Brevet FR3091624A1 — publié le 20200710

Description Titre de l'invention : Plaque de champ d'écoulement et compresseur comprenant une telle plaque [0001] L'invention concerne une plaque de champ d'écoulement pour une cellule de com- presseur à état solide. L'invention concerne en outre un compresseur à état solide et une cellule (le compresseur pour la compression électrochimique (l'un fluide de travail, comprenant une telle plaque. En outre, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un tel ensemble de plaques. [0002] Là où les compresseurs mécaniques classiques utilisent des moyens mécaniques tels que des pistons ou des rotors pour la compression d'un fluide, les compresseurs à état solide reposent sur le transport électrochimique dudit fluide à travers une membrane en utilisant un mécanisme dc transport ionique. Afin dc comprimer le fluide de travail de manière électrochimique, un compresseur à état solide comprend typiquement une cellule de compresseur composée d'un ou plusieurs ensembles membrane-électrodes empilés (également connus sous le nom dc MEA, en anglais « Membrane- ElectrodeAssembly »). Les électrodes du MEA sont connectées à une alimentation électrique pour maintenir une différence de potentiel électrique entre les électrodes. Cette différence de potentiel est nécessaire pour déplacer électrochi miquemcnt le fluide de travail ionisé à travers la membrane d'échange de protons (communément appelée PEM, en anglais « proton cxchangc membrane ») contre le gradient de pression qui existe à travers la membrane. La direction du courant électrique détermine ainsi la direction du transport ionique, dans lequel le fluide de travail à basse pression est ionisé à l'anode chargée positivement et est recombiné avec les électrons séparés du côté de la cathode à haute pression du MEA. [0003] Un compresseur à état solide communément connu est le compresseur électro- chimique d'hydrogène, dans lequel l'hydrogène est amené à l'ensemble membrane-électrodes et oxydé en protons et en électrons. Les protons sont ensuite conduits à travers la membrane et les électrons sont transférés par un circuit externe, après quoi les protons et les électrons sont réduits en hydrogène moléculaire. Dans cc processus, l'hydrogène se déplace contre un gradient de pression depuis une zone de basse pression vers une zone de haute pression, ce qui entraîne une augmentation de la pression à travers la membrane. La compression d'autres fluides de travail, tels que l'eau ou l'ammoniac, est cependant également possible. [0004] Les compresseurs à état solide présentent plusieurs avantages significatifs par rapport aux compresseurs mécaniques. En effet, les compresseurs à état solide n'ont pas de pièces mobiles, sont généralement de conception compacte et sont capables de purifier 2 le fluide de travail car la membrane ne permet généralement que le transport du fluide de travail ionisé. De plus, les compresseurs à état solide permettent de comprimer des fluides à des pressions très élevées, jusqu'à 1000 bars et plus, avec des rendements de fonctionnement supérieurs à ceux des compresseurs mécaniques. [0005] Dans le processus de compression du fluide de travail, il est souhaitable d'obtenir le gain le plus élevé par unité de volume du compresseur. Pour cette raison, un rendement élevé pour chaque MEA est requis. L'un des facteurs qui déterminent l'efficacité est la distribution du gaz dans le MEA. Cette distribution est déterminée pour une part importante par les plaques de champ d'écoulement. Plus la distribution est bonne, plus le rendement est élevé. Cependant, il est apparu que les plaques de champ d'écoulement selon l'état de la technique n'ont pas une distribution de gaz optimale. Un objet de la présente invention est donc de fournir des plaques de champ d'écoulement améliorées, et un compresseur comprenant de telles plaques de champ d'écoulement améliorées. [0006] La présente invention propose ainsi une plaque de champ d'écoulement pour une cellule de compresseur à état solide, comprenant un corps essentiellement plat ayant deux surfaces opposées et un bord, muni d'un plan de canal pour distribution de gaz, qui s'étend depuis de multiples emplacements à une frontière de la plaque de champ jusqu'à des emplacements multiples à la surface du corps essentiellement plat, dans laquelle le corps essentiellement plat est muni d'évidements des deux côtés, les évidements de chaque côté comprenant un premier ensemble de voies parallèles, croisant un deuxième ensemble de voies parallèles. [0007] Il est apparu qu'une plaque de champ d'écoulement comprenant un tel plan de canal présente une distribution augmentée de l'écoulement de gaz vers et depuis la surface de la membrane, ce qui conduit à un débit plus élevé et à une meilleure utilisation de la surface de membrane disponible. En raison de son architecture, le plan de canal diminue en outre la résistance mécanique que le gaz subit, ce qui améliore aussi les performances du compresseur. [0008] Dans un autre mode de réalisation de la plaque de champ d'écoulement selon l'invention, le corps plat comprend des trous traversants, s'étendant de la première surface à la deuxième surface. Ainsi, le flux et la distribution sont encore améliorés et la résistance mécanique subie par le gaz est encore réduite. En particulier, un écoulement dans toutes les directions du plan et dans la direction perpendiculaire à celui-ci est ainsi autorisé. [0009] Dans encore un autre mode de réalisation, le corps essentiellement plat a une épaisseur maximale, définie comme la longueur d'une ligne droite d'une surface à l'autre surface, mais moins de 50 % du corps essentiellement plat a cette épaisseur maximale. Aux endroits où l'épaisseur est inférieure à l'épaisseur maximale, il y a de la place à la surface pour l'écoulement du gaz. 3 [0010] La plaque de champ d'écoulement selon l'invention peut être formée de plusieurs parties. Cela permet de créer des formes qui ne peuvent pas être réalisées par des techniques de pointe comme la gravure, et - étant donné la taille extrêmement petite des évidements, des canaux et des ouvertures - également pas encore par des techniques comme l'impression 3D. En particulier, deux parties du corps essentiellement plat, à côté d'un évidement, peuvent être des parties séparées. [0011] L'invention concerne également une cellule de compresseur à état solide, comprenant deux plaques de cellule, intégrant une structure de canal, formée par un certain nombre d'évidements prévus sur une surface de l'une des plaques de cellule, utilisée pour le transport d'un liquide de refroidissement et reliant une alimentation en fluide à une extrémité de celle-ci et à une évacuation de fluide à l'autre extrémité de celle-ci ; et comprenant un certain nombre d'évidements prévus sur les surfaces extérieures des plaques de cellule faisant face à l'autre plaque de cellule, comprenant au moins deux plaques de champ comme décrites ci-dessus, positionnées sur les surfaces extérieures évidées des plaques de cellule pour former d'autres structures de canal pour fournir un fluide de travail, respectivement pour dévier un fluide de travail, loin d'une membrane d'échange de protons. [0012] Ces plaques de champ peuvent être fixées entre les plaques de cellule ensemble avec la membrane, ou liées par diffusion avec les plaques de cellule. Dans tous les cas, il est souhaitable que les plaques de cellule et la membrane soient scellées de manière étanche aux fluides. [0013] Il est également possible que la structure du canal soit configurée pour alimenter un fluide de travail vers ou détourner un fluide de travail loin d'une membrane échangeuse de protons. La structure de canal peut ainsi être reliée directement à l'ensemble de membrane, dans un cas typique constitué d'une membrane d'échange de protons, des deux côtés prise en sandwich entre une couche de catalyseur et en option une couche de diffusion de gaz. En alternative, la structure de canal peut se connecter à une autre structure de canal prévue dans une autre plaque de cellule ou plaque de flux, ou intégrée entre l'une des deux plaques de cellule et ladite autre plaque de cellule ou plaque de flux. Dans la direction du plan, la taille des trous peut de préférence être comprise entre 10 et 240 microns, dans la direction perpendiculaire elle peut être comprise entre 1 et 200 microns. [0014] Une plaque d'écoulement ainsi formée s'est avérée mécaniquement suffisamment solide pour résister aux forces dans un compresseur. De préférence, la plaque d'écoulement est rendue au moins localement élastiquement défonnable, afin de compenser les irrégularités dans l'épaisseur de la membrane des plaques de cellule.