Brevet FR3097080A1 — publié le 20201211

Description Titre de l'invention : Plaque de pile à combustible, cellule et pile à combustible. [0001] L'invention concerne une plaque de pile à combustible, une cellule et une pile à com- bustible comprenant un telle plaque. [0002] L'invention concerne plus particulièrement une plaque de pile à combustible pour pile à combustible du type à membrane échangeuse de protons, la plaque comprenant deux faces opposées respectivement une face réactive destinée à faire face à un Assemblage Membrane Electrodes et une face de refroidissement, la face réactive comprenant une zone active munie de reliefs et creux formant au moins un canal de circulation pour un réactif, la zone réactive étant entourée par une zone périphérique. [0003] Dans le cas d'une cellule composée de deux plaques prenant en sandwich un As- semblage Membrane Electrodcs (AME), chaque plaque (anodique ou cathodique) comprend un côté dédié à la circulation des gaz réactif (air ou hydrogène en vis-à-vis de l'Assemblage Membrane Electrodcs) et un côté (tourné vers l'extérieur de la cellule) dédié à la circulation du fluide (liquide) de refroidissement. Les cellules de pile à combustible (côté anode et côté cathode) génèrent en effet de la chaleur (les réactions chimiques au sein de la cellule sont exothermiques) et doivent être refroidies par un circuit de refroidissement. [0004] Les fluides (réactifs et refroidissement) sont amenés et évacués via des passages ou collecteurs formés dans les plaques. [0005] On pourra se référer par exemple au document FR3030120 Al. [0006] En périphérie de leur zone active centrale (qui fait face au circuit de réactif), les AME ont généralement une épaisseur légèrement plus importante et/ou une rigidité mécanique localement plus importante. Cette surépaisseur est généralement duc à la superposition locale de plusieurs couches de composants. La rigidité localement plus importante de la périphérie de l'AME est généralement duc à une moindre compressibilité résiduelle de la couche de diffusion de gaz (« GDL pour « Cas Diffusion Layer » en anglais) qui compose l'AME. [0007] Cette différence d'épaisseur entre la périphérie de l'AME et sa partie centrale qui est exposée aux réactifs est de l'ordre de quelques dizaines de microns. [0008] Généralement un serrage important de l'empilement des cellules permet de comprimer efficacement l'AME. [0009] Cependant, les inventeurs ont constaté que cette force de sen-age supplémentaire s'applique sur tous les composants assurant le serrage de l'empilement de cellules (plaques d'extrémité, moyens de liaison, système de compensation de variation géo- 2 métrique ...) et entraîne un surdimensionnement de ceux-ci, qui se traduit par un coût plus élevé, un poids et un volume plus important, et un outil de serrage lui aussi surdimensionné. [0010] Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. [0011] A cette fin, la plaque selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce que selon une direction transversale au plan de la plaque, la zone périphérique de la face réactive de la plaque est en retrait d'une épaisseur déterminée par rapport à l'épaisseur de la zone réactive. [0012] Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : [0013] - selon une direction transversale au plan de la plaque, la zone périphérique de la face réactive de la plaque est en retrait d'une épaisseur déterminée comprise entre 40 et 120pm, [0014] - selon une direction transversale au plan de la plaque, la zone périphérique de la face réactive de la plaque est en retrait d'une épaisseur déterminée comprise entre 100 pm et 2mm et sur laquelle est disposée un matériau ayant une rigidité inférieure à la rigidité de la plaque, selon une direction transversale au plan de la plaque la surface supérieure dudit matériau étant située au niveau ou en retrait ou au-dessus par rapport à la zone réactive, [0015] - le matériau comprend au moins l'un parmi un polymère, un élastomère, un plastique ou un composite. [0016] L'invention concerne également une cellule de pile à combustible comprenant deux plaques conformes à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-après et prenant en sandwich un Assemblage Membrane Electrodes. [0017] L'invention concerne également une pile à combustible comprenant un empilement de cellules conformes à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-après. [0018] L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications. [0019] D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci- après, faite en référence aux figures dans lesquelles : [0020] [fig.1] représente une vue en perspective, schématique et partielle illustrant un exemple de plaque de pile susceptible de mettre en oeuvre l'invention, [0021] [fig.2] représente une vue en coupe transversale, schématique et partielle selon un premier mode de réalisation possible de la plaque, [0022] [fig.3] représente une vue en coupe transversale, schématique et partielle selon un 3 second mode de réalisation possible de la plaque, [0023] [fig.4] représente une vue en coupe transversale, schématique et partielle illustrant une cellule comprenant deux plaques enserrant un AME. [0024] [fig.5] représente une vue en perspective, schématique et partielle illustrant un em- pilement de cellules formant une pile à combustible. [0025] La plaque 1 de pile à combustible illustré schématiquement à la [fig.1] est une plaque pour pile à combustible de type à membrane échangeuse de protons. [0026] La plaque 1 est plane et de préférence composée de matériau métallique et/ou composite (moulé et/ou embouti et/ou usiné). [0027] La plaque 1 comprend classiquement deux faces opposées respectivement une face réactive destinée à faire face à un Assemblage Membrane Electrodcs 4 (cf. [fig.4]) et une face de refroidissement définissant un chemin pour un fluide de refroidissement. [0028] La face réactive comprend une zone 2 active centrale munie de reliefs et creux formant au moins un canal de circulation pour un réactif (air ou hydrogène). [0029] Le chemin ou circuit de refroidissement de l'autre face n'est pas représenté par soucis de simplification mais peut être formé au moins en partie par le relief négatif du circuit de réactif de la zone active 2. [0030] La zone active 2 est entourée par une zone 3 périphérique par exemple plane. [0031] La plaque 1 comprend classiquement un ou des orifices 8 ou passage sou collecteurs pour les fluides (réactifs et refroidissement). [0032] Selon une direction transversale au plan de la plaque 1, cette zone 3 périphérique de la face réactive de la plaque 1 est en retrait d'une épaisseur déterminée par rapport à l'épaisseur de la zone 2 active. [0033] C'est-à-dire qu'il a structurellement une différence de niveau qui permet de compenser la surépaisseur de l'AME à cet endroit lors du serrage de la ou des cellules 6. [0034] Par exemple, comme illustré à la [fig.2], la zone 3 périphérique est en retrait de quelques dizaines de microns (par exemple 40 et 120mn) par rapport à la hauteur de la zone 2 active. [0035] Le sommet de la zone 2 réactive dans cette direction transversale est de préférence le plan qui passe par le sommet des nervures définissant le circuit de réactif. [0036] Selon une autre possibilité illustrée à la [fig.3], la zone 3 périphéiique comporte une gorge ou un retrait d'épaisseur plus important mais recouvert localement d'une couche de matériau 5 moins rigide que le reste de la plaque 1. Par exemple, ce matériau 5 comprend exemple un élastomère placé dans une gorge qui sera située en vis-à-vis de la partie relativement plus épaisse de l'AME. Ce matériau permettra au serrage de la cellule de compenser la surépaisseur locale de l'AME. [0037] De cette façon, la force de serrage des cellules avec AME peut alors être diminuée par rapport aux structures connues. Ceci permet une bonne compression de la surfaces active de l'AME 4. [0038] Cette zone 3 périphérique peut être la surface située entre la surface active et le bord intérieur de la gorge d'un joint ou d'une ligne intermédiaire suffisamment éloignée de la surface active pour apporter un bénéfice substantiel sur la réduction de l'effort de compression. [0039] Cette architecture permet donc de diminuer la force de serrage ce qui diminue ou supprime des contraintes mécaniques sur les plaques de serrages enserrant l'empilement 7 de cellules 6 et des moyens de jonction. Ceci peut potentiellement permettre un gain de place, une diminution du poids et du prix de ces composants. De plus l'outillage de serrage de l'empilement 7 peut être lui aussi impacté par cette diminution de force. [0040] Préférentiellement, la réduction d'épaisseur localisée ne concerne qu'une plaque par cellule (la plaque anodique ou que la plaque cathodique de chaque cellule 6). Ceci permet de mieux garantir la précision dimensionnelle. En effet, dans ce cas, la tolérance d'usinage de la plaque ou d'un moule de fabrication des cellules n'est prise en compte qu'une seule fois par cellule). 5 REVENDICATIONS[Revendication I] Plaque de pile à combustible pour pile à combustible du type à membrane échangeuse de protons, la plaque (I) comprenant deux faces opposées respectivement une face réactive destinée à faire face à un Assemblage Membrane Electrodes (4) et une face de refroidissement, la face réactive comprenant une zone (2) active munie de reliefs et creux formant au moins un canal de circulation pour un réactif, la zone réactive (2) étant entourée par une zone (3) périphérique, caractérisée en ce que selon une direction transversale au plan de la plaque (1), la zone (3) périphérique de la face réactive de la plaque est en retrait d'une épaisseur déterminée par rapport à l'épaisseur de la zone (2) réactive. [Revendication 2] Plaque selon la revendication 1, caractérisée en ce que, selon une direction transversale au plan de la plaque (1), la zone (3) périphérique de la face réactive de la plaque (1) est en retrait d'une épaisseur (H) déterminée comprise entre 40 et 12C4.tm. [Revendication 3] Plaque selon la revendication 1, caractérisée en ce que, selon une direction transversale au plan de la plaque (1), la zone (3) périphérique de la face réactive de la plaque est en retrait d'une épaisseur déterminée comprise entre 100 !lm et 2mm et sur laquelle est disposée un matériau (5) ayant une rigidité inférieure à la rigidité de la plaque, et en ce que, selon une direction transversale au plan de la plaque (1) la surface supérieure dudit matériau (5) est située au niveau ou en retrait ou au-dessus par rapport à la zone (2) réactive. [Revendication 4] Plaque selon la revendication 3, caractérisée en ce que le matériau (5) comprend au moins l'un parmi un polymère, un élastomère, un plastique ou un composite. [Revendication 5] Cellule de pile à combustible comprenant deux plaques (1) conformes à l'une quelconque des revendications 1 à 4 prenant en sandwich un Assemblage Membrane Electrodes (4). [Revendication 6] Pile à combustible comprenant un empilement de cellules (6) conformes à la revendication 5.