Brevet FR3091044A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : PLAQUE BIPOLAIRE POUR PILE A COM- BUSTIBLE [0001] La présente invention concerne le domaine des piles à combustibles, et en particulier celui des plaques bipolaires utilisées pour former l'empilement d'une pile à combustibles. En effet, une pile à combustible est composée d'un empilement de cellules électrochimiques comprenant une anode et une cathode séparées par une membrane échangeuse d'ions, l'ensemble étant appelé « assemblage membrane-électrons », ou AME, et chaque AME étant disposée entre deux plaques bipolaires. [0002] Les piles à combustible font l'objet à l'heure actuelle de nombreuses études dans le cadre des efforts déployés pour limiter la pollution de l'environnement, dans les transports notamment. Parmi les plus étudiés actuellement figurent sans doute les générateurs électrolytiques à combustible hydrogène, utilisant comme comburant de l'air ou de l'oxygène pur. [0003] Lors du fonctionnement d'une pile à combustible, deux réactions électrochimiques simultanées se produisent au niveau de l'assemblage membrane-électrons : une oxydation du carburant à l'anode, et une réduction de comburant à la cathode. Ces deux réactions produisent des ions, positifs et négatifs, qui se combinent au niveau de la membrane et produisent de l'électricité sous la forme d'une différence de potentiels. Dans le cas d'une pile à combustible oxygène-hydrogène, ce sont les ions H+ et O- qui se combinent. [0004] Ces réactions électrochimiques se produisent au niveau de chaque cellule de base, chacune de ces cellules étant séparée des cellules adjacentes par des plaques bipolaires, qui ont plusieurs fonctions, notamment : - une première fonction d'alimentation en carburant et en comburant, et - une deuxième fonction échange thermique, permettant la réfrigération, ou refroidissement, de la pile. [0005] 11 est à noter qu'une plaque bipolaire est généralement constituée de deux plaques fines, solidarisées par un moyen tel que la soudure ou le collage. Par ailleurs, les plaques bipolaires, de par leurs différentes fonctions, doivent être conductrices de l'électricité, tout en restant insensible, en termes de corrosion, au comburant et au carburant. [0006] Afin de remplir la première fonction, un canal est prévu sur toute la face des plaques bipolaires en contact avec la membrane. Chaque canal possède une entrée par laquelle pénètre le carburant ou le carburant, et une sortie par laquelle sont évacués les gaz neutres, l'eau générée par la réaction électrochimique, et l'humidité résiduelle de 2 l'hydrogène de son côté. Pour remplir la deuxième fonction, un liquide de refroidissement est. généralement envoyé entre les deux plaques fines formant la plaque bipolaire. [0007] Afin d'assurer un fonctionnement correct d'une pile à combustible, en garantissant un rendement correct, il est nécessaire que l'étanchéité soit parfaitement assurée entre les plaques bipolaires et les assemblages membrane-électron, afin d'éviter toute fuite de gaz. Pour garantir cette étanchéité, on utilise des joints en un matériau tel que le silicone. On a constaté que, pour une valeur d'écrasement donnée, plus l'épaisseur du joint est faible, plus son taux de compression est élevé, et plus les défaillances d'étanchéité seront importantes, ducs à une sollicitation trop importante de l'élastomère. [0008] En outre, on a constaté qu'un joint de faible épaisseur requérait des tolérances de fa- brication et d'assemblage plus précises, par exemple au niveau de l'épaisseur du joint ou de la géométrie de la surface d'appui de la plaque bipolaire, ce qui engendre des coûts de fabrication supplémentaires. Ainsi, il apparaît pertinent de choisir un joint épais, dans une configuration présentant un taux de compression acceptable par le matériau. [0009] Toutefois, on a constaté certains problèmes dans l'assemblage de pile à combustible à joints épais. Pour les plaques bipolaires assemblées par un procédé de brasage fort sous vide, il s'avère que l'épaisseur du joint contraint les outils d'assemblage à compenser la différence de hauteur due à cette épaisseur. Or, ces outils de brasage sont souvent réalisés en matériaux céramiques, et la création d'un outil « étagé » permettant d'accepter des différences de hauteur sur les pièces à braser peut devenir extrêmement coûteux et complexe. En outre, la forme étagée de l'outillage nécessite une précision de positionnement importante entre la plaque bipolaire et l'outil, ce qui peut s'avérer incompatible avec les dilatations élevées rencontrées lors du brasage fort. [0010] La présente invention vise donc à proposer une solution permettant de remédier à ces inconvénients. Exposé de l'invention [0011] Ainsi, la présente invention concerne une plaque bipolaire constituant la première plaque polaire d'un premier élément de base d'une pile à combustible et la deuxième plaque polaire d'un deuxième élément de base adjacent au premier élément de base de la même pile à combustible, la plaque bipolaire comprenant deux plaques minces parallèles assemblées par brasure, chaque plaque mince comportant au moins un canal de distribution de carburant ou de comburant ménagé dans l'épaisseur de la plaque polaire, et un canal d'étanchéité destiné à accueillir un joint, également ménagé dans l'épaisseur de la plaque. 3 100121 La plaque bipolaire est caractérisée en ce que le canal d'étanchéité présente, sur sa surface interne, des excroissances dont la hauteur représente moins de 50% de l'épaisseur du canal d'étanchéité, et dont la surface représente moins de 50% de la surface totale du canal (l'étanchéité. On précise ici que les termes « surface d'appui » et « surface du canal d'étanchéité » sont utilisés indifféremment dans la présente description, et doivent être compris avec un sens similaire. [0013] Cette invention permet avantageusement de remédier aux inconvénients de l'état de la technique, puisqu'elle permet de concilier les bénéfices et la robustesse d'un joint épais avec une facilité de fabrication, notamment lors de l'opération de brasage. En effet, les excroissances permettent aux plaques minces d'être correctement positionnées lors de l'opération de brasage, sans qu'il soit nécessaire de faire appel à un outil étagé couteux. En outre, l'utilisation d'excroissances ponctuelles, dont la surface représente moins dc la moitié de la surface du canal d'étanchéité, permet de laisser suffisamment de place pour l'installation d'un joint épais. En outre, les dimensions des excroissances, notamment leur hauteur, peuvent être choisies de manière à offrir un taux de compression qui ne dégrade pas l'élastomère constituant le joint. [0014] L'invention présente différents modes de réalisation avantageux, qui seront ulté- rieurement détaillés à dc figures. [0015] Ainsi, dans un premier mode de réalisation particulier, les excroissances sont des picots situés à intervalles réguliers sur l'ensemble du canal d'étanchéité. [0016] Dans un exemple, ces picots peuvent être positionnés sur chacune des plaques minces de manière à ce que les picots d'une des plaques minces (celle constituant l'anode) soient positionnés face à face avec les picots de l'autre plaque mince (celle constituant la cathode) lorsque la plaque bipolaire est assemblée. [0017] Dans un autre exemple en revanche, les picots ne sont pas positionnés en face à face dans la plaque bipolaire assemblée. De manière préférentielle, les picots sont positionnés en quinconce, c'est-à-dire qu'ils sont positionnés à intervalle régulier sur chacune des plaques minces, avec le même pas d'intervalle, mais avec un décalage d'un demi-pas d'une plaque mince à l'autre. [0018] Dans un autre mode de réalisation, les excroissances se présentent sous la forme de vaguelettes sur l'ensemble du canal d'étanchéité. [0019] Dans un autre mode de réalisation, les canaux de distribution sont ménagés de façon à ce que lors de l'empilement du premier et deuxième élément de base de la pile à combustible, un canal de circulation se forme entre les deux plaques polaires, et en ce que ce canal de distribution communique avec un orifice d'alimentation en fluide de refroidissement. Brève description des dessins 100201 D'autres objectifs et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la des- cription qui va suivre d'un mode de réalisation préféré mais non limitatif, illustré par les figures suivantes dans lesquelles : [0021] [fig.1] : la figure 1 montre une plaque bipolaire de l'état de la technique. [0022] [fig.2] : la figure 2 montre trois vues en coupe d'une étape de brasage d'une plaque bipolaire de l'état de la technique. [0023] [fig.3] : La figure 3 montre une vue partielle d'un mode de réalisation d'une plaque bipolaire selon l'invention, en vue de face et vue de coupe. [0024] [fig.4] : la figure 4 montre une vue partielle d'un second mode de réalisation d'une plaque bipolaire selon l'invention, en vue de face et vue de coupe. Description détaillée [0025] Comme montré en figure 1, une plaque bipolaire comprend un squelette central 1 constitué de deux plaques minces, parallèles, solidarisées par un procédé tel que le collage, le brasage ou la soudure. Une face de cette plaque est destinée à être adossée à une anode, dans une pile à combustible, et l'autre face est destinée à âtre adossée à une cathode. [0026] Les plaques minces sont percées de plusieurs trous à leur périphérie, afin de former des collecteurs de carburant 2, comburant 3, et de liquide de refroidissement 4. Les plaques comportent également un ensemble de canaux 5, ménagés dans leur épaisseur, afin de permettre la circulation, en surface, de carburant ou de comburant. Par ailleurs, les plaques minces comportent des orifices permettant de faire communiquer un collecteur avec un canal de circulation de gaz. [0027] La plaque bipolaire comporte également des joints, par exemple en matériau polymère, situé dans au niveau de la surface d'appui montrée par la flèche 15. Un premier joint permet de réaliser une étanchéité afin que le gaz circulant dans les canaux de la première plaque ne rentre pas en contact avec le gaz circulant sur la plaque bipolaire suivante dans l'empilement, ces deux gaz étant par nature différents, afin de permettre un fonctionnement correct de la pile à combustible. Un second joint permet de réaliser une étanchéité entre les deux plaques minces formant la plaque bipolaire, de façon à ce que le gaz suivant le trajet indiqué par la flèche 14 n'entre pas en contact avec le liquide de refroidissement circulant dans la plaque bipolaire. [0028] Ce joint est, par exemple, réalisé par brasure, par soudure, par collage ou tout autre moyen de liaison étanche. [0029] Comme indiqué précédemment, les plaques bipolaires connues présentent de nombreux inconvénients lors des opérations de brasage. Ainsi, la figure 2 montre trois exemples de plaques de l'état de la technique vues au niveau du détail 10 en coupe A-A par rapport à la figure 1. Ces vues en coupe sont représentées au moment de l'opération de brasage par un outil 20. Ainsi, le premier exemple (a) montre une plaque bipolaire classique présentant une surface d'appui pour joint classique, ne permettant l'utilisation d'un joint épais. [0030] Le deuxième exemple (h) montre une amélioration par rapport au premier exemple, puisque la surface d'appui permet la présence d'un joint épais. Toutefois, on constate sur la figure que lors de l'application de l'outil de brasage, un espace a se crée entre les plaques et l'outil. Ceci conduit à des défauts d'étanchéité car les plaques minces ne sont pas correctement plaquées pendant l'opération. [0031] Pour remédier à cela, le troisième exemple © montre l'utilisation d'un outil étagé, c'est-à-dire un outil présentant une surface avec un décalage correspondant au décalage de la plaque mince à l'endroit destiné à accueillir le joint. Cet outil permet d'obtenir une étanchéité correcte, mais les opérations de fabrication se révèlent extrêmement coûteuses, d'une part à cause de l'outillage plus complexe, et d'autre part à cause de la nécessité de positionnement précis de l'outil par rapport aux plaques. [0032] La figure 3 représente d'une plaque bipolaire selon l'invention, permettant de remédier à cela. Cette plaque bipolaire est montrée sous différentes formes : une vue partielle de face (d), une vue en coupe (e) et une vue (f) au cours d'une opération de brasage par un outil 20. Les autres éléments de la plaque bipolaire sont semblables à ceux montrés en figure 1, à l'exception des excroissances qui sont présentes sur l'ensemble du canal d'étanchéité du joint. [0033] Sur cette vue partielle on voit apparaître une partie 30 d'un canal d'étanchéité, muni d'excroissances 21 présentant ici la forme de picots. Ces picots peuvent par exemple prendre la forme de picots circulaires, d'un diamètre de base compris entre 0 2 mm et 2mm, de préférence autour de 0.6mm La hauteur des picots peut être choisie entre 0.02 mm et 0.2mm. Dans une réalisation particulière représentée sur la figure 3, la hauteur des picots vaut 0.07mm, l'épaisseur du joint pouvant être ainsi augmentée de 2 x 0.07 mm = 0.14 mm par rapport à une version sans picots. Cette vue de face (d) montre seulement une plaque mince, mais la vue en coupe B-B permet de faire apparaître la présence des picots sur les deux plaques minces. Comme précédemment indiqué, les picots peuvent être positionnés de manière à être face à face lors de l'assemblage, ou bien, comme sur la vue en coupe, être positionnés en quinconce, c'est-à-dire avec le même intervalle d'espacement, décalé d'un demi-pas d'une plaque à l'autre. Le troisième élément de cette figure montre une telle plaque bipolaire au cours de l'opération de brasage. On voit ici clairement que la présence des picots 6 permet de compenser le décalage dû à la profondeur du canal d'étanchéité de joint ; ceci permet de garantir une étanchéité correcte au brasage tout en utilisant un outillage classique. [0034] La figure 4 montre un autre exemple de réalisation avec une vue (g) de face d'une plaque mince, et une vue (h) d'une opération de brasage par un outil 20. Dans ce mode de réalisation, dans lequel les excroissances prennent la forme d'une vaguelette 22 qui s'étend tout au long du canal d'étanchéité. 7