaux en parallèle) peuvent être différents entre les plaques anodiques et cathodiques. Ceci peut en effet permettre d'optimiser le 30 rendement de la cellule. Cette architecture ne nécessite pas l'insertion d'une onde de refroidissement (plaque supplémentaire) entre les plaques anodiques et cathodiques. En effet, dans cette configuration, le liquide L de refroidissement peut circuler dans le circuit 4 formé par les contre empreintes des deux plaques (comme symbolisé par des flèches à la figure 3). La cellule ainsi obtenue comprend uniquement deux plaques (anodique et cathodique), sans nécessiter un élément intermédiaire supplémentaire pour le circuit de refroidissement. Ceci diminue le coût et l'encombrement de l'ensemble. Comme représentée, la surface active 7 de l'assemblage membrane électrode 8 (AME) peut être délimitée par la zone de recouvrement des canaux 10 cathodiques et des canaux anodiques. Plus précisément et comme visible à la figure 3, la surface active 7 de 10 l'Assemblage Membrane Electrodes 8 (« AME ») peut être délimitée uniquement par la surface où les canaux 10 des deux plaques 1, 2 se croisent perpendiculairement, c'est-à-dire que sont exclues les zones de virage des canaux 10 situées parallèlement le long des bords de la zone 3 de circulation. La figure 4 illustre schématiquement les portions parallèles de canaux 10 15 d'une plaque qui font partie de la surface active (seules les portions parallèles sont inclues dans la surface 7 active). De cette façon, il est possible de « transformer » les zones de virages des canaux 10 en « chambre » pour les gaz. Cela permet également de diminuer les pertes de charge dans les canaux 10 qui est une contrainte souvent importante 20 dans le dimensionnement des canaux gaz des plaques métalliques. De plus cette surface 7 active ainsi définie permet de diminuer les contraintes de mise en forme dans les virages des canaux et aussi d'optimiser l'entrée du fluide de refroidissement au niveau de la surface active. Cette architecture permet d'optimiser la surface de la plaque autour de la 25 surface active (par rapport à une surface active et le reste de la surface dans le même axe). Ceci permet un gain en poids du matériau utilisé pour la plaque et donc un gain en terme de coût. De plus l'angle de 45° entre les bords de la zone 3 active et les bords des plaques 1, 2 ainsi que le positionnement des collecteurs 5, 6 aux angles des 30 plaques 1, 2 permettent d'optimiser le serrage d'un empilement de cellules. En effet, comme illustré à la figure 5, des tirants 14 (par exemple quatre) peuvent être positionnés dans des orifices de passages situés à proximité respectivement des coins de la zone 3 de circulation des plaques 1 superposées. Ceci permet une meilleure répartition de la pression de serrage dans l'empilement par rapport aux solutions connues avec des tirants passant à chaque angle de la plaque). La plaque peut être réalisée en métal ou alliage métallique et peut être 5 formée par emboutissage et/ou hydroformage, notamment les reliefs et creux formant le au moins un canal 10 de circulation (et donc la forme correspondante en négatif sur la face de refroidissement). Bien entendu, les positions des éléments sur la plaque 1 peuvent être modifiées. Par exemple, et comme représenté à la figure 2, les collecteurs des 10 réactifs anodique H et cathodique A peuvent être localisés par paire dans deux coins opposés de la plaque 1. REVENDICATIONS1. Plaque de pile à combustible destinée à coopérer avec une autre plaque (2) de pile pour prendre en sandwich un Assemblage Membrane Electrodes (« AME ») (8) afin de former une cellule élémentaire de pile à combustible, la plaque (1) étant de forme générale rectangulaire ou carrée et comprenant deux faces opposées respectivement une face réactive et une face de refroidissement, la face réactive comprenant, dans sa partie centrale, une zone (3) de circulation de forme rectangulaire ou carrée munie de reliefs et creux formant au moins un canal (10) de circulation pour un réactif, le au moins un canal (10) de circulation pour un réactif ayant une entrée (11) située au niveau d'un premier coin de la zone (3) de circulation et une sortie (12) située au niveau d'un second coin opposé de la zone (3) de circulation, la face de refroidissement de la plaque (1) comprenant des reliefs et creux formés par la contre-forme du au moins un canal (10) de circulation, les reliefs et creux de la face de refroidissement de la plaque étant destinés à venir au contact d'une face de refroidissement d'une plaque (1) d'une autre cellule adjacente lors d'un empilement de cellules, de façon à délimiter un circuit (4) pour un fluide (L) de refroidissement, caractérisé en ce que le bords délimitant la zone de circulation (3) ne sont pas parallèles respectivement aux côtés de la plaque (1) mais sont décalés d'un angle de 45 degrés par rapport un axe perpendiculaire au plan de la plaque (1) et en ce que le au moins un canal (10) serpente sur la zone (3) de circulation successivement d'un bord à l'autre de la zone (3) de circulation avant de relier l'entrée (11) à la sortie (12), le au moins un canal (10) définissant une pluralité de portions rectilignes parallèles de circulation, ces portions rectilignes du au moins un canal (10) étant parallèle à deux bords opposés de la zone (3) de circulation. 2. Plaque selon la revendication 1, caractérisée en ce que, en serpentant, le au moins un canal (10) définit une pluralité de portions rectilignes dont deux portions successives sont perpendiculaires entre-elles, chaque portion étant parallèle à un côté ou bord de la zone (3) de circulation. 3. Plaque selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le au moins un canal (10) comporte une succession d'enchaînements composés chacun : d'une portion rectiligne parallèle à un premier bord de la zone (3) de circulation suivie d'une portion rectiligne parallèle à un second bord de la zone (3) active, la seconde portion rectiligne étant perpendiculaire à la première portion rectiligne. 4. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle est en métal ou alliage métallique et formée par emboutissage et/ou hydroformage, notamment les reliefs et creux formant le au moins un canal (10) sur la face réactive et les reliefs et creux de la face de refroidissement sont formés par emboutissage et/ou hydroformage. 5. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la zone de circulation est composée d'une pluralité de canaux (10) parallèles qui serpentent sur la zone (3) de circulation successivement d'un bord à l'autre de la zone (3) de circulation avant de relier l'entrée (11) à la sortie (12), les canaux (10) parallèles définissant une pluralité de portions rectilignes parallèles à deux côtés opposés de la zone (3) de circulation. 6. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 ou 5, caractérisée en ce que la plaque (1) comprend des collecteurs d'entrée (5) et de sortie (6) pour le réactif situés respectivement au niveau de deux coins diamétralement opposés de la plaque (1). 7. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 ou 6, caractérisée en ce que la plaque (1) comprend des entrées (9) et sorties (112) collectrices pour le fluide de refroidissement situées respectivement de part et d'autre de deux côtés de la zone (3) de circulation. 8. Cellule élémentaire de pile à combustible comprenant deux plaques (1, 2) de pile respectivement anodique et cathodique conformes à l'une quelconque des revendications 1 à 7, les plaques (1, 2) prenant en sandwich un Assemblage Membrane Electrodes (8) (« AME »), chaque plaque (1, 2) comprenant deux faces opposées respectivement une face réactive et une face de refroidissement, la face réactive de chaque plaque (1, 2) étant munie de reliefs et creux formant au moins un canal de circulation pour un réactif, àsavoir un réactif anodique tel que de l'hydrogène gazeux pour la plaque anodique (1) et un réactif cathodique tel que de l'air pour la plaque cathodique (2), le au moins un canal (10) ayant une entrée (11) située au niveau d'un coin de la zone (3) de circulation (3) et une sortie (12) située au niveau d'un second coin opposé de la zone (3) de circulation, les faces réactives des deux plaques (1, 2) étant située en vis-à-vis de l'Assemblage Membrane Electrodes (8) (« AME »), les deux plaques (1, 2) étant superposées de sorte que le au moins un canal (10) d'une plaque (1) est perpendiculaire au moins un canal de l'autre plaque (2). 9. Cellule élémentaire selon la revendication 8, caractérisée en ce que la surface active (7) de l'Assemblage Membrane Electrodes (8) (« AME ») est délimitée par la surface où les canaux (10) des deux plaques (1, 2) sont se croisent perpendiculairement, c'est-à-dire excluant les zones de virage des canaux (10) situées le long des bords de la zone (3) de circulation. 10.Cellule élémentaire selon la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce que le nombre et/ou la géométrie du au moins un canal (10) d'une plaque (1) est différent de celui du moins un canal de l'autre plaque (2). 11. Pile à combustible comprenant un empilement de cellules conformes à l'une quelconque des revendications 8 ou 9.20