Brevet FR3062957A1 — publié le 20180817

La présente invention concerne une plaque de pile à combustible ainsi qu'une cellule et une pile comprenant une telle plaque. La présente invention concerne une plaque de pile à combustible, notamment pour pile à combustible de type à membrane échangeuse de protons (« PEM »), comprenant une face destinée à acheminer un gaz comburant ou un gaz carburant vers la surface active d'un Assemblage Membrane Electrodes, ladite face de la plaque comprenant des nervures en saillie délimitant un nombre déterminé de canaux prévus pour la circulation de gaz, les canaux ayant une longueur LCA déterminée et une largueur E déterminée, les nervures ayant une largeur LA déterminée. Les plaques de piles à combustible (mono-polaires ou bipolaires) sont prévues pour guider les réactifs (comburant contenant de l'oxygène et carburant contenant de l'hydrogène) jusqu'au siège des réactions électrochimiques des piles à combustible. Plus précisément, dans les piles de type à membranes échangeuses de protons (« PEMFC ») deux plaques de pile prennent en sandwich un Assemblage Membrane-Electrodes (« AME » en français ou «MEA» en anglais). L'AME est l'élément stratégique d'une cellule de pile car c'est le siège des réactions électrochimiques de la pile. La pile 7 à combustible comprend un empilement de telles cellules 6 (cf. figure 8). A ce jour, le développement à grande échelle de la technologie des piles à combustible « PEMFC » est limité par les coûts élevés au regard de la puissance électrique délivrée. Une part importante de ce coût est attribuable à l'AME. Les deux plaques ont notamment pour fonctions d'amener les gaz réactifs à la plus grande partie possible de la surface active des AME (c'est-a- dire la surface où se trouvent les électrodes). Pour ce faire, les faces réactives des plaques qui viennent au contact de l'AME comprennent à cet effet des canaux de guidage du gaz réactif (une plaque guide du comburant tandis que l'autre plaque guide du carburant). Les AME sont disposés sur les plaques de manière à ce que la surface couverte par le réseau de canaux corresponde à la surface active des AME. On peut alors définir deux types de situations possibles pour la surface active. L'AME peut ainsi être soit en face de l'ouverture 2 d'un canal, soit en face d'une 3062957 2 nervure 3 qui délimite le canal 2 (en coupe perpendiculaire au plan de la plaque et perpendiculaire à la nervure et aux canaux, cette nervure a la forme générale d'une « dent » ou d'un créneau et pourra être désignée ainsi dans la suite). 5 La performance et la durée de vie des systèmes équipés de piles à combustible dépend largement de la qualité d'acheminement des réactifs et la gestion de l'eau produite par la réaction. La distribution des réactifs doit être aussi homogène que possible, l'AME doit maintenir un bon niveau d'hydratation, et simultanément, l'eau doit être évacuée autant que possible de la porosité des 10 électrodes afin de justement permettre aux réactifs d'accéder aux sites réactionnels. Plus précisément, un compromis doit être fait entre l'assèchement du ionomère (conducteur protonique de la membrane, également présent dans les électrodes) en entrée de gaz, et le noyage des électrodes en sortie. De nombreuses publications s'intéressent à la géométrie des plaques cf. 15 par exemple le document EP2372824A1. On peut définir un taux d'ouverture des plaques comme étant le pourcentage ou fraction « ouverte » et qui donc mesure la proportion de canaux par rapport à la totalité de surface active de la plaque. Ce taux (ou pourcentage) d'ouverture est défini par TO=100.(E/(E+LA)) avec E =la largeur des canaux, et LA 20 la largeur de la nervure (cf. figure 1). Une partie des publications de l'art antérieur concernant les plaques bipolaires indique que réduire la longueur des canaux et la largeur des nervures peut avoir un effet positif sur la performance des piles (PEMFC), mais les avis divergent sur la valeur optimale du taux d'ouverture des configurations. 25 Ces mesures sont bénéfiques mais ne suffisent pas pour atteindre des densités de puissance plus élevées au niveau de la cellule. La maximisation du taux d'ouverture TO n'est pas non plus une fin en soi : une largeur de nervure excessive limite la performance par l'alimentation en gaz réactif, tandis qu'une largeur de canal excessive limite la performance par la 30 conductivité électrique des couches de diffusion. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. 3062957 3 A cette fin, la plaque de pile à combustible selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce que le produit P de la longueur totale (LN) des nervures sur la plaque par unité de surface active par le taux d'ouverture (TO) de 5 la plaque est compris entre 4,7 et 10, c'est-à-dire que 4,7 REVENDICATIONS1. Plaque de pile à combustible, notamment pour pile à combustible de type à membrane échangeuse de protons (« PEM »), comprenant une face (1) destinée à acheminer un gaz comburant ou un gaz carburant vers la surface active d'un Assemblage Membrane Electrodes (5), ladite face (1) de la plaque comprenant des nervures (3) en saillie délimitant un nombre déterminé de canaux (2) prévus pour la circulation de gaz, les canaux (2) ayant une longueur (LCA) déterminée et une largueur (E) déterminée, les nervures (3) ayant une largeur (LA) déterminée, la plaque étant caractérisée en ce que le produit P de la longueur totale (LN) des nervures (3) sur la plaque par unité de surface active (en cm2) par le taux d'ouverture (TO) de la plaque est compris entre 4,7 et 10, c'est-à-dire que 4,7 2. Plaque de pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que, selon un plan de coupe perpendiculaire au plan de la plaque et perpendiculaire à l'axe de circulation des canaux (2), les nervures (3) forment des créneaux à angle droits. 3. Plaque de pile à combustible selon la revendication 1, caractérisée en ce que, selon un plan de coupe perpendiculaire au plan de la plaque et perpendiculaire à l'axe de circulation des canaux (2), les sommets des nervures (3) sont courbes et convexes. 4. Plaque de pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les jonctions des extrémités inferieures des nervures (3) avec la surface de la plaque délimitant le fond (12) des canaux (2) forment des angles vifs et/ou des courbes progressives. 5. Plaque de pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que, en coupe selon un plan perpendiculaire au plan de la plaque et perpendiculaire à l'axe de circulation du canal (2) délimité par les nervures (3) considérées, la largeur (E) des canaux (2) est comprise entre 0,19 et 0,49 mm. 3062 95 7 11 6. Plaque de pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les nervures (3) ont une largeur (LA) comprise entre 0,5 et 0,92 mm. 7. Plaque de pile à combustible selon l'une quelconque des 5 revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les canaux (2) ont une longueur (LCA) comprise entre 50 et 1000mm et de préférence compris entre 200 et 500mm. 8. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la plaque est constituée au moins en partie de matériau 10 conducteur électrique tel qu'un matériau métallique ou d'alliage métallique embouti et/ou moulé et/ou usiné mécaniquement ou chimiquement et/ou gaufré notamment du graphite expansé. 9. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 a 7, caractérisée en ce que la plaque est constituée au moins en partie de matériau composite 15 moulé et/ou usiné tel qu'un composite carbone/polymère. 10. Cellule de pile a combustible comprenant deux plaques prenant en sandwich un Assemblage Membrane Electrodes (5), caractérisée en ce que les plaques sont conformes à l'une quelconque des revendications 1 à 9. 11. Pile à combustible comprenant un empilement de cellules 20 conformes à la revendication 10.