Brevet FR3155096A1 — publié le 20250509

L’invention concerne un ensemble (1) comportant un empilement d’une pluralité de cellules de pile à combustible, comportant chacune une plaque anodique (10) et une plaque cathodique (20) comprenant chacune une face réactive et une face de refroidissement, la face réactive étant munie de reliefs et de creux formant un circuit de réactif comportant une pluralité de premières cavités (51, 52), la face de refroidissement formant un circuit de refroidissement comportant une pluralité de deuxièmes cavités (55), chaque plaque (10, 20) comportant une troisième cavité (53, 54) de réception d’un joint, chaque plaque (10, 20) étant configurée pour que la profondeur moyenne (P1, P2, P3, P4, P5) de toutes les cavités soient égales. Figure d’abrégé : Fig. 2 Empilement de cellules de pile à combustible et pile à combustible comprenant un tel empilement La présente invention concerne un ensemble comportant un empilement de cellules de pile à combustible et une pile à combustible comprenant un tel ensemble. L’invention concerne plus particulièrement un ensemble comportant un empilement d’une pluralité de cellules de pile à combustible à membrane échangeuse de protons dans lequel les cellules comprennent chacune une plaque anodique et une plaque cathodique prenant en sandwich un Assemblage Membrane Electrodes (AME). Les cellules de pile à combustible (côté anode et côté cathode) génèrent de la chaleur (les réactions chimiques au sein de la cellule sont exothermiques) et doivent être refroidies par un circuit de refroidissement. Dans le cas d’une cellule composée de deux plaques prenant en sandwich un Assemblage Membrane Electrodes, chaque plaque (anodique ou cathodique) comprend un côté dédié à la circulation des gaz réactifs (air ou hydrogène) en vis-à-vis de l’Assemblage Membrane Electrodes et un côté, tourné vers l’extérieur de la cellule, dédié à la circulation d’un fluide (souvent un liquide) de refroidissement. Une plaque de pile à combustible, notamment une plaque monopolaire, dédiée à la circulation des réactifs, produits de la réaction, et d’un fluide caloporteur, présente habituellement des cavités de différentes profondeurs, particulièrement dans le cas de plaques usinées telles que des plaques en graphite usiné. Le circuit air est souvent relativement profond pour réduire la perte de charge associée à l’alimentation d’air en fort surdébit (typiquement d’un facteur 2), tandis que la gorge de joint peut présenter différentes géométries, fonction des objectifs d’étanchéité et des limites des procédés de fabrication. La plaque ainsi obtenue présente une fragilité au niveau des zones de moindre épaisseur de toile tout en restant globalement relativement épaisse. Le choix de l’épaisseur de la plaque est un compromis entre la profondeur des cavités qui sont disposées en vis-à-vis et à l’épaisseur de toile (l’épaisseur réduite de la plaque que l’on veut conserver à l’endroit où les cavités sont disposées en vis-à-vis). La présente invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposant un ensemble comportant un empilement d’une pluralité de cellules de pile à combustible à membrane échangeuse de protons, chaque cellule de la pluralité comportant une plaque anodique et une plaque cathodique prenant en sandwich un Assemblage Membrane Electrodes, chaque plaque comprenant une face réactive et une face de refroidissement opposées l'une par rapport à l’autre, la face réactive de chaque plaque étant destinée à faire face à l’Assemblage Membrane Electrodes 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 pluralité de premières cavités ménagées sur la face réactive de la plaque, la face de refroidissement de la plaque cathodique d’au moins une des cellules étant destinée à faire face à la face de refroidissement de la plaque anodique d’une autre des cellules, en définissant entre elles des reliefs et des creux pour former un circuit de refroidissement pour la circulation d’un fluide de refroidissement, le circuit de refroidissement comportant une pluralité de deuxièmes cavités ménagées sur la face de refroidissement de la plaque anodique et/ou de la plaque cathodique, chaque plaque comportant au moins une troisième cavité de réception d’un joint, la troisième cavité étant ménagée sur la face réactive de la plaque anodique et/ou de la plaque cathodique, chaque cavité ayant une profondeur moyenne, la profondeur étant mesurée dans un plan orthogonal au plan de la plaque coupant la cavité, la plaque étant configurée de sorte que les profondeurs moyennes de toutes les cavités soient égales, notamment à 10 % près. Un tel agencement permet de réduire sensiblement l’épaisseur d’une plaque, donc l’épaisseur de l’ensemble. Ceci permet en outre d’améliorer significativement le ratio compacité/fragilité de la plaque d’un tel ensemble. Typiquement, pour une plaque de l’état de l’art qui ferait 2,7 mm d’épaisseur, un tel agencement permet de gagner 0,7 mm d’épaisseur sans affecter sa solidité. Selon une réalisation, les premières cavités sont destinées à permettre la circulation du fluide réactif. Selon une réalisation, les deuxièmes cavités sont destinées à permettre la circulation du fluide de refroidissement. Selon une réalisation, chaque plaque comporte un collecteur d’entrée de réactif formé au travers de la plaque et étant en communication fluidique avec le circuit de réactif, un collecteur de sortie de réactif formé au travers de la plaque et étant en communication fluidique avec le circuit de réactif, un collecteur d’entrée de fluide de refroidissement formé au travers de la plaque, un collecteur de sortie de fluide de refroidissement formé au travers de la plaque. Selon une réalisation, la plaque comporte au moins une première lumière formée au travers de la plaque et une pluralité de quatrièmes cavités ménagées sur la face de refroidissement de la plaque, chaque quatrième cavité débouchant par une extrémité dans le collecteur d’entrée de réactif ou le collecteur de sortie de réactif et par une autre extrémité dans la première lumière, chaque quatrième cavité ayant une profondeur moyenne, la profondeur étant mesurée dans un plan orthogonal au plan de la plaque coupant la quatrième cavité, la plaque étant configurée de sorte que la profondeur moyenne de chaque quatrième cavité soit égale à la profondeur moyenne de chaque première, deuxième et troisième cavité, notamment à 10 % près. Selon une réalisation, le circuit de réactif débouche dans la première lumière. Selon une réalisation, la première lumière et les quatrièmes cavités sont configurées pour mettre en communication fluidique le collecteur d’entrée de réactif avec le circuit de réactif. Selon une réalisation, la première lumière et les quatrièmes cavités sont configurées pour mettre en communication fluidique le collecteur de sortie de réactif avec le circuit de réactif. Selon une réalisation, la première lumière et les quatrièmes cavités sont configurées pour permettre au fluide réactif entrant par le collecteur d’entrée de réactif, de successivement circuler dans la pluralité de quatrièmes cavités, traverser la première lumière, circuler dans la pluralité de premières cavités. Selon une réalisation, la première lumière et les quatrièmes cavités sont configurées pour permettre au fluide réactif circulant dans la pluralité de premières cavités, de successivement, traverser la première lumière, circuler dans la pluralité de quatrièmes cavités, circuler dans le collecteur de sortie de réactif. Selon une réalisation, la pluralité de cellules comporte une première cellule à une première extrémité de l’empilement et une dernière cellule à une deuxième extrémité de l’empilement, l’ensemble comportant une plaque d’obturation comprenant une face de collecte de courant électrique destinée à faire face à une première plaque collectrice de courant électrique et une face d’obturation fixée à la face de refroidissement d’une des plaques de la dernière cellule, la face d’obturation étant notamment collée ou soudée à ladite face de refroidissement. Selon une réalisation, l’ensemble comporte une plaque de distribution comprenant une face externe destinée à faire face à une plaque d’interface avec une tuyauterie d’entrée et de sortie du fluide de refroidissement et avec une tuyauterie d’entrée et de sortie du fluide réactif, la plaque de distribution comprenant une face interne fixée à la face de refroidissement d’une des plaques de la première cellule, la face interne étant notamment collée ou soudée à ladite face de refroidissement. Selon une réalisation, il existe un ratio entre la profondeur moyenne des cavités et l’épaisseur maximale de la plaque, le ratio étant compris entre 25 et 50 %, notamment entre 30 % et 45 %. Selon une réalisation, l’épaisseur maximale de la plaque est mesurée dans un plan orthogonal au plan de la plaque et étant mesurée sur une portion de la plaque qui est dépourvue de cavités sur sa face réactive et sur sa face de refroidissement. Selon une réalisation, la plaque anodique et la plaque cathodique sont réalisées chacune par une plaque usinée. L’invention est particulièrement avantageuse dans le cas de plaques usinées car avec ce type de plaques, la robustesse d’une telle plaque est dépendante des différents retraits de matière. Selon une réalisation, la plaque comporte du graphite ou un matériau composite à base de carbone. L’invention concerne en outre une pile à combustible comprenant un ensemble tel que décrit ci-dessus. Selon une réalisation, la pile comporte une première plaque collectrice de courant électrique, une deuxième plaque collectrice de courant électrique et une plaque d’interface avec une tuyauterie d’entrée et de sortie du fluide de refroidissement et du fluide réactif. L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention. FIG. 1 La FIG. 1 est une représentation schématique en perspective d‘un ensemble selon l’invention ; FIG. 2 la FIG. 2 est une représentation schématique et en coupe de deux plaques de l’ensemble de la FIG. 1 ; FIG. 3 La FIG. 3 est une représentation schématique et en coupe, d’une plaque de l’ensemble de la FIG. 1 ; et FIG. 4 la FIG. 4 est une représentation schématique et en coupe d’une portion d’une pile selon l’invention. Les éléments identiques, similaires, ou analogues, conservent la même référence d’une figure à l’autre. La FIG. 1 représente un ensemble 1 comportant un empilement d’une pluralité de cellules 30 de pile à combustible à membrane échangeuse de protons. La pluralité de cellules 30 comporte une première cellule 30 à une première extrémité de l’empilement et une dernière cellule 30 à une deuxième extrémité de l’empilement. Chaque cellule 30 de la pluralité comporte une plaque anodique 10 et une plaque cathodique 20 prenant en sandwich un Assemblage Membrane Electrodes 16. Chaque plaque (plaque anodique 10 et plaque cathodique 20) comprend une face réactive et une face de refroidissement opposées l'une par rapport à l’autre. La face réactive de chaque plaque 10, 20 est destinée à faire face à l’Assemblage Membrane Electrodes 16 (ou AME) et est munie de reliefs et de creux formant un circuit de réactif pour la circulation d’un fluide réactif. Chaque plaque 10, 20 comporte un collecteur d’entrée de réactif 3, 4 formé au travers de la plaque 10, 20 et étant en communication fluidique avec le circuit de réactif, un collecteur de sortie de réactif 6, 7 formé au travers de la plaque 10, 20 et étant en communication fluidique avec le circuit de réactif, un collecteur d’entrée de fluide de refroidissement 5 formé au travers de la plaque 10, 20, un collecteur de sortie de fluide de refroidissement 8, 9 formé au travers de la plaque 10, 20. Dans l’exemple de la FIG. 1 , l’ensemble 1 comporte en outre une plaque d’obturation 21 comprenant une face de collecte de courant électrique destinée à faire face à une première plaque collectrice de courant électrique et une face d’obturation fixée à la face de refroidissement d’une des plaques 10, 20 de la dernière cellule 30, la face d’obturation étant notamment collée ou soudée à ladite face de refroidissement. Dans l’exemple de la FIG. 1 , l’ensemble 1 comporte par ailleurs une plaque de distribution 11. La face de refroidissement de la plaque cathodique 20 d’au moins une des cellules 30 est destinée à faire face à la face de refroidissement de la plaque anodique 10 d’une autre des cellules 30, en définissant entre elles des reliefs et des creux pour former un circuit de refroidissement 15 pour la circulation d’un fluide de refroidissement. La FIG. 2 représente schématiquement et en coupe, une plaque anodique 10 et une plaque cathodique 20 de l’ensemble de la FIG. 1 . Les plaques (10, 20) sont ici assemblées par collage l’une à l’autre, pour former une plaque bipolaire. En variante, les plaques (10, 20) sont juxtaposées pour former une plaque bipolaire, l’étanchéité de la liaison bipolaire étant assurée par un joint. La FIG. 3 représente schématiquement et en coupe, l’une des plaques (10, 20) de la FIG. 2 . Le circuit de réactif comporte une pluralité de premières cavités 51, 52 pour la circulation du fluide réactif 60. Sur la FIG. 3 , le fluide réactif 60 est représenté avec une flèche indiquant son sens de circulation depuis le collecteur d’entrée de réactif 3, 4 vers le circuit de réactif. Les premières cavités 51, 52 sont ménagées sur la face réactive de la plaque 10 , 20. Le circuit de refroidissement 15 comporte une pluralité de deuxièmes cavités 55 ménagées sur la face de refroidissement de la plaque anodique 10 et/ou de la plaque cathodique 20. Chaque plaque 10, 20 comporte au moins une troisième cavité 53, 54 de réception d’un joint, la troisième cavité 53, 54 étant ménagée sur la face réactive de la plaque anodique 10 et/ou de la plaque cathodique 20. Le joint permet, une fois serré contre l’AME, d’empêcher toute fuite du fluide réactif en dehors de la cellule. Chaque cavité 51, 52, 53, 54, 55 a une profondeur moyenne P1, P2, P3, P4, P5. La profondeur est mesurée dans un plan orthogonal au plan de la plaque 10, 20 coupant la cavité 51, 52, 53, 54, 55. La plaque 10, 20 est configurée de sorte que les profondeurs moyennes de toutes les cavités 51, 52, 53, 54, 55 soient égales, notamment à 10 % près. La valeur de 10 % correspond à une tolérance généralement imposée par les fabricants des pièces composant un tel ensemble 1. Comme visible sur la FIG. 2 , la plaque 10, 20 comporte au moins une première lumière 2 formée au travers de la plaque 10, 20 et une pluralité de quatrièmes cavités 56 ménagées sur la face de refroidissement de la plaque 10, 20. Chaque quatrième cavité 56 débouche par une extrémité dans le collecteur d’entrée de réactif 3, 4 ou le collecteur de sortie de réactif 6, 7 et par une autre extrémité dans la première lumière 2. Chaque quatrième cavité 56 a une profondeur moyenne P6. La profondeur est mesurée dans un plan orthogonal au plan de la plaque 10, 20 coupant la quatrième cavité 56. La plaque 10, 20 est configurée de sorte que la profondeur moyenne de chaque quatrième cavité 56 soit égale à la profondeur moyenne P1, P2, P3, P4, P5 de chaque première, deuxième et troisième cavité 51, 52, 53, 54, 55, notamment à 10 % près. Il existe un ratio entre la profondeur moyenne P1, P2, P3, P4, P5, P6 des cavités 51, 52, 53, 54, 55, 56 et l’épaisseur maximale de la plaque 10, 20. L’épaisseur maximale de la plaque 10, 20 est mesurée dans un plan orthogonal au plan de la plaque et est mesurée sur une portion de la plaque qui est dépourvue de cavités 51, 52, 53, 54, 55, 56 sur sa face réactive et sur sa face de refroidissement. Le ratio est compris entre 25 et 50 %, notamment entre 30 % et 45 %. Dans un exemple de réalisation de la plaque anodique 10 ou respectivement de la plaque cathodique 20, la profondeur moyenne des cavités est égale à 0,35 mm et l’épaisseur maximale de la plaque 10, 20 est égale à 0,8 mm. Dans cet exemple, le ratio est égal à 0,4375. Dans cet exemple de réalisation, la plaque cathodique 20 ou respectivement de la plaque anodique 10 a pour profondeur moyenne des cavités, la valeur de 0,35 mm et pour épaisseur maximale de la plaque 10, 20, une valeur égale à 1,15 mm. Le ratio est égal à 0,3043. La FIG. 4 représente une pile 100 à combustible comprenant un ensemble 1 tel que décrit ci-dessus. Comme représenté à la FIG. 4 , la plaque de distribution 11 comprend une face externe destinée à faire face à une plaque d’interface 17 avec une tuyauterie d’entrée et de sortie du fluide de refroidissement et avec une tuyauterie d’entrée et de sortie du fluide réactif, la plaque de distribution 11 comprenant une face interne fixée à la face de refroidissement d’une des plaques 10, 20 de la première cellule 30, la face interne étant notamment collée ou soudée à ladite face de refroidissement. La pile 100 comporte une première plaque collectrice de courant électrique, une deuxième plaque collectrice de courant électrique et une plaque d’interface 17 avec une tuyauterie d’entrée et de sortie du fluide de refroidissement et du fluide réactif. Ensemble (1) comportant un empilement d’une pluralité de cellules (30) de pile à combustible à membrane échangeuse de protons, chaque cellule (30) de la pluralité comportant une plaque anodique (10) et une plaque cathodique (20) prenant en sandwich un Assemblage Membrane Electrodes (16), chaque plaque (10, 20) comprenant une face réactive et une face de refroidissement opposées l'une par rapport à l’autre, la face réactive de chaque plaque (10, 20) étant destinée à faire face à l’Assemblage Membrane Electrodes (16) et étant munie de reliefs et de creux formant un circuit de réactif pour la circulation d’un fluide réactif (60), le circuit de réactif comportant une pluralité de premières cavités (51, 52) ménagées sur la face réactive de la plaque (10 , 20), la face de refroidissement de la plaque cathodique (20) d’au moins une des cellules (30) étant destinée à faire face à la face de refroidissement de la plaque anodique (10) d’une autre des cellules (30), en définissant entre elles des reliefs et des creux pour former un circuit de refroidissement (15) pour la circulation d’un fluide de refroidissement, le circuit de refroidissement (15) comportant une pluralité de deuxièmes cavités (55) ménagées sur la face de refroidissement de la plaque anodique (10) et/ou de la plaque cathodique (20), chaque plaque (10, 20) comportant au moins une troisième cavité (53, 54) de réception d’un joint, la troisième cavité (53, 54) étant ménagée sur la face réactive de la plaque anodique (10) et/ou de la plaque cathodique (20), chaque cavité (51, 52, 53, 54, 55) ayant une profondeur moyenne (P1, P2, P3, P4, P5), la profondeur étant mesurée dans un plan orthogonal au plan de la plaque (10, 20) coupant la cavité, la plaque (10, 20) étant configurée de sorte que les profondeurs moyennes de toutes les cavités soient égales, notamment à 10 % près. Ensemble (1) selon la revendication précédente, chaque plaque (10, 20) comportant un collecteur d’entrée de réactif (3, 4) formé au travers de la plaque (10, 20) et étant en communication fluidique avec le circuit de réactif, un collecteur de sortie de réactif (6, 7) formé au travers de la plaque (10, 20) et étant en communication fluidique avec le circuit de réactif, un collecteur d’entrée de fluide de refroidissement (5) formé au travers de la plaque (10, 20), un collecteur de sortie de fluide de refroidissement (8, 9) formé au travers de la plaque (10, 20). Ensemble (1) selon la revendication précédente, la plaque (10, 20) comportant au moins une première lumière (2) formée au travers de la plaque (10, 20) et une pluralité de quatrièmes cavités (56) ménagées sur la face de refroidissement de la plaque (10, 20), chaque quatrième cavité (56) débouchant par une extrémité dans le collecteur d’entrée de réactif (3, 4) ou le collecteur de sortie de réactif (6, 7) et par une autre extrémité dans la première lumière (2), chaque quatrième cavité (56) ayant une profondeur moyenne (P6), la profondeur étant mesurée dans un plan orthogonal au plan de la plaque (10, 20) coupant la quatrième cavité (56), la plaque (10, 20) étant configurée de sorte que la profondeur moyenne de chaque quatrième cavité (56) soit égale à la profondeur moyenne (P1, P2, P3, P4, P5) de chaque première, deuxième et troisième cavité (51, 52, 53, 54, 55), notamment à 10 % près. Ensemble (1) selon l’une des revendications précédentes, la pluralité de cellules (30) comportant une première cellule (30) à une première extrémité de l’empilement et une dernière cellule (30) à une deuxième extrémité de l’empilement, l’ensemble (1) comportant une plaque d’obturation (21) comprenant une face de collecte de courant électrique destinée à faire face à une première plaque collectrice de courant électrique et une face d’obturation fixée à la face de refroidissement d’une des plaques (10, 20) de la dernière cellule (30), la face d’obturation étant notamment collée ou soudée à ladite face de refroidissement. Ensemble (1) selon la revendication précédente, comportant une plaque de distribution (11) comprenant une face externe destinée à faire face à une plaque d’interface (17) avec une tuyauterie d’entrée et de sortie du fluide de refroidissement et avec une tuyauterie d’entrée et de sortie du fluide réactif, la plaque de distribution (11) comprenant une face interne fixée à la face de refroidissement d’une des plaques (10, 20) de la première cellule (30), la face interne étant notamment collée ou soudée à ladite face de refroidissement. Ensemble (1) selon l’une des revendications précédentes, un ratio entre la profondeur moyenne (P1, P2, P3, P4, P5, P6) des cavités (51, 52, 53, 54, 55, 56) et l’épaisseur maximale de la plaque (10, 20) étant compris entre 25 et 50 %, notamment entre 30 % et 45 %. Ensemble (1) selon la revendication précédente, l’épaisseur maximale de la plaque (10, 20) étant mesurée dans un plan orthogonal au plan de la plaque et étant mesurée sur une portion de la plaque qui est dépourvue de cavités (51, 52, 53, 54, 55, 56) sur sa face réactive et sur sa face de refroidissement. Ensemble (1) selon l’une des revendications précédentes, la plaque anodique (10) et la plaque cathodique (20) étant réalisées chacune par une plaque usinée. Pile (100) à combustible comprenant un ensemble (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes. Pile (100) selon la revendication précédente, comportant une première plaque collectrice de courant électrique, une deuxième plaque collectrice de courant électrique et une plaque d’interface (17) avec une tuyauterie d’entrée et de sortie du fluide de refroidissement et du fluide réactif.