Brevet FR3036537A1 — publié le 20161125

Pile à combustible La présente invention concerne le domaine des piles combustibles, en particulier le domaine des piles à combustibles aptes à être utilisées dans les véhicules automobiles. Une pile à combustible permet la génération d'énergie électrique par une réaction électrochimique à partir d'un carburant, généralement de l'hydrogène, et d'un comburant, généralement de l'oxygène. Une pile à combustible du type à membrane échangeuse de protons à électrolyte solide (PEMFC) comprend habituellement un empilement de cellules élémentaires, en forme de plaques, constituant des générateurs électrochimiques, chacune des cellules étant séparée des cellules adjacentes par des plaques bipolaires. Chaque cellule comprend un élément anodique et un élément cathodique, séparés par un électrolyte solide sous la forme d'une membrane échangeuse d'ions, réalisée par exemple en un matériau polymère perfluoré sulfuré. Selon une variante de réalisation habituelle, chaque plaque bipolaire assure d'un côté l'alimentation en carburant de la cellule adjacente à ce côté et de l'autre côté l'alimentation en comburant de la cellule adjacente à cet autre côté, les alimentations assurées par les plaques bipolaires se faisant en parallèle. L'empilage successif des plaques bipolaires et des cellules est maintenu sous des pressions d'appui devant garantir un bon contact électrique et une bonne étanchéité. Habituellement, l'empilage comprend des plaques rigides d'extrémité reliées par des tirants, avec insertion d'éléments ressorts pour limiter les effets des variations de température et d'hygrométrie sur les pressions d'appui. Une telle solution n'est cependant pas complètement satisfaisante. Selon un mode de réalisation, il est proposé une pile à combustible qui comprend un empilage comprenant un ensemble de 3036537 2 générateurs électrochimiques superposés, selon un axe d'empilage, et des plaques terminales enserrant axialement ledit ensemble. La pile comprend en outre au moins un enroulement de maintien, comprenant au moins un fil, cet enroulement de maintien 5 entourant ledit empilage et prenant appui sur lesdites plaques terminales. Ledit enroulement de maintien peut comprendre des portions en appui sur des portions d'appui desdites plaques terminales. Ledit enroulement de maintien peut comprendre des portions 10 arrondies en appui sur des portions arrondies d'appui espacées desdites plaques terminales et des portions libres rejoignant ces portions d'appui. Lesdites portions arrondies et lesdites portions libres dudit enroulement de maintien peuvent avantageusement se rejoindre 15 tangentiellement. Ledit enroulement de maintien peut s'étendre dans des rainures desdites plaques terminales. Ledit enroulement de maintien peut être encastré dans lesdites rainures desdites plaques terminales. 20 Les extrémités du fil formant ledit enroulement peuvent être collées ou tenues par coincement sur lesdites plaques terminales. Lesdites plaques peuvent présenter des pattes en saillie s'étendant latéralement audit ensemble et dans lesquelles s'étendent lesdites rainures. 25 La pile peut comprendre plusieurs enroulements de maintien parallèles, espacés perpendiculairement à l'axe d'empilage. Avantageusement, le fil dudit enroulement de maintien peut être en fibres de verre imprégnées d'une résine thermodurcie (CVR). Une pile à combustible va maintenant être décrite à titre 30 d'exemple non limitatif, illustré par le dessin sur lequel : - la figure 1 représente une vue en perspective d'une pile à combustible, y compris un ensemble de générateurs électrochimiques, des plaques terminales et des enroulements de maintien ; 3036537 3 - la figure 2 représente une vue éclatée en perspective d'une partie de l'ensemble de générateurs électrochimiques de la figure 1 ; - la figure 3 représente une vue en perspective d'une partie de la pile de la figure 1, l'ensemble de générateurs électrochimiques étant 5 enlevé - la figure 4 représente une coupe selon un axe d'empilage de la pile de la figure 1, passant par un enroulement de maintien ; et - la figure 5 représente une installation de réalisation d'un enroulement de maintien de la pile de la figure 1. 10 Comme illustrée sur la figure 1, une pile à combustible 1 comprend un empilage 2 qui est constitué d'un ensemble 3 de générateurs électrochimiques 4 superposés, selon un axe d'empilage, et de plaques terminales 5 et 6 enserrant axialement l'ensemble 3. Comme illustré plus précisément sur la figure 2, à titre 15 d'exemple, l'ensemble 2 comprend une pluralité de cellules 5 en forme de plaques, séparées par des plaques bipolaires 6. Chaque cellule 5 comprend trois couches superposées, à savoir une anode, un électrolyte et une cathode. Chaque plaque bipolaire 6 assure d'un côté l'alimentation en carburant de la cellule adjacente à ce côté et de 20 l'autre côté l'alimentation en comburant de la cellule adjacente à cet autre côté. L'ensemble 2 comprend des canaux agencés de façon à assurer ces alimentations via au moins l'une des plaques terminales 5 et 6. Les organes extérieurs à l'empilage 2 de la pile 1, de connexion hydraulique et de connexion électrique, ne sont pas représentés sur le 25 dessin. L'ensemble 2 se présente sous la forme d'un parallélépipède. Les plaques terminales 5 et 6, qui sont épaisses et rigides, dépassent latéralement par rapport à l'ensemble 2. Comme illustré sur les figure 1, 3 et 4, la pile 1 comprend des 30 enroulements 9, à une ou plusieurs nappes superposées d'au moins un fil tendu, qui entourent l'empilage 2 et prennent appui sur les plaques terminales 5 et 6. Ces enroulements 9 servent à maintenir fermement les plaques de l'ensemble 2 et des plaques terminales 5 et 6 en appui les unes sur les autres afin assurer les étanchéités souhaitées et les 3036537 4 contacts électriques souhaités. Dans l'exemple représenté, trois enroulements 9 sont prévus et sont formés parallèlement à distance les uns des autres, perpendiculairement à l'axe de l'empilage 2. Chaque enroulement de maintien 9 présente des portions 5 opposées 10 et 11 qui sont encastrées dans des rainures 12 et 13 aménagées dans les faces extérieures des plaques terminales 5 et 6 et présente des portions latérales opposées intermédiaires 14 et 15, libres d'appui, qui rejoignent ces portions encastrées 10 et 11 et qui s'étendent selon l'axe d'empilage, parallèlement à des flancs opposés 10 16 et 17 de l'ensemble 3 et à distance de ces flancs. Les fonds des rainures 12 et 13 présentent respectivement des portions d'extrémité 18, 19 et 20, 21, arrondies, en forme de quarts de cercles, espacées par rapport à l'axe de l'empilage, et des portions centrales 22 et 23 plus profondes. 15 Chaque enroulement de maintien 9 présente des portions arrondies de coins 24, 25 et 26, 27 en appui respectivement sur les portions d'extrémité arrondies 18, 19 et 20, 21 des rainures correspondantes 12 et 13. Les portions d'extrémité arrondies 18, 19 et 20, 21 sont jointes par des portions intermédiaires opposées 28 et 29, 20 libres d'appui, s'étendant au-dessus des portions centrales des rainures 12 et 13 et joignent les portions latérales opposées 14 et 15, libres d' appui. Ainsi, chaque enroulement de maintien 9 se présente sous la forme d'un bandeau annulaire rectangulaire à coins arrondis, dont les 25 portions intermédiaires opposées 14 et 15, libres d'appui, et les portions intermédiaires opposées 28 et 29 rejoignent tangentiellement les portions arrondies de coins 24, 25 et 26, 27 en appui sur les portions arrondies d'appui 18, 19 et 20, 21 des rainures 12 et 13. Afin que les portions arrondies d'appui 18, 19 et 20, 21 des 30 rainures 12 et 13 puissent présenter des rayons suffisants, les plaques terminales 5 et 6 présentent des pattes opposées en saillie 30, 31 et 32, 33 qui s'étendent latéralement aux flancs 16 et 17 de l'ensemble 3 et dans lesquels s'étendent les portions d'extrémité arrondies 18, 19 et 20, 21 des rainures 12 et 13, ces pattes assurant également le 3036537 5 positionnement des plaques terminales 5 et 6 par rapport à l'ensemble 3. Les portions d'extrémité du fil formant chaque enroulement de maintien 9 s'étendent dans des rainures extérieures auxiliaires de biais 5 34 et 35 de la plaque terminale 5, débouchant dans la rainure 12, et sont fixées dans ces rainures par une colle adaptée ou par des moyens mécaniques additionnels de coincement. Préférentiellement, le fil constituant chaque enroulement de maintien 9 est en fibres de verre imprégnées d'une résine 10 thermodurcie, généralement dénommée par l'abréviation CVR. Un tel matériau présente l'avantage d'être résistant en traction tout en présentant une certaine élasticité, de sorte que les enroulements 9 permettent d'obtenir les pressions d'appui souhaitées dans l'empilage 2 et d'assurer les étanchéités souhaitées et les contacts électriques 15 souhaités, mentionnés précédemment, tout en étant aptes à absorber et compenser les variations de dimensions de l'empilage 2, dues en particulier aux variations de température et d'hygrométrie. Les portions arrondies de coins 24, 25 et 26, 27 de chaque enroulement 9 présentent des rayons tels que le fil de l'enroulement 20 subisse des contraintes de flexion limitées. Comme illustré sur la figure 5, chaque enroulement de maintien 9 peut être réalisé à la manière d'un bobinage. Ayant constitué l'empilage 2 et maintenant ce dernier provisoirement par exemple à l'aide de serre-joints, on installe 25 l'empilage 2 sur une machine tournante 36, apte à faire tourner l'empilage 2 selon un axe de rotation médian 37 perpendiculaire à l' axe d' empilage. On fixe l'extrémité d'un fil 38 dans l'une des rainures auxiliaires 34 ou 35, ce fil provenant d'une bobine d'alimentation 39. 30 On fait tourner l'empilage 2 et la bobine d'alimentation 39 de sorte que le fil 38 s'enroule autour de l'empilage 2, en l'engageant dans les rainures 12 et 13 des plaques terminales 5 et 6, la tension du fil 38 étant assurée par un contrepoids 40 suspendu à une poulie 41 3036537 6 tirant vers le bas une portion du fil 38 passant sur des poulies de renvoi 42 et 43 de sorte que cette portion du fil 38 forme un U. Après avoir réalisé une nappe ou plusieurs nappes superposées du fil 38 autour de l'empilage 2, on engage le fil 38 dans l'autre 5 rainure auxiliaire 34 ou 35. On colle le fil 38 dans cette rainure auxiliaire et on coupe le fil 38 au-delà de ce collage. même façon pour réaliser les autres On procède de la enroulements de maintien 9. Dans une variante de réalisation, les enroulements de maintien 10 9 peuvent être réalisés les uns à la suite des autres, la plaque terminale 5 présentant des rainures de liaison 44 permettant de faire passer le fil 38 d'un enroulement réalisé à l'enroulement voisin à réaliser. REVENDICATIONS1. Pile à combustible comprenant un empilage comprenant un ensemble (2) de générateurs électrochimiques superposés, selon un axe d'empilage, et des plaques terminales (5, 6) enserrant axialement ledit ensemble, la pile comprenant en outre au moins un enroulement de maintien (9), comprenant au moins un fil, cet enroulement de maintien entourant ledit empilage (2) et prenant appui sur lesdites plaques terminales (5, 6). 2. Pile selon la revendication 1, dans laquelle ledit enroulement de maintien (9) comprend des portions (24, 25, 26, 27) en appui sur des portions d'appui (18, 19 et 20, 21) desdites plaques terminales (5, 6). 3. Pile selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle ledit enroulement de maintien (9) comprend des portions arrondies (24, 25, 26, 27) en appui sur des portions arrondies d'appui espacées (18, 19 et 20, 21) desdites plaques terminales (5, 6) et des portions libres (14, 15, 28, 29) rejoignant ces portions d'appui. 4. Pile selon la revendication 3, dans laquelle lesdites portions arrondies et lesdites portions libres dudit enroulement de maintien (9) se rejoignent tangentiellement. 5. Pile selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ledit enroulement de maintien (9) s'étend dans des rainures (12, 13) desdites plaques terminales (5, 6). 6. Pile selon la revendication 5, dans laquelle ledit enroulement de maintien (9) est encastré dans lesdites rainures (12, 13) desdites plaques terminales (5, 6). 7. Pile selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les extrémités du fil formant ledit enroulement (9) sont collées ou tenues par coincement sur lesdites plaques terminales. 8. Pile selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle lesdites plaques présentent des pattes en saillie (30, 31, 32, 33) s'étendant latéralement audit ensemble (3) et dans lesquelles s'étendent lesdites rainures (12, 13). 3036537 8 9. Pile selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant plusieurs enroulements de maintien (9) parallèles, espacés perpendiculairement à l'axe d'empilage. 10. Pile selon l'une quelconque des revendications précédentes, 5 dans laquelle le fil dudit enroulement de maintien (9) est en fibres de verre imprégnées d'une résine thermodurcie (CVR).