Brevet FR3035543A1 — publié le 20161028

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. Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons sont typiquement formées par assemblage de cellules élémentaires. Elles sont constituées d'assemblage membrane électrodes « AME » ou « MEA » selon la dénomination anglo-saxonne, de joints d'étanchéité et de plaques bipolaires formées à partir de tôles fines mises en forme et assemblées deux à deux, de manière à former des canaux de refroidissement dans lesquels circule un fluide caloporteur, des canaux de réactifs pour la circulation des réactifs, des zones d'appui et de contact avec les électrodes et des surfaces de support pour le positionnement et la compression des éléments d'étanchéité des différents canaux. Les plaques bipolaires présentent des puits pour l'alimentation et l'évacuation des réactifs et du fluide caloporteur de manière à réaliser un écoulement selon une direction longitudinale de chaque plaque. La figure 1 présente ainsi une vue d'ensemble d'un exemple de plaque bipolaire conventionnelle, et les figures 2 et 3 sont des vues en coupe illustrant deux géométries conventionnelles de canaux d'une telle plaque bipolaire. 3035543 2 La figure 1 représente ainsi une plaque bipolaire 1 s'étendant selon une direction longitudinale repérée par l'axe X-X, et définissant également une direction transversale repérée par l'axe Y-Y. 5 Cette plaque bipolaire 1 est formée de tôles assemblées, définissant ainsi des canaux primaires et secondaires pour la circulation de réactifs et de fluide caloporteur selon la direction longitudinale de la plaque bipolaire 1. La plaque bipolaire 1 comprend également des puits 11 permettant de réaliser l'alimentation et l'évacuation en fluide des 10 différents canaux, ces puits étant disposés à proximité des deux extrémités de la plaque bipolaire 1 selon la direction longitudinale. De telles plaques bipolaires sont empilées afin de former un empilement ou « stack » de pile à combustible, les plaques bipolaires 1 adjacentes étant séparées par un Assemblage Membrane Electrode. 15 Les canaux primaires sont formés au sein de la plaque bipolaire, et entièrement délimités par les tôles la formant. Ces canaux primaires sont typiquement utilisés pour réaliser une circulation de fluide caloporteur, assurant ainsi notamment le refroidissement de la plaque bipolaire. 20 Les canaux secondaires sont quant à eux délimités d'une part par la plaque bipolaire 1, et d'autre part par l'« Assemblage MembraneElectrodes » ou « AME », définissant ainsi une zone de circulation des gaz réactifs et des produits de la réaction. 25 Les figures 2 et 3 présentent deux géométries de plaque bipolaire, définissant ainsi deux géométries de canaux primaires 12 et secondaires 13, ces figures étant une vue partielle en coupe selon la direction transversale d'une plaque bipolaire. La figure 2 représente une structure de plaque bipolaire formée de tôles 30 emboitées tandis que la figure 3 représente une structure de plaque bipolaire formée de tôles assemblées en vis-à-vis, ainsi que l'AME 14 entourant ces plaques bipolaires. 3035543 3 Afin d'optimiser le fonctionnement, et notamment la durée de vie de la pile à combustible, la répartition des fluides dans les différents canaux primaires et secondaires doit être la plus homogène possible. Or, on comprend bien que la multiplicité des canaux formés dans chaque 5 plaque bipolaire entraine une non-homogénéité de la répartition des fluides (réactifs et fluide caloporteur), notamment en fonction de la position de chaque canal par rapport aux puits associés. De plus, les procédés de fabrication des plaques bipolaires à partir de 10 deux tôles assemblées impliquent plusieurs contraintes, notamment en termes de résistance mécanique en raison de l'effort de compression appliqué pour l'assemblage des tôles, et également en termes de géométrie afin de permettre l'assemblage de deux tôles identiques. L'utilisation de géométries reposant sur l'assemblage de deux tôles 15 identiques afin d'obtenir une plaque bipolaire permet en effet la simplification du procédé de mise en forme des tôles et l'utilisation d'un seul moule. PRESENTATION DE L'INVENTION 20 La présente invention vise ainsi à remédier au moins partiellement à ces problématiques, et propose une plaque bipolaire pour la réalisation d'un empilement de pile à combustible à membranes échangeuses de protons, ladite plaque bipolaire étant composée de tôles mises en forme 25 et assemblées, et s'étendant selon une direction longitudinale de manière à définir une extrémité proximale et une extrémité distale de la plaque bipolaire, la plaque bipolaire comprenant - des puits pour l'alimentation et l'évacuation de fluides, aménagés dans une région proximale et une région distale de la plaque bipolaire, 30 - des canaux primaires d'acheminement de fluide et des canaux secondaires d'acheminement de fluide réalisant une circulation de fluide entre la région proximale et la région distale de la plaque bipolaire, lesdits canaux primaires étant formés entre lesdites tôles assemblées, 3035543 4 - une région centrale, dans laquelle les canaux primaires et secondaires réalisent une circulation de fluides selon la direction longitudinale de la plaque bipolaire, la plaque bipolaire étant caractérisée en ce qu'elle comprend une zone 5 de distribution proximale et une zone de distribution distale, aménagées respectivement entre la région proximale et la région centrale, et entre la région distale et la région centrale, dans lesquelles les tôles assemblées forment également des canaux primaires de distribution configurés de manière à réaliser une distribution de fluide entre les 10 différents canaux primaires. Lesdits canaux primaires de distribution sont par exemple des canaux aménagés entre des canaux primaires adjacents, selon une direction transversale de la plaque bipolaire, perpendiculaire à la direction 15 longitudinale. Les canaux primaires de distribution sont par exemple formés en maintenant espacées les tôles formant la plaque bipolaire dans les zones de distribution proximale et distale. 20 La plaque bipolaire peut également être telle que, dans la zone de distribution proximale et dans la zone de distribution distale, les tôles assemblées forment également des canaux secondaires de distribution configurés de manière à réaliser une distribution transversale de fluide 25 entre les différents canaux secondaires. Lesdits canaux secondaires de distribution sont par exemple des canaux aménagés entre des canaux secondaires adjacents, selon une direction transversale de la plaque bipolaire, perpendiculaire à la direction 30 longitudinale. 3035543 5 Les zones de distribution proximale et distale peuvent comprendre des renforts mécaniques adaptés pour s'opposer à un effort de compression selon une direction normale à la plaque bipolaire. Lesdits renforts mécaniques sont par exemple réalisés en matériau 5 conducteur, et réalisent une connexion électrique entre les tôles formant la plaque bipolaire. Les zones de distribution proximale et distale présentent par exemple une forme générale rectangulaire, ou de pentagone. 10 L'invention concerne également une pile à combustible comprenant un empilement selon une direction normale d'une pluralité de cellules élémentaires disposées entre deux plaques terminales, chaque cellule élémentaire comprenant des plaques bipolaires telle que définie 15 précédemment et un assemblage membrane-électrodes, les renforts mécaniques desdites plaques bipolaires s'opposant à un effort de compression appliqué sur l'empilement selon la direction normale. Lesdites plaques bipolaires formant l'empilement sont par exemple identiques, et sont alors typiquement formées au moyen d'un même 20 outillage de mise en forme. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront 25 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 décrite précédemment présente la structure générale d'une plaque bipolaire ; - Les figures 2 et 3 décrites précédemment présentent des 30 exemples de structures de canaux d'une plaque bipolaire ; - La figure 4 présente un exemple de plaque bipolaire selon un aspect de l'invention ; 3035543 6 - La figure 5 présente un autre exemple de plaque bipolaire selon un aspect de l'invention ; - La figure 6 est une vue détaillée d'une région proximale d'une plaque bipolaire selon un aspect de l'invention ; 5 - La figure 7 est une vue détaillée d'une portion de la figure 6 ; - Les figures 8 à 11 sont des vues en coupe selon différents plans de la figure 7 ; - La figure 12 présente un exemple de distribution des fluides dans les conduits d'une plaque bipolaire selon un aspect de l'invention. 1 0 Sur l'ensemble des figures, les éléments en commun sont repérés par des références numériques identiques. DESCRIPTION DETAILLEE 1 5 Les figures 4 et 5 présentent deux exemples de plaque bipolaire 2 selon un aspect de l'invention. Tout comme la plaque bipolaire décrite précédemment en référence aux figures 1 à 3, cette plaque bipolaire 2 s'étendant selon une direction longitudinale repérée par l'axe X-X, et définissant également une 20 direction transversale repérée par l'axe Y-Y. On définit ainsi deux extrémités, respectivement proximale 2A et distale 2B pour la plaque bipolaire 2, ces extrémités étant désignées arbitrairement, selon la direction longitudinale de la plaque bipolaire 2. 25 Des puits 21 pour l'alimentation et l'évacuation de fluide caloporteur et de réactifs sont aménagés à proximité des extrémités longitudinales de la plaque bipolaire 2, dans deux régions que l'on désigne comme étant une région proximale 20A et une région distale 20B de la plaque bipolaire 2. 30 La plaque bipolaire 2 comprend également une région centrale 20C, dans laquelle s'étendent des conduits primaires et secondaires 3035543 7 d'acheminement de fluide, réalisant une circulation de réactifs et de fluide caloporteur selon la direction longitudinale. Les canaux primaires et secondaires de la région centrale 20C ont par 5 exemple une structure telle que décrite précédemment, en référence aux figures 2 et 3. Dans la région centrale 20C, les canaux primaires et secondaires s'étendent ainsi selon la direction longitudinale, et sont chacun distincts et isolés des autres canaux. 10 On peut ainsi former un empilement (ou « stack ») de pile à combustible par empilement de telles plaques bipolaires, entre lesquelles sont interposées des assemblages membranes-électrodes. La plaque bipolaire 2 comprend également des zones de distribution, 15 respectivement une zone de distribution proximale 30A et une zone de distribution distale 30B, aménagées respectivement entre la région proximale 20A et la région centrale 20C, et entre la région distale 20B et la région centrale 20C. 20 Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 4, les zones de distribution proximale 30A et distale 30B ont une forme générale rectangulaire. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 5, les zones de distribution proximale 30A et distale 30B ont une forme générale de 25 pentagone ayant trois côtés formant une base rectangulaire, et deux côtés formant un sommet dirigé vers la région centrale 30C. Les canaux primaires et secondaires de la région centrale 20C ou 30C se prolongent dans les zones de distribution proximale 30A et distale 30B, 30 de manière à être reliés aux puits 21 permettant de réaliser la circulation de réactifs et de fluide caloporteur dans les canaux. Les zones de distribution proximale 30A et distale 30B comprennent également des canaux primaires de distribution et/ou des canaux 3035543 8 secondaires de distribution, adaptés pour réaliser une distribution homogène du fluide entre les puits 21 d'une part, et les conduits primaires et secondaires d'autre part. 5 Plus précisément, les zones de distribution proximale 30A et distale 30B peuvent comprendre des canaux primaires de distribution, adaptés pour réaliser une distribution homogène de fluide depuis les puits 21 alimentant les canaux primaires en fluide vers lesdits canaux primaires, et réciproquement, depuis les canaux primaires vers les puits 21 1 0 d'évacuation du fluide circulant dans lesdits canaux primaires. Ces canaux primaires de distribution sont ainsi configurés de manière à ce que dans la région centrale 20C ou 30C, la circulation de fluide dans les différents canaux primaires de la plaque bipolaire 2 ou 3 soit homogène. 15 De la même manière, les zones de distribution proximale 30A et distale 30B peuvent comprendre des canaux secondaires de distribution, adaptés pour réaliser une distribution homogène de fluide depuis les puits 21 alimentant les canaux secondaires en fluide vers lesdits canaux 20 primaires, et réciproquement, depuis les canaux secondaires vers les puits 21 d'évacuation du fluide circulant dans lesdits canaux secondaires. Ces canaux secondaires de distribution sont ainsi configurés de manière à ce que dans la région centrale 20C ou 30C, la circulation de fluide 25 dans les différents canaux secondaires de la plaque bipolaire 2 ou 3 soit homogène. La figure 6 présente un exemple de structure détaillée d'une zone de distribution proximale 30A d'une plaque bipolaire. La plaque bipolaire 30 comprend également une zone de distribution distale similaire, non représentée sur cette figure. On représente sur cette figure une vue partielle d'une plaque bipolaire, comprenant des puits 21 latéraux reliés à des conduits primaires 24 3035543 9 réalisant une circulation de fluide caloporteur au sein de la plaque bipolaire, afin notamment d'assurer son refroidissement. Comme on le voit sur cette figure, la plaque bipolaire comprend une 5 région centrale 30C dans laquelle les conduits primaires 24 et secondaires 25 (qui sont identifiés sur les figures 8 à 11 décrites ci-après) sont isolés les uns des autres, et s'étendent selon la direction longitudinale X-X de la plaque bipolaire. La plaque bipolaire comprend également une région proximale 20A dans laquelle sont aménagés des 10 puits 21 pour l'alimentation des conduits primaires en fluide caloporteur. La plaque bipolaire comprend également des puits (non représentés) pour l'alimentation des conduits secondaires en réactifs. La plaque bipolaire comprend également une région distale similaire, non représentée sur cette figure. 15 Comme on le voit sur cette figure, la zone de distribution proximale 30A est interposée entre la région centrale 30C et la région proximale 20A, et réalise une distribution du fluide homogène entre les puits 21 et les canaux primaires et/ou secondaires de la plaque bipolaire. 20 Dans le mode de réalisation représenté, les puits 21 pour l'alimentation et l'évacuation du fluide caloporteur circulant dans les canaux primaires sont aménagés de part et d'autre des zones de distribution selon la direction transversale. Les puits pour l'alimentation et l'évacuation en réactifs circulant dans les canaux secondaires sont quant à eux 25 aménagés aux extrémités proximale et distale de la plaque bipolaire. Dans le mode de réalisation représenté, cette distribution est réalisée au moyen de canaux de distribution, reliant les différents canaux de la plaque bipolaire. Ainsi, on représente sur la figure 6 des canaux primaires de distribution, 30 répartis sur la largeur de la plaque bipolaire, réalisant une distribution transversale de fluide à travers ces canaux primaires de distribution. 3035543 10 On détaille sur les figures 7 à 11 la structure des canaux primaires de distribution, au moyen de vues détaillées et de vues en coupes. La figure 7 détaille ainsi la zone de transition entre la zone de distribution proximale 30A et la région centrale 30C. 5 Les figures 8, 9 et 10 sont des vues en coupe de la plaque bipolaire, selon différents plans repérés sur la figure 7. Comme on le voit sur les figures 8 à 10, les tôles formant la plaque bipolaire sont ici formées de manière à être espacées dans les zones de 1 0 distribution 30A et 30B, tandis qu'elles sont accolées dans la région centrale 20C ou 30C de manière à délimiter les différents canaux primaires. On représente sur ces figures les canaux primaires 24 délimités au sein de la plaque bipolaire, et les canaux secondaires 25, délimités d'une part 1 5 par la plaque bipolaire, et d'autre part par un assemblage membrane- électrode (non représenté) qui est disposé sur la plaque bipolaire lors de la réalisation de l'empilement. Comme on le voit sur la figure 10, dans la région centrale 20C ou 30C de la plaque bipolaire, les canaux primaire 24 et secondaires 25 sont 20 séparés les uns des autres par les tôles formant la plaque bipolaire, les tôles étant alors typiquement soudées ou collées sur leurs zones de contact. A l'inverse, dans les zones de distribution, les canaux primaires 24 sont reliés fluidiquement entre eux, du fait de l'espacement entre les tôles 25 formant la plaque bipolaire, comme représenté sur la figure 8. La figure 9 représente la transition entre la région centrale 20C ou 30C et une zone de distribution ; les deux tôles formant la plaque bipolaire présentent, en limite de ces zones, une évolution de forme tendant à 30 fermer localement l'espace entre les deux tôles pour passer progressivement d'une nappe d'alimentation en vague sur le circuit primaire de la zone de distribution, à une séparation de canaux primaire 3035543 11 autour de chaque canaux secondaire dans la région centrale 20C ou 30C. Ainsi, dans les zones de distribution 30A et 30B, les canaux primaires 24 5 sont reliés entre eux par des canaux transversaux que l'on qualifie de canaux primaires de distribution, et forment ici une nappe réalisant une distribution du fluide notamment selon la direction transversale Y-Y de la plaque bipolaire, en amont de la région centrale 20C ou 30C, de manière à ce que dans la région centrale 20C ou 30 C, le fluide circulant dans les 10 canaux primaires 24 soit réparti uniformément. De plus, selon une option représentée sur les figures 6, 7 et 11, les zones de distribution peuvent comprendre des zones de contact 26 entre les deux tôles, de manière à former des renforts mécaniques. Ces zones de contact 26 entre les tôles sont typiquement limitées, afin d'assurer 1 5 au maximum la distribution du fluide entre les différents canaux primaires 24. Les deux tôles peuvent être soudées ou collées sur ces zones de contact 26. Ces zones de contact 26 formant des renforts mécaniques ont plusieurs fonctions. 20 En premier lieu, elles améliorent la résistance à l'écrasement des zones de distribution, et assurent donc le maintien de l'espacement entre les deux tôles de la plaque bipolaire dans les zones de distribution. Dans le cas où les tôles sont soudées ou collées sur les zones de contact 26, elles réalisent également un renfort contre les déformations pouvant 25 résulter de la pression dans les canaux primaires 24, qui tend à séparer les deux tôles. De plus, ces zones de contact 26 définissent également des canaux secondaires de distribution 27 entre les canaux secondaires 25 de la plaque bipolaire. En effet, ces zones de contact forment des 30 aplatissements locaux des tôles, et permettent donc d'aménager des passages entre les canaux secondaires 25 définis par les ondulations des tôles. Les canaux secondaires de distribution 27 peuvent donc permettre 3035543 12 de réaliser également une distribution des réactifs entre les différents canaux secondaires 25. Les zones de contact 26 peuvent également contribuer au guidage des fluides dans les zones de distribution 30A et 30B. 5 En outre, ces zones de contact 26 permettent d'assurer une continuité électrique entre les tôles formant la plaque bipolaire. Les zones de distribution proximale 30A et distale 30B ainsi formées permettent ainsi de distribuer et d'homogénéiser la répartition du fluide 10 dans les différents canaux primaires 24 et optionnellement secondaires 25, de manière à ce que l'écoulement dans la région centrale 20C ou 30C de la plaque bipolaire soit uniforme. La figure 12 représente un exemple de distribution du fluide des puits 21 1 5 vers les canaux primaires 24 de la région centrale 20C ou 30C, obtenue au moyen de cloisons aménagées sur les plaques bipolaires 2 permettant ainsi de former diverses zones dans lesquelles le fluide est réparti de manière homogène. On repère ainsi sur la figure 12 par des flèches le sens global de circulation du fluide, de manière à ce qu'il soit 20 réparti de manière homogène dans les différentes zones qui sont pour leur part identifiées au moyen d'accolades. Une telle répartition homogène des fluides dans la région centrale 20C ou 30C de la plaque bipolaire est avantageuse. Elle permet en effet de 25 réduire les pertes de charge, et donc de réduire la puissance nécessaire pour les systèmes annexes à la pile à combustible ainsi formée, tels que les pompes et compresseurs servant notamment au circuit de refroidissement, et permet d'améliorer le rendement de la pile à combustible. 30 De plus, une répartition homogène du fluide de refroidissement dans les canaux primaires 24 permet d'éviter ou du moins de limiter la formation d'un gradient de température dans la pile à combustible, et contribue 3035543 13 donc également à améliorer le rendement énergétique du système, ainsi que sa durée de vie. Une répartition homogène des réactifs dans les conduits secondaires 25 permet de plus d'augmenter l'utilisation des réactifs, soit de limiter la 5 sur-stoechiométrie, et donc d'obtenir un potentiel chimique plus élevé. Les performances obtenues sont donc améliorées, sans nécessiter une augmentation de la surface active de la pile à combustible. REVENDICATIONS1. Plaque bipolaire (2) pour la réalisation d'un empilement de pile à combustible à membrane échangeuse de protons, ladite plaque bipolaire (2) étant composée de tôles mises en forme et assemblées, et s'étendant selon une direction longitudinale (X-X) de manière à définir une extrémité proximale (2A) et une extrémité distale (2B) de la plaque bipolaire (2), la plaque bipolaire (2) comprenant - des puits (21) pour l'alimentation et l'évacuation de fluide, aménagés dans une région proximale (20A) et une région distale (20B) de la plaque bipolaire (2), - des canaux primaires (24) d'acheminement de fluide et des canaux secondaires (25) d'acheminement de fluide réalisant une circulation de fluide entre la région proximale (20A) et la région distale (20B) de la plaque bipolaire (2), lesdits canaux primaires (24) étant formés entre lesdites tôles assemblées, - une région centrale (20C), dans laquelle les canaux primaires (24) et secondaires (25) réalisent une circulation de fluides selon la direction longitudinale de la plaque bipolaire (2), la plaque bipolaire (2) étant caractérisée en ce qu'elle comprend une zone de distribution proximale (30A) et une zone de distribution distale (30B), aménagées respectivement entre la région proximale (20A) et la région centrale (20C), et entre la région distale (20B) et la région centrale (20C), dans lesquelles les tôles assemblées forment également des canaux primaires de distribution configurés de manière à réaliser une distribution de fluide entre les canaux primaires (24). 2. Plaque bipolaire (2) selon la revendication 1, dans laquelle lesdits canaux primaires de distribution sont des canaux aménagés entre des canaux primaires (24) adjacents, selon une direction transversale (Y-Y) de la plaque bipolaire (2), perpendiculaire à la direction longitudinale (X-X). 3035543 15 3. Plaque bipolaire (2) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle lesdits canaux primaires de distribution sont formés en maintenant espacées les tôles formant la plaque bipolaire (2) dans les zones de distribution proximale (30A) et distale (30B). 5 4. Plaque bipolaire (2) selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle dans la zone de distribution proximale (30A) et dans la zone de distribution distale (30B), les tôles assemblées forment également des canaux secondaires de distribution configurés de manière à réaliser une 10 distribution de fluide entre les canaux secondaires (25) 5. Plaque bipolaire (2) selon la revendication 4, dans laquelle lesdits canaux secondaires de distribution sont des canaux aménagés entre des canaux secondaires (24) adjacents, selon une direction transversale (Y- 1 5 Y) de la plaque bipolaire (2), perpendiculaire à la direction longitudinale (X-X). 6. Plaque bipolaire (2) selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle les zones de distribution proximale (30A) et distale (30B) 20 comprennent des renforts mécaniques adaptés pour s'opposer à un effort de compression selon une direction normale à la plaque bipolaire (2). 7. Plaque bipolaire (2) selon la revendication 6, dans laquelle lesdits 25 renforts mécaniques sont réalisés en matériau conducteur, et réalisent une connexion électrique entre les tôles formant la plaque bipolaire (2). 8. Plaque bipolaire (2) selon l'une des revendications 1 à 7, dans laquelle les zones de distribution proximale (30A) et distale (30B) 30 présentent une forme générale rectangulaire, ou de pentagone. 9. Pile à combustible comprenant un empilement selon une direction normale d'une pluralité de cellules élémentaires disposées entre deux 3035543 16 plaques terminales, chaque cellule élémentaire comprenant des plaques bipolaires (2) selon l'une des revendications 1 à 8 et un assemblage membrane-électrodes, les renforts mécaniques desdites plaques bipolaires (2) s'opposant à un effort de compression appliqué sur 5 l'empilement selon la direction normale. 10. Pile à combustible selon la revendication 9, dans laquelle lesdites plaques bipolaires (2) formant l'empilement sont identiques. 10 11. Pile à combustible selon la revendication 9, dans laquelle lesdites plaques bipolaires (2) formant l'empilement sont constituées de deux tôles formées identiques au moyen d'un même outillage de me en forme.