Brevet FR3059473A1 — publié le 20180601

Pile à combustible à circuit de refroidissement intégré et procédé de fabrication associé L'invention concerne une pile à combustible en particulier pour véhicule automobile. Plus particulièrement, elle concerne une pile à combustible comportant un circuit de refroidissement intégré ainsi que son procédé de fabrication. Comme le montre la figure 1, une pile à combustible 1 comporte un empilement de cellules A dans lesquels se produit une réaction électrochimique entre du dihydrogène et du dioxygène gazeux. L'empilement de cellules A est généralement compressé et maintenu entre deux plaques de serrage 7 au moyen de tirants 70. Comme le montre la figure 2, chaque cellule A comporte une anode 3a et une cathode 3b entre lesquelles est placé un électrolyte 4, par exemple une membrane à échange de proton. Au niveau de l'anode 3a et de la cathode 3b est également disposé un catalyseur afin d'accélérer la réaction chimique. Au niveau de l'anode 3a est disposée une première plaque bipolaire 2a comportant des canaux de circulation 22a qui permettent la circulation du dihydrogène. Au niveau de la cathode 3b est disposée une deuxième plaque bipolaire 2b comportant des canaux de circulation 22b qui permettent la circulation du dioxygène et l'évacuation de l'eau résultant de la réaction électrochimique. La réaction électrochimique au sein des cellules A est exothermique et il est donc nécessaire de refroidir ces cellules A. Pour cela, un fluide caloporteur passe entre les cellules A par exemple au moyen de plaques de refroidissement 5 comportant des conduites 50 de circulation d'un fluide caloporteur disposées entre les plaques bipolaires 2a, 2b de deux cellules A contiguës. Cependant, ce type de refroidissement n'est pas totalement satisfaisant car 3059473 2 il nécessite l'utilisation d'un fluide caloporteur non conducteur, d'une extrême pureté et exempt d'ions afin de diminuer les risques de court-circuit. Ainsi, il est nécessaire de constamment filtrer le fluide caloporteur afin d'éliminer les éventuels enrichissements en ions du fluide caloporteur par exemple lors de son 5 passage dans un échangeur de chaleur ou une pompe. Cela engendre une complexité et un coût important pour fabriquer la pile à combustible 1. Un des buts de la présente invention est donc de remédier au moins partiellement aux inconvénients de l'art antérieur et de proposer une pile à 10 combustible améliorée ainsi que son procédé de fabrication. La présente invention concerne donc une pile à combustible comportant un empilement de cellules empilées les unes sur les autres, chaque cellule comportant en superposition : 15 ° une première plaque bipolaire, o une anode, o un électrolyte, o une cathode, et o une deuxième plaque bipolaire, 20 les premières et deuxièmes plaques bipolaires comportant des orifices sur leur périphérie dans lesquels passent des conduits de fluide caloporteur conducteurs thermiquement et isolés électriquement. La présence de ces conduits de fluide caloporteur sur la périphérie des plaques bipolaires permet aux plaques bipolaires de directement transférer la 25 chaleur issue de la réaction électrochimique au fluide caloporteur afin de refroidir les cellules ou inversement d'apporter de la chaleur aux cellules si l'on a besoin de les réchauffer. Il est donc ainsi possible de refroidir ou réchauffer les cellules sans passer par un circuit de gestion thermique complexe passant entre les cellules et nécessitant un fluide caloporteur non conducteur et très pur. Il est possible ainsi 3059473 3 d'utiliser un fluide caloporteur classique ce qui réduit les coûts de production et d'utilisation de la pile à combustible. Selon un aspect de l'invention, les conduits de fluide caloporteur sont des 5 tubes en aluminium ou alliage d'aluminium, lesdits conduits de fluide caloporteur étant anodisés sur leur surface extérieure. Selon un autre aspect de l'invention, les premières et deuxièmes plaques bipolaires sont réalisées en aluminium ou alliage d'aluminium. 10 Selon un autre aspect de l'invention, les conduits de fluide caloporteur sont maintenus dans les orifices par une fixation mécanique liée à une expansion desdits conduits de fluide caloporteur. 15 Selon un autre aspect de l'invention, dans l'empilement de cellules, la deuxième plaque bipolaire d'une première cellule est confondue avec la première plaque bipolaire d'une deuxième cellule contiguë. Selon un autre aspect de l'invention, la pile à combustible comporte entre 20 chaque cellule une plaque conductrice thermiquement, ladite plaque conductrice thermiquement comportant des orifices sur sa périphérie dans lesquels passent également les conduits de fluide caloporteur. Selon un autre aspect de l'invention, les plaques conductrices 25 thermiquement sont réalisées en aluminium ou alliage d'aluminium. Selon un autre aspect de l'invention, pile à combustible comporte de part et d'autre de l'empilement de cellules un collecteur de fluide caloporteur dans lequel débouchent les conduits de fluide caloporteur. 30 3059473 4 Selon un autre aspect de l'invention, les collecteurs comportent une plaque collectrice, ladite plaque collectrice comportant des orifices dans lesquels passent les conduits de fluide caloporteur, les extrémités des conduits de fluide caloporteur étant évasées à l'aplomb desdits orifices. 5 Selon un autre aspect de l'invention, les ouvertures des plaques collectrices comportent des joints d'étanchéité compressibles. Selon un autre aspect de l'invention, la pile à combustible comporte de 10 part et d'autre de l'empilement de cellules un collecteur de courant comportant des orifices dans lesquels passent les conduits de fluide caloporteur. La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'une pile à combustible telle que décrite précédemment, ledit procédé comprenant les 15 étapes suivantes : o empilement des cellules de sorte que les conduits de fluide caloporteur soient insérés dans les orifices, o compression de l'empilement de cellule, o expansion des conduits de fluide caloporteur. 20 Selon un aspect du procédé selon l'invention, le procédé de fabrication comporte une étape supplémentaire de mise en place d'un collecteur de part et d'autre de l'empilement de cellules. 25 Selon un autre aspect du procédé selon l'invention, l'étape supplémentaire de mise en place d'un collecteur comporte : o une première sous-étape de mise en place de plaques collectrices, o une deuxième étape d'évasement des extrémités des conduits de fluide caloporteur, 3059473 5 ° une troisième étape de mise en place de couvercles. Selon un autre aspect du procédé selon l'invention,la première sous-étape de mise en place de plaques collectrices est réalisée avant l'étape d'expansion des 5 conduits de fluide caloporteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : 10 - la figure 1 montre une représentation schématique d'une pile à combustible de l'art antérieur, - la figure 2 montre une représentation schématique d'un empilement de cellules de l'art antérieur, - la figure 3 montre une représentation schématique en coupe transversale 15 d'un empilement de cellules selon un premier mode de réalisation de l' invention, - la figure 4 montre une représentation schématique d'une face interne d'une plaque bipolaire, - la figure 5 montre une représentation schématique en coupe transversale 20 d'un empilement de cellules selon un deuxième mode de réalisation de l' invention, - la figure 6 montre une représentation schématique en coupe transversale d'un empilement de cellules selon un troisième mode de réalisation de l'invention, 25 - la figure 7 montre une représentation schématique en coupe longitudinale d'une pile à combustible selon l'invention. Les éléments identiques sur les différentes figures, portent les mêmes références. 3059473 6 Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les 5 caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées pour fournir d'autres réalisations. Dans la présente description, on peut indexer certains éléments ou 10 paramètres, comme par exemple premier élément ou deuxième élément ainsi que premier paramètre et second paramètre ou encore premier critère et deuxième critère etc. Dans ce cas, il s'agit d'un simple indexage pour différencier et dénommer des éléments ou paramètres ou critères proches mais non identiques. Cette indexation n'implique pas une priorité d'un élément, paramètre ou critère 15 par rapport à un autre et on peut aisément interchanger de telles dénominations sans sortir du cadre de la présente description. Cette indexation n'implique pas non plus un ordre dans le temps par exemple pour apprécier tels ou tels critères. Comme le montre la figure 3, la pile à combustible 1 selon l'invention 20 comporte un empilement de cellules A empilées les unes sur les autres. Chaque cellule A comporte en superposition : - une première plaque bipolaire 2a, - une anode 3a, - un électrolyte 4, par exemple une membrane à échange de proton, 25 - une cathode 3b, et - une deuxième plaque bipolaire 2b. Dans la présente description, on parle de première plaque bipolaire 2a comme étant la plaque bipolaire en relation avec l'anode 3a et permettant l'apport 30 de dihydrogène au niveau de ladite anode 3a au moyen de canaux de circulation 3059473 7 22a. De même, on parle de deuxième plaque bipolaire 2b comme étant la plaque bipolaire en relation avec la cathode 3b et permettant l'apport de dioxygène au niveau de ladite cathode 3b au moyen de canaux de circulation 22b. Structurellement, la première 2a et la deuxième 2b plaques bipolaires sont de 5 préférence identiques et disposées en miroir symétriquement par rapport au plan formé par l'anode 3a, l'électrolyte 4 et la cathode 3b. Afin d'assurer l'étanchéité des cellules A, des joints compressibles 24 sont de préférence disposés entre les première 2a et deuxième 2b plaques bipolaires et les électrodes 3a, 3b auxquelles elles font face. 10 Les premières 2a et deuxièmes 2b plaques bipolaires comportent des orifices 20 sur leur périphérie dans lesquels passent des conduits 10 de fluide caloporteur conducteurs thermiquement et isolés électriquement. Le fait que ces conduits 10 de fluide caloporteur soient isolés électriquement permet d'éviter les courts circuits entre les cellules A. 15 Les orifices 20 des plaques bipolaires 2a, 2b sont de préférence alignés de sorte qu'un conduit 10 de fluide caloporteur rectiligne puisse traverser un orifice 20 de l'ensemble des plaques bipolaires 2a, 2b. Ces conduits 10 de fluide caloporteur sont de préférence des tubes réalisés en aluminium ou en alliage d'aluminium afin d'avoir une bonne conduction 20 thermique. Dans le but d'isoler électriquement ces conduits 10 tout en conservant une bonne conduction thermique, les conduits 10 de fluide caloporteur en aluminium ou en alliage d'aluminium peuvent être anodisés sur leur surface extérieure notamment en contact avec les plaques bipolaires 2a, 2b. Cependant d'autres types d'isolation électrique peuvent être utilisés comme par exemple un 25 film plastique d'isolation électrique. Les plaque bipolaires 2a, 2b sont également de préférence réalisées en aluminium ou alliage d'aluminium afin d'avoir une bonne conductivité thermique. La présence de ces conduits 10 de fluide caloporteur sur la périphérie des plaques bipolaires 2a, 2b permet aux plaques bipolaires 2a, 2b de directement 30 transférer la chaleur issue de la réaction électrochimique au fluide caloporteur afin 3059473 8 de refroidir les cellules A ou inversement d'apporter de la chaleur aux cellules A si l'on a besoin de les réchauffer. Il est donc ainsi possible de refroidir ou réchauffer les cellules A sans passer par un circuit de gestion thermique complexe passant entre les cellules A et nécessitant un fluide caloporteur non conducteur et très pur. 5 11 est possible ainsi d'utiliser un fluide caloporteur classique ce qui réduit les coûts de production et d'utilisation de la pile à combustible 1. De plus, les conduits 10 de fluide caloporteur sont maintenus dans les orifices 20 de préférence par une fixation mécanique liée à une expansion des conduits 10 de fluide caloporteur au sein des orifices 20. Cela permet de maintenir 10 l'empilement de cellules A car les conduits 10 de fluide caloporteur passent par toutes les cellules A. Il n'est donc pas nécessaire d'utiliser des plaques de serrage 7 et des tirants 70 pour maintenir l'empilement de cellules A. Selon un premier mode de réalisation illustré à la figure 3, chaque cellule 15 A comporte une première plaque bipolaire 2a et une deuxième plaque bipolaire 2b propres et distinctes d'une cellule A à une autre. La deuxième plaque bipolaire 2b d'une cellule A est alors en contact avec la première plaque bipolaire 2a d'une cellule A contiguë. 20 La figure 4 montre une face interne 200 d'une plaque bipolaire 2a, 2b (également représentée sur la figure 3), c'est à dire la face en contact avec une électrode 3a, 3b et qui comporte des canaux de circulation 22a, 22b. La plaque bipolaire 2a, 2b, comporte une conduite d'alimentation 26a et une conduite de refoulement 26b d'un premier gaz, du dihydrogène s'il s'agit d'une première 25 plaque bipolaire 2a et du dioxygène s'il s'agit d'une deuxième plaque bipolaire 2b. Entre la conduite d'alimentation 26a et la conduite de refoulement 26b du premier gaz est disposé un circuit de canaux de circulation 22a, 22b sur la face interne 200 de la plaque bipolaire 2a, 2b afin de distribuer le premier gaz contre une des électrodes 3a, 3b. Les conduites d'alimentation 26a et conduites de 30 refoulement 26b du premier gaz et le circuit de canaux de circulation 22a, 22b 3059473 9 sont entourés de préférence par un joint 24 permettant l'étanchéité avec son électrode 3a, 3b associée. Les conduites d'alimentation 26a et les conduites de refoulement 26b sont traversantes et servent à l'alimentation en premier gaz des autres plaques 5 bipolaires 2a, 2b de l'empilement de cellule A et à son refoulement. La plaque bipolaire 2a, 2b comporte également une conduite d'alimentation 27a et une conduite de refoulement 27b d'un deuxième gaz, du dihydrogène s'il s'agit d'une deuxième plaque bipolaire 2b et du dioxygène s'il s'agit d'une première plaque bipolaire 2a. Un joint 24 permet également 10 l'étanchéité autour de cette conduite d'alimentation 27a et de cette conduite de refoulement 27b. Les conduites d'alimentation 27a et les conduites de refoulement 27b sont traversantes et servent à l'alimentation en deuxième gaz des autres plaques bipolaires 2a, 2b de l'empilement de cellule A et à son refoulement. 15 Les orifices 20 dans lesquels passent les conduits 10 de fluide caloporteur sont de préférence disposés sur toute la périphérie de la plaque bipolaire 2a, 2b pour une circulation homogène de la chaleur. Cependant, il n'est pas exclu de l'invention, que la distribution des orifices 20 et des conduits 10 de fluide caloporteur soit différente selon les contraintes de place au sein d'un véhicule 20 automobile. Ainsi, les orifices 20 et les conduits 10 de fluide caloporteur peuvent n'être disposés que sur un ou plusieurs côtés des plaque bipolaires 2a, 2b et donc de la pile à combustible 1. Selon un deuxième mode de réalisation illustré à la figure 5, dans 25 l'empilement de cellules A, la deuxième plaque bipolaire 2b d'une première cellule A' est confondue avec la première plaque bipolaire 2a d'une deuxième cellule A" contiguë. Ainsi, entre deux cellules A, il n'y a pas deux plaques bipolaires 2a, 2b accolées l'une à l'autre mais une plaque bipolaire double 2c qui comporte des canaux de circulation 22a sur chacune de ses deux faces. Une 30 première face de cette plaque bipolaire double 2c est alors au contact de l'anode 3059473 10 3a d'une première cellule A' et sa deuxième face est au contact de la cathode 3b d'une deuxième cellule A" contiguë de la premier cellule A'. Sur la figure 5, seules deux cellules A' et A" sont représentées mais il est bien entendu évident qu'une plaque bipolaire double 2c peut être utilisée pour des 5 empilements d'un plus grand nombre de cellules A. Selon un troisième mode de réalisation illustré à la figure 6, la pile à combustible 1 peut comporter entre chaque cellule A une plaque conductrice thermiquement 8. Cette plaque conductrice thermiquement 8 comporte des 10 orifices 80 sur sa périphérie dans lesquels passent également les conduits 10 de fluide caloporteur. Cette plaque conductrice thermiquement 8 est de préférence réalisée dans un matériau ayant une très bonne conductivité thermique comme par exemple l'aluminium ou l'alliage d'aluminium. Cette plaque conductrice thermiquement 8 permet une meilleure gestion thermique des cellules A 15 notamment lorsque les plaques bipolaires 2a, 2b, sont réalisées dans un matériau ayant une conductivité thermique réduite. La figure 7 montre une pile à combustible 1 dans son ensemble. De part et d'autre de l'empilement de cellule A, la pile à combustible 1 comporte un 20 collecteur de courant 11. Ces collecteurs de courant 11 peuvent également comporter des orifices 110 traversés par les conduits 10 de fluide caloporteur. La pile à combustible comporte également de part et d'autre de l'empilement de cellules A un collecteur 9 de fluide caloporteur dans lequel débouchent les conduits 10 de fluide caloporteur. Ces collecteurs 9 de fluide 25 caloporteur permettent la distribution du fluide caloporteur aux conduits 10 et la collecte et l'évacuation du fluide caloporteur en provenance des conduits 10. Ces collecteurs 9 comportent notamment une plaque collectrice 91 et un couvercle 92 fixé de façon étanche à la plaque collectrice 91 et définissant une chambre 90. La plaque collectrice 91 comporte des orifices 910 dans lesquels 30 passent les conduits 10 de fluide caloporteur. Afin de fixer les collecteur 9 à 3059473 11 l'empilement de cellule A, les extrémités des conduits 10 de fluide caloporteur peuvent être évasées à l'aplomb des orifices 910 dans la chambre 90. Afin d'assurer l'étanchéité entre les conduits 10 de fluide réfrigérant et la plaque collectrice 91, les ouvertures 910 peuvent comporter des joints 5 d'étanchéité 93 compressibles. La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'une pile à combustible 1 telle que décrite précédemment. Le procédé de fabrication comporte notamment les étapes suivantes : 10 - empilement des cellules A de sorte que les conduits 10 de fluide caloporteur soient insérés dans les orifices 20, - compression de l'empilement de cellule A de sorte à comprimer les joints 24 entre les plaques bipolaires 2a, 2b et les électrodes 3a, 3b. - expansion des conduits 10 de fluide caloporteur. 15 Cette étape d'expansion des conduits 10 de fluide caloporteur peut être réalisée par le passage d'une olive dans les conduits 10. Cette étape d'expansion permet la fixation des conduits 10 aux plaques bipolaires 2a, 2, et permet également une bonne conductivité thermique entre ces plaques bipolaires 2a, 2b et 20 les conduits 10. De plus cette expansion permet de maintenir les cellules A ensembles en compression et ainsi de conserver l'étanchéité. Le procédé de fabrication peut également comporter une étape supplémentaire de mise en place d'un collecteur 9 de part et d'autre de 25 l'empilement de cellules A. Cette étape de mise en place des collecteur peut se diviser en deux sous étapes : - Une première sous-étape de mise en place des plaques collectrices 91. Cette sous étape peut notamment être réalisée avant l'étape d'expansion des conduits 10 de fluide caloporteur. L'expansion des conduits 10 30 permettant la compression des joints 93 compressibles pour assurer 3059473 12 l' étanchéité. - Une deuxième étape d'évasement des extrémités des conduits 10 de fluide caloporteur afin de fixer les plaque collectrices 91. - Une troisième étape de mise en place des couvercles 92. 5 Ainsi, on voit bien que la pile à combustible selon l'invention, du fait que ce sont les plaques bipolaires 2a, 2b qui servent directement de pont thermique entre la réaction électrochimique et des conduits 10 de fluide caloporteur, permet l'utilisation d'un fluide caloporteur standard qui ne nécessite pas d'être non 10 conducteur électrique et n'ayant pas besoin d'être filtré constamment. De plus les conduits 10 permettent le maintien des cellules A entre elles ce qui permet de se passer de plaques de serrage 7 et de tirant 70. Le procédé de fabrication est également simple et ne nécessite pas l'installation d'un circuit de gestion thermique compliqué entre les cellules A. REVENDICATIONS1. Pile à combustible (1) comportant un empilement de cellules (A) empilées les unes sur les autres, chaque cellule (A) comportant en superposition : ° une première plaque bipolaire (2a), o une anode (3a), o un électrolyte (4), o une cathode (3b), et o une deuxième plaque bipolaire (2b), caractérisée en ce que les premières (2a) et deuxièmes (2b) plaques bipolaires comportent des orifices (20) sur leur périphérie dans lesquels passent des conduits (10) de fluide caloporteur conducteurs thermiquement et isolés électriquement. 2. Pile à combustible (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les conduits (10) de fluide caloporteur sont des tubes en aluminium ou alliage d'aluminium, lesdits conduits (10) de fluide caloporteur étant anodisés sur leur surface extérieure. 3. Pile à combustible (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les premières (2a) et deuxièmes (2b) plaques bipolaires sont réalisées en aluminium ou alliage d'aluminium. 4. Pile à combustible (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les conduits (10) de fluide caloporteur sont maintenus dans les orifices (20) par une fixation mécanique liée à une expansion desdits conduits (10) de fluide caloporteur. 3059473 14 5. Pile à combustible (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que dans l'empilement de cellules (A), la deuxième plaque bipolaire (2b) d'une première cellule (A') est confondue avec la première plaque bipolaire (2a) d'une deuxième cellule (A") contiguë. 5 6. Pile à combustible (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte entre chaque cellule (A) une plaque conductrice thermiquement (8), ladite plaque conductrice thermiquement (8) comportant des orifices (80) sur sa périphérie dans lesquels passent 10 également les conduits (10) de fluide caloporteur. 7. Pile à combustible (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les plaques conductrices thermiquement (8) sont réalisées en aluminium ou alliage d'aluminium. 15 8. Pile à combustible (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte de part et d'autre de l'empilement de cellules (A) un collecteur (9) de fluide caloporteur dans lequel débouchent les conduits (10) de fluide caloporteur. 20 9. Pile à combustible (1) selon la revendication précédente caractérisée en ce que les collecteurs (9) comportent une plaque collectrice (91), ladite plaque collectrice (91) comportant des orifices (910) dans lesquels passent les conduits (10) de fluide caloporteur, les extrémités des conduits (10) de 25 fluide caloporteur étant évasées à l'aplomb desdits orifices (910). 10. Pile à combustible (1) selon la revendication précédente caractérisée en ce que les ouvertures (910) des plaques collectrices (91) comportent des joints d'étanchéité (93) compressibles. 3059473 15 11. Pile à combustible (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte de part et d'autre de l'empilement de cellules (A) un collecteur de courant (11) comportant des orifices (110) dans lesquels passent les conduits (10) de fluide caloporteur. 5 12. Procédé de fabrication d'une pile à combustible (1) selon l'une des revendications précédentes, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : o empilement des cellules (A) de sorte que les conduits (10) de fluide caloporteur soient insérés dans les orifices (20), 10 ° compression de l'empilement de cellule (A), o expansion des conduits (10) de fluide caloporteur. 13. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte une étape supplémentaire de mise en place d'un collecteur 15 (9) de part et d'autre de l'empilement de cellules (A). 14. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, caractérisé en que l'étape supplémentaire de mise en place d'un collecteur (9) comporte : o une première sous-étape de mise en place de plaques collectrices (91), 20 ° une deuxième étape d'évasement des extrémités des conduits (10) de fluide caloporteur, o une troisième étape de mise en place de couvercles (92). 15. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, caractérisé en 25 que la première sous-étape de mise en place de plaques collectrices (91) est réalisée avant l'étape d'expansion des conduits (10) de fluide caloporteur.