Brevet FR3033667A1 — publié le 20160916

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne le domaine des piles à combustible, et vise plus particulièrement les piles à combustibles destinées à des applications dans le domaine de l'aéronautique. ETAT DE L'ART Les piles à combustible présentent un principe de fonctionnement associé à des réactions électrochimiques aux électrodes séparées par un électrolyte. Dans le cas de piles à combustible à H2 et 02, les réactions électrochimiques conduisent à la génération d'eau, d'électricité et de chaleur. Pour un fonctionnement optimal des piles à combustible, la chaleur générée doit être évacuée de la zone de réaction appelée « Assemblage Membrane-Electrodes » ou « AME » afin de garantir un fonctionnement dans des conditions nominales. Les solutions actuelles consistent essentiellement en un refroidissement au moyen d'un flux de fluide caloporteur perpendiculaire à l'écoulement des réactifs, ou à un flux de fluide caloporteur présentant une forme de type serpentin. Les différentes solutions connues présentent cependant plusieurs inconvénients, notamment des pertes de charges importantes dans l'écoulement des fluides caloporteurs utilisés, ce qui entraine des débits non homogènes. On représente schématiquement sur la figure 1 un exemple de plaque bipolaire, afin d'en illustrer la structure générale. On illustre sur cette figure une plaque bipolaire 1 de forme généralement rectangulaire, présentant ainsi deux extrémités longitudinales 11 et 12 définissant une direction longitudinale de la 3033667 2 plaque bipolaire 1, et deux extrémités latérales 13 et 14 définissant une direction transversale de la plaque bipolaire 1. Des canaux de circulation 2, que l'on détaillera ci-après, s'étendent selon la direction longitudinale de la plaque bipolaire 1, et définissent 5 une circulation de réactifs et de fluide de refroidissement. Des cheminées sont aménagées sur le contour de la plaque bipolaire 1, afin d'assurer l'alimentation et le refoulement en réactifs et en fluide caloporteur. On définit ainsi deux cheminées de circulation d'un premier réactif, Al et 10 A2, deux cheminées de circulation d'un second réactif, Bi et B2, ainsi que deux paires de cheminées de circulation de fluide caloporteur, Cl et C2 Plusieurs types de plaques peuvent être formées, dans lesquelles différentes cheminées de circulation sont ouvertes ou fermées. Dans 15 l'exemple illustré, les cheminées de circulation de fluide caloporteur Cl et C2 sont ouvertes, de sorte que le fluide caloporteur s'écoule dans les canaux définis par la plaque bipolaire 1. La figure 2 est une vue en coupe transversale d'un empilement de 20 plaques bipolaires telles que représentées sur la figure 1, et illustre notamment l'agencement des canaux de circulation de réactifs et de fluide caloporteur. On représente sur cette figure un empilement de plaques bipolaires 1, 25 entre lesquelles sont intercalées des membranes échangeuses de protons 3. Cette vue en coupe représente schématiquement les différents conduits de circulation de réactifs et de fluide caloporteur. On désigne ainsi par la référence A les canaux de circulation d'un 30 premier réactif, par la référence B les canaux de circulation d'un second réactif, et par la référence C les canaux de circulation d'un fluide caloporteur. 3033667 3 Comme on le voit sur cette figure, chaque canal de circulation de réactif A ou B est encadré par deux canaux de circulation de fluide caloporteur C. On a ainsi pour chaque plaque bipolaire 1 une répétition d'un motif du type C-A-C-B ou C-B-C-A. 5 Les plaques bipolaires 1 représentées sont formées de manière à être régulières, c'est-à-dire à ce que les canaux de circulation de réactifs A et B aient une section constante selon la direction transversale de la plaque bipolaire 1, et que les canaux de circulation de fluide caloporteur C aient 10 également une section constante selon la direction transversale de la plaque bipolaire 1. De tels empilement entrainent une répartition de débits de fluide telle que représentée schématiquement sur la figure 3. On représente sur le 15 graphe de la figure 3 les débits de réactifs et de fluide caloporteur en fonction de la position des canaux par rapport à la direction transversale de la plaque bipolaire considérée. Comme on le voit sur ce graphe, la répartition n'est pas homogène ; le débit de fluide caloporteur est réduit vers le centre de la plaque bipolaire 20 1, tandis que le débit de réactifs est réduit vers les extrémités de la plaque bipolaire 1. Un tel débit non homogène réduit les performances de l'empilement, et peut être problématique en termes de refroidissement, du fait du débit réduit de fluide caloporteur au centre des plaques bipolaires 1. 25 Afin de remédier à cette problématique, il a été proposé de réaliser des surfaces annexes importantes pour permettre l'établissement homogène des débits, ce qui augmente toutefois la masse des empilements des piles à combustible et n'est pas satisfaisant. 30 3033667 4 PRESENTATION DE L'INVENTION La présente invention vise ainsi à remédier au moins partiellement à ces problématiques, et propose une plaque bipolaire pour la réalisation d'un 5 empilement d'une pile à combustible, ladite plaque bipolaire étant formée de deux tôles identiques assemblées formant des canaux de circulation pour un premier et un second réactif de pile à combustible, ainsi que pour un fluide caloporteur, ladite plaque présentant deux extrémités longitudinales définissant une direction longitudinale de la 10 plaque, et deux extrémités latérales définissant une direction transversale de la plaque, les canaux de circulation s'étendant selon la direction longitudinale de la plaque, de sorte que chaque canal de circulation pour un réactif soit encadré par deux canaux de circulation de fluide caloporteur, 15 les canaux de circulation étant configurés de manière à générer des pertes de charges variables selon la position du canal selon la direction transversale de la plaque, de manière à établir un débit homogène de réactifs sur l'ensemble de la plaque, et un débit homogène de fluide caloporteur sur l'ensemble de la plaque. 20 Afin de faire varier les pertes de charge, on peut modifier la section des canaux de circulation de fluide caloporteur, de manière à ce qu'elle augmente des extrémités latérales de la plaque vers le centre de la plaque, et la section des canaux de circulation de réactifs de manière à 25 ce qu'elle diminue des extrémités latérales de la plaque vers le centre de la plaque. On peut également modifier la rugosité au sein des canaux. Les canaux de circulation de fluide caloporteur présentent alors une rugosité 30 décroissante des extrémités latérales de la plaque vers le centre de la plaque, et les canaux de circulation de réactifs présentent une rugosité croissante des extrémités latérales de la plaque vers le centre de la plaque. 3033667 5 Lesdits canaux de circulation ont par exemple une hauteur constante sur l'ensemble de la plaque, la variation de section desdits canaux étant réalisée par modification de leur largeur, mesurée selon la direction 5 transversale de la plaque. On propose également un empilement de pile à combustible, formé par un empilement de plaques bipolaires telles que définies précédemment et de membranes échangeuses de protons. 10 On propose en outre une pile à combustible comprenant un tel empilement. PRESENTATION DES FIGURES 15 D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels : La figure 1 représente schématiquement un exemple de plaque 20 bipolaire, - La figure 2, déjà présentée précédemment, est une vue en coupe transversale d'un empilement de plaques bipolaires selon l'état de la technique, La figure 3, déjà présentée précédemment, représente les débits 25 de réactifs et de fluide caloporteur sur la largeur de la plaque représentée sur la figure 2, - La figure 4 est une vue en coupe transversale d'un empilement de plaques bipolaires selon un aspect de l'invention, - La figure 5 représente les débits de réactifs et de fluide 30 caloporteur sur la largeur de la plaque représentée sur la figure 5. Sur l'ensemble des figures, les éléments en commun sont repérés par des références numériques identiques. 3033667 6 DESCRIPTION DETAILLEE La figure 4 présente une vue en coupe transversale d'un empilement de plaques bipolaires selon un aspect de l'invention. 5 On représente sur cette figure une vue en coupe transversale d'un empilement de plaques bipolaires 1 présentant chacune une structure générale telle que décrite précédemment en référence à la figure 1. Pour rappel, on définit ainsi une plaque bipolaire 1 présentant une forme 1 0 généralement rectangulaire, présentant ainsi deux extrémités longitudinales 11 et 12 définissant une direction longitudinale de la plaque bipolaire 1, et deux extrémités latérales 13 et 14 définissant une direction transversale de la plaque bipolaire 1. 1 5 Les plaques bipolaires sont formées par assemblage de deux tôles identiques, superposées de manière à former des canaux de circulation de fluide. Dans l'empilement représenté sur la figure 4, des membranes 20 échangeuses de protons 3 sont intercalées entre les plaques bipolaires 1, ces dernières formant des canaux de circulation pour les réactifs et pour un fluide caloporteur. Les réactifs sont par exemple de l'hydrogène et de l'oxygène. On désigne ainsi par la référence A les canaux de circulation d'un premier réactif, par la référence B les canaux de circulation d'un second réactif, et par la référence C les canaux de circulation d'un fluide caloporteur. 25 30 Comme on le voit sur cette figure, chaque canal de circulation de réactif A ou B est encadré par deux canaux de circulation de fluide caloporteur 3033667 7 C. On a ainsi pour chaque plaque bipolaire 1 une répétition d'un motif du type C-A-C-B ou C-B-C-A. Contrairement aux plaques bipolaires connues, les plaques bipolaires 1 5 présentées sont configurées de manière à ce que les pertes de charges au sein des différents canaux de circulation de réactifs et de fluide caloporteur A, B et C varient en fonction de la position des canaux selon la direction transversale de la plaque bipolaire 1. 10 Plus précisément, les canaux de circulation de réactifs A et B sont configurés de manière à présenter un débit sensiblement constant sur l'ensemble de la plaque bipolaire 1, notamment indépendant de la position du canal considéré selon la direction transversale de la plaque bipolaire 1. 15 De la même manière, les canaux de circulation de fluide caloporteur C sont configurés de manière à présenter un débit sensiblement constant sur l'ensemble de la plaque bipolaire 1, notamment indépendant de la position du canal considéré selon la direction transversale de la plaque bipolaire 1. 20 Dans l'exemple représenté, la section des canaux de circulation de fluide caloporteur C augmente des extrémités latérales de la plaque bipolaire 1 vers le centre de la plaque bipolaire 1, tandis que la section des canaux de circulation de réactifs A et B diminue des extrémités latérales de la 25 plaque bipolaire 1 vers le centre de la plaque bipolaire 1. Ces variations de sections des différents canaux permettent de générer des pertes de charge équivalentes pour les différents fluides quel que soit leur parcours, et ainsi d'obtenir des débits homogènes. 30 Dans le mode de réalisation représenté, les différents canaux ont une hauteur constante. C'est la largeur des canaux, mesurée selon la direction transversale, qui varie. 3033667 8 On peut également faire varier la rugosité au sein des différents canaux, par exemple de manière à ce que les canaux de circulation de fluide caloporteur C présentent une rugosité décroissante des extrémités 5 latérales de la plaque bipolaire 1 vers le centre de la plaque bipolaire 1, et que les canaux de circulation de réactifs A et B présentent une rugosité décroissante croissante des extrémités latérales de la plaque bipolaire 1 vers le centre de la plaque bipolaire 1. 10 La figure 5 représente les débits de réactifs A et B et de fluide caloporteur C ainsi obtenus en fonction de la position des canaux selon la direction transversale de la plaque bipolaire 1 considérée. Comme on le voit sur la figure 5, les réactifs A et B ont un débit 15 constant et identique selon la direction la direction transversale de la plaque bipolaire 1. Le fluide caloporteur C a également un débit constant selon la direction la direction transversale de la plaque bipolaire 1, ici représenté comme étant inférieur au débit des réactifs A et B. 20 Afin d'obtenir de tels débits constants, on peut ainsi modifier la section et/ou la rugosité au sein des différents canaux de circulation des réactifs A et B, et du fluide caloporteur C. 25 Un tel empilement peut être intégré dans une pile à combustible, par exemple du type pile à membrane échangeuse de protons. La structure de plaque bipolaire ainsi proposée permet donc d'obtenir un débit indépendant de la position des canaux sur la plaque, ce qui permet 30 donc d'obtenir des performances sensiblement homogènes sur la surface de la plaque bipolaire, sans nécessiter une augmentation du volume ou de la masse de l'ensemble. REVENDICATIONS1. Plaque bipolaire (1) pour la réalisation d'un empilement d'une pile à combustible, ladite plaque bipolaire (1) étant formée de deux tôles identiques assemblées formant des canaux de circulation pour un premier et un second réactif de pile à combustible (A, B), ainsi que pour un fluide caloporteur (C), ladite plaque (1) présentant deux extrémités longitudinales (11, 12) définissant une direction longitudinale de la plaque (1), et deux extrémités latérales (13, 14) définissant une direction transversale de la plaque (1), les canaux de circulation (A, B, C) s'étendant selon la direction longitudinale de la plaque (1), de sorte que chaque canal de circulation pour un réactif (A, B) soit encadré par deux canaux de circulation de fluide caloporteur (C), les canaux de circulation (A, B, C) étant configurés de manière à générer des pertes de charges variables selon la position du canal selon la direction transversale de la plaque (1), de manière à établir un débit homogène de réactifs (A, B) sur l'ensemble de la plaque (1), et un débit homogène de fluide caloporteur (C) sur l'ensemble de la plaque (1). 2. Plaque bipolaire (1) selon la revendication 1, dans laquelle la section des canaux de circulation de fluide caloporteur (C) augmente des extrémités latérales (13, 14) de la plaque (1) vers le centre de la plaque (1), et la section des canaux de circulation de réactifs (A, B) diminue des extrémités latérales (13, 14) de la plaque (1) vers le centre de la plaque (1). 3. Plaque bipolaire (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle les canaux de circulation de fluide caloporteur (C) présentent une rugosité décroissante des extrémités latérales (13, 14) de la plaque (1) vers le centre de la plaque (1), et les canaux de circulation de réactifs (A, B) présentent une rugosité croissante des extrémités latérales (13, 14) de la plaque (1) vers le centre de la plaque (1). 3033667 10 4. Plaque bipolaire (1) selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle lesdits canaux de circulation (A, B, C) ont une hauteur constante sur l'ensemble de la plaque (1), la variation de section desdits canaux (A, B, C) étant réalisée par modification de leur largeur, 5 mesurée selon la direction transversale de la plaque (1). 5. Empilement de pile à combustible, formé par un empilement de plaques bipolaires (1) selon l'une des revendications 1 à 4, et de membranes échangeuses de protons (3). 6. Pile à combustible comprenant un empilement selon la revendication 5. 10