Brevet FR3092937A1 — publié le 20200821

Description Titre de l'invention : DISPOSITIF DE PILE A COMBUSTIBLE Domaine technique [0001] La présente invention concerne un dispositif de pile à combustible, et plus spéci- fiquement, concerne une structure de pile unitaire constituant un empilement de pile à combustible. Technique antérieure [0002] Une pile à combustible, par exemple, une pile à combustible de type solide à haut polymère, est un mécanisme de génération d'énergie qui comprend un empilement de pile à combustible obtenu en empilant une pluralité de piles unitaires via une couche de refroidissement, chacune des piles unitaires étant formée en empilant un séparateur de chaque côté d'un assemblage formant électrode à membrane comprenant une couche d'électrode de chaque côté d'une membrane d'électrolyte via une couche de diffusion de gaz, dans lequel un combustible hydrogène à haute pression est fourni à un canal formé dans les séparateurs d'un côté électrode à hydrogène pour provoquer une réaction électrochimique avec l'oxygène fourni à un canal du séparateur de l'autre côté électrode à air, et ainsi de l'énergie électrique est extraite de l'énergie chimique du combustible hydrogène (par exemple, voir le Document Brevet 1). Problème technique 100031 Le canal du séparateur côté électrode à air a également une fonction de canal de drainage pour Veau générée par la réaction. Le Document Brevet 1 décrit l'augmentation de la largeur de rainure du canal du côté électrode à air au centre et la réduction de la largeur de rainure du canal du côté électrode à hydrogène pour améliorer les performances de drainage de l'eau générée à une faible charge. 100041 Cependant, lorsque la largeur du canal est modifiée, des problèmes se posent tels que non seulement la réduction du ratio de la zone de contact des parties convexes restantes, mais encore, la réduction du ratio d'engagement des parties convexes entre le côté électrode à hydrogène et le côté électrode à air, ce qui provoque une augmentation de la résistance électrique. 100051 La présente invention a été réalisée au vu des problèmes ci-dessus que présente l'art antérieur, et un objet de la présente invention est de fournir une pile à combustible ayant une structure de pile unitaire avantageuse pour atteindre à la fois des performances de génération d'énergie et des performances de drainage de l'eau générée. Solution technique 100061 A la suite d'une étude approfondie pour résoudre les problèmes ci-dessus, le présent inventeur a proposé la présente invention après avoir acquis la connaissance que 2 puisque l'hydrogène est plus susceptible de se diffuser dans la couche de diffusion de gaz que l'oxygène, même lorsque la densité d'un canal à hydrogène est réduite et que les parties convexes sont élargies, aucune pénurie d'hydrogène nécessaire à la réaction ne surviendrait. [0007] C'est-à-dire que la présente invention est un dispositif de pile à combustible comprenant un assemblage formant électrode à membrane ayant une couche d'électrode de chaque côté d'une membrane d'électrolyte et une paire de séparateurs empilés de chaque côté de l'assemblage formant électrode à membrane via une couche de diffusion dc gaz, chacun au sein de la paire de séparateurs comprenant une pluralité de rainures et de parties convexes s'étendant entre les rainures formées sur un côté d'une surface de contact avec la couche de diffusion de gaz, l'un au sein dc la paire de séparateurs étant un séparateur côté électrode à hydrogène présentant les rainures en tant que canaux à hydrogène et l'autre au sein de la paire de séparateurs étant un séparateur côté électrode à air présentant les rainures en tant que canaux à air, caractérisé en cc que les rainures respectives du séparateur côté électrode à air ont la même largeur et sont agencées à intervalles égaux, et les rainures respectives du séparateur côté électrode à hydrogène ont la même largeur que celle des rainures respectives du séparateur côté électrode à air et sont prévues aux mêmes positions dans la direction de la largeur que les rainures correspondantes parmi les rainures respectives du séparateur côté électrode à air, mais les rainures sont prévues pour chacune ou plusieurs des rainures du séparateur côté électrode à air dans au moins une région partielle dans la direction de la largeur. Avantages apportés [0008] Comme décrit ci-dessus, la pile à combustible selon la présente invention présente une configuration dans laquelle les rainures respectives du séparateur côté électrode à air ont la même largeur et sont agencées à intervalles égaux, les rainures respectives du séparateur côté électrode à hydrogène ont la même largeur que les rainures du séparateur côté électrode à air et sont prévues aux mêmes positions dans la direction de la largeur que les rainures correspondantes du séparateur côté électrode à air, et ainsi les parties convexes entre les rainures du côté électrode à hydrogène et du côté électrode à air présentent un contact de surface les unes avec les autres, provoquant une 'augmentation du rapport d'engagement des parties convexes du côté électrode à hydrogène et du côté électrode à air, et il est ainsi possible de réduire la résistance à la pénétration et la résistance de contact, et en outre, en raison de la configuration dans laquelle les rainures respectives du séparateur côté électrode à hydrogène sont prévues pour chacune ou plusieurs des rainures du séparateur côté électrode à air dans au moins une région partielle dans la direction de la largeur (les parties convexes du séparateur côté électrode à hydrogène sont prévues toutes les deux ou plus rainures du séparateur 3 côté électrode à air), le ratio de la zone de contact augmente et il est possible d'améliorer l'efficacité de collecte de courant sur le séparateur côté électrode à hydrogène, et le nombre de rainures du séparateur côté électrode à air et du séparateur côté électrode à hydrogène sont définies sur un maximum, ce qui offre également de bonnes performances de drainage. [0009] Les caractéristiques suivantes peuvent être optionnellement mises en oeuvre, sé- parément ou en combinaison entre elles : [0010] - l'au moins une région partielle est une région centrale dans la direction de la largeur ou les deux régions latérales à l'exception de la région centrale et des deux régions d'extrémité, et dans les régions autres que les deux régions latérales, les rainures respectives du séparateur côté électrode à hydrogène sont prévues aux mêmes positions que les rainures respectives du séparateur côté électrode à air. [0011] - les rainures respectives du séparateur côté électrode à air et les rainures respectives du séparateur côté électrode à hydrogène sont formées linéairement et parallèles à la direction longitudinale du séparateur côté électrode à air et du séparateur côté électrode à hydrogène. [0012] - les rainures respectives du séparateur côté électrode à air et les rainures respectives du séparateur côté électrode à hydrogène sont formées en forme de vagues s'étendant dans la direction longitudinale du séparateur côté électrode à air et du séparateur côté électrode à hydrogène et ayant une amplitude dans la direction de la largeur. Brève description des dessins [0013] D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l'analyse dès dessins annexés, sur lesquels : Fig. 1 100141 1E2.11 est une vue en perspective éclatée illustrant une configuration de pile unitaire d'une pile à combustible selon un mode de réalisation de la présente invention ; Fig. 2 100151 I fie.21 est une vue en coupe transversale dans la direction Y de la Fig. I illustrant un empilement de pile à combustible dans lequel des piles unitaires sont empilées ; Fig. 3 100161 Ifig.31 est une vue de dessous de parties principales illustrant un séparateur côté électrode à hydrogène selon le mode de réalisation de la présente invention ; Fig. 4 [0017] [fig.41 est une vue de dessus de parties principales illustrant un séparateur côté électrode à air selon le mode de réalisation de la présente invention ; Fig. 5 [0018] [fig.51 est une vue en coupe transversale agrandie de parties principales de la Fig. 2 illustrant une pile unitaire selon le mode de réalisation de la présente invention ; Fig. 6 100191 Ifig.61 est une vue en coupe éclatée correspondant à la figure 5 illustrant la pile unitaire selon le mode de réalisation de la présente invention ; Fig. 7 [0020] [fig.71 est une vue en coupe transversale agrandie de parties principales de la Fig. 5 illustrant le mouvement des électrons dans la pile unitaire. Description des modes de réalisation [0021] Ci-après, un mode de réalisation de la présente invention est décrit en détail en référence aux dessins joints. [0022] En Fig. 1 à 6, un empilement de pile à combustible constituant une partie principale d'un dispositif de pile à combustible est construit en empilant plusieurs piles unitaires 5 via une plaque de refroidissement 1, les piles unitaires 5 étant chacune faites d'un séparateur côté hydrogène 2 et d'un séparateur côté air 4 empilés sur chaque côté d'un assemblage formant électrode à membrane 3 via des couches de diffusion de gaz 32 et 34. [0023] Comme le montre la figure 1, la plaque de refroidissement 1 a une forme de plateau ondulé ayant une pluralité de rainures 10 qui définissent des canaux à air de refroidissement la parallèlement à une direction de la largeur Y des piles unitaires 5, et est fabriquée en un matériau métallique, un matériau à base de carbone ou similaire disposant d'une bonne conductivité ou conductivité thermique. 100241 L'assemblage formant électrode à membrane 3 (en anglais MEA ou membrane electrode assemhly) est obtenu en joignant une couche d'électrode à chaque côté d'une membrane électrolytique (membrane électrolytique à haut polymère, PEM) qui transmet sélectivement les ions hydrogène, la couche d'électrode (couche catalysatrice) comprend une électrode à combustible (anode) et une électrode à air (cathode) et est formée d'un catalyseur en platine supporté sur un support de noir de carbone ou simil aire. 100251 Le séparateur côté hydrogène 2 présente une pluralité de rainures 20 qui définissent des canaux à hydrogène 2a s'étendant parallèlement à la direction longitudinale X formées d'un côté de surface de contact avec la couche de diffusion de gai 32 qui est un côté de surface inférieure en Fig. 1, et des parties convexes 21 sont formées entre les rainures 20. Chaque rainure 20 a une section transversale rectangulaire de la même largeur et chaque partie convexe 21 présente une surface supérieure plate. 100261 11 est à noter que, comme le montre la figure 3, chaque partie convexe 21 se termine avant une extrémité du séparateur côté hydrogène 2 et un canal à hydrogène intégré 2a' pour la dérivation / confluence est défini à une extrémité du séparateur côté hydrogène 2. Bien qu'omis sur chaque dessin, le canal à hydrogène intégré 2a' de chaque pile unitaire 5 communique avec un canal d'alimentation en hydrogène / d'évacuation d'hydrogène qui pénètre à l'extrémité de chaque pile unitaire 5 dans la direction de l'épaisseur Z, et est apte à alimenter / évacuer un gaz hydrogène à travers celui-ci. [0027] Le séparateur côté air 4 comprend une pluralité de rainures 40 qui définissent des canaux à air 4a s'étendant parallèlement à la direction longitudinale X formées du côté de la surface de contact avec la couche de diffusion de gaz 34 qui est un côté de surface supérieure sur le dessin, et des parties convexes 41 sont formées entre les rainures respectives 40. Les rainures respectives 40 ont une section transversale rectangulaire de la même largeur et sont agencées à intervalles égaux, et chaque partie convexe 41 présente une surface supérieure plate et a la même largeur à l'exception des deux parties d'extrémité latérales adjacentes à un joint d'étanchéité 42. [0028] Chaque rainure 20 du séparateur côté hydrogène 2 a la même largeur que celle de la rainure 40 du séparateur côté air 4 et est prévue en opposition à la rainure correspondante 40 parmi les rainures 40 située à la même position dans le sens de la largeur, niais dans les deux régions latérales 2h à l'exception de la région centrale 2c dans la direction de la largeur (la région centrale 2c et les deux régions d'extrémité dans la direction de la largeur dans l'exemple illustré), les rainures 20 sont prévues toutes les deux rainures 40, les parties convexes respectives 21 sont prévues sur trois parties convexes 41 du séparateur côté électrode à air 4. Par conséquent, chaque partie convexe 21 présente une largeur large additionnant les largeurs des trois parties convexes 41 et les largeurs de deux rainures 40. [0029] Il est à noter que les parties convexes 21 et 41 de deux parties d'extrémité latérales adjacentes aux joints d'étanchéité 22 et 42 ont des largeurs légèrement plus importantes que les autres parties convexes 41. En outre, comme le montre la figure 4, chaque partie convexe 41 se termine avant une extrémité du séparateur côté air 4, et un canal d'air intégré 4a' pour la dérivation / confluence est également défini à une extrémité du séparateur côté ah- 4. Bien qu'omis dans les dessins respectifs, le canal à air intégré 4a' de chaque pile unitaire 5 communique avec le canal d'alimentation en air / d'évacuation d'air qui pénètre dans la partie d'extrémité de chaque pile unitaire 5 dans la direction de l'épaisseur (direction d'empilement) Z et est configuré pour être capable d'alimenter / d'évacuer de l'air à travers celui-ci de façon similaire au côté hydrogène. [0030] En outre, comme le montrent les figures 5 et 6, le séparateur côté hydrogène 2 est plus fin que le séparateur côté air 4 et chaque rainure 20 du séparateur côté hydrogène 2 est moins profonde que chaque rainure 40 du séparateur côté air 4 qui sert également de canal d'évacuation de l'eau générée. Le séparateur côté hydrogène 2 et le séparateur côté air 4 servent également d'électrode de collecte de courant / électrode d'alimentation en énergie, et sont fabriqués en un matériau métallique ou en un 6 matériau à hase de carbone ou similaire disposant d'une bonne conductivité électrique ou conductivité thermique. [0031] Les couches de diffusion de gaz 32 et 34 ont pour fonction de diffuser de l'hydrogène fourni par l'intermédiaire du canal à hydrogène 2a et de l'oxygène dans l'air fourni par l'intermédiaire du canal à air 4a dans une direction de surface et de diffuser l'hydrogène et l'oxygène uniformément sur la couche d'électrode de l'assemblage formant électrodes à membrane 3, et une fonction de collecte des électrons générés par la réaction chimique au niveau de l'électrode côté combustible et d'évacuation de l'eau purifiée générée au niveau de l'électrode côté air, et les couches de diffusion de gaz 32 et 34 sont faites dc papier à hase de carbone ou de tissu à hase de carbone ou similaire disposant d'une bonne perméabilité aux gaz et d'une bonne conductivité électrique. [0032] Puisque les couches de diffusion de gaz 32 et 34 ayant la configuration ci-dessus sont plus flexibles que les autres composants dc la pile unitaire 5, dans un état de pré-empilement comme illustré en Fig. 6, les couches ont une forme de feuille d'épaisseur uniforme, tandis que comme illustré en Fig. 5, lorsque le séparateur côté hydrogène 2 et le séparateur côté air 4 sont empilés via les couches de diffusion de gaz 32 et 34 de chaque côté de l'assemblage formant électrode à membrane 3 pour constituer la pile unitaire 5, les couches de diffusion de gaz 32 et 34 sont prises en sandwich et comprimées entre les parties convexes 21 et 41 du séparateur côté hydrogène 2 et le séparateur côté air 4, et une structure d'engagement est formée de sorte que chaque partie convexe 21, 41 mord dans chaque couche de diffusion de gaz 32, 34 et que d'autre part, dans chaque partie formant rainure 20, 40, la couche de diffusion de gaz 32, 34 mord dans chaque partie formant rainure 20, 40. [0033] Dans la structure d'engagement entre les couches de diffusion de gaz 32 et 34, et le séparateur côté hydrogène 2 et le séparateur côté air 4, un degré de déformation en compression des couches de diffusion de gaz 32 et 34 par chaque partie convexe 21, 41 et chaque partie formant rainure 20, 40 est ajusté de manière appropriée par une gestion dimensionnelle sur l'épaisseur globale lorsqu'une pluralité de piles unitaires 5 sont empilées via la plaque de refroidissement 1 pour constituer un empilement de pile à combustible. [0034] Dans le dispositif de pile à combustible configuré comme décrit ci-dessus, la partie convexe 41 du séparateur côté air 4 dans chaque pile unitaire 5 est configurée pour toujours établir un contact de surface en une position où la partie convexe 21 du séparateur côté hydrogène 2 existe, ce qui est une configuration avantageuse pour réduire la résistance à la pénétration et la résistance de contact et pour améliorer les performances de génération d'énergie. [0035] Avec la configuration dans laquelle chaque rainure 20 du séparateur côté électrode à hydrogène 2 est prévue toutes les deux rainures 40 du séparateur côté électrode à air 4 7 dans les deux régions latérales 2h dans la direction de la largeur et les parties convexes 21 du séparateur côté électrode à hydrogène 2 sont prévues sur trois parties convexes 41 du séparateur côté électrode à air 4, le ratio de la zone de contact de l'assemblage formant électrode à membrane 3 et de la couche de diffusion de gaz 32 via la partie convexe 21 du séparateur côté électrode à hydrogène 2 augmente, et il est ainsi possible d'améliorer les performances de génération d'énergie et d'améliorer l'efficacité de collecte de courant au niveau des parties convexes élargies 21. [0036] De plus, le nombre de rainures 40 du séparateur côté électrode à air 4 qui devient un canal de drainage pour l'eau générée est défini sur un maximum, et le nombre de rainures 20 du séparateur côté électrode à hydrogène 2 dans la région centrale 2c où l'eau est facilement accumulée est également défini sur un maximum, et les performances de drainage sont également bonnes. [0037] Ci-après, les opérations et effets ci-dessus sont décrits en détail en référence à la Fig. 7. [0038] La Fig. 7 illustre la réaction électrochimique et le mouvement des électrons (c ) dans la pile unitaire 5. En Fig. 7, l'hydrogène (H2) alimenté par l'intermédiaire de la rainure 20 du séparateur côté électrode à hydrogène 2 est diffusé par la couche de diffusion de gaz 32 dans la direction de la surface le long de l'électrode à combustible (couche catalysatrice) sur le côté de surface supérieure de l'assemblage formant électrode à membrane 3. D'autre part, l'oxygène (02) dans l'air alimenté par l'intermédiaire de la rainure 40 du séparateur côté électrode à air 4 est diffusé par la couche de diffusion de gaz 34 le long de l'électrode à air (couche catalysatrice) sur le côté de surface inférieure de l'assemblage formant électrode à membrane 3. [0039] Dans ce cas, puisque l'hydrogène (H2) a une meilleure capacité de diffusion que l'oxygène (02), l'hydrogène est diffusé uniformément sur l'ensemble de la surface supérieure de l'assemblage formant électrode à membrane 3 même lorsque l'intervalle d'installation des rainures 20 est important. D'autre part, bien que l'oxygène (02) ait une capacité de diffusion moindre, l'intervalle d'installation de la rainure 40 est petit, et l'oxygène est diffusé uniformément sur l'ensemble de la surface inférieure de l'assemblage formant électrode à membrane 3 et la quantité d'oxygène nécessaire à la réaction est sécurisée. [0040] L'hydrogène (H2) qui est diffusé uniformément sur l'ensemble de la surface su- périeure de l'assemblage formant électrodes à membrane 3 est décomposé par l'action du catalyseur au niveau de l'électrode à combustible (couche catalysatrice) en ions hydrogène (H+) et en électrons (e-), et les électrons (e-) sont collectés par l'intermédiaire de la couche de diffusion de gaz 32 et des parties convexes 21. Les ions hydrogène (H+) traversent l'assemblage formant électrode à membrane 3, se combinent avec l'oxygène (02) au niveau de l'électrode à air (couche catalysatrice) pour générer 8 de l'eau. L'eau générée est évacuée par l'intermédiaire de la rainure 40. [0041] L'empilement de pile à combustible est constitué de piles unitaires 5 connectées en série via la plaque de refroidissement conductrice 1, et les électrons (e-) collectés par le séparateur côté électrode à hydrogène 2 sont fournis au séparateur côté électrode à air 4 adjacent via la plaque de refroidissement 1, utilisé pour la réaction dans l'électrode à air (couche catalysatricc), un potentiel est généré aux deux extrémités de la connexion en série de la pile unitaire 5 et l'empilement de pile à combustible fonctionne comme mécanisme de génération d'énergie. [0042] Une partie de l'eau générée au niveau de l'électrode à air (couche catalysatrice) de l'assemblage formant électrode à membrane 3 se déplace vers le côté électrode à combustible au moyen d'une diffusion par concentration et est évacuée par l'intermédiaire des rainures 20 du séparateur côté électrode à hydrogène 2. [0043] Il est à noter que bien qu'un cas ait été décrit dans le mode de réalisation ci-dessus dans lequel chaque rainure 20 du séparateur côté électrode à hydrogène 2 dans la pile unitaire 5 est prévue toutes les deux rainures 40 du séparateur côté électrode à air 4 dans les deux régions latérales 2h dans la direction de la largeur, chaque rainure 20 du séparateur côté électrode à hydrogène 2 peut être prévue toutes les deux rainures 40 du séparateur côté électrode à air 4 dans d'autres régions dans la direction de la largeur ou dans toutes les régions dans la direction de la largeur ou chaque rainure 20 du séparateur côté électrode à hydrogène 2 peut être prévu toutes les rainures ou toutes les 3 à 5 rainures 40 du séparateur côté électrode à air 4. [0044] En outre, bien qu'un cas ait été décrit dans le mode de réalisation ci-dessus dans lequel les rainures respectives 20 et 40 du séparateur côté électrode à hydrogène 2 et du séparateur côté électrode à air 4 sont prévues linéairement dans la direction longitudinale de la pile unitaire 5, les rainures respectives 20 et 40 peuvent être formées dans les mêmes formes de vagues s'étendant dans la direction longitudinale de la pile unitaire 5 et ayant une amplitude dans la direction de la largeur. Une telle configuration est avantageuse pour améliorer la capacité de diffusion du gaz. [0045] De plus, bien que plusieurs modes de réalisation de la présente invention aient été décrits jusqu'ici, la présente invention ne se limite pas à ces modes de réalisation et diverses modifications ou changements peuvent encore être apportés sur la base du concept technique de la présente invention. Liste des signes de référence [0046] - 1: plaque de refroidissement - la canal à air de refroidissement - 2 séparateurs côté hydrogène - 2a canal à hydrogène - 2b régions latérales - 2c région centrale - 3 assemblage formant électrode à membrane (MEA) - 3a canal à air - 4 séparateur côté air - 5 pile unitaire - 10 rainure (canal à air de refroidissement) - 20 rainure (canal à hydrogène) - 21, 41 partie convexe - 22, 42 joint d'étanchéité - 32, 34 couche de diffusion de gaz - 40 rainure (canal à air) Liste des documents cités Documents brevets [0047] À toute fin utile, le document brevet suivant est cité : - [Document Brevet 1] JP 2005-203288 A. [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3]