Brevet FR3088937A1 — publié le 20200529

Description Titre de l'invention : Compresseur à état solide [0001] La présente invention concerne un compresseur à état solide, en particulier un com- presseur d'hydrogène à état solide, et plus particulièrement l'étanchéité d'un tel compresseur. [0002] Le coeur d'un compresseur d'hydrogène à état solide est une membrane qui est nor- malement fixée entre deux électrodes poreuses, formant ensemble un ensemble membrane-électrodes (MEA, en anglais « membrane electrode assembly »). Les électrodes sont poreuses pour permettre aux gaz et aux fluides de passer vers et depuis la membrane, et électriquement conductrices pour permettre à un courant d'être affecté. [0003] Les ensembles membrane-électrodes sont fixés entre des plaques de cellule (également appelées plaques bipolaires) qui sont des structures complexes ayant de multiples fonctions : elles supportent mécaniquement les ensembles membrane-électrodes, permettent le passage du courant et alimentent et détournent les gaz et l'eau vers et depuis l'ensemble membrane-électrodes. La combinaison de l'ensemble membrane-électrodes et des plaques bipolaires ou plaques de cellule qui l'entourent est généralement appelée cellule. [0004] Un compresseur à état solide est. normalement composé de plusieurs cellules pour obtenir une capacité suffisante (surface totale de la membrane). Pour être rentable et pour permettre le passage du courant dans les cellules sans câblage, les cellules sont empilées en série et fixées entre des brides d'extrémité. Ceci est bien connu dans le domaine des empilements de piles à combustible, qui sont empilées de manière similaire et dans le même but. [0005] Contrairement aux empilements de piles à combustible qui fonctionnent nor- malement à une pression de quelques bars, dans le cas d'un compresseur d'hydrogène, les brides d'extrémité et les plaques de cellule doivent offrir une résistance mécanique et une stabilité suffisantes pour contenir les pressions de fonctionnement du gaz comprimé qui peuvent dépasser 1000 bars. [0006] Dans les empilements de piles à combustible, les ensembles membrane-électrodes sont fixés entre les plaques bipolaires et présentent un bord non conducteur (la bordure/le joint) qui empêche le passage du courant directement d'une électrode à l'autre autour de l'ensemble membrane-électrodes (un court-circuit électrique) et qui, souvent, fournit également un mécanisme d'étanchéité en même temps. Parfois, la fonction d'étanchéité est assurée par d'autres pièces telles que des joints d'étanchéité. [0007] Dans le cas d'empilement de compression à état solide à haute pression, les mêmes fonctions d'isolation et d'étanchéité que pour les piles à combustible doivent être réalisées. Ces deux fonctions peuvent être assurées de manière pratique en utilisant un 2 polymère isolant (film). Le polymère (film) peut soit " caler " la membrane de l'ensemble membrane-électrodes, soit être utilisé sur un ou deux côtés de la membrane et former un 'joint' isolant. [0008] En exerçant une pression mécanique (verticale) sur ce polymère de bordure, l'étanchéité peut être réalisée et une pression mécanique supérieure à la pression de compression est appliquée. Dans certains cas, celle-ci peut être supérieure à 700 bars ou 1000 bars. Cependant, à ces pressions d'étanchéité très élevées, le polymère et/ou le polymère et la membrane peuvent être déformés plastiquement et forcés à sortir soit d'entre les plaques bipolaires, soit dans les orifices nécessaires au passage des gaz et/ou des liquides vers l'ensemble membrane-électrodes ou les orifices des fluides de refroidissement. [0009] L'ampleur de la déformation dépend des caractéristiques des matériaux polymères et de leur épaisseur. Plus les couches sont épaisses et plus elles sont plastiquement déformables, plus il est facile pour les matériaux de 's'écouler'. Dans tout sous-volume d'un polymère, les chaînes moléculaires ont un certain degré de liberté pour se déplacer ou s'étirer. Plus une feuille de polymère est mince, moins cette flexibilité permet à la partie centrale de la feuille de polymère de se déplacer/déformer latéralement. [0010] Une autre façon d'assurer une étanchéité suffisante avec une déformation latérale tolérable est de rendre la bordure très large. Cela augmente le rapport entre la partie latérale du polymère et son épaisseur, cependant, cela augmente le coût et la taille des structures périphériques. [0011] La présente invention a pour but d'éliminer les inconvénients des compresseurs à état solide de l'état de la technique, ou au moins de fournir une alternative utile. La présente invention propose ainsi un compresseur d'hydrogène à état solide, comprenant au moins une membrane fixée entre deux électrodes poreuses, formant ensemble un ensemble membrane-électrodes, une paire de plaques de cellule ou de plaques bipolaires, entre lesquelles l'ensemble membrane-électrodes est fixé, dans lequel la membrane a une surface plus grande que les électrodes poreuses et dépasse à l'extérieur d'une zone des électrodes poreuses ; et les plaques de cellule ont une surface plus grande que la membrane et dépassent à l'extérieur d'une zone de la membrane, deux joints isolants, chacun entourant l'une des électrodes poreuses, couvrant la partie de la membrane qui dépasse à l'extérieur de la région des électrodes ; et dépassant à l'extérieur de la zone de la membrane, et une couche de renforcement, disposée entre les joints isolants, à l'extérieur de la zone des électrodes. [0012] La couche de renforcement peut être un joint haute pression, c'est-à-dire un joint capable de résister à une pression allant jusqu'à 50-1000 bars, ce qui permet d'isoler et d'obtenir des bords de taille gérable. [0013] La couche de renforcement peut par exemple entourer la membrane, et donc se 3 trouver à l'endroit où les joints dépassent de la surface de la membrane. [0014] De préférence, la couche de renforcement remplit la zone entre les joints isolants autour de la membrane. Une répartition uniforme des forces exercées sur le joint et la couche de renforcement est ainsi obtenue. [0015] La couche de renforcement peut être constituée d'un matériau isolant comme le Kevlar, qui présente l'avantage de réduire le risque de court-circuit électrique, mais il peut également s'agir d'une couche métallique, ce qui peut être avantageux en raison de sa grande résistance. [0016] En général, le compresseur d'hydrogène à état solide selon la présente invention peut avoir une section transversale ronde, la membrane, les électrodes et les plaques de cellule ayant toutes des sections transversales rondes et les joints et la couche de renforcement ayant des sections transversales en forme d'anneau. Ceci conduit à une construction robuste. [0017] La couche de renforcement peut se trouver dans la région des plaques bipolaires. Elle peut donc être maintenue aussi petite que nécessaire, sans dépasser l'empilement formant le compresseur d'hydrogène. Pour une isolation optimale, le joint peut dépasser de la membrane de part et d'autre de celle-ci dans la direction opposée aux électrodes poreuses. [0018] Le joint peut être fabriqué à partir d'un polymère, qui peut être un polymère ordinaire utilisé dans les compresseurs d'hydrogène selon l'état de la technique, mais la couche de renforcement permet au joint d'être plus mince, et donc d'avoir un risque de déformation plus faible. [0019] Autrement, il est également possible d'appliquer plusieurs pièces de renforcement, en particulier entourant des canaux dans le compresseur d'hydrogène à état solide. Ces canaux peuvent être destinés au liquide de refroidissement ou à un gaz à comprimer, comme l'hydrogène. [0020] Une structure de renforcement peut également être intégrée ou noyée dans le matériau de bordure en polymère, le plus pratique étant par laminage. De préférence, ici aussi un renforcement métallique peut être utilisé, mais d'autres matériaux de renforcement tels que le Kevlar, etc. peuvent être utilisés. [0021] Cette structure de renforcement empêche la déformation du polymère vers l'extérieur en autorisant des couches de polymère plus fines qui peuvent résister à une force de cisaillement latérale plus importante. Idéalement cette structure est d'une épaisseur appropriée et en combinaison avec le film polymère rend la bordure d'une épaisseur dans la même gamme que l'ensemble membrane-électrodes lui-même afin que des plaques bipolaires plates puissent être utilisées. [0022] L'épaisseur de l'armature peut être comprise entre 1 et 200 um, tandis que l'épaisseur des plaques bipolaires peut être comprise entre 200 et 5000 um. [0023] Comme la structure de renforcement est isolée entre les feuilles de polymère, elle peut être en matériau conducteur puisque le polymère fournit la caractéristique isolante, mais un isolant peut aussi être appliqué, et même être préféré. [0024] En alternative, pour des systèmes à pression intermédiaire, si la membrane elle-même fait partie de la bordure, des structures de renforcement plus petites peuvent être intégrées ou noyées autour des orifices plus petits pour empêcher la membrane et/ou le polymère de se déformer dans les orifices. [0025] L'invention sera maintenant expliquée plus en détail, en se référant aux figures suivantes, parmi lesquelles : [0026] [fig.1] La figure 1 montre une pile à combustible selon l'état de la technique ; [0027] [fig.2] La figure 2 montre un empilement de piles à combustible selon l'état de la technique ; [0028] [fig.3a-3h] La figure 3a montre un détail d'un premier mode de réalisation d'un em- pilement de piles à combustible selon l'état de la technique ; la figure 3h montre un détail d'un deuxième mode de réalisation d'un empilement de piles à combustible selon l'état de la technique ; [0029] [fig.4a-4h] La figure 4a montre un premier détail d'un problème associé à l'état de la technique ; la figure 4h montre un deuxième détail d'un problème associé à l'état de la technique ; [0030] [fig.5a-5b] Les figures 5a et 5h montrent des détails de la présente invention. [0031] La figure 1 montre une pile à combustible selon l'état de la technique. La pile comprend une membrane 2, fixée entre les électrodes 3, 4, formée par des blocs de graphite. Entre la membrane et les électrodes respectives, des supports de diffusion de gaz 7, 8, sont présents, avec une surface ou aire inférieure à la surface de la membrane 2 et des électrodes 3, 4. Les supports de diffusion sont entourés par des masques en téflon 5, 6. [0032] La figure 2 montre un empilement 10 de plusieurs piles à combustible 1 selon l'état de la technique. L'empilement 10 comprend plusieurs piles à combustible 1 comme indiqué sur la figure 1, séparées par des plaques de refroidissement 11, 12, 13, 14. Les piles à combustible sont fixées entre des plaques d'extrémité 15 et 16. [0033] La figure 3a montre un détail d'un premier mode de réalisation d'une pile à com- bustible 1 de la figure 1 dans un empilement de piles à combustible, comme montré à la figure 2. Sur la figure, il est visible que la membrane 2 s'étend au-delà des électrodes 7, 8. Là où elle s'étend, elle est fixée entre des joints 5, 6. Les joints sont plus grands que la surface sur laquelle la membrane 2 s'étend au-delà des électrodes 7, 8 et s'engagent l'un dans l'autre en dehors de la surface de la membrane. Ceci est indiqué par la région A. [0034] La figure 3b montre un détail d'un deuxième mode de réalisation d'une pile à coin- bustible 1 de la figure 1 dans un empilement 10 de piles à combustible, comme montré à la figure 2. Sur la figure, il est visible que la membrane 2 s'étend au-delà des électrodes 7, 8. Là où elle s'étend, elle est fixée entre des masques en téflon 5, 6. Les joints sont juste aussi grands que la surface sur laquelle la membrane 2 s'étend au-delà des électrodes 7, 8 et, dans ce mode de réalisation, ne s'engagent pas en dehors de la surface de la membrane. Ceci est indiqué par la région A. [0035] La figure 4a montre un problème associé à la pile à combustible 1 selon l'état de la technique, dans un empilement 10 de piles à combustible comme montré à la figure 3a, une fois qu'une pression d'étanchéité mécanique est appliquée sur l'empilement de piles 10. On peut voir dans la région indiquée par B que les joints 5 et 6 se sont déplacés dans une direction perpendiculaire à la pression d'étanchéité, chacun avec une ampleur différente. La région indiquée par C montre l'effet, les deux masques sont pressés hors de 'empilement, également dans une ampleur différente. [0036] La figure 4h montre un deuxième détail d'un problème associé à l'état de la technique, lorsque les joints 5, 6 se trouvent au voisinage D d'un trou traversant 10 des plaques de cellule 3, 4, par exemple pour le liquide de refroidissement ou pour l'hydrogène. La force pour assembler le compresseur pousse les joints 5, 6 dans le trou traversant 10, qui peut alors être bloqué involontairement ou bloqué partiellement. [0037] La figure 5a montre un détail de la présente invention. Comme on peut le voir sur la figure, la membrane 2 s'étend à l'extérieur des électrodes 7 et 8. Là où la membrane s'étend à l'extérieur des électrodes, des joints 5 et 6 sont placés entre les plaques de cellule 3, 4 et la membrane 2. Là où la membrane s'arrête, un renforcement 9 est placé entre les joints 5 et 6. Le renforcement 9 a une épaisseur comparable à celle de la membrane 2 comprimée, tandis que les joints 5 et 6 ont des épaisseurs comparables à celles des électrodes. 11 en résulte que les joints restent à leurs emplacements prévus. [0038] La figure 5b montre une configuration similaire, avec un trou traversant à l'emplacement E. Autour du trou traversant, un petit renforcement est appliqué, avec un trou correspondant 10, pour éviter que les joints 5 et 6 ne soient pressés dans le trou traversant 10. Dans une telle configuration, plusieurs renforcements peuvent être appliqués. [0039] Les exemples donnés ne sont donnés qu'à titre d'exemple uniquement et ne limitent en rien la portée de la présente invention, telle que définie dans les revendications suivantes. 6