Brevet FR3030120A1 — publié le 20160617

La présente invention concerne un empilement de cellules de pile à combustible et une pile à combustible comprenant un tel empilement. L'invention concerne plus particulièrement un empilement de cellules de pile à combustible à membrane échangeuse de protons dans lequel les cellules comprennent chacune une plaque anodique et une plaque cathodique prenant en sandwich un Assemblage Membrane Electrodes, chaque plaque comprenant deux faces opposées respectivement une face réactive et une face de refroidissement, la face réactive de chaque plaque étant destinée à faire face à l'Assemblage Membrane Electrodes et étant munie de reliefs et creux formant au moins un canal de circulation pour un réactif, la face de refroidissement définissant un chemin pour un fluide de refroidissement de la cellule, le au moins un canal de circulation pour un réactif ayant une entrée communiquant avec un orifice de distribution de réactif formé au travers de la plaque, la plaque comprenant en outre un orifice collecteur d'entrée de réactif qui est distinct de l'orifice de distribution de réactif, l'orifice collecteur d'entrée de réactif étant prévu pour alimenter en réactif l'entrée du canal via un passage situé sur la face de refroidissement et mettant en relation fluidique l'orifice collecteur d'entrée et l'orifice de distribution de réactif, chaque plaque comportant un joint d'étanchéité périphérique disposé sur la face réactive et comprenant une portion formant un boucle autour de l'orifice collecteur d'entrée. Les cellules de pile à combustible (coté anode et côté cathode) génèrent de la chaleur (les réactions chimiques au sein de la cellule sont exothermiques) et doivent être refroidies par un circuit de refroidissement. Dans le cas d'une cellule composée de deux plaques prenant en sandwich un Assemblage Membrane Electrodes, chaque plaque (anodique ou cathodique) comprend un côté dédié à la circulation des gaz réactif (air ou hydrogène en vis-à-vis de l'Assemblage Membrane Electrodes) et un côté (tourné vers l'extérieur de la cellule) dédié à la circulation du fluide (liquide) de refroidissement. Ainsi, à chaque extrémité d'un empilement il est nécessaire de fermer le circuit du fluide de refroidissement. En effet, un empilement de cellules se terminant par une moitié de circuit de refroidissement, il est donc nécessaire, pour ces dernières demi-cellules de trouver un moyen pour fermer ce demi-circuit de refroidissement. 3030120 2 En particulier, le passage de liquide de refroidissement via des collecteurs internes nécessite d'étancher correctement l'interface entre la dernière demi-cellule et l'extrémité de la pile, tout en assurant un refroidissement efficace de la dernière demi-cellule active d'empilement. 5 Un but de la présente invention est de résoudre ce problème de façon simple et peu coûteuse en palliant tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur. A cette fin, l'empilement de cellules de pile à combustible selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci- 10 dessus, est essentiellement caractérisé en ce que, à une première de ses deux extrémités, l'empilement est terminé par une première plaque d'extrémité anodique ou respectivement, cathodique, disposée sur la plaque d'extrémité cathodique ou, respectivement, anodique, de la dernière cellule de l'empilement, ladite première plaque d'extrémité délimitant un circuit pour le fluide de 15 refroidissement de la dernière cellule, cette première plaque d'extrémité étant une plaque anodique respectivement cathodique, analogue aux plaques anodiques, respectivement cathodiques, des cellules mais étant dépourvue d'orifice de distribution de réactif. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter 20 l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : -à sa seconde extrémité, l'empilement est terminé par une seconde plaque d'extrémité cathodique ou respectivement, anodique, disposée sur la plaque cathodique ou, respectivement, anodique de la dernière cellule de l'empilement, ladite seconde plaque d'extrémité délimitant un circuit pour le fluide 25 de refroidissement de la cellule d'extrémité de l'empilement et en ce que cette seconde plaque d'extrémité est une plaque cathodique, respectivement anodique, analogue aux plaques cathodiques, respectivement anodiques, des cellules mais étant dépourvue d'orifice de distribution, - la seconde plaque d'extrémité est une plaque identique aux plaques 30 cathodiques ou, respectivement anodiques, des cellules, excepté qu'elle ne comprend pas d'orifice de distribution, 3030120 3 - la première plaque d'extrémité est une plaque identique aux plaques anodiques ou, respectivement cathodiques, des cellules, excepté qu'elle ne comprend pas d'orifice de distribution, - les plaques des cellules sont fabriquées par moulage et/ou usinage 5 et/ou hydroformage et/ou emboutissage et/ou par impression en trois dimensions, - les plaques des cellules sont moulées et en ce que la première plaque d'extrémité est une plaque identique aux plaques anodiques ou, respectivement cathodiques, des cellules, et obtenue par moulage et réalisation d'un bouchon au niveau de l'orifice de distribution lors du moulage, 10 - les plaques des cellules sont moulées et en ce que la seconde plaque d'extrémité est une plaque identique aux plaques anodiques ou, respectivement cathodiques, des cellules, et obtenue par moulage et réalisation d'un bouchon au niveau de l'orifice de distribution lors du moulage, - le au moins un canal de circulation de chaque plaque comporte une 15 sortie avec un orifice d'évacuation de réactif formé au travers de la plaque, la plaque comprenant en outre un orifice collecteur de sortie de réactif qui est distinct de l'orifice d'évacuation, l'orifice collecteur de sortie étant prévu pour récupérer le réactif à la sortie du au moins un canal via un passage mettant en relation fluidique l'orifice collecteur de sortie et l'orifice d'évacuation, 20 - les plaques situées aux extrémités de l'empilement sont dépourvues d'orifice d'évacuation, L'invention concerne également une pile à combustible comprenant un tel empilement dans lequel la première plaque d'extrémité est une plaque collectrice de courant. 25 Selon d'autres particularités possibles : - la seconde plaque d'extrémité est une plaque collectrice de courant, - en position d'utilisation, les plaques de l'empilement sont disposées dans des plans verticaux parallèles. L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif 30 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 : 3030120 4 - la figure 1 représente de face, de façon schématique et partielle, de la face réactive d'une plaque de pile à combustible illustrant un premier détail d'un exemple de réalisation possible de l'invention, - la figure 2 représente de face, de façon schématique et partielle, de la 5 face réactive d'une plaque de pile à combustible illustrant un second détail d'un exemple de réalisation possible de l'invention, - la figure 3 représente une vue en perspective, schématique et partielle, illustrant un exemple d'empilement de plaques de cellules d'une pile à combustible, 10 - la figure 4 représente une vue en coupe, schématique et partielle, illustrant un exemple de réalisation d'une extrémité d'un empilement de cellules de pile à combustible selon l'invention, - la figure 5 représente une vue en perspective et en coupe, schématique et partielle, illustrant l'extrémité de l'empilement de la figure 4. 15 Comme illustré à la figure 1, les plaques 10, 20 de pile à combustible constituant les cellules 30 empilées comprennent deux faces opposées respectivement une face réactive et une face de refroidissement. La figure 1 représente schématiquement et partiellement la face réactive d'une plaque 10 cathodique munie de reliefs et creux formant au moins un canal 2 20 de circulation pour un réactif. Le canal 2 de circulation pour un réactif possède une entrée communiquant avec un orifice 12 de distribution de réactif formé au travers de la plaque 1. La plaque 1 comprend en outre un orifice collecteur 3 d'entrée de réactif qui est distinct de l'orifice 12 de distribution de réactif. L'orifice collecteur 3 d'entrée de 25 réactif est prévu pour alimenter en réactif l'entrée du au moins un canal 2 via un passage 7 formé sur la face de refroidissement de la plaque 1 et mettant en relation fluidique l'orifice collecteur 3 d'entrée et l'orifice 12 de distribution de réactif (cf. également figures 4 et 5). Ce passage 7 est schématisé par des pointillés et peut être formé par un ou 30 plusieurs creux ou canaux formé(s) dans l'épaisseur de la plaque 10 au niveau de la séparation entre les deux orifices 3, 12. C'est-à-dire que le gaz réactif arrive par l'orifice 3 collecteur puis transite via le passage le long de la face de refroidissement de la plaque jusqu'à l'orifice 12 de 3030120 5 distribution. Le gaz traverse ensuite l'épaisseur de la plaque 10 via l'orifice 12 de distribution pour atteindre le canal 2 de circulation sur la face réactive. L'orifice collecteur 3 d'entrée peut s'étendre longitudinalement dans le plan de la plaque 1 selon une première direction 13 longitudinale entre une première 5 extrémité 31 inférieure et une seconde extrémité 130 supérieure. L'orifice 12 de distribution peut s'étendre longitudinalement dans le plan de la plaque 10 selon une seconde direction 13 longitudinale entre une première extrémité 121 inférieure et une seconde extrémité 120 supérieure. Les première 13 et seconde 22 directions longitudinales sont par exemple parallèles entre elles et verticales 10 lorsque la plaque 10 est en position d'utilisation verticale (cf. figure 3). La figure 2 illustre l'agencement possible du collecteur 6 de sortie par rapport à l'orifice d'évacuation qui reçoit le gaz réactif en sortie du canal 2. L'agencement du collecteur 6 de sortie par rapport à l'orifice 5 d'évacuation est par exemple symétriquement identique à ce qui précède par rapport au centre 15 de la plaque 1 (l'extrémité inférieure 61 de l'orifice 6 collecteur peut être notamment située en dessous de l'extrémité inférieure de l'orifice 5 d'évacuation). De même, le collecteur 6 de sortie et l'orifice 5 d'évacuation peuvent avoir des formes oblongues s'étendant selon des directions 66, 55 respectives parallèles. C'est-à-dire que les agencements des orifices 5 d'évacuation et du 20 collecteur 6 de sortie peuvent être symétriquement identiques aux agencements respectivement de l'orifice 12 de distribution et du collecteur d'entrée 3. C'est-à-dire que les collecteurs 3, 6 peuvent être identiques et disposés symétriquement par rapport au centre de la plaque 1. De même, les orifices 12, 5 peuvent être identiques et disposés symétriquement par rapport au centre de la plaque 1. La 25 plaque peut ainsi être symétrique au niveau de ses entrées et sorties. C'est-à-dire que la plaque n'a pas de côtés haut et bas et peut être montée sans nécessiter de détrompeur pour disposer l'entrée en haut et la sortie en bas ou inversement. Ceci facilite le montage de la pile. L'orifice 5 d'évacuation est par exemple majoritairement positionné au- 30 dessus du collecteur 6 de sortie. Ceci également évite une accumulation d'eau dans les canaux gaz et évite des « retours d'eau » du collecteur 6 de sortie vers l'orifice 5 d'évacuation. 3030120 6 Ces structures permettent ainsi une meilleur gestion de l'eau au niveau des entrée et sorties fluidiques (collecteurs 3, 6, orifices 12, 5), notamment aux basses températures. Ceci permet d'amélioration de la performance et durée de vie de la cellule, 5 de l'empilement de cellules et de la pile correspondants. Classiquement, la face réactive de la plaque comprend un joint 4 périphérique délimitant les diverses entrées et sorties et notamment le joint délimite (entoure) le canal 2 de circulation. Le joint 4 comprend une portion formant un boucle autour de l'orifice collecteur 3 d'entrée (idem pour le collecteur 10 de sortie 6). Le joint 4 est destiné à reposer sur l'Assemblage Membrane Electrodes pour séparer les différents circuits de fluide. Selon une particularité avantageuse, à une première de ses deux extrémités (extrémité dans le sens de l'empilement des plaques), l'empilement est terminé par une première plaque d'extrémité 21 anodique (ou respectivement, 15 cathodique), disposée sur la plaque 10 d'extrémité cathodique (ou, respectivement, anodique) de la dernière cellule 30 de l'empilement (cf. figures 3 à 5). Par exemple, et comme illustré aux figures 3 à 5, la dernière cellule 30 au sommet de l'empilement se termine par une plaque 10 cathodique et une première 20 plaque d'extrémité supérieure 21 anodique est disposée sur cette dernière pour refermer le circuit de refroidissement. Inversement, à l'autre extrémité de l'empilement, la dernière plaque 21 de la dernière cellule 30 est une plaque anodique recouverte d'une seconde plaque 11 d'extrémité cathodique. 25 Les plaque d'extrémité 11, 21 délimitent (referment) les circuits pour le fluide de refroidissement aux extrémités de l'empilement. Selon une caractéristique avantageuse, ces plaques d'extrémité 11, 21 sont analogues respectivement aux plaques 10, 20 anodiques ou cathodiques respectivement mais sont dépourvues d'orifice de distribution de gaz. 30 Les première 21 et seconde 11 plaques d'extrémité n'autorisent ainsi que le passage du fluide refroidissement sans laisser passer les gaz réactif au travers de leur épaisseur. 3030120 7 Ceci permet d'éviter les risques de fuite de fluide réactif (hydrogène ou air par exemple lorsque ces derniers sont les réactifs utilisés par la pile) ainsi que la surconsommation des gaz. L'utilisation de ces plaques d'extrémité 11, 21 bouchées au niveau de l'orifice de distribution des gaz réactifs permet de refermer 5 la dernière demi-cellule pour ce qui concerne le circuit refroidissement. Ceci assure par ailleurs une bonne étanchéité entre cette dernière demi-cellule et l'élément d'extrémité adjacent de la pile. Après ces plaques 11, 21 d'extrémité, la pile peut comporter classiquement d'autres éléments tels que l'un au moins parmi : une plaque collectrice de courant, 10 un système d'isolation thermique de l'empilement, un système de serrage de l'empilement... De préférence, la plaque 11, 21 d'extrémité (anodique ou cathodique) est une plaque identique aux plaques anodiques ou, respectivement cathodiques, des cellules, excepté qu'elle ne comprend pas d'orifice de distribution. 15 La suppression de cet orifice 12 ou 5 peut être obtenue lors du moulage de la plaque (plastique et/ou composite) en ajoutant ou en modifiant ou en retirant par exemple un insert lors du moulage ou en supprimant l'étape de perçage de l'orifice de distribution pour réaliser une plaque bouchée à cet endroit. Dans le cas où la plaque est fabriquée par usinage il suffira de programmer 20 l'outil d'usinage pour ne pas prévoir cet orifice sur la plaque concernée. Dans le cas où la plaque est fabriquée par emboutissage ou hydroformage, le procédé de fabrication sera prévu pour ne pas générer cet orifice sur la plaque concernée. La plaque peut également être fabriquée par un procédé connu d'impression en trois dimensions (« impression 3D »). 25 Ceci permet de diminuer le coût de fabrication des plaques d'extrémité (modification mineure des plaques standard pour les cellules). Cette solution présente de nombreux avantages. Ainsi, il n'est pas nécessaire de développer une pièce particulière à l'extrémité des empilements de cellules. Pour le moulage par exemple, il suffit en effet de positionner ou non un 30 insert dans le moule qui sert à fabriquer les autres plaques des cellules. Pour les autres modes de fabrication évoqués, seule une petite adaptation est nécessaire par rapport aux plaques avec orifice(s). 3030120 8 Les plaques d'extrémité permettent de refermer simplement la dernière demi-cellule de l'empilement (circuit de refroidissement) en assurant une bonne étanchéité entre cette dernière demi-cellule et l'élément d'extrémité de la pile. Cette structure permet également d'éviter les risques de fuite de réactifs. 5 Les risques chimiques peuvent être évités par la dimension et l'intégration de cette ou ces plaques d'extrémité par rapports aux éléments d'extrémité de l'empilement (isolation chimique des différents réactifs). D'ailleurs, les plaques d'extrémité bouchées peuvent le cas échéant servir de plaques collectrices de courant et donc réduire l'encombrement de 10 l'empilement et le nombre d'éléments constituant ce dernier. Le temps de montage de l'empilement est également réduit. REVENDICATIONS1. Empilement de cellules de pile à combustible à membrane échangeuse de protons dans lequel les cellules (30) comprennent chacune une plaque anodique (10) et une plaque (20) cathodique prenant en sandwich un Assemblage Membrane Electrodes (16), chaque plaque (10, 20) comprenant deux faces opposées respectivement une face réactive et une face de refroidissement, la face réactive de chaque plaque (10, 20) étant destinée à faire face à l'Assemblage Membrane Electrodes (16) et étant munie de reliefs et creux formant au moins un canal (2) de circulation pour un réactif, la face de refroidissement définissant un chemin pour un fluide de refroidissement de la cellule (30), le au moins un canal (2) de circulation pour un réactif ayant une entrée communiquant avec un orifice (12) de distribution de réactif formé au travers de la plaque (10, 20), la plaque (10, 20) comprenant en outre un orifice collecteur (3) d'entrée de réactif qui est distinct de l'orifice (12) de distribution de réactif, l'orifice collecteur (3) d'entrée de réactif étant prévu pour alimenter en réactif l'entrée du canal (2) via un passage (7) situé sur la face de refroidissement et mettant en relation fluidique l'orifice collecteur (3) d'entrée et l'orifice (12) de distribution de réactif, chaque plaque (10, 20) comportant un joint d'étanchéité (4) périphérique disposé sur la face réactive et comprenant une portion formant un boucle autour de l'orifice collecteur (3) d'entrée, caractérisé en ce que ce que, à une première de ses deux extrémités, l'empilement est terminé par une première plaque d'extrémité (21) anodique ou respectivement, cathodique, disposée sur la plaque (10, 20) d'extrémité cathodique ou, respectivement, anodique, de la dernière cellule (30) de l'empilement, ladite première plaque d'extrémité (21) délimitant un circuit pour le fluide de refroidissement de la dernière cellule (30) et en ce que cette première plaque d'extrémité (21) est une plaque anodique respectivement cathodique, analogue aux plaques (10, 20) anodiques, respectivement cathodiques, des cellules (30) mais étant dépourvue d'orifice de distribution de réactif. 2. Empilement selon la revendication 1, caractérisé en ce que à sa seconde extrémité, l'empilement est terminé par une seconde plaque 3030120 10 d'extrémité (11) cathodique ou respectivement, anodique, disposée sur la plaque (20) cathodique ou, respectivement, anodique de la dernière cellule (30) de l'empilement, ladite seconde plaque d'extrémité (11) délimitant un circuit pour le fluide de refroidissement de la cellule (30) d'extrémité de 5 l'empilement et en ce que cette seconde plaque d'extrémité (11) est une plaque cathodique, respectivement anodique, analogue aux plaques (20, 10) cathodiques, respectivement anodiques, des cellules (30) mais étant dépourvue d'orifice de distribution. 3. Empilement selon la revendication 2, caractérisé en ce que la 10 seconde plaque d'extrémité (11) est une plaque identique aux plaques cathodiques ou, respectivement anodiques, des cellules (30), excepté qu'elle ne comprend pas d'orifice de distribution. 4. Empilement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première plaque d'extrémité (21) est une plaque 15 identique aux plaques anodiques ou, respectivement cathodiques, des cellules (30), excepté qu'elle ne comprend pas d'orifice de distribution. 5. Empilement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les plaques des cellules (30) sont fabriquées par moulage et/ou usinage et/ou hydroformage et/ou emboutissage et/ou par 20 impression en trois dimensions. 6. Empilement selon la revendication 5, caractérisé en ce que les plaques des cellules (30) sont moulées et en ce que la première plaque d'extrémité (21) est une plaque identique aux plaques anodiques ou, respectivement cathodiques, des cellules (30), et obtenue par moulage et 25 réalisation d'un bouchon au niveau de l'orifice (12) de distribution lors du moulage. 7. Empilement selon les revendications 3 et 5, caractérisé en ce que les plaques des cellules (30) sont moulées et en ce que la seconde plaque d'extrémité (11) est une plaque identique aux plaques anodiques ou, 30 respectivement cathodiques, des cellules (30), et obtenue par moulage et réalisation d'un bouchon au niveau de l'orifice (12) de distribution lors du moulage. 3030120 11 8. Empilement selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le au moins un canal (2) de circulation de chaque plaque (10, 20) comporte une sortie avec un orifice (5) d'évacuation de réactif formé au travers de la plaque (10, 20), la plaque (1) comprenant en outre un 5 orifice collecteur (6) de sortie de réactif qui est distinct de l'orifice (5) d'évacuation, l'orifice collecteur (6) de sortie étant prévu pour récupérer le réactif à la sortie du au moins un canal (2) via un passage (17) mettant en relation fluidique l'orifice collecteur (6) de sortie et l'orifice (5) d'évacuation. 9. Empilement selon la revendication 8, caractérisé en ce que les 10 plaques (11, 21) situées aux extrémités de l'empilement sont dépourvues d'orifice (5) d'évacuation. 10. Pile à combustible comprenant un empilement de cellules (30) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la première plaque d'extrémité (21) est une plaque collectrice de courant. 15 11. Pile à combustible selon la revendication 10, caractérisée en ce que la seconde plaque d'extrémité (11) est une plaque collectrice de courant. 12. Pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que, en position d'utilisation, les plaques (10, 20, 11, 21) de l'empilement sont disposées dans des plans verticaux parallèles. 20