Brevet FR3047357A1 — publié le 20170804

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne le domaine des piles à combustible, et plus précisément les plaques terminales de piles à combustible à 5 membranes échangeuses de protons. ETAT DE L'ART Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons se 10 composent d'un empilement de cellules élémentaires enserrées entre deux plaques terminales. Chaque cellule élémentaire est composée d'une membrane échangeuse de protons enserrée entre deux joints d'étanchéité et deux plaques bipolaires. 15 Les plaques terminales ont pour leur part une double fonction ; assurer le serrage de l'empilement tout en assurant son interfaçage fluidique avec un système d'alimentation en réactifs et en fluide caloporteur. 20 Le serrage de l'empilement permet notamment de comprimer les joints d'étanchéité et ainsi d'assurer l'étanchéité nécessaire à l'empilement, et également de comprimer les membranes échangeuses de protons au niveau nécessaire pour assurer un contact électrique suffisant avec les plaques bipolaires. 25 Le serrage est typiquement réalisé à l'aide d'un système de serrage spécifique, associé aux plaques terminales. Afin d'assurer une bonne tenue de l'ensemble, les plaques terminales doivent présenter une rigidité très élevée afin de ne pas se déformer sous l'action de l'effort de serrage. 30 Ces contraintes sont toutefois en contradiction directe avec les exigences de légèreté des piles à combustible liées à leur utilisation dans certains domaines pour lesquels la masse est un facteur 3047357 2 prépondérant, notamment dans les applications aéronautiques et spatiales. Il y a donc un besoin pour concilier ces deux exigences antagonistes. PRESENTATION DE L'INVENTION A cet effet, la présente invention propose une pile à combustible comprenant - un empilement de cellules élémentaires disposées entre deux plaques terminales, - un système de serrage s'étendant au travers des plaques terminales et de l'empilement et configuré pour appliquer un effort de serrage sur l'empilement et ; - un système de circulation de fluide, configuré pour permettre la circulation de fluide caloporteur et de réactifs au travers des plaques terminales et de l'empilement, la pile à combustible étant caractérisée en ce que les plaques terminales sont formées par assemblage de deux pièces réalisées en deux matériaux distincts. Selon un exemple, les plaques terminales comprennent chacune : - une première pièce configurée pour réaliser une interface fluidique entre les plaques terminales et l'empilement, - une seconde pièce configurée pour coopérer avec le système de serrage afin de permettre un serrage de l'empilement. La première pièce est alors typiquement formée dans un matériau ayant des propriétés de résistance à la température, d'imperméabilité et de résistance aux fluides supérieures à celles du matériau formant la 30 seconde pièce. 3047357 3 La seconde pièce est par exemple réalisée dans un matériau ayant des propriétés de résistance mécanique et de densité massique supérieures à celles du matériau formant la première pièce. La première pièce est par exemple formée dans un alliage d'aluminium, 5 et la seconde pièce est réalisée dans un matériau thermoplastique. La seconde pièce est par exemple réalisée en polyimide ou en polyetheretherketone. PRESENTATION DES FIGURES 10 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 figures annexées, sur lesquelles : - La figure 1 présente une vue d'ensemble schématique d'une pile à 15 combustible, La figure 2 présente une vue détaillée d'une plaque terminale d'une pile à combustible selon un aspect de l'invention. Sur l'ensemble des figures, les éléments en commun sont repérés par 20 des références numériques identiques. DESCRIPTION DETAILLEE La figure 1 présente une vue d'ensemble schématique d'une pile à 25 combustible 1. On représente sur cette figure un empilement 2 enserré entre deux plaques terminales 3. L'empilement 2 est composé de plaques bipolaires 22, d'assemblages membrane électrode 21 et de joints d'étanchéité 23, selon une structure bien connue pour les empilements de pile à combustible. Les 3047357 4 assemblages membrane-électrode 21 sont typiquement constitués d'une membrane échangeuse de protons entourée de deux électrolytes. L'empilement comprend des plaques bipolaires 22 superposées selon 5 une direction longitudinale. Entre deux plaques bipolaires successives est interposé un assemblage membrane électrode 21, communément désignée par l'abréviation « AME » ou encore sous la terminologie anglaise « Membrane Electrode Assembly » ou « MEA ». Des joints d'étanchéité 23 sont interposés entre chaque assemblage membrane 10 électrode 21 et chaque plaque bipolaire 22, afin d'assurer l'étanchéité de l'empilement 2. L'ensemble ainsi formé présente un fonctionnement bien connu de l'Homme de l'art de pile à combustible à membrane échangeuse de protons, dans laquelle les deux plaques bipolaires forment une anode et 15 une cathode, et réalisent un échange de protons au travers de la membrane, de manière à générer un courant électrique. Le fonctionnement d'une telle pile à combustible est bien connu de l'Homme du métier, et ne sera pas décrit plus en détail ici. 20 L'empilement 2 est enserré entre deux plaques terminales 3, disposées aux deux extrémités de l'empilement 2 selon la direction longitudinale. Des collecteurs de courant 24 sont disposés aux deux extrémités de l'empilement 2, adjacents aux plaques terminales 3. 25 Ces plaques terminales 3 remplissent plusieurs fonctions, parmi lesquelles on note en particulier une fonction de tenue mécanique de l'empilement 2 sous l'action de serrage de l'empilement réalisée à l'aide d'un système de serrage 4, et une fonction d'interface fluidique au moyen d'un système de circulation de fluide. Pour la réalisation de la 30 fonction d'interface fluidique, les plaques terminales 3 comprennent des orifices 5 permettant de les relier à des conduites de circulation de fluide. 3047357 5 Comme déjà mentionné dans la partie introductive de la demande de brevet, la réalisation de la fonction de serrage de l'empilement au moyen du système de serrage 4 est indispensable au bon fonctionnement de la pile à combustible 1, en ce que cette fonction 5 assure notamment l'étanchéité de l'empilement, et la conduction électrique entre les différents assemblages membrane électrode 21 et plaques bipolaires 22. Le système de serrage 4 tel que représenté comprend des tiges de 10 serrage disposées de part et d'autre de l'empilement 2 et des plaques terminales 3, et montées serrées au moyen d'éléments élastiques et de boulons. Un tel système de serrage 4 est bien entendu purement illustratif, et tout système de serrage adapté peut être utilisé afin d'exercer un effort de serrage sur la pile à combustible selon la direction 1 5 longitudinale. Afin de permettre de réaliser une telle fonction de serrage, tout en optimisant le poids de la pile à combustible 1, on propose ainsi une plaque terminale 3 telle que représentée plus en détail sur la figure 2. 20 Comme on le voit sur cette figure, la plaque terminale 3 est ici formée de deux pièces distinctes ; une première pièce 6 et une seconde pièce 7. La première pièce 6 et la seconde pièce 7 sont typiquement assemblées par collage, soudage, emmanchement en force, ou tout autre procédé 25 adapté. Ces deux pièces 6 et 7 sont chacune réalisées en vue de l'une des fonctions des plaques terminales 3. Ainsi, la première pièce 6 est réalisée en vue de la fonction de 30 réalisation d'une interface fluidique de la plaque terminale 3, tandis que la seconde pièce 7 est réalisée en vue de la fonction de tenue mécanique de l'empilement 2 sous l'effet du serrage de l'empilement 2. 3047357 6 La première pièce 6 présente des orifices configurés de manière à permettre une circulation de fluide dans la pile à combustible, notamment un fluide caloporteur et des réactifs tels que de l'hydrogène et de l'oxygène. 5 Comme on le voit sur la figure, cette première pièce 6 est typiquement formée d'une plaque 61 d'épaisseur réduite, dans laquelle sont formées plusieurs cheminées 62 s'étendant d'une face supérieure de la plaque 61, et définissant ainsi des orifices de circulation de fluide. La plaque 61 10 ayant uniquement pour fonction de relier les différentes cheminées 62 entre elles et d'isoler la seconde pièce des fluides en présence, son épaisseur peut être très faible. La première pièce 6 est réalisée d'un matériau choisi pour ses propriétés 15 de résistance aux températures élevées, d'imperméabilité et de résistance aux fluides susceptibles de passer par les cheminées 62, par exemple l'hydrogène, l'oxygène, une solution acide ou un fluide caloporteur. La première pièce 6 est ainsi par exemple réalisée en alliage métallique léger tel que de l'aluminium ou un alliage 20 d'aluminium. La seconde pièce 7 présente quant à elle également une forme de plaque, et est disposée sur la face supérieure de la plaque 61 de la première pièce 6. La seconde pièce 7 comprend des orifices pour 25 permettre le passage des cheminées 62 de la première pièce 6. La première pièce 7 est réalisée d'un matériau choisi pour ses propriétés de résistance mécanique et de densité massique, ou encore de mise en forme. 30 La première pièce 7 est en effet formée de manière à conférer une résistance mécanique très élevée aux plaques terminales 3, tout en en minimisant le poids. 3047357 7 La première pièce 7 est typiquement réalisée en matériau thermoplastique, par exemple en polyimide ou en polyetheretherketone. La seconde pièce 7 a typiquement une épaisseur supérieure à 5 l'épaisseur de la plaque 61 de la première pièce 6, afin de conférer aux plaques terminales 3 la résistance mécanique souhaitée. L'utilisation d'un matériau différent de celui de la première pièce 6 permet alors de limiter le poids des plaques terminales 3 par rapport à une plaque terminale réalisée entièrement en un matériau tel que celui 10 utilisé pour la première pièce 6. La réalisation des plaques terminales 3 en deux matériaux distincts présente plusieurs autres avantages. Les plaques terminales 3 telles que proposées permettent en effet 1 5 l'utilisation de matériaux tels que des polymères qui sont habituellement non exploitables du fait des températures de fonctionnement supérieures à 100°C des piles à combustible à membrane échangeuse de protons de type haute température, qui présentent typiquement des températures de fonctionnement comprises entre 110 et 180 °C. 20 De plus, l'utilisation de matériaux polymères ayant une conductivité thermique inférieure à celle des métaux habituellement utilisés permet de réduire la température de surface de la pile à combustible 1, et également d'améliorer l'isolation thermique de l'empilement 2 tout en facilitant son préchauffage. 25 On comprend bien que le mode de réalisation représenté présente une structure de plaque terminale réalisée au moyen de deux pièces distinctes réalisées en deux matériaux distincts, mais que ce mode de réalisation n'est pas limitatif, et que les plaques terminales 3 peuvent 30 être réalisées en plus de deux pièces et en plus de deux matériaux. REVENDICATIONS1. Pile à combustible (1) comprenant - un empilement (2) de cellules élémentaires disposées entre deux plaques terminales (3), - un système de serrage (4) s'étendant au travers des plaques terminales (3) et de l'empilement (2) et configuré pour appliquer un effort de serrage sur l'empilement (2) et ; - un système de circulation de fluide, configuré pour permettre la circulation de fluide caloporteur et de réactifs au travers des plaques terminales (3) et de l'empilement (2), la pile à combustible étant caractérisée en ce que les plaques terminales (3) sont formées par assemblage de deux pièces (6, 7) réalisées en deux matériaux distincts. 2. Pile à combustible (1) selon la revendication 1, dans laquelle les plaques terminales (3) comprennent chacune : - une première pièce (6) configurée pour réaliser une interface fluidique entre les plaques terminales et l'empilement, - une seconde pièce (7) configurée pour coopérer avec le système de serrage afin de permettre un serrage de l'empilement. 3. Pile à combustible (1) selon la revendication 2, dans laquelle la première pièce (6) est formée dans un matériau ayant des propriétés de résistance à la température, d'imperméabilité et de résistance aux fluides supérieures à celles du matériau formant la seconde pièce (7). 4. Pile à combustible (1) selon l'une des revendications 2 ou 3, dans laquelle la seconde pièce (7) est réalisée dans un matériau ayant des 30 propriétés de résistance mécanique et de densité massique supérieures à celles du matériau formant la première pièce (6). 3047357 9 5. Pile à combustible (1) selon l'une des revendications 3 ou 4, dans laquelle la première pièce (6) est formée dans un alliage d'aluminium, et la seconde pièce (7) est réalisée dans un matériau thermoplastique. 5 6. Pile à combustible (1) selon la revendication 5, dans laquelle la seconde pièce (7) est réalisée en polyimide ou en polyetheretherketone.