INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
Les plaques ont ainsi des dimensions supérieures aux cellules électrochimiques, de sorte qu’elles dépassent de part et d’autre de celles-ci lorsque la batterie est vue dans la direction d’empilement. En d’autres termes, la portion périphérique libre correspond à une portion des plaques qui n’est pas recouverte par les cellules électrochimiques.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le système de rappel élastique comprend au moins une arche.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, l’au moins une arche comprend une tête reliant un premier bras et un deuxième bras, le premier bras étant au contact de la première plaque et le deuxième bras étant au contact de la deuxième plaque.
Chacun des bras s’étend au moins partiellement le long de l’une des plaques, avec le premier bras au contact de la première plaque et le deuxième bras au contact de la deuxième plaque. Le positionnement du premier bras et du deuxième bras est ici tel que ceux-ci sont fixés dans un coin de la plaque qui leur est respectivement associée, avec le premier bras au contact d’un coin de la première plaque et le deuxième bras au contact d’un coin de la deuxième plaque. Dans d’autres modes de réalisation, les premier et deuxième bras peuvent être plus éloignés des coins des plaques, de sorte à appliquer un effort plus rapproché d’une zone centrale des plaques. Une déformation des plaques engendrée par cet effort est ainsi réduite.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le système de rappel élastique comprend une première arche et une deuxième arche, la tête de la première arche étant disposée en regard de la tête de la deuxième arche.
Le système de rappel élastique peut être conçu selon différents modes de réalisation, dans certains desquels il prend la forme d’arches. Ces arches, parmi lesquelles une première arche et une deuxième arche qui correspondent à l’au moins une arche précédemment évoquée, présentent une forme similaire à ce qui a été décrit, avec chaque arche qui présente une tête de forme arrondie qui est prolongée par un premier bras et un deuxième bras. Les arches sont disposées de façon opposée l’une par rapport à l’autre, de telle façon que la tête de la première arche est plus proche de la tête de la deuxième arche que des bras de celle-ci. Une telle opposition permet une répartition homogène de la pression sur chaque cellule électrochimique, notamment en présence de deux systèmes de rappel élastique ; les bras de chacune des arches sont ainsi au contact des quatre coins des plaques, ce qui permet de répartir les efforts sur une surface de ces plaques.
Dans certains modes de réalisation, le système de rappel élastique peut comprendre, en sus de la première arche et de la deuxième arche, deux arches supplémentaires qui induisent une réduction des efforts sur chaque arche.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, la première arche et la deuxième arche sont reliées par une portion de liaison s’étendant le long de la première plaque et/ou de la deuxième plaque.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, la première arche et la deuxième arche sont reliées par une portion de liaison s’étendant sensiblement à équidistance de la première plaque et de la deuxième plaque.
Dans certains modes de réalisation du système de rappel élastique, les arches sont rendues solidaires l’une de l’autre par une portion de liaison. Une telle portion de liaison peut, selon des variantes, relier les bras des arches en s’étendant le long de chacune des plaques, ou bien encore relier les têtes de ces arches. Lorsque la portion de liaison s’étend le long des plaques, elle permet de répartir les efforts générés par la fixation entre une plaque les bras des arches sur une plus grande distance et permet ainsi de réduire les efforts qui seraient autrement concentrés sur un point de fixation. Lorsqu’elle est disposée entre les têtes des arches, la portion de liaison limite les vibrations latérales de ces têtes qui ne sont pas fixées aux plaques. La portion de liaison permet alors de rigidifier le système de rappel élastique, en limitant le débattement des têtes et ainsi leur contact avec les cellules électrochimiques.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, la ou les arches sont formées par un ressort hélicoïdal.
Chaque plaque 10, 30, 50 et 70 est de forme plane, suivant un plan respectif, perpendiculairement à la direction Z2. Les plaques 10, 30, 50 et 70 sont parallèles entre elles et aux plaques 111 et 112. Comme mieux visible sur les figures 3 et 4, chaque plaque 10, 30, 50 ou 70 est disposée à plat contre la plaque adjacente, c’est-à-dire contre la plaque immédiatement suivante. Etant ainsi disposée à plat, la plaque 10, 30, 50 ou 70 est superposée, bord à bord, avec la plaque adjacente, éventuellement avec interposition de l’un des joints 80 entre les deux plaques adjacentes. Plus précisément, chaque joint périphérique 80 est interposé entre l’une des plaques membrane-électrode 50, et l’une des plaques de champ d’écoulement 10 ou 30. Chaque joint périphérique 80 s’étend à plat entre les plaques concernées, suivant un plan perpendiculaire à la direction d’empilement Z2. Dans l’exemple illustré, les plaques de champ d’écoulement 10 et 30 adjacentes sont superposées sans interposition d’un joint périphérique 80 entre elles.
Les différentes plaques de l’empilement 2 sont disposées dans un ordre précis suivant la direction d’empilement Z2, pour former des groupes de plaques adjacentes, chaque groupe de plaques adjacentes formant une cellule électrochimique respective. Chaque cellule électrochimique de l’empilement 2 comprend, dans cet ordre suivant la direction Z2, une plaque de champ d’écoulement secondaire 30, un joint périphérique 80 éventuel, une plaque membrane-électrode 50, un autre joint périphérique 80 éventuel, et une plaque de champ d’écoulement primaire 10. Pour le fonctionnement des cellules électrochimiques, l’empilement 2 est conçu pour être alimenté avec des fluides opérationnels, incluant un fluide réactif cathodique, comprenant par exemple du dihydrogène, un fluide réactif anodique, comprenant par exemple du dioxygène éventuellement contenu dans de l’air, ainsi que, si besoin, un fluide de refroidissement. Au sein de chaque cellule électrochimique, le fluide réactif cathodique réagit avec le fluide réactif anodique pour produire de l’électricité. Le fluide de refroidissement sert quant à lui à refroidir l’empilement 2. On prévoit aussi d’évacuer ces fluides opérationnels et/ou les produits issus de la réaction de ces fluides opérationnels après leur passage dans l’empilement 2.
Dans le présent exemple, par souci de simplification, on a représenté seulement neuf cellules électrochimiques. Toutefois, en pratique, la pile à combustible 1 peut présenter un nombre de cellules plus élevé, par exemple entre cinquante et cinq-cents.
Chaque plaque 10, 30, 50 et 70 présente un périmètre extérieur 3, qui s’étend suivant un plan orthogonal à la direction Z2. Chaque plaque 10, 30, 50 et 70 s’étend exclusivement à l’intérieur de son périmètre extérieur 3. Ici chaque périmètre extérieur 3 est de forme générale rectangulaire. On prévoit avantageusement que le périmètre extérieur 3 de chaque plaque du même type de l’empilement 2 est de même forme, ou de forme proche, et est superposé suivant la direction d’empilement Z2 avec le périmètre extérieur 3 de toutes les autres plaques du même type, c’est-à-dire avec alignement suivant la direction Z2. Par exemple, toutes les plaques membrane-électrode 50 présentent un périmètre extérieur 3 identique et superposé suivant la direction d’empilement Z2 avec le périmètre extérieur 3 des autres plaques membrane-électrode 50. Par exemple, toutes les plaques de champ d’écoulement primaire 10 présentent un périmètre extérieur 3 identique et superposé suivant la direction d’empilement Z2 avec le périmètre extérieur 3 des autres plaques de champ d’écoulement primaire 10, le périmètre 3 des plaques 10 pouvant être différent de celui des plaques 50, et ainsi de suite. On prévoit notamment que le périmètre extérieur 3 de plaques d’un premier type est, pour tout ou partie, en retrait vers l’intérieur de l’empilement 2 ou en saillie vers l’extérieur de l’empilement 2, par rapport au périmètre extérieur des plaques d’un autre type. Par exemple, on prévoit que le périmètre extérieur 3 des plaques membrane-électrodes 50 est en débord vers l’extérieur de l’empilement 2 par rapport au périmètre extérieur 3 des plaques de champ d’écoulement 10.
La réunion des périmètres extérieurs 3 de toutes les plaques 10, 30, 50 et 70 de l’empilement forme différents côtés 4 de l’empilement 2, parallèles à la direction Z2, ici quatre côtés 4, puisque les périmètres extérieurs 3 des plaques de l’empilement 2 présentent une forme générale rectangulaire. Certaines parties du périmètre extérieur 3 des plaques 10, 30, 50 et 70 étant en retrait ou en débord, les côtés 4 sont irréguliers, les périmètres 3 en retrait formant des sillons transversaux, perpendiculaires à la direction d’empilement Z2, les périmètres 3 en débord formant des crêtes, perpendiculaires à la direction d’empilement Z2 et parallèles aux sillons.
Comme mieux visible sur les figures 2 et 3, au moins l’un des côtés 4 de l’empilement 2 forme au moins une face d’échange 5, au moins une rainure de centrage 6 et au moins une face secondaire 7. Par exemple, au moins l’un des côtés 4 de l’empilement 2 forme une seule face d’échange 5, deux rainures de centrage 6 et deux faces secondaires 7. La présente description et les dessins montrent un seul des côtés 4 de l’empilement 2 pourvu de tels éléments. Toutefois, on prévoir préférentiellement qu’un ou plusieurs autres côtés 4 comporte de tels éléments, ou comporte pour le moins des rainures de centrage 6. Typiquement, deux côtés 4 opposés de l’empilement 2 seront munis de tels éléments, pour former une entrée et une sortie pour un même fluide opérationnel donné. On peut aussi prévoir, dans un côté 4, deux faces d’échange 5 disposées côte à côte selon la direction tangentielle de ladite face qui est perpendiculaire à la direction d’empilement Z2, avec dans ce cas, par exemple, trois ou quatre rainures de centrage 6 et deux ou trois faces secondaires 7.
En plus de ladite au moins une face d’échange 5, l’empilement peut comporter, de manière connue, une ou plusieurs galeries internes, ou collecteurs interne, chaque galerie interne étant formée d’orifices superposés aménagés dans l’empilement de plaques, pour la circulation et la distribution d’un ou plusieurs autres des fluides opérationnels.
Pour chaque face d’échange 5, on définit une direction normale Y2, perpendiculaire à la face 5 et à la direction Z2 et dirigée vers l’extérieur de l’empilement 2, et une direction tangentielle X2, parallèle à la face d’échange 5 et perpendiculaire à la direction Z2.
De préférence, la face d’échange 5, les rainures 6 et les faces secondaires 7 s’étendent d’une extrémité à l’autre de l’empilement 2 suivant la direction Z2, et sont parallèles à la direction Z2.
Chaque rainure de centrage 6 s’étend parallèlement à la direction Z2, est ménagée en creux dans l’empilement 2, de façon à être ouverte suivant la direction normale Y2. La face d’échange 5 est disposée entre les deux rainures 6, en étant délimitée par les rainures 6 suivant la direction tangentielle X2. Chaque rainure 6 est disposée entre la face d’échange 5 et l’une des faces secondaires 7. Suivant la direction tangentielle X2, la face secondaire 7 est préférentiellement délimitée par la rainure 6 et s’étend par exemple jusqu’à une extrémité du côté 4. De préférence, la face d’échange 5 et la ou les faces secondaires 7 sont parallèles entre elles et parallèles à la direction tangentielle X2.
Sur le même côté 4 que celui portant la face d’échange 5, l’empilement comprend aussi préférentiellement une ou plusieurs rainures transversales 8, ici deux rainures transversales 8. Chaque rainure transversale 8 est ménagée en creux dans l’empilement 2, de façon à être ouverte suivant la direction normale Y2. Chaque rainure transversale 8 relie les deux rainures de centrage 6 ensemble. Pour cela, chaque rainure transversale 8 s’étend de préférence perpendiculairement à la direction Z2, en particulier parallèlement à la direction X2. La face d’échange 5 est disposée entre les deux rainures 8, en étant délimitée par les rainures 8 suivant la direction d’empilement Z2. Ensemble, les rainures 6 et 8 encadrent la face d’échange 5 selon un contour fermé.
Comme visible sur la , le joint de collecteur 90 est préférentiellement solidaire de l’empilement 2, alors que le collecteur 100 est rapporté sur l’empilement 2, en venant en appui contre le joint 90, comme montré sur la .
Le joint de collecteur 90 encadre la face d’échange 5. Pour cela, le joint de collecteur 90 comprend deux portions de joint longitudinales 91 et deux portions de joint transversales 92. Chaque portion de joint longitudinale 91, également visible en coupe sur la , s’étend parallèlement à la direction d’empilement Z2. Les portions 91 sont disposées de part et d’autre de la face 5 suivant la direction X2, en étant chacune formée dans l’une des rainures 6, sur toute la hauteur de la face 5 suivant la direction Z2. Chaque portion de joint transversale 92 relie entre elles les deux portions de joint longitudinales 91, en s’étendant, par exemple, parallèlement à la direction tangentielle X2. Les portions 92 sont jointes aux portions 91 à chaque extrémité des portions 92. Alors, les portions 92 sont disposées de part et d’autre de la face 5 suivant la direction Z2. Dans l’ensemble, le joint de collecteur 90 présente une forme de quadrilatère, ou, pour le moins, présente un contour fermé autour de la face 5.
De préférence, chaque portion de joint longitudinale 91 comble entièrement la section de la rainure 6 qu’elle occupe, sur une portion de la rainure 6 qui longe la face 5, la portion 91 épousant la forme du fond de la rainure 6. De même, de préférence, chaque portion de joint transversale 92 comble entièrement la section de la rainure 8 qu’elle occupe, sur une portion de la rainure 8 qui longe la face 5, la portion 92 épousant la forme du fond de la rainure 8. Comme visible sur la , suivant la direction Y2, le joint 90 est légèrement en saillie pour assurer un contact étanche avec le collecteur 100. En particulier, les portions de joint longitudinales 91 sont légèrement en saillie suivant la direction Y2 hors des rainures 6. En particulier, les portions de joint transversales 92 sont légèrement en saillie suivant la direction Y2, hors des rainures 8.
La face d’échange 5 est configurée pour permettre un échange d’au moins un fluide opérationnel, de préférence d’un seul fluide opérationnel, avec le collecteur extérieur 100. A cette fin, le collecteur extérieur 100 est fluidiquement connecté à l’empilement 2, en étant en particulier connecté avec la face d’échange 5, de préférence exclusivement avec la face 5. Pour être fluidiquement connecté à l’empilement 2, le collecteur 100 est rapporté contre l’empilement 2 de façon à recouvrir la face d’échange 5, comme montré sur la . Pour assurer l’étanchéité de cette connexion fluidique, le joint 90 est interposé entre le collecteur 100 et l’empilement 2, suivant la direction Y2.
Par « échange », on entend soit une admission de fluide opérationnel au sein de l’empilement 2 via la face d’échange 5, le fluide opérationnel étant alors fourni par le collecteur extérieur 100, soit une évacuation de fluide opérationnel depuis l’intérieur de l’empilement 2 via la face d’échange 5, le fluide opérationnel étant alors collecté par le collecteur extérieur 100. Au niveau de la face 5, l’échange de fluide opérationnel est effectué parallèlement à la direction normale Y2.
illustre, schématiquement, une vue en perspective d’une batterie selon l’invention, avec un système de rappel élastique selon un premier mode de réalisation ;
illustre, schématiquement, une vue latérale de la batterie de la ;
illustre, schématiquement, une vue latérale d’une batterie similaire à celle de la avec un système de rappel élastique selon un deuxième mode de réalisation ;
illustre, schématiquement, une vue latérale d’une batterie similaire à celle de la avec un système de rappel élastique selon un troisième mode de réalisation ;
illustre, schématiquement, une vue latérale d’une batterie similaire à celle de la avec un système de rappel élastique selon un quatrième mode de réalisation ;
illustre, schématiquement, une vue latérale d’une batterie similaire à celle de la avec un système de rappel élastique selon un cinquième mode de réalisation.
Dans la description détaillée qui va suivre, les dénominations « longitudinale », « transversale » et « verticale » se réfèrent à l’orientation de la batterie selon l’invention. Une direction longitudinale correspond à une direction d’extension principale d’une cellule électrochimique de la batterie, cette direction longitudinale étant parallèle à un axe longitudinal L d’un repère L, V, T illustré sur les figures. Une direction verticale correspond à une direction d’empilement des cellules électrochimiques, cette direction verticale étant parallèle à un axe vertical V du repère L, V, T et cet axe vertical V étant perpendiculaire à l’axe longitudinal L. Enfin, une direction transversale correspond à une direction parallèle à un axe transversal T du repère L, V, T, cet axe transversal T étant perpendiculaire à l’axe longitudinal L et à l’axe vertical V, les cellules électrochimiques s’étendant principalement dans un plan longitudinal-transversal.
Les figures 1 à 6 illustrent ainsi, schématiquement, une batterie 1 selon l’invention, cette batterie 1 étant représentée selon un premier mode de réalisation aux figures 1 et 2, selon un deuxième mode de réalisation à la , selon un troisième mode de réalisation à la , selon un quatrième mode de réalisation à la et selon un cinquième mode de réalisation à la . Les caractéristiques qui vont être décrites en relation avec l’un de ces modes de réalisation ont vocation à s’appliquer, mutatis mutandis , à l’ensemble des modes de réalisation illustrés, dès lors que ces caractéristiques ne sont pas incompatibles.
La batterie 1 est destinée à équiper un véhicule, notamment un véhicule hybride ou électrique, afin d’alimenter un moteur thermique de ce véhicule. La batterie 1 comporte ainsi une pluralité de cellules électrochimiques 2, qui sont des cellules de type poche au sein desquelles ont lieu des réactions d’oxydo-réduction nécessaires au fonctionnement de la batterie 1. Ces cellules électrochimiques 2 comprennent des couches électrochimiques, parmi lesquelles au moins un électrolyte, une anode et une cathode, ces couches électrochimiques étant contenues dans une enveloppe souple qui est une membrane extérieure des cellules électrochimiques 2.
Au sein de la batterie 1, les cellules électrochimiques 2 sont superposées les unes aux autres selon une direction d’empilement qui correspond à une direction verticale V, une telle direction d’empilement étant sensiblement perpendiculaire à un plan longitudinal-transversal dans lequel s’étendent principalement les cellules électrochimiques 2.
Chaque cellule électrochimique 2 présente ici une forme générale rectangulaire, de sorte qu’elle s’étend entre un premier côté 4 qui est une première extrémité longitudinale 4 et un deuxième côté 6 qui est une deuxième extrémité longitudinale 6, ces extrémités longitudinales 4, 6 étant opposées l’une à l’autre et reliées ensemble par une première extrémité transversale 8 et une deuxième extrémité transversale 10, qui forment deux autres côtés des cellules électrochimiques 2.
L’empilement des cellules électrochimiques 2 est délimité, selon la direction d’empilement, par des plaques 12, 14 de la batterie 1, qui sont ici des plaques rigides sensiblement planes. Les cellules électrochimiques 2 sont plus précisément superposées entre une première plaque 12, qui constitue un socle pour l’empilement des cellules électrochimiques 2, et une deuxième plaque 14, qui forme un élément de couverture pour cet empilement. Les plaques 12, 14 sont des pièces rectangulaires sensiblement planes, dont une face est au contact des cellules électrochimiques 2 et une face opposée est à distance de celles-ci. Ces plaques 12, 14 présentent toutes deux des dimensions, mesurées dans un plan longitudinal-transversal et qui correspondent à leurs longueurs et largeurs respectives, qui sont supérieures à des dimensions correspondantes des cellules électrochimiques 2. De la sorte, il existe une portion périphérique libre 16 pour chacune des plaques 12, 14, cette portion périphérique libre 16 correspondant à un pourtour des plaques 12, 14 non recouvert par les cellules électrochimiques 2.
La batterie 1 comprend un boîtier au sein duquel sont logées les cellules électrochimiques 2. Dans certaines variantes de réalisation, non représentées ici, au moins l’une des plaques 12, 14 est formée par une paroi du boîtier. En d’autres termes, soit la première plaque 12, soit la deuxième plaque 14 est formée par une paroi du boîtier.
De préférence, les plaques de champ d’écoulement comprennent des plaques de champ d’écoulement primaires et des plaques de champ d’écoulement secondaires. De préférence, au moins l’une des plaques de champ d’écoulement primaires est adjacente à l’une des plaques de champ d’écoulement secondaires pour former, avec ladite plaque de champ d’écoulement secondaire, une plaque bipolaire. De préférence, pour au moins l’une des plaques bipolaires, le bord d’échange de la plaque de champ d’écoulement primaire et le bord d’échange de la plaque de champ d’écoulement secondaire sont en affleurement mutuel. De préférence, pour au moins l’une des plaques bipolaires, l’encoche de centrage de la plaque de champ d’écoulement primaire est en retrait vers l’intérieur de l’empilement par rapport à l’encoche de centrage de la plaque de champ d’écoulement secondaire.
De préférence, l’encoche de centrage d’au moins l’une des plaques membrane-électrode est en affleurement ou en retrait vers l’intérieur de l’empilement, par rapport à l’encoche de centrage de la plaque de champ d’écoulement secondaire adjacente, et en saillie vers l’extérieur de l’empilement, par rapport à l’encoche de centrage de la plaque de champ d’écoulement primaire adjacente.
De préférence, pour au moins l’une des plaques membrane-électrode, le bord d’échange de la plaque membrane-électrode est en saillie vers l’extérieur de l’empilement, par rapport au bord d’échange des plaques de champ d’écoulement adjacentes.
De préférence, l’empilement comprend en outre des joints périphériques, chaque joint périphérique étant interposé entre l’une des plaques de champ d’écoulement et l’une des plaques membrane-électrode suivant la direction d’empilement. De préférence, chaque joint périphérique comprend: une portion de bord d’échange, qui est interposée entre le bord d’échange de la plaque de champ d’écoulement et le bord d’échange de la plaque membrane-électrode suivant la direction d’empilement, en étant en affleurement avec le bord d’échange de ladite plaque de champ d’écoulement ou en retrait vers l’intérieur de l’empilement par rapport au bord d’échange de ladite plaque de champ d’écoulement ; et une portion en creux, qui est interposée entre l’encoche de centrage de la plaque de champ d’écoulement et l’encoche de centrage de la plaque membrane-électrode suivant la direction d’empilement, la portion en creux étant en retrait vers l’intérieur de l’empilement par rapport à l’encoche de centrage de la plaque membrane-électrode et étant en affleurement ou en retrait vers l’intérieur de l’empilement par rapport à l’encoche de centrage de la plaque de champ d’écoulement.
De préférence, pour au moins l’une des plaques de l’empilement, l’encoche de centrage présente un profil en forme d’arc de cercle, en projection dans un plan de projection qui est orthogonal à la direction d’empilement.
De préférence, les plaques de l’empilement comprennent une plaque terminale, terminant l’empilement suivant la direction d’empilement.