Brevet FR3155731A1 — publié le 20250530

Outil et procédé d’usinage d’un brut destiné à fournir une plaque bipolaire . Selon un premier de ses aspects, l’invention se rapporte à un outil d’usinage (700) permettant d’usiner un brut (170) destiné à fournir certaines pièces d’un stack d’électrolyseur, par exemple une plaque bipolaire (11). Il comprend au moins deux têtes d’usinage (701, 702) distinctes pourvues chacune d’un outil de coupe (703, 704), les têtes d’usinage (701, 702) étant configurées pour être opérées de part et d’autre du brut (170) à usiner et un élément de support (705) muni de deux bras pour supporter les têtes d’usinage (701, 702) pourvu de moyens d’accouplement (706) à un bras robot. Figure pour l’abrégé : 4 Outil et procédé d’usinage d’un brut destiné à fournir une plaque bipolaire La présente invention se rapporte au domaine technique de l’électrolyse du dihydrogène et plus particulièrement à certaines pièces d’un stack d’électrolyseur. Plus précisément, la présente invention concerne la construction de certaines pièces d’un stack d’électrolyseur et un outil destiné usiner de telles pièces. Arrière-plan technologique Un dispositif d’électrolyse à membrane comprend généralement un empilement (appelé stack d’électrolyseur) de cellules électrolytiques au sein desquelles est conduite la réaction d’électrolyse de l’eau. Les cellules électrolytiques sont assemblées électriquement en série et fluidiquement en parallèle. En faisant référence aux figures 1 à 3, une cellule électrolytique 10 comprend dans l’ordre, une plaque bipolaire 11, un espace 125 entouré d’un cadre intercalaire (ou simplement intercalaire) 12, une première électrode 131, en l’occurrence une cathode, une membrane 14, une seconde électrode 132, à savoir une anode, un second espace 125 entouré d’un cadre intercalaire 12 et une deuxième plaque bipolaire 11. L’espace (parfois aussi appelé chambre d’électrode) entouré de l’intercalaire 12 est destiné à la circulation de l’électrolyte et des gaz d’électrolyse et permet, grâce à la circulation du fluide électrolytique, l’arrivée des réactifs (eau et ions hydroxydes) à la surface des électrodes 131 et 132. L’intercalaire 12 est généralement métallique et fournit un chemin de faible résistivité pour le courant électrique entre chaque plaque bipolaire 11 et l’électrode 131 ou 132 qui y est accolée. Les électrodes 131, 132 sont généralement réalisées en métal dopé, par exemple en nickel, mais d’autres métaux conducteurs conviennent également être. La membrane 14 (aussi appelée diaphragme ou séparateur poreux) assure l’isolation électrique entre les deux électrodes 131, 132 ainsi que le transport des protons ou des ions hydroxydes d’une électrode à l’autre tout en étant étanche aux gaz d’électrolyse. Les plaques bipolaires 11 (aussi appelées collecteur de courant) ont pour fonction de fournir le courant et d’évacuer les gaz de la cellule électrolytique 10. Les matériaux des plaques bipolaires 11 doivent donc posséder un niveau de conductivité électrique suffisant et une bonne inertie chimique vis-à-vis des fluides présents dans la cellule électrolytique 10 (électrolyte, acide, gaz). Les plaques bipolaires 11 les plus courantes sont réalisées en graphite, en matériau composite conducteur ou en métal (par exemple en acier inoxydable). Les plaques bipolaires 11 sont généralement munies de cannelures ou de reliefs favorisant l’évacuation des gaz. L’électrolyte (solution alcaline d’eau) provenant d’une canalisation d’alimentation 15 est introduit dans l’espace 125 par une ouverture d’alimentation 121 dans l’intercalaire 12, le mélange électrolyte/gaz résultant est extrait de l’espace 125 par une deuxième ouverture d’extraction 1221 ou 1222 pratiquée dans l’intercalaire 12. Lorsqu’il s’agit de l’espace 125 disposé entre la plaque bipolaire 11 et la cathode 131, le mélange électrolyte/gaz extrait par l’ouverture d’extraction 1221 est essentiellement composé de dihydrogène, H2, gazeux et le mélange est évacué dans la canalisation d’extraction 161. Lorsqu’il s’agit de l’espace 125 disposé entre l’anode 132 et la plaque bipolaire 11, le mélange électrolyte/gaz extrait par l’ouverture d’extraction 1222 est essentiellement composé de dioxygène, O2, gazeux et le mélange est évacué dans la canalisation d’extraction 162. Les canalisations d’extraction 161 et 162 conduisent le mélange électrolyte/gaz vers des dispositifs de dégazage séparés (non représentés) permettant de récupérer respectivement le dihydrogène et le dioxygène. Dans l’espace 125, soit les électrodes 131, 132 sont contre la plaque bipolaire 11, soit un filet métallique, préférentiellement en nickel, est placé entre la plaque bipolaire 11 et les électrodes 131, 132. Le stack d’électrolyseur comprend donc un empilement de telles cellules électrolytiques 10, la plaque bipolaire 11 terminant la première cellule électrolytique 10 constitue le début de la cellule électrolytique 10 suivante. Ainsi, la plaque bipolaire 11 de la première cellule électrolytique 10 (en amont de la suivante) possède un potentiel plus élevé que celui de la plaque bipolaire 11 de la deuxième cellule électrolytique 10 (en aval de la précédente) et par voie de conséquence, sa surface en contact avec l’espace 125 jouxtant la cathode 131 joue le rôle d’anode 132. Inversement, la surface de la plaque bipolaire 11 en contact avec l’espace 125 jouxtant l’anode 132 joue le rôle de cathode 131. Au sein du stack d’électrolyseur, les éléments entrant en contact avec l’électrolyte sont soumis à un environnement particulièrement corrosif et subissent une corrosion importante les rendant rapidement impropres à l’utilisation. En outre, toute aspérité ou imperfection de surface de ces éléments est une source potentielle de fuite des gaz, en particulier du dihydrogène. Ces deux problèmes sont résolus en opérant sur ces pièces un nickelage électrolytique. Toutefois, ce nickelage électrolytique impose que l’élément ait été usiné parfaitement. Parmi les éléments soumis à de telles conditions, la plaque bipolaire est particulièrement importante dans la mesure où elle joue un rôle majeur dans le fonctionnement du stack d’électrolyseur. Il est donc impératif que la couche de nickel déposée sur la plaque bipolaire soit parfaitement homogène. A cette fin, la plaque bipolaire est usinée de manière à présenter une surface la plus parfaite (lisse, dépourvue d’aspérité) possible. Cet usinage est réalisé par fraisage et/ou tournage d’une pièce brute (appelé brut). Le brut est généralement découpé dans une billette. Le brut est déposé à plat sur un support en sorte que sa face supérieure, opposée au support soit accessible aux outils d’usinage. Après usinage de la face accessible du brut, celui-ci est retourné sur le support, laissant son autre face accessible aux outils d’usinage. Cette technique conventionnelle est extrêmement coûteuse en temps et pénible pour l’opérateur qui doit retourner le brut dans un environnement dangereux. Le document DE-A1-102021104821 décrit une telle technique. Il serait donc souhaitable de fournir une solution permettant l’usinage d’un brut destiné à fournir certaines pièces d’un stack d’électrolyseur, par exemple une plaque bipolaire, qui permette d’usiner une pièce rapidement tout en s’affranchissant des problèmes liés à la pénibilité et au danger de l’opération de retournement du brut. L’invention faisant l’objet de la présente demande de brevet vise à résoudre ce problème technique. Pour y parvenir, on propose d’utiliser un outil d’usinage, en particulier un outil de fraisage capable d’usiner les faces supérieure et inférieure d’un brut sans devoir être déplacé d’une surface à l’autre. Le brut à usiner de la présente invention est généralement réalisé en acier ou un de ses alliages est généralement découpé dans une billette, mais, selon les besoins, il peut également être forgé ou cintré puis soudé. Il se présente sous n’importe quelle forme permettant de fournir par exemple une plaque bipolaire après usinage. Généralement, il se présente sous forme d’un anneau dont le diamètre extérieur est compris entre 700 et 2500 mm et le diamètre intérieur entre 500 et 2200 mm et avec une épaisseur comprise entre 7 et 20 mm. Le fraisage est un procédé de fabrication où l'enlèvement de matière sous forme de copeaux résulte généralement de la combinaison de deux mouvements : la rotation de l'outil de coupe, d'une part, et l'avancée de la pièce à usiner d'autre part. Le fraisage est réalisé par une machine-outil (la fraiseuse) qui permet de réaliser tous types de formes même complexes au moyen d’une fraise. L’outil d’usinage selon l’invention permet d’usiner un brut destiné à fournir une plaque bipolaire. Il comprend au moins deux têtes d’usinage distinctes pourvues chacune d’un outil de coupe, les têtes d’usinage étant configurées pour être opérées de part et d’autre du brut à usiner et un élément de support muni de deux bras pour supporter les têtes d’usinage pourvu de moyens d’accouplement à un bras robot. Selon un mode de réalisation, l’élément de support de l’outil d’usinage possède deux bras de part et d’autre d’un plan de symétrie. Par exemple, l’élément de support est configuré en forme de U. Ainsi, il est possible d’engager l’élément de support de part et d’autre du brut en sorte que le brut soit disposé entre les deux bras de l’élément de support et donc entre les têtes d’usinage qui ont ainsi accès aux faces du brut pour les usiner. Généralement, l’écart entre les deux branches de l’élément de support est d’au moins 5 mm, de préférence, d’au moins 10 mm. Avantageusement, les moyens d’accouplement sont configurés pour permettre la transmission d’énergie pour l’activation de la tête d’usinage, de préférence, pour permettre la transmission d’énergie pneumatique ou électrique pour l’activation de la tête d’usinage. Au sens de l’invention, on utilise tout type d’outils de coupe, même si on préfère utiliser une tête à plaquettes amovibles. Ces plaquettes ont différentes formes (triangulaire, rhombique, rectangulaire, carrée, ronde, etc.), et sont montées sur une tête possédant un logement pour la plaquette et un système de serrage (généralement par vis ou par bride) pour accueillir la ou les plaquette(s). Les plaquettes carbure permettent d'usiner avec des vitesses très rapides, elles ont entre autres avantages, du fait de leur interchangeabilité, un temps de réfection de l'outil court. Les plaquettes sont pourvues ou non d'un revêtement, qui est destiné à améliorer les performances de l’outil en offrant une résistance supplémentaire à l’usure et à la chaleur. De telles plaquettes et/ou leur revêtement sont par exemple réalisés en carbure, nitrure, carbonitrure, par exemple de titane. Suivant un deuxième de ses aspects, l’invention se rapporte à un procédé d’usinage. Selon l’invention, ce procédé comprend les étapes suivantes opérées dans l’ordre : a) fourniture d’un support d’usinage ; b) maintien du brut de manière telle que deux de ses faces devant être usinées pour fournir une plaque bipolaire soient accessibles à un outil d’usinage ; c) usinage d’une première face du brut ; d) usinage d’une deuxième face du brut opposée à la première face usinée ; e) extraction de la plaque bipolaire usinée. Du fait que le brut est maintenu de manière telle que deux de ses faces devant être usinées pour fournir une plaque bipolaire soient accessibles à un outil d’usinage, on ne perd pas de temps pour retourner le brut. Du fait de la présence de têtes d’usinage de part et d’autre du brut, on peut usiner successivement une face puis l’autre sans perdre de temps pour faire passer un outil d’usinage d’une face à l’autre du brut. Selon un mode de réalisation avantageux, un robot est utilisé pour l’étape d’extraction de la plaque bipolaire usinée. Selon un mode de réalisation avantageux, le support utilisé pour maintenir le brut pendant les opérations d’usinage est celui décrit dans la demande de brevet déposée le même jour au nom des mêmes demanderesses. Brève description des figures L’invention va maintenant être décrite au moyen des figures qui n’ont d’autre but que celui d’illustrer la présente invention. Ces figures représentent schématiquement : FIG. 1 La FIG. 1 une cellule électrolytique de l’art antérieur ; FIG. 2 La FIG. 2 est un intercalaire de l’art antérieur; FIG. 3 La FIG. 3 est un empilement de cellules électrolytiques de l’art antérieur; FIG. 4 La FIG. 4 est un outil d’usinage suivant l’invention; FIG. 5 La FIG. 5 est un brut devant être usiné pour fournir une plaque bipolaire; FIG. 6 La FIG. 6 est une première phase d’usinage ; FIG. 7 La FIG. 7 est une deuxième phase d’usinage ; FIG. 8 La FIG. 8 est une plaque bipolaire après usinage. On a représenté schématiquement aux figures 4, 6 et 7 respectivement un outil d’usinage 700 pour un brut 170 destiné à fournir une plaque bipolaire 11 conforme à la présente invention. Selon l’invention, on voit que cet outil d’usinage 700 comprend deux têtes d’usinage 701 et 702 distinctes et pourvues chacune d’un outil de coupe 703 et 704. Les têtes d’usinage 701 et 702 sont configurées pour être opérées de part et d’autre du brut 170 à usiner. L’outil comprend en outre un élément de support 705 muni de deux bras pour supporter les têtes d’usinage 701 et 702 et est pourvu de moyens d’accouplement 706 à un bras robot (non représenté). Sur la FIG. 4 , on voit également que l’élément de support 705 possède deux bras disposés de part et d’autre d’un plan de symétrie. En particulier, on a représenté à la FIG. 4 un élément de support configuré en forme de U. Ainsi, le brut 170 peut être disposé entre les deux bras de l’élément de support 705 et ses faces supérieure 174 et inférieure 173 sont accessibles aux têtes d’usinage 701 et 702. L’élément de support 705 supporte les deux têtes d’usinage 701 et 702, lesquelles sont pourvues chacune d’une plaquette de coupe 703 et 704. On voit également sur cette FIG. 4 les moyens d’accouplement 706 à un bras robot (non représenté) permettant de maintenir et de déplacer l’outil d’usinage 700 pendant les opérations d’usinage. Les moyens d’accouplement 706 sont configurés pour permettre la transmission d’énergie pneumatique ou électrique pour l’activation des deux têtes d’usinage 701 et 702. La FIG. 5 représente un brut 170 devant être usiné. Le brut 170 possède une portion que l’on appellera première extrémité 171 et une autre, opposée à la première que l’on appellera deuxième extrémité 172. Ces deux portions sont séparées par une distance d’arrêt 175 fixée par l’opérateur en fonction des besoins d’usinage de la plaque bipolaire 11. On a représenté par transparence la plaque bipolaire 11 usinée à partir du brut 170. La FIG. 8 montre la plaque bipolaire 11. On va maintenant décrire au moyen des figures 6 et 7 le procédé pour usiner une plaque bipolaire 11 à partir du brut 170 au moyen de l’outil d’usinage 700 décrit précédemment. Le support d’usinage 600 est préparé à recevoir le brut 170. On dépose alors le brut 170 sur le support d’usinage 600. On procède ensuite à l’usinage d’une première extrémité 171 du brut 170 (ladite première extrémité 171 ne repose pas sur le support d’usinage 600, autrement dit elle 171 est en suspension dans le vide) jusqu’à une ligne ou distance d’arrêt 175. L’usinage est réalisé au moyen de l’outil d’usinage 700 décrit ci-avant. On peut opérer l’usinage des deux faces accessibles 173 (face supérieure) et 174 (face inférieure) du brut 170 respectivement au moyen des têtes d’usinage 701 et 702. L’usinage des deux faces 173, 174 de cette première extrémité 171 du brut 170 étant réalisé, on transfère le brut 170 partiellement usiné sur le support 500 où les faces supérieures 173 et inférieure 174 d’une deuxième extrémité 172 sont alors accessibles (ladite deuxième extrémité 172 ne repose pas sur le support d’usinage 500, autrement dit elle 172 est en suspension dans le vide). On peut alors procéder à l’usinage de la deuxième extrémité 172 opposée à la première extrémité 171 du brut 170 qui a déjà été usinée. Il est réalisé au moyen de l’outil d’usinage 700 décrit ci-avant. On peut opérer l’usinage des deux faces accessibles 173 (face supérieure) et 174 (face inférieure) du brut 170 respectivement au moyen des têtes d’usinage 701 et 702 avant d’extraire la plaque bipolaire 11. On a ainsi pu réaliser l’usinage de la plaque bipolaire 11 sans avoir jamais dû procéder à une étape de retournement du brut 170. Référence des figures 10 Cellule électrolytique 11 Plaque bipolaire 12 Intercalaire 121 Ouverture d'alimentation en électrolyte 1221 Ouverture d'extraction du mélange électrolyte dihydrogène 1222 Ouverture d'extraction du mélange électrolyte dioxygène 123 Section évasée de l'ouverture 125 Espace 131 Electrode (cathode) 132 Electrode (anode) 14 Membrane 15 Canalisation d'alimentation en électrolyte 161 Canalisation d'extraction du mélange électrolyte/dihydrogène 162 Canalisation d'extraction du mélange électrolyte/dioxygène 170 Brut 171 Première extrémité du brut 172 Deuxième extrémité du brut 173 Face supérieure du brut 174 face inférieure du brut 175 Distance d'arrêt 500 Support d'usinage pour le brut 600 Support d'usinage pour le brut 700 Outil d'usinage 701 Tête d'usinage 702 Tête d'usinage 703 Plaquette de coupe 704 Plaquette de coupe 705 Support des têtes d'usinage 706 Moyens d'accouplement du support à un bras robot Outil d’usinage (700) pour un brut (170) destiné à fournir une plaque bipolaire (11) comprenant a) au moins deux têtes d’usinage (701, 702) distinctes pourvues chacune d’un outil de coupe (703, 704), les têtes d’usinage (701, 702) étant configurées pour être opérées de part et d’autre du brut (170) à usiner et b) un élément de support (705) muni de deux bras pour supporter les têtes d’usinage (701, 702) et pourvu de moyens d’accouplement (706) à un bras robot. Outil d’usinage (700) selon la revendication 1, comprenant deux têtes d’usinage (701, 702) et dans lequel l’élément de support (705) possède deux bras de part et d’autre d’un plan de symétrie. Outil d’usinage (700) selon la revendication 2, dans lequel l’élément de support (705) est configuré en forme de U. Outil d’usinage (700) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens d’accouplement (706) sont configurés pour permettre la transmission d’énergie pour l’activation de la tête d’usinage (701, 702). Outil d’usinage (700) selon la revendication 4, dans lequel les moyens d’accouplement (706) sont configurés pour permettre la transmission d’énergie pneumatique ou électrique pour l’activation de la tête d’usinage (701, 702). Outil d’usinage (700) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel au moins une des têtes d’usinage (701, 702) est munie d’une tête (703, 704) à plaquettes amovibles. Outil d’usinage (700) selon la revendication précédente dans lequel la plaquette amovible est réalisée en carbure, nitrure, carbonitrure de métal, par exemple de titane. Procédé d’usinage d’un brut (170) destiné à fournir une plaque bipolaire (11) a) fourniture d’un support d’usinage (600) ; b) maintien du brut (170) de manière telle que deux de ses faces (173, 174) devant être usinées pour fournir une plaque bipolaire (11) soient au moins partiellement accessibles à un outil d’usinage (700) tel que défini à l’une quelconque des revendications précédentes ; c) usinage d’une première face (173) du brut (170) ; c) usinage d’une deuxième face (174) du brut (170) opposée à la première face (173) usinée ; d) extraction de la plaque bipolaire (11) usinée.