Brevet FR3129532A1 — publié le 20230526

Titre : Cellule d’une pile à combustible, pile à combustible et procédé de fabrication d’une telle cellule Cellule d’une pile à combustible, comprenant un électrolyte (2) placé entre deux électrodes (3, 4), deux plaques (5, 6), chaque plaque (5, 6) comprenant une pluralité de paires de dents (7, 8) délimitant entre elles un canal (9), une première couche de diffusion (12) pour un premier gaz (10), et une deuxième couche de diffusion (13) pour un deuxième gaz (11), la première couche de diffusion (12) comprenant une couche dite macroporeuse (14) en contact avec les dents (7, 8) de la première plaque (5) et une couche dite microporeuse (16) située entre la première électrode (3) et la couche macroporeuse (14), plusieurs rainures (20) étant formées sur une surface (21) de la couche microporeuse (16), ayant une largeur (L) comprise entre 80% et 120% d’une largeur (D) d’une dent (7, 8) ou d’un canal (9) d’une de la première plaque (5). Figure pour l’abrégé : Fig.1 Cellule d’une pile à combustible, pile à combustible et procédé de fabrication d’une telle cellule La présente invention concerne les piles à combustible, en particulier les cellules d’une pile à combustible. ETAT DE LA TECHNIQUE Lorsqu’une pile à combustible est en fonctionnement, elle génère de l’eau liquide qui peut empêcher l’accès des gaz réactifs jusqu’aux sites catalytiques, appelés électrodes. Ce phénomène est communément appelé « noyage ». Ce noyage se manifeste par une chute brutale de la tension par faute d’alimentation en gaz. De manière générale, une pile à combustible comprend une ou plusieurs cellules. Une cellule comporte deux plaques polaires comprenant des dents délimitant un canal pour diffuser les gaz réactifs en direction des électrodes. En outre, la cellule comporte une couche de diffusion des gaz, appelée également GDL (Gaz Diffusion Layer, en langue anglaise, c’est-à-dire couche de diffusion des gaz). Certaines cellules ont une GDL comprenant une couche macroporeuse, appelée également substrat, et une couche microporeuse appelée MPL (Micro Porous Layer en langue anglaise, c’est-à-dire couche microporeuse). La couche MPL améliore les performances de la pile à combustible car elle permet à un front d’eau liquide d’être localisé à l’intérieur du substrat et permet ainsi d’éloigner l’eau générée du site catalytique correspondant au site actif de la cellule. On peut citer la publication « Synchrotron radiography and tomography of water transport in perforated gas diffusion media (J. Haussmann et al. Journal of Power Sources 239 (2013) 611-622) », qui divulgue une perforation de la couche GDL - MPL avec des trous cylindriques. Les perforations sont perpendiculaires au plan des canaux de diffusion des gaz de la plaque polaire, c’est-à-dire que les perforations sont perpendiculaires à la surface d’interface entre la couche MPL et le substrat de la couche GDL. La publication divulgue également que si le diamètre des trous cylindriques est trop important ou trop faible, les perforations diminuent les performances de la pile et que les meilleures performances sont obtenues lorsque les trous cylindriques ont un diamètre de 60 µm. On peut également citer le brevet américain US 8,911,919, qui divulgue un procédé dans lequel on modifie la propriété hydrophile de GDL, en surface de la GDL et à l’interface entre la GDL et la plaque polaire. En particulier, le document divulgue que l’on rend hydrophile les zones de la GDL située en contact avec les dents de la plaque polaire et on reprend hydrophobe les zones de la GDL en regard des canaux de la plaque polaire. On peut en outre citer la publication : « Ditch-structured microporous layers fabricated by nanosecond-pulse laser ablation for enhancing water transport in polymer electrolyte membrane fuel cells (Dong-Hyun Lee et al. Mater. Adv. 2020, 1, 254) », qui divulgue une réalisation de fines tranchées dans la MPL, à l’interface entre la MPL et l’électrode. En particulier, les fines tranchées sont réalisées perpendiculairement aux canaux de diffusion des gaz de la plaque polaire pour améliorer le rendement de la pile. En dépit de ces solutions, il existe donc un besoin pour améliorer le rendement d’une pile à combustible. RESUME Un objet de l’invention consiste à pallier ces inconvénients, et plus particulièrement à fournir des moyens pour améliorer le rendement d’une pile à combustible, et plus particulièrement pour améliorer la production électrique d’une pile à combustible. Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Selon un aspect de l’invention, il est proposé une cellule d’une pile à combustible, comprenant un électrolyte placé entre une première et une deuxième électrodes, une première et une deuxième plaques, chacune des première et deuxième plaques comprenant une pluralité de paires de dents, chaque paire de dents délimitant entre elles un canal pour la circulation d’un gaz à destination des première et deuxième électrodes, la cellule comprenant également, une première couche de diffusion pour un premier gaz, la première couche de diffusion étant située entre la première électrode et la première plaque, et une deuxième couche de diffusion pour un deuxième gaz, la deuxième couche de diffusion étant située entre la deuxième électrode et la deuxième plaque, la première couche de diffusion comprenant une couche dite macroporeuse en contact avec les dents de la première plaque et une couche dite microporeuse située entre la première électrode et la couche macroporeuse, la couche macroporeuse présentant des pores d’une taille supérieure à celle des pores de la couche microporeuse, plusieurs rainures étant formées sur une surface de la couche microporeuse située en regard de la première électrode. Chaque rainure a une largeur comprise entre 80% et 120% d’une largeur d’une dent de la première plaque, ou comprise entre 80% et 120% d’une largeur d’un canal de la première plaque. Dans le cadre du développement de la présente invention, il s’est avéré que cette structure permet d’améliorer le rendement de la pile dans une mesure inattendue. Une explication possible est qu’en diminuant l’épaisseur de la première couche de diffusion des gaz que doivent traverser les gaz pour atteindre le site catalytique, à savoir la première électrode, on améliore ainsi l’accès des gaz à la première électrode, ce qui améliore le rendement de la cellule. En outre, on diminue cette épaisseur sur une plus grande surface et on améliore l’accès à la première électrode pour une plus grande partie des gaz. On favorise donc le débit des gaz en direction de la première électrode pour un plus grand rendement de la cellule. Selon un autre aspect, il est proposé une pile à combustible comprenant au moins une cellule telle que définie ci-avant. Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de fabrication d’une cellule d’une pile à combustible, comprenant une fourniture : d’un électrolyte placé entre une première et une deuxième électrodes, d’une première et d’une deuxième plaques, chacune des première et deuxième plaques comprenant une pluralité de paires de dents, chaque paire de dents délimitant entre elles un canal pour la circulation d’un gaz à destination des première et deuxième électrodes, d’une première couche de diffusion pour un premier gaz, la première couche de diffusion étant située entre la première électrode et la première plaque, et d’une deuxième couche de diffusion pour un deuxième gaz, la deuxième couche de diffusion étant située entre la deuxième électrode et la deuxième plaque, la première couche de diffusion comprenant une couche dite macroporeuse en contact avec les dents de la première plaque et une couche dite microporeuse située entre la première électrode et la couche macroporeuse, la couche macroporeuse présentant des pores d’une taille supérieure à celle des pores de la couche microporeuse, le procédé comprenant une formation de plusieurs rainures sur une surface de la couche microporeuse située en regard de la première électrode ; La formation des rainures comprend une formation de chacune des rainures ayant une largeur comprise entre 80% et 120% d’une largeur d’une dent de la première plaque, ou comprise entre 80% et 120% d’une largeur d’un canal de la première plaque. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes de réalisation et de mise en œuvre de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : la , illustre schématiquement une vue en coupe d’un mode de réalisation d’une cellule d’une pile à combustible ; la , illustre schématiquement une vue en coupe d’un autre mode de réalisation d’une cellule d’une pile à combustible ; les figures 3 à 6, illustrent de façon schématique des vues de dessus de différents modes de réalisation de motifs de rainures ; les figures 7 à 9, illustrent des courbes de mesure d’une densité de courant fourni en fonction de la tension de la cellule. la , illustre de façon schématique une vue en coupe d’un autre mode de réalisation d’une cellule d’une pile à combustible. Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier les épaisseurs des différentes couches formant la pile, ainsi que les largeurs et profondeurs des canaux et des dents ne sont pas représentatives de la réalité. Cellule d’une pile à combustible, comprenant un électrolyte (2) placé entre une première et une deuxième électrodes (3, 4), une première et une deuxième plaques (5, 6), chacune des première et deuxième plaques (5, 6) comprenant une pluralité de paires de dents (7, 8), chaque paire de dents (7, 8) délimitant entre elles un canal (9) pour la circulation d’un gaz (10, 11) à destination des première et deuxième électrodes (3, 4), la cellule comprenant également, une première couche de diffusion (12) pour un premier gaz (10), la première couche de diffusion (12) étant située entre la première électrode (3) et la première plaque (5), et une deuxième couche de diffusion (13) pour un deuxième gaz (11), la deuxième couche de diffusion (13) étant située entre la deuxième électrode (4) et la deuxième plaque (6), la première couche de diffusion (12) comprenant une couche dite macroporeuse (14) en contact avec les dents (7, 8) de la première plaque (5) et une couche dite microporeuse (16) située entre la première électrode (3) et la couche macroporeuse (14), la couche macroporeuse (14) présentant des pores d’une taille supérieure à celle des pores de la couche microporeuse (16), plusieurs rainures (20) étant formées sur une surface (21) de la couche microporeuse (16) située en regard de la première électrode (3), caractérisée en ce que chaque rainure (20) a une largeur (L) comprise entre 80% et 120% d’une largeur (D) d’une dent (7, 8) de la première plaque (5), ou comprise entre 80% et 120% d’une largeur (C) d’un canal (9) de la première plaque (5) . Cellule selon la revendication 1, dans laquelle chaque rainure (20) est formée au droit d’une dent (7, 8) de la première plaque (5). Cellule selon la revendication précédente, dans laquelle les dents (7, 8) de la première plaque (5) forment un motif de dents (30) et les rainures (20) forment un motif de rainures (31) correspondant au motif de dents (30). Cellule selon la revendication précédente, dans laquelle, le motif de dents (30) est symétrique du motif de rainures (31). Cellule selon la revendication 1, dans laquelle chaque rainure (20) est formée au droit d’un canal (9) de la première plaque (5). Cellule selon la revendication précédente, dans laquelle les canaux (9) de la première plaque (5) forment un motif de canaux (32) et les rainures (20) forment un motif de rainures (31) correspondant au motif de canaux (32). Cellule selon la revendication précédente, dans laquelle le motif de canaux (32) est symétrique du motif de rainures (31). Cellule selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle les dents (7, 8) de la première plaque (5) ont une largeur (D) qui ne varie pas de plus de 10%, de préférence les dents (7, 8) de la première plaque (5) ont une même largeur (D). Cellule selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle les canaux (9) de la première plaque (5) ont une largeur (C) qui ne varie pas de plus de 10%, de préférence les canaux (9) de la première plaque (5) ont une même largeur (C). Cellule selon l’une des revendications 1 à 5, dans laquelle les dents (7, 8) et les canaux (9) de la première plaque (5) ont une largeur (D, C) qui ne varie pas de plus de 10%, de préférence les dents (7, 8) et les canaux (9) de la première plaque (5) ont une même largeur (D, C). Cellule selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le premier gaz (10) comprend du dioxygène gazeux et le deuxième gaz (11) comprend du dihydrogène gazeux. Cellule selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la couche microporeuse (16) présente une épaisseur E16 et les rainures (20) présentent une profondeur P20, telle que E16 > P20 >0.9 * E16, de préférence E16 > P20 >0.75 * E16, et de préférence E16 > P20 >0.5 * E16, l’épaisseur E16 et la profondeur P20 étant mesurées selon une direction perpendiculaire à un plan contenant la surface (21) de la couche microporeuse (16). Cellule selon l’une des revendications 1 à 11, dans laquelle la couche microporeuse (16) présente une épaisseur E16 et les rainures (20) présentent une profondeur P20, telle que 1,3 * E16 > P20 > E16, de préférence 1,3 * E16 > P20 >1,1* E16, l’épaisseur E16 et la profondeur P20 étant mesurées selon une direction perpendiculaire à un plan contenant la surface (21) de la couche microporeuse (16). Cellule selon l’une des revendications 1 à 11, dans laquelle la couche microporeuse (16) présente une épaisseur E16 et les rainures (20) présentent une profondeur P20 égale à l’épaisseur E16, l’épaisseur E16 et la profondeur P20 étant mesurées selon une direction perpendiculaire à un plan contenant la surface (21) de la couche microporeuse (16). Cellule selon l’une des revendications 1 à 11, dans laquelle les rainures (20) présentent une profondeur P20, et les dents (7, 8) de la première plaque (5) présentent une épaisseur E8, telle que E8 > P20 >0.9 * E8, de préférence E8 > P20 >0.75 * E8, et de préférence E8 > P20 >0.5 * E8, l’épaisseur E8 et la profondeur P20 étant mesurées selon une direction perpendiculaire à un plan contenant la surface (21) de la couche microporeuse (16). Cellule selon l’une des revendications 1 à 11, dans laquelle les dents (7, 8) de la première plaque (5) présentent une épaisseur E8, et les rainures (20) présentent une profondeur P20 égale à l’épaisseur E8, l’épaisseur E8 et la profondeur P20 étant mesurées selon une direction perpendiculaire à un plan contenant la surface (21) de la couche microporeuse (16). Pile à combustible comprenant au moins une cellule selon l’une des revendications 1 à 16. Procédé de fabrication d’une cellule d’une pile à combustible, comprenant une fourniture : d’un électrolyte (2) placé entre une première et une deuxième électrodes (3, 4), d’une première et d’une deuxième plaques (5, 6), chacune des première et deuxième plaques (5, 6) comprenant une pluralité de paires de dents (7, 8), chaque paire de dents (7, 8) délimitant entre elles un canal (9) pour la circulation d’un gaz (10, 11) à destination des première et deuxième électrodes (3, 4), d’une première couche de diffusion (12) pour un premier gaz (10), la première couche de diffusion (12) étant située entre la première électrode (3) et la première plaque (5), et d’une deuxième couche de diffusion (13) pour un deuxième gaz (11), la deuxième couche de diffusion (13) étant située entre la deuxième électrode (4) et la deuxième plaque (6), la première couche de diffusion (12) comprenant une couche dite macroporeuse (14) en contact avec les dents (7, 8) de la première plaque (5) et une couche dite microporeuse (16) située entre la première électrode (3) et la couche macroporeuse (14), la couche macroporeuse (14) présentant des pores d’une taille supérieure à celle des pores de la couche microporeuse (16), le procédé comprenant une formation de plusieurs rainures (20) sur une surface (21) de la couche microporeuse (16) située en regard de la première électrode (3), caractérisé en ce que la formation des rainures (20) comprend une formation de chacune des rainures (20) ayant une largeur (L) comprise entre 80% et 120% d’une largeur (D) d’une dent (7, 8) de la première plaque (5), ou comprise entre 80% et 120% d’une largeur (C) d’un canal (9) de la première plaque (5). Procédé selon la revendication 18, dans lequel la formation des rainures (20) comprend une ablation laser de la surface (21) de la couche microporeuse (16). Procédé selon la revendication 18, dans lequel la formation des rainures (20) comprend une sérigraphie comprenant un dépôt additif couche par couche d’un matériau microporeux sur la couche microporeuse (16) ou sur la couche macroporeuse (14).