Brevet FR3136896A1 — publié le 20231222

L'invention concerne une plaque bipolaire ou monopolaire pour pile à combustible à membrane échangeuse de protons, présentant chacune des premiers canaux de circulation de gaz réactifs, respectivement de dihydrogène et d'air, et des seconds canaux de circulation d'un fluide caloporteur, lesdits premiers et/ou lesdits seconds canaux suivant un tracé définissant des ondulations dans un plan d'ondulation sensiblement perpendiculaire au plan principal de ladite plaque. Figure d'abrégé : Figure 6 Plaque en trois dimensions pour pile à combustible, pile, utilisation et procédé de fabrication correspondants. 1. Domaine de l’invention Le domaine de l’invention est celui des piles à combustible à hydrogène. Plus précisément, l'invention concerne l'amélioration de telles piles à combustible, et en particulier des plaques bipolaires et monopolaires dont elles sont constituées. De telles plaques, et donc de telles piles, trouvent des applications dans de nombreux domaines, dès lors qu'il est nécessaire de produire de l'énergie électrique, notamment de façon autonome, par exemple dans des véhicules (automobiles, utilitaires, camions, bus, trains, bateaux, aéronefs…), des groupes électrogènes… 2. Art antérieur Le principe de la pile à combustible est connu depuis de très nombreuses années. Il a été notamment mis en œuvre dans le domaine spatial, et de nombreux projets ont également été développés par différents constructeurs automobiles. Une pile à combustible à hydrogène repose sur le principe illustré en , et produit de l'énergie électrique par une réaction chimique entre le dihydrogène (H 2 ) et le dioxygène (O 2 ). Cette réaction chimique est décrite par les équations ci-dessous : [Chem 1] H 2 --> 2 H + + 2 e - O 2 + 4 H + + 2 e - --> 2 H 2 O ____________________ H 2 + 1/2 O 2 --> H 2 O ; Δ r H Le terme facultatif Δ r H Cette réaction se produit dans ce que l'on appelle une zone active d'un assemblage d'une membrane électrolyte et d'électrodes (AME – ou MEA en anglais, pour "Membrane Electrode Assembly"), c'est-à-dire un empilement de membranes permettant l'échange d'ions H + , placé entre une anode, recevant du dihydrogène depuis un réservoir, et une cathode par recevant du dioxygène (O 2 ) à partir de l'air extérieur. Comme illustré sur la , le carburant, le dihydrogène (H 2 ), est introduit (F1) dans la pile, pour venir en contact avec l'anode A. Une partie du dihydrogène pénètre (F2) dans l'anode A, dans laquelle les molécules de dihydrogène sont séparées en électrons e - et en ions H + qui traversent l'électrolyte E vers la cathode C. Cette dernière est en contact avec l'air amené depuis l'extérieur (F3) dont les molécules de dioxygène O 2 (F4) se combinent avec les ions H + et les électrons e - pour produire (F5) de l'eau (H 2 O). Cette eau (F6) et l'air non utilisé (F7) sont évacués. L'anode A est donc l'élément dans lequel se produit l'oxydation : H 2 →2H + + 2e - , et la cathode C est l'élément dans lequel se produit la réduction : O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O. Les électrons e - circulent (F8) entre l'anode A et la cathode C, produisant un courant électrique E, qui est utilisé pour entrainer un moteur électrique et/ou charger une batterie. Cette réaction est exothermique, et les différents éléments constitutifs de la pile peuvent s'échauffer rapidement. Le système entier doit donc être refroidi. La conception des pièces mécaniques doit en conséquence être adaptée pour être alimentée en liquide de refroidissement, ou liquide caloporteur. La structure d'une pile à combustible, mettant en œuvre cette réaction chimique, est illustrée sur la . La pile 21 est constituée d'un empilement de cellules 22, placées entre deux plaques d'extrémité 23 1 et 23 2 . Les éléments constitutifs d'une cellule 22 sont détaillés, en éclaté, en . Elle comprend deux plaques, bipolaires ou monopolaires, entre lesquelles est placée une membrane électrolyte. Les plaques monopolaires sont les premières et les dernières plaques de l'empilement des cellules. Elles ont généralement le même design qu'une plaque bipolaire, mais des entrées sont fermées de sorte que la plaque ne reçoit pas l'un des gaz. La pile comprend ainsi une plaque monopolaire cathodique ne recevant pas de dihydrogène et une plaque monopolaire anodique ne recevant pas de dioxygène. Les plaques bipolaires, empilées entre les deux plaques monopolaires, sont constituées par l'assemblage de deux demi-plaques métalliques 31, 32 (une demi-plaque anodique 31 et une demi-plaque cathodique 32), qui peuvent être soudées, brasées ou collées. Un espace entre les deux demi-plaques métalliques est défini par le formage de celles-ci pour définir d'une part des zones 33, 34 recevant un liquide de refroidissement et d'autre part des canaux permettant la circulation des gaz, respectivement dihydrogène et dioxygène (extrait de l'air). Des membranes MEA 35 sont intercalées entre les demi-plaques. Une des difficultés de la conception des piles à combustible, et de ces plaques en particulier, est l'optimisation et l'homogénéisation du trajet de ce liquide de refroidissement, qui est généralement imposé par ce qui a été conçu pour la circulation des gaz des parties anodique et cathodique. On connaît différents types de canaux pour la circulation des gaz, notamment des canaux droits, parallèles les uns aux autres, en serpentins ou en zig-zag, s'étendant sur une partie active de la plaque. L'efficacité de ces plaques n'est pas parfaite. Malgré les efforts des concepteurs, on constate des variations significatives de la pression des gaz, notamment de l'oxygène, dans la surface active, et une distribution non homogène du fluide caloporteur, en particulier partielle en milieu de plaque. Ceci introduit une inhomogénéité thermique, notamment la présence de points chauds. En conséquence, ceci introduit une inhomogénéité de la création du courant électrique dans la plaque. De telles plaques sont en outre peu aisées à fabriquées et à assembler. Elles présentent notamment une mauvaise rigidité sur leur longueur, ce qui conduit à utiliser des feuillards relativement épais, donc lourds, et impose l'utilisation de techniques de fabrication peu adaptées à la production en série, telles que le brasage ou des soudures multiples. Il y a donc un besoin d'une nouvelle approche pour la réalisation de telles plaques, pour permettre une production plus adaptée aux exigences de la série et/ou pour améliorer leur efficacité. 3. Caractéristiques principales de l'invention L'invention répond à au moins une partie de ce besoin à l'aide d'un nouveau type de plaque bipolaire ou monopolaire pour pile à combustible à membrane échangeuse de protons, présentant chacune des premiers canaux de circulation de gaz réactifs, respectivement de dihydrogène et d'air, et des seconds canaux de circulation d'un fluide caloporteur. Selon l'invention, lesdits premiers et/ou lesdits seconds canaux suivent un tracé définissant des ondulations dans un plan d'ondulation sensiblement perpendiculaire au plan principal de ladite plaque. En d'autres termes, la plaque, et en particulier sa surface active, c'est-à-dire la surface assurant l'échange de protons, se trouvant en regard de la membrane, est définie en trois dimensions, et non plus selon un plan. Elle présente des ondulations, ou des "creux" et des "bosses", déterminées de façon à optimiser la pression desdits gaz et/ou le débit dudit fluide caloporteur. Selon un mode de réalisation particulier, lesdits premiers canaux s'étendent dans une direction orthogonale à la direction desdits seconds canaux. En particulier, lesdits canaux peuvent s'étendre parallèlement à la longueur et à la largeur de la plaque respectivement, en se croisant et en suivant les ondulations. Selon un autre aspect, qui peut le cas échéant être mis en œuvre indépendamment du premier, au moins certains desdits canaux présentent une section variable. Ceci permet notamment d'optimiser la pression desdits gaz et/ou la densité de courant délivrée par ladite plaque. Selon un mode de réalisation particulier, lesdits tracés définissant des ondulations et/ou lesdits sections variables sont définis par la méthode des éléments finis. Cette méthode permet de caractériser efficacement les dimensions et formes des plaques. Selon un mode de réalisation particulier, la plaque est réalisée par assemblage de deux demi-plaques complémentaires, formées en trois dimensions, de façon à définir lesdites ondulations. Les demi-plaques peuvent notamment être obtenues par hydroformage. Selon un mode de réalisation particulier, lesdites ondulations présentent un rayon (R) et une période (P) tels que R = P ± 20%. Selon un mode de réalisation particulier, ladite section varie de façon que le ratio entre la section maximale S max et la section minimale S min soit compris entre 1,2 et 2, de l'ordre de 1,6 par exemple. Selon un mode de réalisation particulier, lesdites demi-plaques sont réalisées à partir de feuillards plus fins que ceux classiquement utilisés, par exemple en acier inoxydable 316L avec un double revêtement carbone, d'une épaisseur de 0,075 mm. L'invention concerne également les piles à combustible comprenant un empilement de plaques telles que décrites ci-dessus. L'invention concerne encore les utilisations de telles piles, notamment pour au moins une des applications appartenant au groupe comprenant : - les véhicules automobiles ; - les véhicules utilitaires ; - les autobus ou les camions ; - les bateaux ; - les aéronefs ; - les groupes électrogènes ; - … L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une plaque bipolaire ou monopolaire telle que décrite ci-dessus, comprenant notamment les étapes suivantes : fabrication de deux demi-plaques complémentaires dans lesquelles lesdits premiers et/ou lesdits seconds canaux suivent un tracé définissant des ondulations dans un plan d'ondulation sensiblement perpendiculaire au plan principal de ladite plaque ; assemblage desdites demi-plaques complémentaires, de façon que lesdits premiers et/ou lesdits seconds canaux suivent un tracé définissant des ondulations dans un plan d'ondulation sensiblement perpendiculaire au plan principal de ladite plaque. La fabrication des demi-plaques peut notamment être effectuée par hydroformage. 4. liste des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de mise en œuvre, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des figures annexées parmi lesquels : : la , déjà décrite en préambule, illustre le principe général d'une pile à combustible ; : la , déjà décrite en préambule, présente la structure d'une pile à combustible, comprenant un empilement de cellules ; : la , déjà décrite en préambule, présente les éléments constitutifs d'une cellule de la , en éclaté ; : la illustre schématiquement les principaux éléments d'une plaque bipolaire de la cellule de la ; , : les figures 5A et 5B illustrent respectivement le trajet du flux de gaz (dihydrogène ou air) et le trajet du fluide caloporteur, suivant des ondulations (seule une portion de la demi-plaque est représentée) ; : la est une autre vue d'une portion de la demi-plaque, faisant apparaître les ondulations selon les deux directions orthogonales définies par les canaux ; : la illustre schématiquement un exemple d'ondulation ; : la illustre la variation de la section d'un canal de gaz. 5. Description d'un mode de réalisation particulier 5.1 Éléments principaux d'une plaque bipolaire L'invention s'applique à la fabrication de plaques, bipolaires ou monopolaires, destinées à former une pile à combustible. A titre indicatif, on décrit ci-après les principaux aspects d'une plaque bipolaire. Comme illustré schématiquement sur l'exemple de la , Il existe plusieurs zones essentielles dans une plaque bipolaire : - zone active AZ : il s'agit de l'emplacement où la réaction a lieu, constituée de nombreux canaux. Une des difficultés de conception de ces plaques est la nécessité de fournir une répartition homogène du gaz et de ne pas suralimenter ou sous-alimenter les canaux. La surface de la zone active de la plaque est la même que celle de la zone active de l'AME ; - Zone d'homogénéisation HZ : emplacement dans lequel les flux se mélangent pour alimenter les canaux de la zone active avec la même quantité de gaz/liquide de refroidissement. Elle est assimilable à un entonnoir, allant d'une arrivée de flux vers le début de la zone active ; - Zone anti-bypass ABP : une zone anti-by-pass est nécessaire pour des raisons mécaniques telles qu'un bon maintien de l'AME et/ou une bonne compression du joint. Il est ensuite nécessaire d'éviter un effet de dérivation pour les gaz, qui pourrait induire des chutes de pression des gaz, et donc l'efficacité de l'ensemble du système ; - Collecteurs M : les collecteurs ("manifolds" en anglais) sont des éléments agissant sur le dimensionnement, comprenant des entrées et des sorties pour chaque gaz et le fluide réfrigérant. Généralement, leur position et leurs dimensions définissent les dimensions globales de la plaque ; - Entrées I : les entrées sont ce qui permet au gaz et au liquide réfrigérant d'aller des collecteurs vers le côté gaz ou liquide réfrigérant de la plaque ; - Interfaces de guidage G : éléments aidant à maintenir la pile en position pendant le processus d'empilage ; - Électrodes de mesure V : permettant de brancher une broche ou un dispositif spécial entre l'anode et la cathode pour effectuer des mesures ; - Matrice de données : permettant une identification précise de la plaque. Elle peut notamment porter un numéro de série, un numéro d'identification du fournisseur, une heure, une date de fabrication, etc. Ses dimensions sont généralement de 4x4 ou 5x5 mm ; - Détrompeur ("Poka-Yoke" en anglais) : élément mécanique qui contraint le positionnement des demies-plaques ; - Soudures : maintenant les demi-plaques ensemble, elles peuvent être étanches ou simplement destinées à renforcer la structure. 5.2 topologie en trois dimensions (3D) L'invention propose donc une nouvelle approche des plaques bipolaires ou monopolaires, selon laquelle la zone active de celle-ci, c'est-à-dire sensiblement la zone en regard de la membrane, permet aux flux de gaz et de fluide caloporteur de se déplacer dans les trois dimensions de l'espace. Plus précisément, comme illustré par les figures 5A et 5B , représentant respectivement le trajet du flux de gaz (dihydrogène ou air) et le trajet du fluide caloporteur, les canaux 51 destinés au gaz et les canaux 52 destinés au fluide caloporteur s'étendent selon des directions D1, D2 orthogonales, respectivement selon la longueur et la largeur de la plaque, et se croisent. En outre, ces canaux présentent des ondulations selon les deux directions, la surface de la partie active n'étant donc pas plane, mais présentant des "creux" et des "bosses", comme on le constate notamment sur la . Cette approche présente, par rapport à l'art antérieur selon lequel les canaux s'étendent dans un plan, le plan défini par la plaque, peut présenter de nombreux avantages, selon les mises en œuvre : amélioration de la convection thermique, permettant de diminuer le débit et/ou d'améliorer le rendement du système ; meilleure rigidité de la plaque et/ou gain de poids, rendant possible la réduction de l’épaisseur du feuillard ; amélioration du contact électrique et diminution de la résistance électrique de contact ; facilitation de l’assemblage de la pile, et notamment de l'alignement des cellules entre elles, permettant en particulier d'éviter des problèmes d’étanchéité ; homogénéisation de la pression partielle d’oxygène le long de la surface active ; homogénéisation de la création de courant et amélioration de la densité de courant. La illustre schématiquement un exemple d'ondulation, caractérisée par sa longueur, ou période, P et son rayon R, ou hauteur maximale de l'ondulation. Bien sûr, la forme de l'ondulation peut être différente de celle illustrée. Les inventeurs ont déterminé, en tenant compte notamment des contraintes de tangence des canaux fluides, un écart entre le rayon R et la demi-période ½P inférieur ou égal à 20% était efficace, de façon à ne pas faire trop fortement le couple (rayon ; demi-période) et à obtenir un équilibre entre des ondulations trop prononcées et des ondulations trop ténues. On choisit ainsi des valeurs de ½P et de R identiques ou proches, par exemple : R = P ± 20%. A titre indicatif, les dimensions peuvent être de l'ordre de : ½P : compris entre 8 et 12 mm ; R : compris entre 16 et 24 mm. Comme illustré sur la , on pourra par exemple mettre en œuvre un rayon R de 20 mm et une demi-période de 10 mm. Plus généralement, les dimensions de la demi-plaque peuvent être de l'ordre de : longueur : comprise entre 250 et 350 mm ; largeur : comprise entre 150 et 200 mm. Le nombre de canaux de gaz est par exemple compris entre 50 et 100. Le nombre de canaux de fluide caloporteur peut également être compris entre 50 et 100. 5.3 canaux de section variable Selon un autre aspect de l'invention, qui peut le cas échéant être mis en œuvre indépendamment de la topologie 3D décrite ci-dessus, on fait varier la section des canaux. En effet, les inventeurs ont constaté que les zones actives selon l'art antérieur, qui présentent des canaux pour l’acheminement des fluides de section constante, introduisent des échauffements et génèrent des pressions partielles inhomogènes. En outre, ceci nuit à la rigidité de la plaque. Pour pallier ces problèmes, on prévoit notamment des canaux de gaz dont la section varie périodiquement, comme illustré par la , sur laquelle on constate que, le long du trajet 81 du fluide, la section du canal varie entre une section maximale S max 82 et une section minimale S min 83. Ceci permet notamment d'améliorer la rigidité de la plaque, d'obtenir une meilleure convection thermique, d'équilibrer les pressions partielles et/ou d'obtenir un meilleur contact électrique. Selon un mode de réalisation, la section maximale S max correspond à un emplacement où la hauteur maximale H du canal de gaz et la section minimale S min à un emplacement où le canal de gaz croise un canal de fluide caloporteur (croisement, ou "cross-channel" en anglais), la hauteur étant ramené à la hauteur minimale h. Le ratio entre H et h est de préférence compris entre 2 et 3, et par exemple tel que H = 2,5 * h. Par simplification, on considère que la largeur L du canal, qui varie peu, est constante. Ainsi, la section S max vaut approximativement L * H, et la section S min approximativement (H - h) * L. On choisit donc de préférence un ratio de variation de section S max / S min compris entre 1,5 et 2, par exemple de l'ordre de 1,6. Il convient de noter que cette illustre une portion d'une demi-plaque, et donc une demi-section des canaux qui sont obtenus par l'assemblage de deux demi-plaques, pour former une plaque complète. Les ratios restent cependant bien évidemment les mêmes. A titre d'exemple indicatif, les dimensions peuvent être de l'ordre de : H : compris entre 0,2 et 0,35 mm ; h : compris entre 0,1 et 0,15 mm ; L : compris entre 0,5 et 1,3 mm. 5.4 fabrication et assemblage L'approche de l'invention permet de fabriquer des demi-plaques à partir de feuillards plus fins que ceux classiquement utilisés, par exemple en acier inoxydable 316L avec un double revêtement carbone, d'une épaisseur de 0,075 mm. En effet, le formage en trois dimensions permet de renforcer la rigidité (une plaque plane classique peut avoir tendance à se déformer), et donc de limiter les éventuels défauts d'alignement. Ceci permet de réaliser des piles nécessitant moins de matière, et donc moins lourdes et moins coûteuses. Bien entendu, la forme en trois dimensions, les demi-plaques présentant des ondulations selon deux directions orthogonales (correspondant aux directions des canaux) et/ou la présence de canaux de sections variables nécessitent un soin particulier lors de la production des demi-plaques, par exemple par emboutissage ou moulage. Un mode de fabrication préféré est l'hydroformage, qui présente de nombreux avantages, tels que la précision dans la répétabilité du processus, l'élasticité après formage, l'homogénéité de l'épaisseur de la paroi, l'efficacité des zones de contact, l'adaptabilité… En revanche, cette forme et/ou l'épaisseur réduite des feuillards peuvent permettre un assemblage plus simple et plus fiable des deux demi-plaques formant chaque plaque, notamment pour la solidarisation des demi-plaques, par exemple par soudure, et pour l'assemblage des plaques pour former une pile. L'empilement de 300 plaques, par exemple, pour former une pile, est donc simplifié et plus efficace, ce qui permet notamment de réduire le risque de perte d'étanchéité. Selon l'art antérieur, il est nécessaire d'effectuer une homogénéisation de la surface de la plaque. En revanche, ceci n'est pas nécessaire selon l'approche de l'invention, qui permet d'obtenir un courant homogène, autant que possible, et donc d'éviter la présence de points chauds, introduisant des risques de détérioration et de contamination, sans traitement supplémentaire. L'invention permet ainsi d'obtenir des plaques et des piles très efficaces, adaptées à de nombreuses applications, par exemple dans les véhicules automobiles, et plus généralement dans tout type de véhicule ou de moyen embarquant des piles à combustible. L'invention peut par ailleurs être utilisée avec des membranes de différents formats, de façon à définir plusieurs dimensions de zones actives, et donc des piles de puissance différentes à partir de plaques identiques. Ceci est notamment rendu possible par l'homogénéité obtenue grâce à l'approche de l'invention. Plaque bipolaire ou monopolaire pour pile à combustible à membrane échangeuse de protons, présentant chacune des premiers canaux de circulation de gaz réactifs, respectivement de dihydrogène et d'air, et des seconds canaux de circulation d'un fluide caloporteur, caractérisée en ce que lesdits premiers et/ou lesdits seconds canaux suivent un tracé définissant des ondulations dans un plan d'ondulation sensiblement perpendiculaire au plan principal de ladite plaque. Plaque selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits premiers canaux s'étendent dans une direction orthogonale à la direction desdits seconds canaux. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que lesdits canaux présentent une section variable. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que lesdits tracés définissant des ondulations et/ou lesdits sections variables sont définis par la méthode des éléments finis. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle est formée d’un assemblage de deux demi-plaques complémentaires, formées en trois dimensions, de façon à définir lesdites ondulations. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que lesdites ondulations présentent un rayon (R) et une période (P) tels que R = P ± 20%. Plaque selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisée en ce que ladite section varie de façon que le ratio entre la section maximale S max et la section minimale S min soit de l'ordre de 1,6. Pile à combustible comprenant un empilement de plaques selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. Utilisation d'une pile à combustible selon la revendication 8 pour au moins une des applications appartenant au groupe comprenant : - les véhicules automobiles ; - les véhicules utilitaires ; - les autobus ou les camions ; - les bateaux ; - les aéronefs ; - les groupes électrogènes. Procédé de fabrication d'une plaque bipolaire ou monopolaire pour pile à combustible à membrane échangeuse de protons, présentant chacune des premiers canaux de circulation de gaz réactifs, respectivement de dihydrogène et d'air, et des seconds canaux de circulation d'un fluide caloporteur, caractérisée en ce qu'il comprend les étapes suivantes : fabrication de deux demi-plaques complémentaires dans lesquelles lesdits premiers et/ou lesdits seconds canaux suivent un tracé définissant des ondulations dans un plan d'ondulation sensiblement perpendiculaire au plan principal de ladite plaque ; assemblage desdites demi-plaques complémentaires, de façon que lesdits premiers et/ou lesdits seconds canaux suivent un tracé définissant des ondulations dans un plan d'ondulation sensiblement perpendiculaire au plan principal de ladite plaque.