Brevet FR3125646A1 — publié le 20230127

L’invention concerne une plaque (1) de pile à combustible disposée dans un plan vertical lorsqu’elle est en position d’utilisation, la plaque (1) comportant un orifice collecteur de sortie (4) de réactif, une face de refroidissement et une face réactive (16) formant un circuit de réactif (11) comportant une sortie débouchant dans un orifice d’évacuation (7) de réactif, la position d’utilisation verticale de la plaque définissant une direction longitudinale verticale entre un bord supérieur et un bord inférieur de la plaque (1), l’orifice d’évacuation (7) s’étendant selon la direction longitudinale verticale entre une extrémité supérieure et une extrémité inférieure, l’orifice collecteur de sortie (4) s’étendant selon la direction longitudinale verticale entre une extrémité supérieure et une extrémité inférieure et comportant un bord interne supérieur et un bord interne inférieur. Figure d’abrégé : Fig. 2 Plaque de pile à combustible La présente invention porte sur une plaque de pile à combustible, une cellule de pile à combustible comportant une telle plaque et sur une pile à combustible comportant une telle cellule. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse avec les piles à combustible dont les cellules comportent des plaques qui s’étendent dans un plan vertical lorsque la pile est en position d’utilisation. De façon connue en soi, une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui permet de convertir l'énergie chimique en énergie électrique à partir d'un carburant, généralement du dihydrogène, et d'un comburant, généralement du dioxygène ou un gaz en contenant tel que l'air, le produit de la réaction étant l'eau accompagnée d'un dégagement de chaleur et d'une production d'électricité. Selon une configuration connue, les cellules et donc les plaques sont orientées verticalement lorsque la pile est en position d’utilisation, c'est-à-dire que le plan des plaques est vertical. Dans ce type de configuration, en fonction des conditions d’utilisation des cellules, il peut se produire des problèmes au niveau de la gestion de l’eau dans la pile (Assemblage Membrane Électrodes noyé d’eau, surplus d’eau dans les canaux de réactifs, mauvaise alimentation en air…). La gestion de l’eau est cruciale et impose de faire des choix relatifs à la géométrie des collecteurs, ainsi qu’à leur disposition en fonction de l’orientation de la pile. En effet, il est important de favoriser l’évacuation de l’eau liquide (produit de la réaction) hors des cellules. En particulier, la position des collecteurs par rapport à la surface active peut être contrainte dans une position défavorable vis-à-vis de l’écoulement gravitaire, sans qu’il ne soit possible d’introduire de force motrice pour évacuer l’eau ainsi produite (pompe de recirculation, gradient de pression, purges, …). La présente invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposant une plaque de pile à combustible du type à membrane échangeuse de protons, la plaque étant disposée dans un plan vertical lorsqu’elle est en position d’utilisation, la plaque comportant une face réactive et une face de refroidissement opposées l'une par rapport à l’autre, la face réactive étant destinée à faire face à un Assemblage Membrane Électrodes et étant munie de reliefs et de creux formant un circuit de réactif pour la circulation d’un fluide réactif, le circuit de réactif comportant une entrée débouchant dans un orifice de distribution de réactif, la plaque comprenant un orifice collecteur d’entrée de réactif distinct de l’orifice de distribution de réactif, l’orifice collecteur d’entrée de réactif étant agencé pour alimenter en réactif l’entrée du circuit de réactif via un passage d’entrée mettant en communication fluidique l’orifice collecteur d‘entrée de réactif et l’orifice de distribution de réactif, le circuit de réactif comportant une sortie débouchant dans un orifice d’évacuation de réactif, la plaque comprenant un orifice collecteur de sortie de réactif distinct de l’orifice d’évacuation, l’orifice collecteur de sortie étant agencé pour récupérer le réactif à la sortie du circuit de réactif via un passage de sortie mettant en communication fluidique l’orifice collecteur de sortie et l’orifice d’évacuation, la position d’utilisation verticale de la plaque définissant une direction longitudinale verticale entre un bord supérieur et un bord inférieur de la plaque, l’orifice d’évacuation s’étendant selon la direction longitudinale verticale entre une extrémité supérieure et une extrémité inférieure, le plan vertical comportant un premier axe s’étendant selon la direction longitudinale verticale et passant par la moitié de la plus grande largeur de l’orifice collecteur de sortie, la largeur étant mesurée dans le plan vertical et selon une direction orthogonale au premier axe, le plan vertical comportant un deuxième axe, orthogonal au premier axe et passant par une tangente à l’extrémité inférieure de l’orifice d’évacuation du réactif, l’orifice collecteur de sortie s’étendant selon la direction longitudinale verticale entre une extrémité supérieure et une extrémité inférieure, l’orifice collecteur de sortie comportant un bord interne supérieur et un bord interne inférieur se rejoignant au niveau du deuxième axe, l’orifice collecteur de sortie comportant, dans une section passant par le plan vertical, une surface supérieure délimitée par le bord interne supérieur et le deuxième axe et une surface inférieure délimitée par le bord interne inférieur et le deuxième axe, la surface inférieure étant située majoritairement entre le circuit de réactif et le premier axe. Un tel bord interne inférieur forme une zone de rétention d’eau à proximité du circuit de réactif lorsque la pile est en position d’utilisation. Un tel agencement permet de maintenir élevée, la température de l’eau se trouvant dans la zone de rétention, ce qui permet de maintenir élevée, la température du fluide réactif lorsque le fluide réactif (notamment le dihydrogène) recircule dans la pile. L’écart de température du fluide réactif entre l’entrée et la sortie de la pile se trouve ainsi réduit. Selon une réalisation, l’orifice collecteur de sortie s’étend en longueur selon la direction longitudinale verticale entre l’extrémité supérieure et l’extrémité inférieure et l’orifice collecteur de sortie s’étend en largeur selon une direction orthogonale au premier axe. En variante, l’orifice collecteur de sortie s’étend en largeur selon la direction longitudinale verticale entre l’extrémité supérieure et l’extrémité inférieure et l’orifice collecteur de sortie s’étend en longueur selon une direction orthogonale au premier axe. Selon une réalisation, au moins 60% de la surface inférieure se situe entre le circuit de réactif et le premier axe. Selon une réalisation, la surface inférieure est au moins égale à 20% de la surface supérieure. Selon une réalisation, l’orifice d’évacuation, l'orifice collecteur de sortie, l’orifice collecteur d‘entrée de réactif et l'orifice de distribution de réactif sont chacun formé par un trou traversant la plaque. Selon une réalisation, le passage de sortie comporte une pluralité de canaux de sortie pour la circulation du fluide réactif, les canaux de sortie débouchant chacun, par une première extrémité dans le collecteur de sortie de réactif, notamment dans le bord interne supérieur du collecteur de sortie de réactif, et par une deuxième extrémité dans l’orifice d’évacuation de réactif. Selon une réalisation, au moins un des canaux de sortie est plus long qu’un autre des canaux de sortie, les canaux de sortie s’étendant notamment dans une direction orthogonale à la direction longitudinale verticale. Selon une réalisation, le bord interne inférieur du collecteur de sortie de réactif est dépourvu d’ouverture dans l’un quelconque des canaux. Selon une réalisation, le bord interne inférieur du collecteur de sortie de réactif et le bord interne supérieur du collecteur de sortie de réactif, se rejoignent au niveau du deuxième axe. Selon une réalisation, la surface inférieure délimite un volume maximum pour une zone de rétention d’eau lorsque la pile est en position d’utilisation. Selon une réalisation, la surface inférieure est agencée de façon à permettre à la pile d’accueillir la quantité d’eau maximale attendue entre deux purges dans les conditions opératoires les moins favorables de la pile. Selon une réalisation, la purge est réalisée par une augmentation temporaire du débit du fluide réactif, notamment par une augmentation d’un facteur compris entre 1,3 et 2 fois le débit nominal, pendant une durée d’environ 0,5 à 2 secondes, pour chasser l’eau liquide accumulée dans la zone de rétention. Selon une réalisation, le bord interne inférieur de l’orifice collecteur de sortie comportant un premier arrondi au niveau de l’extrémité inférieure et une portion rectiligne inclinée s’étendant selon une direction coupant le premier axe de sorte à former une pente pour l’écoulement de l’eau en direction du premier arrondi. Selon une réalisation, le bord interne supérieur de l’orifice collecteur de sortie comporte un deuxième arrondi, notamment dont le centre est sur le premier axe. Selon une réalisation, le centre du premier arrondi et le centre du deuxième arrondi sont décalés selon une direction parallèle au deuxième axe. Selon une réalisation, la plaque comporte une première bande transversale, une deuxième bande transversale, une bande supérieure du côté du bord supérieur, une bande inférieure du côté du bord inférieur, le circuit de réactif étant disposé dans une partie centrale de la plaque, entre la bande supérieure, la bande inférieure, la première bande transversale et la deuxième bande transversale. Selon une réalisation, l’orifice collecteur de sortie de réactif est disposé dans la première bande transversale et l’orifice collecteur d’entrée de réactif est disposé dans la deuxième bande transversale. Selon une réalisation, la plaque comporte un collecteur d’entrée de fluide de refroidissement formé au travers de la plaque et disposé dans la bande supérieure. Selon une réalisation, la plaque comporte un collecteur de sortie de fluide de refroidissement formé au travers de la plaque et disposé dans la bande inférieure. L'invention a également pour objet une cellule de pile à combustible, notamment de pile à combustible à membrane échangeuse de protons, la cellule comportant deux plaques telles que décrites précédemment et un Assemblage Membrane Électrodes interposé en sandwich entre les plaques. Selon une réalisation, l’une des deux plaques est une plaque anodique et l’autre des plaques est une plaque cathodique. Selon une réalisation, un joint est disposé autour du circuit de réactif. Selon une réalisation, la surface inférieure est située majoritairement entre le joint et le premier axe. L’invention a également pour objet une pile à combustible, notamment à membrane échangeuse de protons, comportant un empilement de cellules tel que décrites précédemment. Selon une réalisation, la plaque anodique d’une des cellules de la pile est fixée, notamment collée ou soudée, à la plaque cathodique d’une autre des cellules de la pile, formant ainsi une plaque bipolaire. En variante, la plaque anodique d’une des cellules de la pile est montée serrée contre la plaque cathodique d’une autre des cellules de la pile, avec interposition d’un joint pour former le circuit de refroidissement. L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention. La est une représentation schématique en élévation d’une plaque selon l’invention ; la est une représentation schématique et partielle d’un détail de la plaque de la ; et la représente une vue en perspective, schématique et partielle, illustrant un empilement de plaques, formant une cellule d’une pile à combustible selon l’invention. Les éléments identiques, similaires, ou analogues, conservent la même référence d’une figure à l’autre. La et la représente une plaque 1 de pile à combustible du type à membrane échangeuse de protons. Cette plaque 1 est disposée dans un plan vertical lorsqu’elle est en position d’utilisation. La plaque 1 comporte une face réactive 16 et une face de refroidissement 10 opposées l'une par rapport à l’autre (sur la , la face de refroidissement 10 est visible et la face réactive, opposée à la face visible, n’est pas visible). La face réactive 16 (visible sur la ) est destinée à faire face à un Assemblage Membrane Électrodes et est munie de reliefs et de creux formant un circuit de réactif 11 pour la circulation d’un fluide réactif. La face de refroidissement 10 est destinée à faire face à la face de refroidissement d’une autre plaque d’un empilement de plaque de la pile en formant entre elles, des reliefs et des creux pour réaliser un circuit de refroidissement 3 pour la circulation d’un fluide de refroidissement. Le circuit de réactif 11 comporte une entrée débouchant dans un orifice de distribution de réactif 17. La plaque 1 comprend un orifice collecteur d’entrée de réactif 14 distinct de l’orifice de distribution de réactif 17. L’orifice collecteur d’entrée de réactif 14 est agencé pour alimenter en réactif l’entrée du circuit de réactif 11 via un passage d’entrée mettant en communication fluidique l’orifice collecteur d‘entrée de réactif 14 et l’orifice de distribution de réactif 17. Le circuit de réactif 11 comporte une sortie débouchant dans un orifice d’évacuation 7 de réactif. La plaque 1 comprend un orifice collecteur de sortie 4 de réactif distinct de l’orifice d’évacuation 7. L’orifice collecteur de sortie 4 est agencé pour récupérer le réactif à la sortie du circuit de réactif 11 via un passage de sortie 5 mettant en communication fluidique l’orifice collecteur de sortie 4 et l’orifice d’évacuation 7. La position d’utilisation verticale de la plaque définit une direction longitudinale verticale entre un bord supérieur 18 et un bord inférieur 19 de la plaque 1. L’orifice d’évacuation 7 s’étend selon la direction longitudinale verticale entre une extrémité supérieure et une extrémité inférieure. Comme visible sur la , le plan vertical comporte un premier axe 20 s’étendant selon la direction longitudinale verticale et passant par la moitié de la plus grande largeur de l’orifice collecteur de sortie 4, la largeur étant mesurée dans le plan vertical et selon une direction orthogonale au premier axe 20. Le terme « largeur » est employé ci-dessus pour indiquer la dimension mesurée dans le plan vertical et selon la direction orthogonale au premier axe 20. Ce terme ne préjuge pas des tailles relatives de l’orifice collecteur de sortie 4 (longueur et largeur). En outre, le plan vertical comporte un deuxième axe 21, orthogonal au premier axe 20 et passant par une tangente à l’extrémité inférieure de l’orifice d’évacuation du réactif 7. L’orifice collecteur de sortie 4 s’étend selon la direction longitudinale verticale entre une extrémité supérieure et une extrémité inférieure. L’orifice collecteur de sortie 4 comporte un bord interne supérieur 8 et un bord interne inférieur 9 se rejoignant au niveau du deuxième axe 21 en définissant, dans une section passant par le plan vertical, une surface supérieure délimitée par le bord interne supérieur 8 et le deuxième axe 21 et une surface inférieure délimitée par le bord interne inférieur 9 et le deuxième axe 21. La surface inférieure est située majoritairement entre le circuit de réactif 11 et le premier axe 20. L’orifice d’évacuation 7, l'orifice collecteur de sortie 4, l’orifice collecteur d‘entrée de réactif 14 et l'orifice de distribution de réactif 17 sont chacun formé par un trou traversant la plaque 1. Comme visible sur la , le passage de sortie 5 comporte une pluralité de canaux de sortie 6 pour la circulation du fluide réactif, les canaux de sortie 6 débouchant chacun, par une première extrémité dans le collecteur de sortie de réactif 4, notamment dans le bord interne supérieur 8 du collecteur de sortie de réactif 4, et par une deuxième extrémité dans l’orifice d’évacuation de réactif 7. Au moins un des canaux de sortie 6 est plus long qu’un autre des canaux de sortie 6. Les canaux de sortie 6 s’étendent dans une direction orthogonale à la direction longitudinale verticale. Le bord interne inférieur 9 de l’orifice collecteur de sortie 4 comporte un premier arrondi au niveau de son extrémité inférieure et une portion rectiligne inclinée s’étendant selon une direction coupant le premier axe 20 de sorte à former une pente pour l’écoulement de l’eau en direction du premier arrondi. Au moins un des canaux de sortie 6 débouche dans le premier arrondi. Le bord interne supérieur 8 de l’orifice collecteur de sortie 4 comporte une portion rectiligne droite s’étendant selon la direction longitudinale verticale. Au moins un des canaux de sortie 6 débouche dans la portion rectiligne droite. La plaque 1 comporte une première bande transversale 2, une deuxième bande transversale 12, une bande supérieure du côté du bord supérieur 18, une bande inférieure du côté du bord inférieur 19, le circuit de réactif 11 étant disposé dans une partie centrale de la plaque 1, entre la bande supérieure, la bande inférieure, la première bande transversale 2 et la deuxième bande transversale 12. L’orifice collecteur de sortie de réactif 4 est disposé dans la première bande transversale 2. L’orifice collecteur d’entrée de réactif 14 est disposé dans la deuxième bande transversale 12. La plaque 1 comporte un collecteur d’entrée de fluide de refroidissement 13 formé au travers de la plaque 1 et disposé dans la bande supérieure. La plaque comporte un collecteur de sortie de fluide de refroidissement 15 formé au travers de la plaque 1 et disposé dans la bande inférieure. Le fluide de refroidissement arrivant par le collecteur d’entrée de fluide de refroidissement 13, entre dans le circuit de refroidissement 3. En effet, la face de refroidissement 10 est ici munie de relief et de creux pour former le circuit de refroidissement. La face de refroidissement 10 d’une plaque 1 est destinée à faire face à la face de refroidissement 10 d’une autre plaque 1, de sorte à former le circuit de refroidissement. En pratique, les reliefs et les creux peuvent être ménagés sur l’une ou l’autre des plaques, ou bien sur les deux. La représente une portion de la plaque 1 de la , mais dont la face visible est la face réactive 16 qui est munie de reliefs et de creux en formant un circuit de réactif 11. La surface inférieure délimite un volume maximum pour une zone de rétention d’eau lorsque la pile est en position d’utilisation. La représente une vue en perspective, schématique et partielle d’un empilement de trois plaques 1, à savoir une plaque anodique 101 et deux plaque cathodiques 100. Une cellule de pile à combustible comporte deux plaques 1 et un Assemblage Membrane Électrodes (non représenté) interposé en sandwich entre les deux plaques 1. L’une des deux plaques 1 de la cellule est une plaque anodique 101 et l’autre des deux plaques de la cellule est une plaque cathodique 100. Comme visible sur la , une troisième plaque (ici une plaque cathodique 100) appartient à une deuxième cellule de la pile (formant ici, une demi cellule car la deuxième cellule n’est représentée que partiellement sur la ). Plaque (1) de pile à combustible du type à membrane échangeuse de protons, la plaque (1) étant disposée dans un plan vertical lorsqu’elle est en position d’utilisation, la plaque (1) comportant une face réactive (16) et une face de refroidissement (10) opposées l'une par rapport à l’autre, la face réactive (16) étant destinée à faire face à un Assemblage Membrane Électrodes et étant munie de reliefs et de creux formant un circuit de réactif (11) pour la circulation d’un fluide réactif, le circuit de réactif (11) comportant une entrée débouchant dans un orifice de distribution de réactif (17), la plaque (1) comprenant un orifice collecteur d’entrée de réactif (14) distinct de l’orifice de distribution de réactif (17), l’orifice collecteur d’entrée de réactif (14) étant agencé pour alimenter en réactif l’entrée du circuit de réactif (11) via un passage d’entrée mettant en communication fluidique l’orifice collecteur d‘entrée de réactif (14) et l’orifice de distribution de réactif (17), le circuit de réactif (11) comportant une sortie débouchant dans un orifice d’évacuation (7) de réactif, la plaque (1) comprenant un orifice collecteur de sortie (4) de réactif distinct de l’orifice d’évacuation (7), l’orifice collecteur de sortie (4) étant agencé pour récupérer le réactif à la sortie du circuit de réactif (11) via un passage de sortie (5) mettant en communication fluidique l’orifice collecteur de sortie (4) et l’orifice d’évacuation (7), la position d’utilisation verticale de la plaque définissant une direction longitudinale verticale entre un bord supérieur (18) et un bord inférieur (19) de la plaque (1), l’orifice d’évacuation (7) s’étendant selon la direction longitudinale verticale entre une extrémité supérieure et une extrémité inférieure, le plan vertical comportant un premier axe (20) s’étendant selon la direction longitudinale verticale et passant par la moitié de la plus grande largeur de l’orifice collecteur de sortie (4), la largeur étant mesurée dans le plan vertical et selon une direction orthogonale au premier axe (20), le plan vertical comportant un deuxième axe (21), orthogonal au premier axe (20) et passant par une tangente à l’extrémité inférieure de l’orifice d’évacuation du réactif (7), l’orifice collecteur de sortie (4) s’étendant selon la direction longitudinale verticale entre une extrémité supérieure et une extrémité inférieure, l’orifice collecteur de sortie (4) comportant un bord interne supérieur (8) et un bord interne inférieur (9) se rejoignant au niveau du deuxième axe (21), l’orifice collecteur de sortie (4) comportant, dans une section passant par le plan vertical, une surface supérieure délimitée par le bord interne supérieur (8) et le deuxième axe (21) et une surface inférieure délimitée par le bord interne inférieur (9) et le deuxième axe (21), la surface inférieure étant située majoritairement entre le circuit de réactif (11) et le premier axe (20). Plaque (1) selon la revendication précédente, l’orifice d’évacuation (7), l'orifice collecteur de sortie (4), l’orifice collecteur d‘entrée de réactif (14) et l'orifice de distribution de réactif (17) étant chacun formé par un trou traversant la plaque (1). Plaque (1) selon l’une des revendications précédentes, le passage de sortie (5) comportant une pluralité de canaux de sortie (6) pour la circulation du fluide réactif, les canaux de sortie (6) débouchant chacun, par une première extrémité dans le collecteur de sortie de réactif (4), notamment dans le bord interne supérieur (8) du collecteur de sortie de réactif (4), et par une deuxième extrémité dans l’orifice d’évacuation de réactif (7). Plaque (1) selon la revendication précédente, au moins un des canaux de sortie (6) étant plus long qu’un autre des canaux de sortie (6), les canaux de sortie (6) s’étendant notamment dans une direction orthogonale à la direction longitudinale verticale. Plaque (1) selon l’une des revendications précédentes, le bord interne inférieur de l’orifice collecteur de sortie (4) comportant un premier arrondi au niveau de son extrémité inférieure et une portion rectiligne inclinée s’étendant selon une direction coupant le premier axe (20) de sorte à former une pente pour l’écoulement de l’eau en direction du premier arrondi. Plaque (1) selon l’une des revendications précédentes, la plaque (1) comportant une première bande transversale (2), une deuxième bande transversale (12), une bande supérieure du côté du bord supérieur (18), une bande inférieure du côté du bord inférieur (19), le circuit de réactif (11) étant disposé dans une partie centrale de la plaque (1), entre la bande supérieure, la bande inférieure, la première bande transversale (2) et la deuxième bande transversale (12). Plaque (1) selon la revendication précédente, l’orifice collecteur de sortie de réactif (4) étant disposé dans la première bande transversale (2) et l’orifice collecteur d’entrée de réactif (14) étant disposé dans la deuxième bande transversale (12). Plaque (1) selon la revendication précédente, la plaque comportant un collecteur d’entrée de fluide de refroidissement (13) formé au travers de la plaque (1) et disposé dans la bande supérieure, et la plaque comportant un collecteur de sortie de fluide de refroidissement (15) formé au travers de la plaque (1) et disposé dans la bande inférieure. Cellule de pile à combustible, notamment de pile à combustible à membrane échangeuse de protons, la cellule comportant deux plaques (1) selon l’une des revendications précédentes et un Assemblage Membrane Électrodes interposé en sandwich entre les plaques. Pile à combustible, notamment à membrane échangeuse de protons, comportant un empilement de cellules selon la revendication précédente.