Brevet FR3147665A1 — publié le 20241011

L’invention concerne une plaque (1) de pile à combustible comportant une face réactive (2) et une face de refroidissement opposées, la face réactive (2) étant munie de reliefs et de creux formant un circuit de réactif (4), la face de refroidissement étant munies de reliefs et de creux formant un circuit de refroidissement comportant une pluralité de canaux de refroidissement, au moins un des canaux de refroidissement comportant un premier tronçon présentant une première section ayant une première largeur et une première hauteur et un deuxième tronçon longitudinal présentant une deuxième section ayant une deuxième largeur et une deuxième hauteur, la première largeur maximale étant supérieure à la deuxième largeur maximale, la deuxième hauteur étant supérieure strictement à la première hauteur. Figure d’abrégé : Fig. 1 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 plaques sont usinées. 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 plaques comportent sur chaque face, des reliefs et des creux, les creux étant obtenus par usinage de la plaque. Lorsque la géométrie de la plaque nécessite la présence d’un creux sur une face et un creux complémentaire sur l’autre face, elle présente localement une épaisseur réduite qui peut fragiliser la plaque. Une solution connue est d’avoir recours à une plaque dont l’épaisseur nominale avant usinage est suffisante pour éviter la présence d’une épaisseur réduite à certains emplacements sur la plaque après usinage. Un problème est que la pile résultant de l’empilement d’un grand nombre de plaques de ce type a des dimensions qui peuvent devenir critiques. 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 s’étendant dans un plan de plaque et 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 comportant une pluralité de canaux de réactif pour la circulation d’un fluide réactif, la face de refroidissement étant munies de reliefs et de creux formant un circuit de refroidissement comportant une pluralité de canaux de refroidissement pour la circulation d’un fluide de refroidissement, la plaque comportant un orifice collecteur d’entrée de fluide de refroidissement formé au travers de la plaque, les canaux de refroidissement débouchant par une première extrémité dans l’orifice collecteur d’entrée de fluide de refroidissement, la face réactive comportant une première gorge de joint entourant l’orifice collecteur d’entrée de fluide de refroidissement et destinée à recevoir un premier joint de collecteur formant conjointement avec l’Assemblage Membrane Électrode, une barrière pour empêcher le fluide de refroidissement de circuler dans le circuit de réactif, au moins un des canaux de refroidissement comportant : un premier tronçon longitudinal présentant une première section ayant une première largeur maximale et une première hauteur maximale, la première section étant dans un premier plan orthogonal au plan de plaque et orthogonal à la direction longitudinale du premier tronçon, le premier plan coupant la plaque dans la gorge de joint ; un deuxième tronçon longitudinal présentant une deuxième section ayant une deuxième largeur maximale et une deuxième hauteur maximale, la deuxième section étant dans un deuxième plan orthogonal au plan de plaque et orthogonal à la direction longitudinale du deuxième tronçon, le deuxième plan coupant la plaque dans un des canaux de réactif, caractérisée en ce que la première largeur maximale est supérieure strictement à la deuxième largeur maximale et en ce que la deuxième hauteur maximale est supérieure strictement à la première hauteur maximale. Une telle configuration permet de réduire l’épaisseur nominale de la plaque tout assurant une bonne tenue mécanique. Ceci permet de réduire le poids et le volume d’une pile à combustible équipée d’une pluralité de plaques, chaque plaque assurant un débit optimal pour le fluide de refroidissement en particulier à l’endroit où les canaux d’une face sont moins profonds, c’est-à-dire à l’endroit où ils croisent sur leur chemin, une gorge complémentaire ménagée sur l’autre face. Selon une réalisation, le diamètre hydraulique du premier tronçon est compris entre 0,6 et 1,2 fois le diamètre hydraulique du deuxième tronçon, par exemple compris entre 0,8 et 1 fois le diamètre hydraulique du deuxième tronçon. Le diamètre hydraulique d’un tronçon peut être défini comme étant égal à quatre fois la surface de la section dudit tronçon, divisé par le périmètre du même tronçon. Selon une réalisation, le circuit de refroidissement comporte une pluralité de nervures, chaque nervure étant disposée entre deux canaux de refroidissement adjacents, la largeur maximale d’une nervure, mesurée dans le premier plan étant inférieure strictement à la largeur maximale de la même nervure, mesurée dans le deuxième plan. Selon une réalisation, le au moins un des canaux de refroidissement comporte un troisième tronçon entre le premier tronçon et le deuxième tronçon, le troisième tronçon comportant une première section d’extrémité et une deuxième section d’extrémité, la première section d’extrémité étant distincte de la deuxième section d’extrémité. Selon une réalisation, le troisième tronçon comporte une paroi interne. Selon une réalisation, la paroi interne du troisième tronçon comporte une pente configurée pour permettre le passage de la première hauteur maximale à la deuxième hauteur maximale. Selon une réalisation, la paroi interne du troisième tronçon comporte une portion conique. Selon une réalisation, le premier tronçon et le deuxième tronçon s’étendent dans une même direction longitudinale. Selon une réalisation, le au moins un des canaux de refroidissement comporte un quatrième tronçon formant un coude, le deuxième tronçon étant situé entre le premier tronçon et le quatrième tronçon. Selon une réalisation, le coude est configuré pour que le quatrième tronçon s’étende dans le plan de plaque en formant un virage compris entre 40° et 140°, par exemple entre 60° et 120°. Selon une réalisation, la plaque est en métal, en graphite ou en graphite expansé. 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 ci-dessus 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 premier joint de collecteur est disposé dans la gorge de joint. Selon une réalisation, le premier joint de collecteur est configuré pour entourer l’orifice collecteur d’entrée de fluide de refroidissement. Selon une réalisation, le premier joint de collecteur est configuré former conjointement avec l’Assemblage Membrane Électrodes, une barrière pour empêcher le fluide de refroidissement de circuler depuis l’orifice collecteur d’entrée de fluide de refroidissement vers le circuit de réactif. 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 de plaque bipolaire 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 d’une plaque selon l’invention ; la est une représentation schématique d’un détail selon A, de la plaque de la ; la représente une vue en élévation et en coupe selon B-B, du détail de la ; et la représente une vue en élévation et en coupe selon C-C, du détail de la . Les éléments identiques, similaires, ou analogues, conservent la même référence d’une figure à l’autre. La représente une plaque 1 de pile à combustible du type à membrane échangeuse de protons. La plaque 1 s’étend dans globalement dans un plan appelé plan de plaque. La plaque 1 comporte une face réactive 2 et une face de refroidissement 3 opposées l'une par rapport à l’autre. La face réactive 2 est destinée à faire face à un Assemblage Membrane Électrodes. La face réactive 2 est munie de reliefs et de creux, formant un circuit de réactif 4. Sur la , la face visible est la face réactive 2 et la face opposée, non visible, est la face de refroidissement 3. La plaque 1 comportant un orifice collecteur d’entrée de fluide de refroidissement 7 formé au travers de la plaque 1. La face réactive 2 comporte une première gorge de joint 8 entourant l’orifice collecteur d’entrée de fluide de refroidissement 7. Cette première gorge de joint 8 est destinée à recevoir un premier joint de collecteur formant conjointement avec l’Assemblage Membrane Électrode et lorsque la plaque 1 est intégrée à une pile à combustible, une barrière pour empêcher le fluide de refroidissement de circuler depuis le collecteur d’entrée de fluide de refroidissement 7 dans le circuit de réactif 4. La représente un détail de plaque la , le détail étant représenté sur la par le rectangle A. La face de refroidissement 3 est munies de reliefs et de creux formant un circuit de refroidissement 5 comportant une pluralité de canaux de refroidissement 6 pour la circulation d’un fluide de refroidissement. Les canaux de refroidissement 6 débouchent par une première extrémité dans l’orifice collecteur d’entrée de fluide de refroidissement 7. Sur la , la pluralité de canaux de refroidissement 6 est représentée schématiquement par transparence, en pointillés. La représente un détail en élévation et en coupe selon l’axe B-B, du détail de la et la représente un autre détail en élévation et en coupe selon l’axe C-C, du détail de la . Comme représenté sur les figures 3 et/ou 4, le circuit de réactif 4 comporte une pluralité de canaux de réactif 9 pour la circulation d’un fluide réactif. Au moins un des canaux de refroidissement 6 comporte : un premier tronçon 11 longitudinal présentant une première section ayant une première largeur maximale L1 et une première hauteur maximale H1, la première section étant dans un premier plan orthogonal au plan de plaque et orthogonal à la direction longitudinale du premier tronçon 11, le premier plan coupant la plaque 1 dans la gorge de joint 8 ; et un deuxième tronçon longitudinal 12 présentant une deuxième section ayant une deuxième largeur maximale L2 et une deuxième hauteur maximale H2, la deuxième section étant dans un deuxième plan orthogonal au plan de plaque et orthogonal à la direction longitudinale du deuxième tronçon 12, le deuxième plan coupant la plaque 1 dans un des canaux de réactif 9, caractérisée en ce que la première largeur maximale L1 est supérieure strictement à la deuxième largeur maximale L2 et en ce que la deuxième hauteur maximale H2 est supérieure strictement à la première hauteur maximale H1. Le premier tronçon 11 du au moins un des canaux de refroidissement 6 comporte la première extrémité dudit au moins un des canaux de refroidissement 6. Le circuit de refroidissement 5 comporte une pluralité de nervures 15, chaque nervure étant disposée entre deux canaux de refroidissement 6 adjacents. La largeur maximale d’une nervure 15, mesurée dans le premier plan, est inférieure strictement à la largeur maximale de la même nervure 15, mesurée dans le deuxième plan. Le au moins un des canaux de refroidissement 6 comporte un troisième tronçon 13, situé entre le premier tronçon 11 et le deuxième tronçon 12. Le troisième tronçon 13 comporte une première section d’extrémité et une deuxième section d’extrémité, la première section d’extrémité étant distincte de la deuxième section d’extrémité. Le troisième tronçon 13 comporte ainsi une section variable en se déplaçant d’une extrémité à l’autre. Ceci permet de former une transition entre le premier tronçon 11 et le deuxième tronçon 12. Le troisième tronçon 13 comporte une paroi interne. La paroi interne du troisième tronçon 13 comporte une pente configurée pour permettre le passage de la première hauteur maximale H1 à la deuxième hauteur maximale H2. Dans l’exemple représenté, la pente comporte une courbure en section. La paroi interne du troisième tronçon 13 comporte une portion en courbe, la courbe étant considérée dans le plan de plaque. La portion en courbe est configurée pour permettre le passage de la première largeur maximale L1 à la deuxième largeur maximale L2. La paroi interne du troisième tronçon 13 comporte une portion conique. Une telle portion conique permet à la fois le passage de la première hauteur maximale H1 à la deuxième hauteur maximale H2 et le passage de la première largeur maximale L1 à la deuxième largeur maximale L2. En variante, la portion conique est configurée pour permettre un changement de la section du troisième tronçon 13. Le premier tronçon 11 et le deuxième tronçon 12 s’étendent dans une même direction longitudinale. Comme visible sur la , le au moins un des canaux de refroidissement 6 comporte un quatrième tronçon 14 formant un coude. Le deuxième tronçon 12 est situé entre le premier tronçon 11 et le quatrième tronçon 14. Le coude est configuré pour que le quatrième tronçon 14 s’étende dans le plan de plaque en formant un virage compris entre 40° et 140°, par exemple entre 60° et 120°. Dans l’exemple représenté à la , le virage fait sensiblement 90°. Le troisième tronçon 13 est situé entre le premier tronçon 11 et le quatrième tronçon 14. Plaque (1) de pile à combustible du type à membrane échangeuse de protons, la plaque (1) s’étendant dans un plan de plaque et comportant une face réactive (2) et une face de refroidissement (3) opposées l'une par rapport à l’autre, la face réactive (2) étant destinée à faire face à un Assemblage Membrane Électrodes et étant munie de reliefs et de creux formant un circuit de réactif (4) comportant une pluralité de canaux de réactif (9) pour la circulation d’un fluide réactif, la face de refroidissement (3) étant munies de reliefs et de creux formant un circuit de refroidissement (5) comportant une pluralité de canaux de refroidissement (6) pour la circulation d’un fluide de refroidissement, la plaque (1) comportant un orifice collecteur d’entrée de fluide de refroidissement (7) formé au travers de la plaque (1), les canaux de refroidissement (6) débouchant par une première extrémité dans l’orifice collecteur d’entrée de fluide de refroidissement (7), la face réactive (2) comportant une première gorge de joint (8) entourant l’orifice collecteur d’entrée de fluide de refroidissement (7) et destinée à recevoir un premier joint de collecteur formant conjointement avec l’Assemblage Membrane Électrode, une barrière pour empêcher le fluide de refroidissement de circuler dans le circuit de réactif (4), au moins un des canaux de refroidissement (6) comportant : un premier tronçon (11) longitudinal présentant une première section ayant une première largeur maximale (L1) et une première hauteur maximale (H1), la première section étant dans un premier plan orthogonal au plan de plaque et orthogonal à la direction longitudinale du premier tronçon (11), le premier plan coupant la plaque (1) dans la gorge de joint (8) ; un deuxième tronçon longitudinal (12) présentant une deuxième section ayant une deuxième largeur maximale (L2) et une deuxième hauteur maximale (H2), la deuxième section étant dans un deuxième plan orthogonal au plan de plaque et orthogonal à la direction longitudinale du deuxième tronçon (12), le deuxième plan coupant la plaque (1) dans un des canaux de réactif (9), caractérisée en ce que la première largeur maximale (L1) est supérieure strictement à la deuxième largeur maximale (L2) et en ce que la deuxième hauteur maximale (H2) est supérieure strictement à la première hauteur maximale (H1). Plaque (1) selon la revendication précédente, le diamètre hydraulique du premier tronçon (11) étant compris entre 0,6 et 1,2 fois le diamètre hydraulique du deuxième tronçon (12), par exemple compris entre 0,8 et 1 fois le diamètre hydraulique du deuxième tronçon (12). Plaque (1) selon l’une des revendications précédentes, le circuit de refroidissement (5) comportant une pluralité de nervures (15), chaque nervure étant disposée entre deux canaux de refroidissement (6) adjacents, la largeur maximale d’une nervure (15), mesurée dans le premier plan étant inférieure strictement à la largeur maximale de la même nervure (15), mesurée dans le deuxième plan. Plaque (1) selon l’une des revendications précédentes, le au moins un des canaux de refroidissement (6) comportant un troisième tronçon (13) entre le premier tronçon (11) et le deuxième tronçon (12), le troisième tronçon (13) comportant une première section d’extrémité et une deuxième section d’extrémité, la première section d’extrémité étant distincte de la deuxième section d’extrémité. Plaque (1) selon la revendication précédente, le troisième tronçon (13) comportant une paroi interne, la paroi interne du troisième tronçon (13) comportant une pente configurée pour permettre le passage de la première hauteur maximale (H1) à la deuxième hauteur maximale (H2). Plaque (1) selon l’une des revendications précédentes, le premier tronçon (11) et le deuxième tronçon (12) s’étendant dans une même direction longitudinale. Plaque (1) selon l’une des revendications précédentes, le au moins un des canaux de refroidissement (6) comportant un quatrième tronçon (14) formant un coude, le deuxième tronçon (12) étant situé entre le premier tronçon (11) et le quatrième tronçon (14). Plaque (1) selon la revendication précédente, le coude étant configuré pour que le quatrième tronçon (14) s’étende dans le plan de plaque en formant un virage compris entre 40° et 140°, par exemple entre 60° et 120°. 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.