Brevet FR3060211A1 — publié le 20180615

- 1 - DOMAINE DE L'INVENTION [0001] La présente invention concerne le domaine des piles à combustibles, et plus particulièrement le domaine de la fabrication et de l'assemblage de piles à combustible. [0002] 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. [0003] 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. Cet ensemble comprenant l'élément cathodique, l'élément anodique et l'électrolyte solide forme un assemblage membrane-électrode, également appelé AME. [0004] En outre, ces assemblages sont régulièrement complétés par l'ajout de renforts, ainsi que décrits dans le document US2008/0105354, formés à partir de films polymères, et qui permettent d'éviter la détérioration des AME en facilitant la manipulation des assemblages, ou encore en limitant les variations dimensionnelles de la membrane en fonction de la température et de l'humidité. Ces renforts sont généralement superposés à la périphérie des électrodes. En outre, des couches de diffusion gazeuse sont interposées entre les électrodes et les plaques bipolaire. [0005] 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. Des couches de diffusion de gaz, par exemple réalisées en tissu de carbone, sont installées de part et d'autre des AME pour assurer la conduction électrique et l'arrivée homogène des gaz réactifs fournis via les plaques bipolaires. 3060211 - 2 - [0006] L'empilage successif des plaques bipolaires, des couches de diffusion de gaz et des AME est maintenu sous des pressions d'appui devant garantir un bon contact électrique et une bonne étanchéité. Toutefois, le maintien sous pression n'est pas suffisant pour garantir une étanchéité parfaite. Il s'avère utile de disposer, entre l'assemblage membrane électrode et la 5 plaque bipolaire, d'un joint, réalisé par exemple en silicone ou en EPDM. [0007] On connaît plusieurs méthodes pour fabrique un tel joint, mettant en oeuvre des étapes de moulage ou de découpe. Toutefois, ces méthodes présentent différents inconvénients. Ainsi, la fabrication par découpe présente une difficulté technique pour la mise en place puisque les joints sont des éléments souples qu'il est difficile de maintenir en place pour une découpe 10 précise. La fabrication par moulage, quant à elle, est complexe à mettre en place, et nécessite l'utilisation d'un outillage onéreux. En outre, la fabrication par moulage ne permet pas de déposer directement un joint sur un renfort. [0008] La présente invention vise donc à proposer un procédé de fabrication de pile à combustible permettant de remédier à ces inconvénients. 15 BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION [0009] Ainsi, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une cellule élémentaire pour pile à combustible comprenant deux plaques bipolaires identiques entourant un assemblage 20 membrane, le procédé comprenant les étapes suivantes : - On dépose, sur une enclume de découpe, une feuille d'un matériau utilisé pour la formation de joints pour pile à combustible, - On installe deux pinces pour positionner la feuille sur l'enclume de découpe, de façon telle que la feuille soit maintenue sur l'enclume par adhérence, 25 - On effectue une première découpe avec un outil dont le gabarit dépend de la forme des plaques bipolaires de la cellule élémentaire, cette première découpe visant à délimiter la forme intérieure du joint, 3060211 - 3 - - On élimine les déchets de la première découpe tout en maintenant en place le joint grâce aux pinces et à l'adhérence, - On installe un assemblage membrane-électrode sur le joint, - On effectue une seconde découpe avec un outil permettant de délimiter la forme extérieure 5 du joint, - On élimine les déchets de la seconde découpe. [0010] Lors de la première phase de découpe, la feuille de matériau destiné à former le joint est maintenue par adhérence sur l'outil de découpe lui-même. En effet, cette première phase de découpe vise à effectuer la découpe centrale, ou intérieure du joint, qui permet de 10 dégager les formes correspond à la surface active d'une cellule élémentaire, et les orifices d'alimentation de la pile à combustible. Ainsi, pendant cette phase, la périphérie du joint n'est absolument pas impactée, et il est donc possible de maintenir le joint en place par un appui sur cette périphérie, par exemple en positionnement, sur l'outil de découpe, des mousses permettant d'exercer une pression de maintien sans endommager le joint. Cet outil de découpe sera 15 ultérieurement décrit à l'aide de figures. [0011] En revanche, dans la deuxième phase de découpe, qui vise à découper la périphérie du joint, le maintien par l'outil de découpe n'est plus possible, et le joint est alors maintenu en place grâce à l'assemblage membrane-électrode installé entre les deux phases de découpe. Ces avantages seront illustrés par la suite à l'aide de figures montrant les différentes 20 étapes du procédé ; [0012] Dans un mode de réalisation préférentiel, le matériau utilisé pour la formation de joints est du silicone sous forme de feuille présentant une surface lisse et non talquée, permettant une adhérence à l'assemblage membrane-électrode. [0013] Afin de répondre aux contraintes du procédé de fabrication, le silicone doit 25 présenter une adhérence suffisante pour que le joint reste en place pendant les différentes étapes. Ainsi, de manière préférentielle, le silicone présente une adhérence entre 0,0010 N/mm2 et 0.020N/mm2. [0014] Pour mesurer cette adhérence, le procédé suivant est employé : 3060211 -4- - Un disque de silicone est collé sur une pièce tournée, permettant l'accrochage d'un poids, - La pièce tournée est alors appliquée sur une plaque de verre, le silicone étant en contact avec le verre, avec une force de 60 N., - On accroche un poids et on détermine quelle charge est supportable par le silicone sans que 5 la pièce ne se décroche. On déterminera qu'un charge est « supportable » lorsque la pièce reste au moins 10 secondes sans décrocher sous l'effet de cette charge, - Lorsque la charge maximale supportable a été déterminée, on convertit cette charge en une force exprimée en Newton, en utilisant la formule connue Force = masse x g où g est la constate de gravitation, 10 - On divise ensuite cette force par la surface du disque, pour obtenir l'adhérence du silicone. [0015] Selon les modes de réalisation, un procédé selon l'invention peut en outre comprendre l'une ou l'autre des caractéristiques suivantes, considérées seules ou en combinaison : - les deux pinces utilisées pour positionner la feuille comprennent une pince fixe et une pince 15 mobile. - lequel l'étape d'élimination des déchets de la seconde découpe comprend l'étape de déplacer la pince mobile en emportant le déchet extérieur du joint. - le silicone est initialement enserré entre deux intercalaires, et le procédé comprend une étape préalable de séparation du silicone et des intercalaires. 20 - l'assemblage membrane-électrode comprend une face porteuse d'un joint, et dans lequel l'assemblage membrane-électrode est positionné de sorte que la face libre soit installée au contact du nouveau joint. [0016] L'invention concerne également une machine de découpe et de pause de joint pour cellule élémentaire de pile à combustible comprenant deux plaques bipolaires identiques 25 entourant un assemblage membrane électrode, le matériau destiné à former le joint étant présenté entre deux intercalaires, le tout sous forme d'un rouleau, la machine comprenant : 3060211 - 5 - - Un poste de déroulage et de séparation du matériau formant le joint et des intercalaires, - Des moyens de positionnement du matériau déroulé sur une enclume de découpe, - Des moyens de solidarisation du matériau avec l'enclume de découpe, - Un outil de coupe présentant un gabarit prédéterminé en fonction du format de la plaque 5 bipolaire pour la découpe centrale du joint, - Des moyens d'éjection des déchets après découpe - Des moyens pour installer un assemblage membrane-électrode sur le joint découpé et la maintenir en place et - Un outil de coupe pour la découpe périphérique du joint. 10 [0017] Dans un mode de réalisation particulier, l'enclume de découpe présente une surface supérieure mixte, comprenant une partie intérieure finement sablée et une partie extérieure polie. [0018] La partie intérieure finement sablée correspond aux découpes intérieures du joint lors de la première phase de découpe. En effet, le sablage fin permet de diminuer l'adhérence de 15 cette surface, et permet donc de faire en sorte que les parties qui doivent être éliminées à l'issue de la première phase de découpe n'adhèrent pas à l'enclume de découpe. En revanche, la partie polie sert à ce que la périphérie du joint, non découpé lors de la première phase de découpe, adhère à l'enclume, et permettent donc un maintien du joint en position lors du retrait de l'outil de découpe à l'issue de la première phase de découpe. 20 [0019] L'invention concerne également une machine comprenant deux lignes de fabrication de découpe et de fabrication en parallèle : - Une première ligne sur laquelle on découpe un premier joint, et on installe un assemblage membrane-électrode dessus, - Une seconde ligne sur laquelle on découpe un second joint, et on installe un assemblage 25 membrane-électrode issue de la première ligne de fabrication. 3060211 - 6 - [0020] De manière avantageuse, une telle machine comprend en outre un élément de transfert permettant de récupérer l'assemblage membrane-électrode à la sortie de la première ligne, et de le retourner avant de le positionner dans la seconde machine. 5 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [0021] D'autres objectifs et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description qui va suivre d'un mode de réalisation préféré mais non limitatif, illustré par les 10 figures suivantes dans lesquelles : - la figure 1 montre une vue partielle d'une machine selon l'invention, - la figure 2 montre un outil de découpe mis en oeuvre dans une machine selon l'invention, - les figures 3 à 7 permettent d'illustrer les différentes étapes d'un procédé selon l'invention. 15 DESCRIPTION DU MEILLEUR MODE DE REALISATION DE L'INVENTION [0022] Sur la machine montrée en figure 1, on voit un premier poste de déroulage d'un rouleau 1 comprenant du silicone inséré entre deux intercalaires. Ce poste comporte trois 20 ensembles de rouleaux permettant le déroulage simultané, et donc la séparation, des trois produits, à savoir le silicone et les deux intercalaires. [0023] Ainsi, les rouleaux 2 et 3 permettent l'évacuation des intercalaires supérieure et inférieure, quand le rouleau 4 permet d'évacuer le silicone en direction du prochain poste de la machine. 25 [0024] Le poste suivant est le poste de découpe à proprement parler. Ce poste comprend un outil de découpe 10, montré en figure 2, et une enclume de découpe 11. L'enclume de découpe présente une surface mixte précédemment décrite. Le poste comprend également des éjecteurs destinés à permettre l'élimination des déchets après découpe, et un plateau à vide permettant le transport et le positionnement d'un assemblage membrane-électrode. 3060211 - 7 - [0025] Ce poste comprend différents actionneurs permettant la mise en mouvement des différents éléments impliqués dans le procédé de fabrication : Deux vérins à pince permettent d'attraper le silicone issu du poste de déroulage pour le positionner correctement au niveau de l'enclume de découpe, 5 Un vérin de découpe, permettant de déplacer en translation verticale l'outil de découpe, Un vérin d'éjection, permettant de déplacer en translation verticales les éjecteurs. [0026] L'outil de découpe 10 présente un gabarit adapté au découpage que l'on souhaite faire en fonction de la forme de la plaque bipolaire utilisé dans la cellule élémentaire destinée à 10 accueillir l'assemblage membrane-électrode. En effet, un joint pour pile à combustible doit laisser libre les surfaces actives de la pile et les différents orifices de circulation de gaz, tout en réalisant une étanchéité entre les différents circuits gaz, afin que le combustible et le comburant n'entre pas en contact ailleurs qu'au niveau de la membrane échangeuse d'ions, siège de la réaction électrochimique. 15 [0027] Ainsi, sur l'outil de découpe montré en figure 2, on voit clairement apparaître une partie centrale 20, correspond aux surfaces actives de la pile, et des parties périphériques 21, 22, 23, 24, 25, 26, correspondant aux orifices d'alimentation des gaz. Les traits fins apparaissant sur la figure autour de chacune de ces parties sont en réalité des couteaux effectuant la découpe des parties intérieures du joint. 20 [0028] De la même façon, les traits latéraux 27 et 28 sont les couteaux effectuant la découpe de la périphérie du joint. [0029] Les différentes étapes de la découpe vont maintenant être décrites à l'aide des figures 3 à 7. [0030] Lorsque le silicone arrive dans le poste de découpe, il est installé sur l'enclume de 25 découpe 11, et il est fixé par une pince fixe 30 et une pince mobile 31. L'outil de découpe est alors abaissé, pour venir découper le joint selon le motif montré en figure 3. [0031] Un éjecteur est ensuite descendu verticalement pour éjecter les déchets issus de cette première phase de découpe. Le joint a alors la forme montrée en figure 4. 3060211 - 8 - [0032] On installe ensuite un assemblage membrane électrode 32 sur le joint, comme montré en figure 5. De manière avantageuse, pour cette étape d'installation, la membrane est maintenue sur un bras par un plateau à vide qui comporte également des couteaux latéraux destiné à terminer la découpe périphérique du joint. 5 [0033] Après avoir abaissé ce plateau, la périphérie du joint est découpée selon le motif montré en figure 6. [0034] La dernière étape d'élimination du déchet périphérique 33 est effectuée par une translation horizontale de la pince mobile. [0035] Ainsi, à l'issue de cette dernière étape, on dispose d'un assemblage membrane- 10 électrode portant un joint sur une de ces faces. Dans un mode de réalisation de l'invention, cet assemblage est alors retourné et transféré par un bras de manipulation en direction d'une seconde machine, afin de permettre l'apposition d'un joint sur la seconde face de l'assemblage membrane électrode. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une cellule élémentaire pour pile à combustible comprenant deux plaques bipolaires identiques entourant un assemblage membrane électrode, le procédé comprenant les étapes suivantes : On dépose, sur une enclume de découpe, une feuille d'un matériau utilisé pour la formation de joints pour pile à combustible, On installe deux pinces pour positionner la feuille sur l'enclume de découpe, de façon telle que la feuille soit maintenue sur l'enclume par adhérence, On effectue une première découpe avec un outil dont le gabarit dépend de la forme des plaques bipolaires de la cellule élémentaire, cette première découpe visant à délimiter la forme intérieure du joint, On élimine les déchets de la première découpe tout en maintenant en place le joint grâce aux pinces et à l'adhérence, On installe un assemblage membrane-électrode sur le joint, On effectue une seconde découpe avec un outil permettant de délimiter la forme extérieure du joint, On élimine les déchets de la seconde découpe. 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel les deux pinces utilisées pour solidariser la feuille comprennent une pince fixe et une pince mobile. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 2, dans lequel l'étape d'élimination des déchets de la seconde découpe comprend l'étape de déplacer la pince mobile en emportant le déchet extérieur du joint. 4. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le matériau utilisé pour la formation de joints est du silicone sous forme de feuille présentant une surface lisse et non talquée, permettant une adhérence à l'assemblage membrane-électrode. 3060211 - 2 - 5. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le silicone est initialement enserré entre deux intercalaires, le procédé comprenant une étape préalable de séparation du silicone et des intercalaires. 5 6. Procédé de fabrication selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'assemblage membrane-électrode comprend une face porteuse d'un joint, et dans lequel l'assemblage membrane-électrode est positionné de sorte que la face libre soit installée au contact du nouveau joint. 10 7. Machine de découpe et de pause de joint pour cellule élémentaire de pile à combustible comprenant deux plaques bipolaires identiques entourant un assemblage membrane électrode, le matériau destiné à former le joint étant présenté entre deux intercalaires, le tout sous forme d'un rouleau, la machine comprenant : 15 Un poste de déroulage et de séparation du matériau formant le joint et des intercalaires, Des moyens de positionnement du matériau déroulé sur une enclume de découpe, Des moyens de solidarisation du matériau avec l'enclume de découpe, Un outil de coupe présentant un gabarit prédéterminé en fonction du format de la 20 plaque bipolaire pour la découpe centrale du joint, Des moyens d'éjection des déchets après découpe Des moyens pour installer un assemblage membrane-électrode sur le joint découpé et la maintenir en place et Un outil de coupe pour la découpe périphérique du joint. 25 8. Machine selon la revendication 7, dans laquelle l'enclume de découpe présente une surface supérieure mixte, comprenant une partie intérieure finement sablée et une partie extérieure polie. 30 3060211 - 3 - 9. Ligne d'assemblage de pile à combustible comprenant une première machine selon l'une des revendications 7 et 8 pour déposer un joint sur une première face d'un assemblage membrane-électrode, - des moyens de retournement de l'assemblage membrane-électrode à la sortie de la 5 première machine, et - une seconde machine selon l'une des revendications 7 et 8 pour déposer un joint sur la deuxième face de l'assemblage membrane-électrode.