EP3662529A1 - Plaque bipolaire pour ameliorer le rendement d'une pile a combustible a membrane echangeuse de protons - Google Patents

Plaque bipolaire pour ameliorer le rendement d'une pile a combustible a membrane echangeuse de protons

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Publication number
EP3662529A1
EP3662529A1 EP18773527.9A EP18773527A EP3662529A1 EP 3662529 A1 EP3662529 A1 EP 3662529A1 EP 18773527 A EP18773527 A EP 18773527A EP 3662529 A1 EP3662529 A1 EP 3662529A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
zone
oxidizer
fuel
flow channels
homogenization zone
Prior art date
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Pending
Application number
EP18773527.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Eric Pinton
Jean-Philippe Poirot-Crouvezier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP3662529A1 publication Critical patent/EP3662529A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/026—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/0265—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant the reactant or coolant channels having varying cross sections
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to electrochemical reactors with membrane-electrode assemblies, such as low temperature fuel cells.
  • the invention relates to optimizing the energy efficiency of a proton exchange membrane fuel cell.
  • Fuel cells are for example envisaged as a power supply system for motor vehicles produced in large scale in the future, as well as for a large number of applications.
  • a fuel cell is an electrochemical device that converts chemical energy directly into electrical energy.
  • a fuel such as dihydrogen or methanol is used as the fuel of the fuel cell.
  • dihydrogen In the case of dihydrogen, it is oxidized and ionized on one electrode of the cell and an oxidizer is reduced on another electrode in the cell.
  • the chemical reaction produces water at the cathode, with oxygen being reduced and reacting with the protons.
  • the great advantage of the fuel cell is that it avoids releases of atmospheric pollutants at the place of generation.
  • Proton exchange membrane fuel cells operate at low temperatures and have particularly advantageous compactness properties.
  • Each cell comprises an electrolyte membrane allowing only the passage of protons and not the passage of electrons.
  • the membrane comprises an anode on a first face and a cathode on a second face to form a membrane / electrode assembly called AME.
  • dihydrogen is ionized to produce protons crossing the membrane.
  • the electrons produced by this reaction migrate to a flow plate and then pass through an electrical circuit external to the cell to form an electric current.
  • oxygen is reduced and reacts with the protons to form water.
  • the fuel cell may comprise several so-called bipolar plates, for example made of metal, stacked on top of one another.
  • the membrane is disposed between two bipolar plates.
  • Bipolar plates may include channels and outlets for guiding reagents and products to / from the membrane, guiding coolant, and separating different compartments.
  • Bipolar plates are also electrically conductive to form collectors of electrons generated at the anode. According to a relatively frequent design, a bipolar plate is formed of two metal sheets assembled by welding and generally providing between them channels for the flow of a coolant.
  • Bipolar plates also have a mechanical function of transmission of clamping forces of the stack, necessary for the quality of the electrical contact.
  • Gaseous diffusion layers are interposed between the electrodes and the bipolar plates and are in contact with the bipolar plates.
  • Electronic conduction is performed through the bipolar plates, ionic conduction being obtained through the membrane.
  • the bipolar plates continuously feed the reactive surfaces of the electrodes into reagents, as and when they are consumed.
  • the bipolar plates comprise flow channel networks ensuring the distribution of reagents in the reactive zones.
  • the flow channel arrays are connected between input and output collectors, generally traversing the stack from side to side. Each manifold is surrounded by a seal to prevent mixing of the different fluids circulating in the stack.
  • a homogenizer zone most commonly connects an inlet or outlet manifold to flow channels. The function of the homogenization zones is to obtain a flow of a reagent with the most homogeneous pressure and flow possible through the different flow channels.
  • the passage of reagents from an inlet manifold to an outlet manifold, through the flow channels of an active zone induces a pressure drop.
  • the pressure drop in the cathode channels generally has a sufficiently high level to allow the evacuation of liquid water produced by the reaction.
  • the efficiency of the fuel cell increases with the oxidant pressure in the flow channels of the active zone.
  • a pump therefore generally compresses the oxidizer to feed an inlet manifold by oxidizing under pressure, and to at least compensate for the pressure drop of the cathode line.
  • the oxidant pressure must not reach an excessive level, the power consumption of the pump increasing with the level of oxidant pressure applied. There is therefore an optimal operating pressure which maximizes the efficiency of the fuel cell system.
  • the pressure applied by the compressor at the inlet of the oxidizer inlet manifold must correspond to the optimal pressure in the active zone, relieved of the amplitude of these pressure drops. In order to maintain this optimum pressure in the active zone, it is also necessary to maintain relatively high pressure drops downstream of the active zone.
  • Such a valve involves including a water condenser and a gas / water separator between the oxidizer outlet manifold and said valve to be able to regulate the oxidant pressure on a dry gas.
  • a valve induces large oscillations of the pressure in the active zone when starting the fuel cell.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of the profile of the relative pressure in different sections of a cathode flow, from an inlet manifold to an exhaust manifold.
  • the ZHE zone corresponds to the input homogenization zone
  • zone ZA corresponds to the active zone
  • the ZHS zone corresponds to the exhaust homogenization zone
  • the OC zone corresponds to the calibrated orifices.
  • Such fuel cells provided with a flow limiter have drawbacks.
  • the cathodic pressure drops are not sufficient to guarantee the optimum pressure over the entire range of the desired operating regime.
  • the energy efficiency of the fuel cell system is then deteriorated.
  • the energy efficiency is further removed from the theoretical maximum energy efficiency, the compression efficiency of the oxidizer pump is high.
  • such fuel cells generate parasitic water retention points on the flow, inducing the use of a condenser and a phase separator.
  • the invention aims to solve one or more of these disadvantages.
  • the invention thus relates to a bipolar plate for a fuel cell with a proton exchange membrane as defined in the appended claims.
  • the invention also relates to the variants of the dependent claims. It will be understood by those skilled in the art that each of the features of the variants of the dependent claims may be independently combined with the features of an independent claim, without necessarily constituting an intermediate generalization.
  • the invention also relates to a fuel cell as defined in the appended claims.
  • FIG 1 is a schematic diagram of the cathodic relative pressure of a fuel cell according to the state of the art
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of an exemplary stack of membrane / electrode assemblies and bipolar plates for a fuel cell
  • FIG. 3 is a view from above of an example of a bipolar fuel cell plate having a cross-flow cooling circuit with respect to fuel and oxidant with parallel flows;
  • FIG 4 is a schematic sectional view of a fuel cell at an oxidizer inlet homogenization zone
  • FIG 5 is a schematic sectional view of a fuel cell at an oxidizer exhaust homogenization zone
  • FIG. 6 is a view from above of an exemplary configuration of a bipolar plate at an oxidizer exhaust homogenization zone
  • FIG. 7 is a view from above of another exemplary configuration of a bipolar plate at an oxidizer exhaust homogenization zone
  • FIG. 8 is a comparative diagram of the relative pressures in different sections of different fuel cell configurations
  • FIG. 9 is a comparative diagram of the relative pressure at the inlet of the flow collector for different configurations of fuel cells
  • FIG. 10 is a view from above of an example of a bipolar fuel cell plate having a parallel flow cooling circuit with respect to fuel and oxidant.
  • FIG 2 is a schematic exploded perspective view of a stack of cells 1 of a fuel cell 4.
  • the fuel cell 4 comprises a plurality of cells 1 superimposed.
  • the cells 1 are of the proton exchange membrane or polymer electrolyte membrane type.
  • the fuel cell 4 comprises a fuel source 40.
  • the fuel source 40 supplies an inlet of each cell 1 with dihydrogen.
  • the fuel cell 4 also includes a source of oxidant 42.
  • the source of oxidant 42 supplies an inlet of each cell 1 with air, the oxygen of the air being used as oxidant.
  • Each cell 1 also includes exhaust channels.
  • One or more cells 1 also have a cooling circuit.
  • Each cell 1 comprises a membrane / electrode assembly 1 10 or
  • a membrane / electrode assembly 1 10 comprises a solid electrolyte 1 13, a cathode (not shown) and an anode 1 1 1 placed on either side of the electrolyte and fixed on this electrolyte 1 13.
  • the electrolyte layer 1 13 forms a semipermeable membrane allowing proton conduction while being impervious to gases present in the cell.
  • the electrolyte layer also prevents the passage of electrons between the anode 11 and the cathode.
  • a bipolar plate 5 is disposed between each pair of adjacent MEAs.
  • Each bipolar plate 5 defines anode flow channels and cathodic flow channels on opposite external faces.
  • Bipolar plates 5 advantageously also define coolant flow channels between two successive membrane / electrode assemblies.
  • the bipolar plates 5 may be each formed in a manner known per se from two conductive metal sheets assembled, for example stainless steel, or titanium alloy, aluminum alloy, nickel alloy or tantalum alloy. Each sheet then defines a respective outer face.
  • Bipolar plates can also be obtained by any other method, for example molding or injection from carbon-polymer composites.
  • the bipolar plates 5 can thus also be formed in one piece.
  • the outer faces of the bipolar plate 5 are then defined by such a piece in one piece.
  • Each cell 1 may further comprise a gas diffusion layer (not shown) disposed between the anode and a bipolar plate, and another gas diffusion layer disposed between the cathode and another bipolar plate.
  • a cell 1 of the fuel cell 4 usually generates a DC voltage between the anode and the cathode of the order of 1 V.
  • the source of oxidant 42 typically comprises a compressor for introducing air at a given pressure to the inlet of cells 1.
  • a compressor receives for example an air pressure setpoint, the air pressure can be regulated by a variable speed of rotation of the compressor.
  • the stack of bipolar plates 5 and membrane / electrode assemblies 1 10 is intended to form a plurality of flow collectors.
  • respective orifices (591 to 596, illustrated in Figure 3) are formed through the bipolar plates 5 and through the membrane / electrode assemblies 1 10.
  • the orifices of the bipolar plates 5 and the membrane / electrode assemblies 1 10 are arranged vis-à-vis to form the different flow collectors.
  • FIG. 3 is a schematic top view of an exemplary bipolar plate 5, other flow channel configurations may be contemplated.
  • the bipolar plates 5 thus have orifices 591 and 593 at a first longitudinal end, orifices 595 and 596 at a second longitudinal end, an orifice 593 at a first lateral end, and an orifice 594. at a second lateral end.
  • the orifice 591 serves for example to form a fuel supply manifold
  • the orifice 596 serves for example to form an exhaust collector exhaust combustion and unused fuel.
  • the orifice 593 serves for example to form a coolant supply manifold
  • the orifice 594 serves for example to form a coolant discharge manifold.
  • the orifice 592 serves, for example, to form an oxidizer supply manifold
  • the orifice 595 serves, for example, to form a collector for discharging produced water and unused oxidant.
  • the outer face illustrated for the bipolar plate 5 comprises ribs delimiting flow channels for a reagent, for example the fuel.
  • the zone comprising the flow channels corresponds to the active zone 54 of the electrochemical cell.
  • the flow channels are here intended to connect the collectors 592 and 595.
  • An inlet homogenization zone 52 connects the collector 592 to the inlet 545 of the flow channels of the zone 54.
  • An exhaust homogenization zone 55 connects the manifold 595 to the outlet 546 of the flow channels of the active zone 54.
  • FIGS. 4 and 5 further illustrate the geometry of various homogenization zones.
  • the bipolar plate 5 here comprises a cross-flow cooling circuit with respect to the fuel and oxidant flows.
  • the fuel and oxidant flows are here parallel. Other configurations may of course be considered in the context of the invention.
  • a bipolar plate 5 according to the invention is to optimize the energy efficiency of the fuel cell 4 without inducing excessive structural complexity.
  • the fuel efficiency of the fuel cell 4 can be defined as the ratio between the electrical energy generated by the fuel cell and the chemical energy theoretically available by the fuel consumption.
  • a bipolar plate 5 according to the invention aims in particular to avoid the need for the use of a condenser and a phase separator in the oxidizer flow circuit.
  • the pressure drops of the combustion circuit in the bipolar plate 5 are distributed as follows: dP1 between the inlet manifold 592 and the active zone 54, dP2 between the active zone 54 and the outlet manifold 595 and dP3 the along the active zone within the 541 canals.
  • dP1 between the inlet manifold 592 and the active zone 54
  • dP2 between the active zone 54 and the outlet manifold 595 and dP3 the along the active zone within the 541 canals.
  • the bipolar plate 5 is configured so that, for a Reynolds number of the flow of the oxidant in the exhaust homogenization zone 55 between 1000 and 2000:
  • the linear pressure losses across the exhaust homogenization zone 55 constitute more than 80% of the pressure losses dP2, and preferably more than 90% of the pressure drops dP2;
  • the value dP2 / dP1 is at least equal to 2, preferably at least equal to 3.
  • the value dP2 / dP1 is advantageously at most equal to 10.
  • a Reynolds number of the oxidant flow in the exhaust homogenization zone 55 between 1000 and 2000 is fairly representative of the flow conditions for a full power fuel cell. This Reynolds number range serves as a reference for verifying that the pressure drop conditions are well met according to the invention.
  • Linear pressure losses in a homogenization zone are obtained when this oxidant is channeled so as to form a laminar flow.
  • linear pressure drops of suitable amplitude are obtained by adequate sizing of the passage section in this homogenization zone, or by inclination more or less marked flow channels of the homogenization zone with respect to the direction of flow in the active zone.
  • This passage section is for example defined by the width and height of flow channels in this homogenization zone, and / or the height and the number of raised studs possibly formed in this homogenization zone.
  • the exhaust homogenization zone 55 By configuring the exhaust homogenization zone 55 so that the pressure drops therein are essentially linear, the fuel efficiency of the fuel cell 4 is improved, in particular for intermediate power levels.
  • the exhaust homogenization zone 55 makes it possible to obtain an oxidant pressure at the inlet 545 of the channels 541 having a relatively high amplitude, favoring the energy efficiency of the battery
  • this passive management of the pressure downstream of the flow within the bipolar plate 5 allows a simplified management of the water formed because it does not require the use of a condenser or of a phase separator as in the case of the solutions of the state of the art.
  • the oxidant exhaust system of the fuel cell 4 may be devoid of water condenser and gas / water separator downstream of the oxidizer outlet manifold 595.
  • the flow downstream of the exhaust homogenization zone 55 is, for example, typically without an active counter-pressure valve and without calibrated orifices of the flow restrictor type on the oxidizer line, which is likely to cause the majority of the losses. charge in this exhaust homogenization zone.
  • Such flow restrictions are such as to form a turbulent flow of the oxidant and to be sensitive to the presence of water in the cathodic output mixture.
  • FIG. 4 is a schematic sectional view of an example of a fuel cell at an oxidizer inlet homogenization zone.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of this fuel cell at its oxidizer exhaust homogenization zone.
  • each membrane / electrode assembly 1 10 comprises a reinforcement 1 14 fixed to the periphery of its membrane 1 13.
  • An oxidizer inlet flow channel 521 of the homogenization zone 52 is here illustrated (inlet flow channels 521 are in particular present in a shaded area of the arrow illustrating a flow).
  • This flow channel 521 is formed in particular between a face 525 of the bipolar plate 5 and a reinforcement of a membrane / electrode assembly. The height of the flow channel 521 corresponds to the distance between this face 525 and this reinforcement.
  • a fuel exhaust flow channel 522 is provided between a face 526 of the bipolar plate 5 and a reinforcement 11 of another membrane / electrode assembly 1 10, vertically above the inlet homogenization zone. of oxidizer.
  • the height of the flow channel 521 is here increased relative to the height of the flow channel 522, in order to reduce the pressure drops in the oxidizer inlet homogenization zone 52.
  • the increase in the height of the channels flow 521 also makes it possible to reduce the height of the flow channels 522, which makes it possible to increase the pressure losses at the fuel exhaust, which favors the homogenization of the fuel in the homogenization zone of fuel input.
  • the sum of the height of the fuel discharge homogenization zone and the height of the oxidizer inlet homogenization zone being equal to the sum of the height of the homogenization zone of the oxidizer exhaust and the height of the fuel inlet homogenization zone.
  • the height of the flow channel 521 here is greater than that of the oxidizer flow channels 541 of the active zone 54.
  • the bipolar plate 5 has fuel flow channels 542 on one side and oxidizer flow channels 541 on another side in its active zone 54. Coolant flow channels 543 are formed in the active zone 54 between the two faces of the bipolar plate.
  • An oxidizer exhaust flow channel 551 of the homogenization zone 55 is here illustrated (inlet flow channels 551 are in particular present in a hatched area of the arrow illustrating a flow). This flow channel 551 is in particular formed between the face 525 of the bipolar plate 5 and a reinforcement of a membrane / electrode assembly. The height of the flow channel 551 corresponds to the distance between this face
  • a fuel inlet flow channel 552 is provided between the face
  • the height of the flow channel 551 is here reduced relative to the height of the flow channel 552, to increase the linear pressure losses in the oxidizer exhaust homogenization zone 55.
  • the height of the flow channel 551 is here lower than that of the oxidant flow channels 541 of the active zone 54.
  • the height of the flow channels 521 may be at least twice that of the flow channels 551.
  • FIG. 6 is a schematic top view of an example of a bipolar plate 5 at its exhaust homogenization zone 55.
  • the linear pressure losses in this exhaust homogenization zone 55 are here obtained by means of FIG. flow channels 551 having reduced sections.
  • a similar geometry can be used for the input homogenization zone 52, with greater depths of the flow channels 521.
  • a design to obtain a high dP2 / dP1 ratio may for example consist in having an average passage section in the inlet homogenization zone 52 which is at least twice that of the homogenization zone. Exhaust 55.
  • the aim of the invention is both a reduction in the oxidant input (dP1) pressure losses in front of the output losses (dP2), while seeking to make them as linear as possible all along the flow.
  • the oxidizer inlet homogenization zone 52 it is possible to configure the oxidizer inlet homogenization zone 52 so that the linear pressure losses therethrough constitute more than 80% of the pressure losses dP1 between the oxidizer inlet manifold 592 and the oxidant flow channels 541, and preferably more than 90% of dP1 pressure drops.
  • the pressure drop in the oxidizer inlet homogenization zone 52 is reduced for the same oxidant pressure in the active zone 54 by decreasing dP1 in front of dP2 and an improvement in the overall energy efficiency of the fuel cell is obtained. 4 having a strong linear contribution of the homogenization zone 52 in dP1.
  • FIG. 7 is a schematic top view of another example of a bipolar plate 5 at its exhaust homogenization zone 55.
  • the linear pressure losses in this exhaust homogenization zone 55 are here obtained by a multitude of relief studs 554 positioned in zone 55.
  • Figure 8 is a comparative diagram of pressures in different sections of different fuel cell configurations.
  • the curve in solid line corresponds to a fuel cell provided with a bipolar plate according to the invention, with an optimization of the pressure losses.
  • the dashed curve corresponds to a fuel cell provided with a bipolar plate according to the state of the art having flow limiters. These flow limiters induce load losses proportional to the square of the velocity of the oxidant passing through them.
  • the bipolar plates have the same active zone.
  • the oxidizer exhaust homogenization zone for the bipolar plate according to the invention has substantially uniform pressure drops along the length of the flow between the active zone and the oxidizer exhaust manifold.
  • Figure 9 is a comparative diagram of the flow manifold inlet relative pressure for different fuel cell configurations, as a function of the electrical power generated by these fuel cells.
  • the dashed curve corresponds to a theoretical configuration presenting the optimum energy efficiency, for an oxidizer compressor having a given compression efficiency. The greater the difference between this curve and a characteristic curve of a real fuel cell is important for a given power, the lower the energy efficiency for this power.
  • the dashed curve corresponds to the use of a flow limiter according to the state of the art with the same compression pump.
  • the solid line curve corresponds to a bipolar plate for a flow of laminar oxidant in the exhaust zone, object of the invention. Energy efficiency is improved especially for power operating intermediates. A bipolar plate according to the invention thus promotes the use of a fuel cell with a certain dynamic.
  • the dash-dot curve corresponds to a bipolar plate according to the invention, for a mixed laminar / turbulent flow. Even for such a flow, the energy yield obtained with a bipolar plate according to the invention remains better than that obtained with a flow limiter according to the state of the art (dashed curve).
  • the hydraulic diameter of an oxidant flow channel in the active zone of a bipolar plate according to the state of the art is typically between 0.35 and 0.4 mm.
  • Stcomburant 2 (ratio of the total oxidant flow rate to oxidizer flow consumed by the cell)
  • a density of 1.5A / cm 2 the number Reynolds of the oxidant flow in the active zone is 240.
  • the oxidant is accelerated and the Reynolds number is then typically between 500 and 1000.
  • the Reynolds number would reach at most 2000, which would keep a laminar regime.
  • the invention proves particularly advantageous when the oxidizer pump has a compression yield at least equal to 75%, or preferably at least equal to 80%.
  • Such a yield is for example that corresponding to nominal operating conditions of the pump, for example when the oxidizer is air.
  • FIG 10 is a schematic top view of another exemplary bipolar plate.
  • the bipolar plates 5 thus have orifices 591 to 593 at a first longitudinal end, orifices 594 to 596 at a second longitudinal end.
  • the bipolar plate 5 here comprises a parallel current cooling circuit with respect to fuel and oxidant flows.
  • the orifice 591 forms a fuel supply manifold
  • the orifice 596 forms a combustion residue evacuation manifold.
  • Port 593 forms a coolant supply manifold
  • port 594 forms a coolant discharge manifold.
  • Port 592 forms a oxidizer feed manifold
  • the orifice 595 forms a waste water discharge manifold and unused oxidant.
  • Coolant channels are thus superimposed on the oxidizer and fuel flow channels of the homogenization zones 52 and 55.

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Abstract

L'invention concerne une plaque bipolaire (5) pour pile à combustible à membrane échangeuse de protons (1 13), comportant : -un collecteur d'entrée de comburant et un collecteur de sortie de comburant; -des canaux d'écoulement (541 ) de comburant d'une zone active (54); -une zone d'homogénéisation d'entrée (52); -une zone d'homogénéisation d'échappement; Pour un nombre de Reynolds de l'écoulement du comburant dans la zone d'homogénéisation d'échappement compris entre 1000 et 2000 : -des pertes de charge linéaires à travers la zone d'homogénéisation d'échappement constituent plus de 80 % des pertes de charge dP2 entre la zone active (54) et le collecteur de sortie de comburant; -la valeur dP2/dP1 est au moins égale à 2, avec dP1 les pertes de charges entre le collecteur d'entrée de comburant et la zone active (54).

Description

PLAQUE BIPOLAIRE POUR AMELIORER LE RENDEMENT D'UNE PILE A COMBUSTIBLE A MEMBRANE ECHANGEUSE DE PROTONS
L'invention concerne les réacteurs électrochimiques à assemblages membrane-électrodes, tels que les piles à combustibles à basse température. L'invention concerne en particulier l'optimisation du rendement énergétique d'une pile à combustible à membrane échangeuse de protons.
Les piles à combustible sont par exemple envisagées comme système d'alimentation électrique pour des véhicules automobiles produits à grande échelle dans le futur, ainsi que pour un grand nombre d'applications. Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui convertit de l'énergie chimique directement en énergie électrique. Un combustible tel que du dihydrogène ou du méthanol est utilisé comme carburant de la pile à combustible.
Dans le cas du dihydrogène, celui-ci est oxydé et ionisé sur une électrode de la pile et un comburant est réduit sur une autre électrode de la pile. La réaction chimique produit de l'eau au niveau de la cathode, de l'oxygène étant réduit et réagissant avec les protons. Le grand avantage de la pile à combustible est d'éviter des rejets de composés polluants atmosphériques sur le lieu de génération d'électricité.
Les piles à combustible à membrane d'échange de protons, dites PEM, fonctionnent à basse température et présentent des propriétés de compacité particulièrement intéressantes. Chaque cellule comprend une membrane électrolytique permettant seulement le passage de protons et non le passage des électrons. La membrane comprend une anode sur une première face et une cathode sur une deuxième face pour former un assemblage membrane/électrodes dit AME.
Au niveau de l'anode, le dihydrogène est ionisé pour produire des protons traversant la membrane. Les électrons produits par cette réaction migrent vers une plaque d'écoulement, puis traversent un circuit électrique externe à la cellule pour former un courant électrique. Au niveau de la cathode, de l'oxygène est réduit et réagit avec les protons pour former de l'eau.
La pile à combustible peut comprendre plusieurs plaques dites bipolaires, par exemple en métal, empilées les unes sur les autres. La membrane est disposée entre deux plaques bipolaires. Les plaques bipolaires peuvent comprendre des canaux et orifices d'écoulement pour guider les réactifs et les produits vers/depuis la membrane, pour guider du liquide de refroidissement, et pour séparer différents compartiments. Les plaques bipolaires sont également électriquement conductrices pour former des collecteurs des électrons générés au niveau de l'anode. Selon une conception relativement fréquente, une plaque bipolaire est formée de deux tôles métalliques assemblées par soudage et ménageant généralement entre elles des canaux d'écoulement d'un liquide de refroidissement.
Les plaques bipolaires ont également une fonction mécanique de transmission des efforts de serrage de l'empilement, nécessaire à la qualité du contact électrique. Des couches de diffusion gazeuse sont interposées entre les électrodes et les plaques bipolaires et sont en contact avec les plaques bipolaires. Une conduction électronique est réalisée à travers les plaques bipolaires, une conduction ionique étant obtenue à travers la membrane.
Les plaques bipolaires alimentent en continu les surfaces réactives des électrodes en réactifs, au fur et à mesure de leur consommation. Les plaques bipolaires comportent des réseaux de canaux d'écoulement assurant la distribution des réactifs dans les zones réactives. Les réseaux de canaux d'écoulement sont connectés entre des collecteurs d'entrée et de sortie, traversant généralement l'empilement de part en part. Chaque collecteur est entouré par un joint pour éviter le mélange des différents fluides circulant dans la pile. Une zone d'homogénéisation raccorde le plus souvent un collecteur d'entrée ou de sortie à des canaux d'écoulement. La fonction des zones d'homogénéisation est d'obtenir un écoulement d'un réactif avec une pression et un débit le plus homogènes possibles à travers les différents canaux d'écoulement. Le passage des réactifs d'un collecteur d'entrée vers un collecteur de sortie, à travers les canaux d'écoulement d'une zone active, induit une perte de charge.
La perte de charge dans les canaux cathodiques présente en général un niveau suffisamment élevé pour permettre l'évacuation d'eau liquide produite par la réaction.
Le rendement de la pile à combustible augmente avec la pression de comburant dans les canaux d'écoulement de la zone active. Une pompe comprime donc généralement le comburant pour alimenter un collecteur d'entrée en comburant sous pression, et pour a minima compenser la perte de charge de la ligne cathodique. Pour optimiser le rendement énergétique du système pile à combustible, la pression du comburant ne doit pas atteindre un niveau excessif, la consommation électrique de la pompe augmentant avec le niveau de pression de comburant appliqué. Il existe donc une pression optimale de fonctionnement qui maximise le rendement du système pile à combustible.
Du fait des pertes de charge dans la zone d'homogénéisation d'entrée, entre le collecteur d'entrée de comburant et les canaux d'écoulement cathodiques, la pression appliquée par le compresseur en entrée de collecteur d'entrée de comburant doit correspondre à la pression optimale dans la zone active, relevée de l'amplitude de ces pertes de charge. Afin de pouvoir maintenir cette pression optimale dans la zone active, il est également nécessaire de maintenir des pertes de charge relativement élevées en aval de la zone active.
La perte de charge en ligne dans la zone d'homogénéisation d'échappement étant insuffisante pour garantir une pression optimale dans la zone active, il est connu de placer une vanne de contre-pression en aval du collecteur de sortie de comburant.
Une telle vanne implique cependant d'inclure un condenseur d'eau et un séparateur gaz/eau entre le collecteur de sortie de comburant et ladite vanne pour pouvoir réguler la pression de comburant sur un gaz sec. De plus, une telle vanne induit d'importantes oscillations de la pression dans la zone active lors du démarrage de la pile en combustible.
Il est également connu de placer des orifices de restriction d'écoulement calibrés en aval du collecteur de sortie de comburant. Il s'agit de limiteurs de débit placés sur le circuit cathodique en aval de la pile. Les pertes de charge sont alors fortement accrues au niveau de ces orifices. La figure 1 est un diagramme schématique du profil de la pression relative dans différentes sections d'un écoulement cathodique, en partant d'un collecteur d'entrée vers un collecteur d'échappement. La zone ZHE correspond à la zone d'homogénéisation d'entrée, la zone ZA correspond à la zone active, la zone ZHS correspond à la zone d'homogénéisation d'échappement, et la zone OC correspond aux orifices calibrés.
De telles piles à combustible munies de limiteur de débit présentent des inconvénients. Les pertes de charge cathodiques ne sont pas suffisantes pour garantir la pression optimale sur toute la gamme du régime de fonctionnement souhaité. Le rendement énergétique du système pile à combustible est alors détérioré. Le rendement énergétique est d'autant plus éloigné du rendement énergétique maximal théorique, que le rendement de compression de la pompe à comburant est élevé. De plus, de telles piles à combustible génèrent des points de rétention d'eau parasites sur l'écoulement, induisant l'utilisation d'un condenseur et d'un séparateur de phase.
L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur une plaque bipolaire pour pile à combustible à membrane échangeuse de protons, telle que définie dans les revendications annexées.
L'invention porte également sur les variantes des revendications dépendantes. L'homme du métier comprendra que chacune des caractéristiques des variantes des revendications dépendantes peut être combinée indépendamment aux caractéristiques d'une revendication indépendante, sans pour autant constituer une généralisation intermédiaire. L'invention porte également sur une pile à combustible, telle que définie dans les revendications annexées.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
-la figure 1 est un diagramme schématique de la pression relative cathodique d'une pile à combustible selon l'état de la technique ;
-la figure 2 est une vue en perspective éclatée d'un exemple d'empilement d'assemblages membrane/électrodes et de plaques bipolaires pour une pile à combustible;
-la figure 3 est une vue de dessus d'un exemple de plaque bipolaire pour pile à combustible présentant un circuit de refroidissement à courant croisé par rapport aux carburant et comburant à flux parallèles;
-la figure 4 est une vue en coupe schématique d'une pile à combustible au niveau d'une zone d'homogénéisation d'entrée de comburant ;
-la figure 5 est une vue en coupe schématique d'une pile à combustible au niveau d'une zone d'homogénéisation d'échappement de comburant ;
-la figure 6 est une vue de dessus d'un exemple de configuration d'une plaque bipolaire au niveau d'une zone d'homogénéisation d'échappement de comburant ;
-la figure 7 est une vue de dessus d'un autre exemple de configuration d'une plaque bipolaire au niveau d'une zone d'homogénéisation d'échappement de comburant ;
-la figure 8 est un diagramme comparatif des pressions relatives dans différentes sections de différentes configurations de piles à combustible ;
-la figure 9 est un diagramme comparatif de la pression relative en entrée de collecteur d'écoulement pour différentes configurations de piles à combustible ;
-la figure 10 est une vue de dessus d'un exemple de plaque bipolaire pour pile à combustible présentant un circuit de refroidissement à flux parallèle par rapport aux carburant et comburant.
La figure 2 est une vue en perspective éclatée schématique d'un empilement de cellules 1 d'une pile à combustible 4. La pile à combustible 4 comprend plusieurs cellules 1 superposées. Les cellules 1 sont du type à membrane échangeuse de protons ou membrane à électrolyte polymère.
La pile à combustible 4 comprend une source de carburant 40. La source de carburant 40 alimente ici en dihydrogène une entrée de chaque cellule 1 . La pile à combustible 4 comprend également une source de comburant 42. La source de comburant 42 alimente ici en air une entrée de chaque cellule 1 , l'oxygène de l'air étant utilisé comme oxydant. Chaque cellule 1 comprend également des canaux d'échappement. Une ou plusieurs cellules 1 présentent également un circuit de refroidissement.
Chaque cellule 1 comprend un assemblage membrane/électrodes 1 10 ou
AME 1 10. Un assemblage membrane/électrodes 1 10 comprend un électrolyte solide 1 13, une cathode (non illustrée) et une anode 1 1 1 placées de part et d'autre de l'électrolyte et fixées sur cet électrolyte 1 13. La couche d'électrolyte 1 13 forme une membrane semi-perméable permettant une conduction protonique tout en étant imperméable aux gaz présents dans la cellule. La couche d'électrolyte empêche également un passage des électrons entre l'anode 1 1 1 et la cathode.
Entre chaque couple d'AME adjacents, une plaque bipolaire 5 est disposée. Chaque plaque bipolaire 5 définit des canaux d'écoulement anodiques et des canaux d'écoulement cathodiques sur des faces externes opposées. Des plaques bipolaires 5 définissent avantageusement également des canaux d'écoulement de liquide de refroidissement entre deux assemblages membrane/électrodes successifs. Les plaques bipolaires 5 peuvent être formées chacune de façon connue en soi à partir de deux tôles métalliques conductrices assemblées, par exemple en acier inoxydable, ou en alliage de titane, en alliage d'aluminium, en alliage de nickel ou en alliage de tantale. Chaque tôle définit alors une face externe respective. Les plaques bipolaires 5 peuvent également être obtenues par tout autre procédé, par exemple le moulage ou l'injection à partir de composites carbone-polymère. Les plaques bipolaires 5 peuvent ainsi également être formées d'un seul tenant. Les faces externes de la plaque bipolaire 5 sont alors définies par une telle pièce d'un seul tenant.
L'empilement peut également comprendre des joints d'étanchéité périphériques et des renforts de membrane non illustrés ici. Chaque cellule 1 peut en outre comprendre une couche de diffusion de gaz (non illustrée) disposée entre l'anode et une plaque bipolaire, et une autre couche de diffusion de gaz disposée entre la cathode et une autre plaque bipolaire.
De façon connue en soi, durant le fonctionnement de la pile à combustible 4, de l'air s'écoule entre un AME et une plaque bipolaire, et du dihydrogène s'écoule entre cet AME et une autre plaque bipolaire. Au niveau de l'anode, le dihydrogène est ionisé pour produire des protons qui traversent ΑΜΕ. Les électrons produits par cette réaction sont collectés par une plaque bipolaire 5. Les électrons produits sont ensuite appliqués sur une charge électrique connectée à la pile à combustible 4 pour former un courant électrique. Au niveau de la cathode, de l'oxygène est réduit et réagit avec les protons pour former de l'eau. Les réactions au niveau de l'anode et de la cathode sont régies comme suit : ¾→ ^+ + 2 au niveau de l'anode ;
H ' + 4e + (. ~→ 2H20 au niveau de la cathode.
Durant son fonctionnement, une cellule 1 de la pile à combustible 4 génère usuellement une tension continue entre l'anode et la cathode de l'ordre de 1 V.
La source de comburant 42 comprend typiquement un compresseur pour introduire l'air à une pression donnée à l'entrée des cellules 1 . Un tel compresseur reçoit par exemple une consigne de pression d'air, la pression d'air pouvant être régulée par une vitesse de rotation variable du compresseur.
L'empilement des plaques bipolaires 5 et des assemblages membrane/électrodes 1 10 est destiné à former une pluralité de collecteurs d'écoulement. À cet effet, des orifices respectifs (591 à 596, illustrés à la figure 3) sont ménagés à travers les plaques bipolaires 5 et à travers les assemblages membrane/électrodes 1 10. Les orifices des plaques bipolaires 5 et des assemblages membrane/électrodes 1 10 sont disposés en vis-à-vis afin de former les différents collecteurs d'écoulement.
La figure 3 est une vue de dessus schématique d'une plaque bipolaire 5 donnée à titre d'exemple, d'autres configurations de canaux d'écoulement pouvant être envisagées. Les plaques bipolaires 5 comportent ainsi des orifices 591 et 593 au niveau d'une première extrémité longitudinale, des orifices 595 et 596 au niveau d'une deuxième extrémité longitudinale, un orifice 593 au niveau d'une première extrémité latérale, et un orifice 594 au niveau d'une deuxième extrémité latérale.
L'orifice 591 sert par exemple pour former un collecteur d'alimentation en carburant, l'orifice 596 sert par exemple pour former un collecteur d'évacuation de résidus de combustion et de carburant non utilisé. L'orifice 593 sert par exemple pour former un collecteur d'alimentation en liquide de refroidissement, l'orifice 594 sert par exemple pour former un collecteur d'évacuation de liquide de refroidissement. L'orifice 592 sert par exemple pour former un collecteur d'alimentation en comburant, et l'orifice 595 sert par exemple pour former un collecteur d'évacuation d'eau produite et de comburant non utilisé.
La face externe illustrée pour la plaque bipolaire 5 comporte des nervures délimitant des canaux d'écoulement pour un réactif, par exemple le carburant. La zone comprenant les canaux d'écoulement correspond à la zone active 54 de la cellule électrochimique. Les canaux d'écoulement sont ici destinés à mettre en communication les collecteurs 592 et 595. Une zone d'homogénéisation d'entrée 52 raccorde le collecteur 592 à l'entrée 545 des canaux d'écoulement de la zone active 54. Une zone d'homogénéisation d'échappement 55 raccorde le collecteur 595 à la sortie 546 des canaux d'écoulement de la zone active 54. Les figures 4 et 5 illustrent davantage la géométrie de différentes zones d'homogénéisation.
La plaque bipolaire 5 comporte ici un circuit de refroidissement à courant croisé par rapport aux flux de carburant et comburant. Les flux de carburant et de comburant sont ici parallèles. D'autres configurations peuvent bien entendu être envisagées dans le cadre de l'invention.
Le but d'une plaque bipolaire 5 selon l'invention est d'optimiser le rendement énergétique de la pile à combustible 4 sans pour autant induire une complexité structurelle excessive. Le rendement énergétique de la pile à combustible 4 peut être définie comme le rapport entre l'énergie électrique générée par la pile à combustible et l'énergie chimique théoriquement disponible par la consommation du carburant. Une plaque bipolaire 5 selon l'invention vise notamment à éviter la nécessité d'utilisation d'un condenseur et d'un séparateur de phase dans le circuit d'écoulement de comburant.
Les pertes de charge du circuit comburant au sein de la plaque bipolaire 5 se répartissent de la façon suivante : dP1 entre le collecteur d'entrée 592 et la zone active 54, dP2 entre la zone active 54 et le collecteur de sortie 595 et dP3 le long de la zone active au sein des canaux 541 . Dans le cadre de l'invention au sein de cette plaque bipolaire 5, on recherche avantageusement à ce que les pertes de charge restent régulières et donc linéaires le plus possible et judicieusement réparties.
Ainsi, la plaque bipolaire 5 selon l'invention est configurée pour que, pour un nombre de Reynolds de l'écoulement du comburant dans la zone d'homogénéisation d'échappement 55 compris entre 1000 et 2000 :
-les pertes de charge linéaires à travers la zone d'homogénéisation d'échappement 55 constituent plus de 80 % des pertes de charge dP2, et de préférence plus de 90 % des pertes de charge dP2 ;
-la valeur dP2/dP1 est au moins égale à 2, de préférence au moins égale à 3. La valeur dP2/dP1 est avantageusement au plus égale à 10.
Un nombre de Reynolds de l'écoulement du comburant dans la zone d'homogénéisation d'échappement 55 compris entre 1000 et 2000 est assez représentatif des conditions d'écoulement pour une pile à combustible à pleine puissance. Cette plage de nombre de Reynolds sert de référence pour vérifier que les conditions de perte de charge sont bien remplies selon l'invention.
Des pertes de charge linéaires dans une zone d'homogénéisation sont obtenues lorsque ce comburant est canalisé de façon à former un écoulement laminaire. Des pertes de charge linéaires d'une amplitude appropriée sont par exemple obtenues par un dimensionnement adéquat de la section de passage dans cette zone d'homogénéisation, ou par une inclinaison plus ou moins marquée des canaux d'écoulement de la zone d'homogénéisation par rapport à la direction d'écoulement dans la zone active. Cette section de passage est par exemple définie par la largeur et la hauteur de canaux d'écoulement dans cette zone d'homogénéisation, et/ou la hauteur et le nombre de plots en relief éventuellement formés dans cette zone d'homogénéisation.
En configurant la zone d'homogénéisation d'échappement 55 de sorte que les pertes de charge y soient essentiellement linéaires, on améliore le rendement énergétique de la pile à combustible 4, en particulier pour des niveaux de puissance intermédiaires. En configurant la valeur dP2/dP1 à un niveau suffisant, la zone d'homogénéisation d'échappement 55 permet d'obtenir une pression de comburant à l'entrée 545 des canaux 541 présentant une amplitude relativement élevée, favorisant le rendement énergétique de la pile à combustible 4. De plus, cette gestion passive de la pression par l'aval de l'écoulement au sein même de la plaque bipolaire 5 permet une gestion simplifiée de l'eau formée car ne nécessite aucunement l'utilisation d'un condenseur ni d'un séparateur de phase comme dans le cas des solutions de l'état de l'art. Ainsi, le circuit d'échappement de comburant de la pile à combustible 4 peut être dépourvu de condenseur d'eau et de séparateur gaz/eau en aval du collecteur de sortie de comburant 595.
L'écoulement en aval de la zone d'homogénéisation d'échappement 55 est par exemple typiquement dépourvu de vanne de contre pression active et dépourvu d'orifices calibrés de type limiteur de débit sur la ligne comburant risquant d'induire la majeure partie des pertes de charge dans cette zone d'homogénéisation d'échappement. De telles restrictions d'écoulement sont de nature à former un écoulement turbulent du comburant et à être sensibles à la présence d'eau dans le mélange cathodique de sortie.
La figure 4 est une vue en coupe schématique d'un exemple de pile à combustible au niveau d'une zone d'homogénéisation d'entrée de comburant. La figure 5 est une vue en coupe schématique de cette pile à combustible au niveau de sa zone d'homogénéisation d'échappement de comburant. Dans la configuration illustrée, chaque assemblage membrane/électrodes 1 10 comporte un renfort 1 14 fixé à la périphérie de sa membrane 1 13.
Un canal d'écoulement 521 d'entrée de comburant de la zone d'homogénéisation 52 est ici illustré (des canaux d'écoulement d'entrée 521 sont notamment présents dans une zone hachurée de la flèche illustrant un écoulement). Ce canal d'écoulement 521 est notamment ménagé entre une face 525 de la plaque bipolaire 5 et un renfort d'un assemblage membrane/électrodes. La hauteur du canal d'écoulement 521 correspond à la distance entre cette face 525 et ce renfort. Un canal d'écoulement 522 d'échappement de carburant est ménagé entre une face 526 de la plaque bipolaire 5 et un renfort 1 14 d'un autre assemblage membrane/électrodes 1 10, à la verticale de la zone d'homogénéisation d'entrée de comburant.
La hauteur du canal d'écoulement 521 est ici accrue par rapport à la hauteur du canal d'écoulement 522, pour réduire les pertes de charge dans la zone d'homogénéisation d'entrée de comburant 52. L'augmentation de la hauteur des canaux d'écoulement 521 permet aussi de réduire la hauteur des canaux d'écoulement 522, ce qui permet d'augmenter les pertes de charge à l'échappement de carburant, ce qui favorise l'homogénéisation du carburant dans la zone d'homogénéisation d'entrée de carburant. Dans cet exemple, la somme de la hauteur de la zone d'homogénéisation d'évacuation de carburant et de la hauteur de la zone d'homogénéisation d'entrée de comburant étant égale à la somme de la hauteur de la zone d'homogénéisation d'échappement de comburant et de la hauteur de la zone d'homogénéisation d'entrée de carburant.
La hauteur du canal d'écoulement 521 est ici supérieure à celle des canaux d'écoulement 541 de comburant de la zone active 54.
Dans cet exemple, la plaque bipolaire 5 comporte des canaux d'écoulement de carburant 542 sur une face et des canaux d'écoulement de comburant 541 sur une autre face, dans sa zone active 54. Des canaux d'écoulement de liquide de refroidissement 543 sont ménagés dans la zone active 54, entre les deux faces de la plaque bipolaire. Un canal d'écoulement 551 d'échappement de comburant de la zone d'homogénéisation 55 est ici illustré (des canaux d'écoulement d'entrée 551 sont notamment présents dans une zone hachurée de la flèche illustrant un écoulement). Ce canal d'écoulement 551 est notamment ménagé entre la face 525 de la plaque bipolaire 5 et un renfort d'un assemblage membrane/électrodes. La hauteur du canal d'écoulement 551 correspond à la distance entre cette face
525 et ce renfort.
Un canal d'écoulement 552 d'entrée de carburant est ménagé entre la face
526 de la plaque bipolaire 5 et un renfort 1 14 d'un autre assemblage membrane/électrodes 1 10, à la verticale de la zone d'homogénéisation d'échappement de comburant.
La hauteur du canal d'écoulement 551 est ici réduite par rapport à la hauteur du canal d'écoulement 552, pour accroître les pertes de charge linéaires dans la zone d'homogénéisation d'échappement de comburant 55. La hauteur du canal d'écoulement 551 est ici inférieure à celle des canaux d'écoulement 541 de comburant de la zone active 54. On peut par exemple prévoir que la hauteur des canaux d'écoulement 521 soit au moins le double de celle des canaux d'écoulement 551 .
La figure 6 est une vue de dessus schématique d'un exemple de plaque bipolaire 5 au niveau de sa zone d'homogénéisation d'échappement 55. Les pertes de charge linéaires dans cette zone d'homogénéisation d'échappement 55 sont ici obtenues par des canaux d'écoulement 551 présentant des sections réduites.
Une géométrie similaire peut être utilisée pour la zone d'homogénéisation d'entrée 52, avec de plus grandes profondeurs des canaux d'écoulement 521 .
Une conception visant à obtenir une valeur élevée du rapport dP2/dP1 peut par exemple consister à disposer d'une section de passage moyenne dans la zone d'homogénéisation d'entrée 52 qui soit au moins le double de celle de la zone d'homogénéisation d'échappement 55.
L'invention vise à la fois une baisse des pertes de charge en entrée comburant (dP1 ) devant celles de sortie (dP2), tout en recherchant à ce qu'elles soient le plus linéaires possibles tout le long de l'écoulement.
Avantageusement, on peut configurer la zone d'homogénéisation d'entrée de comburant 52 de sorte que les pertes de charge linéaires à travers celle-ci constituent plus de 80 % des pertes de charge dP1 entre le collecteur d'entrée de comburant 592 et les canaux d'écoulement de comburant 541 , et de préférence plus de 90 % des pertes de charge dP1 .
Ainsi, on réduit la perte de charge dans la zone d'homogénéisation d'entrée de comburant 52 pour une même pression de comburant dans la zone active 54 en baissant dP1 devant dP2 et on obtient une amélioration du rendement énergétique global de la pile à combustible 4 en ayant une forte contribution linéaire de la zone d'homogénéisation 52 dans dP1 .
Pour tester les caractéristiques d'une plaque bipolaire 5, on pourra positionner des capteurs de pression dans la zone d'homogénéisation d'entrée de comburant 52 et dans la zone d'homogénéisation de sortie de comburant 55. Une fois la plaque bipolaire accolée de façon appropriée à un assemblage membrane/électrodes et son collecteur d'entrée de comburant alimenté par un compresseur de comburant, on pourra alors vérifier les valeurs de perte de charge dans ces zones d'homogénéisation, pour les valeurs de nombre de Reynolds données dans la zone d'homogénéisation de sortie de comburant 55. La figure 7 est une vue de dessus schématique d'un autre exemple de plaque bipolaire 5 au niveau de sa zone d'homogénéisation d'échappement 55. Les pertes de charge linéaires dans cette zone d'homogénéisation d'échappement 55 sont ici obtenues par multitude de plots en relief 554 positionnés dans la zone 55.
Une géométrie similaire peut être utilisée pour la zone d'homogénéisation d'entrée 52, avec de plus grandes profondeurs d'écoulement ou avec des plots 554 moins hauts. La figure 8 est un diagramme comparatif des pressions dans différentes sections de différentes configurations de piles à combustible. La courbe en trait plein correspond à une pile à combustible munie d'une plaque bipolaire selon l'invention, avec une optimisation des pertes de charge. La courbe en trait discontinu correspond à une pile à combustible munie d'une plaque bipolaire selon l'état de la technique présentant des limiteurs de débit. Ces limiteurs de débit induisent des pertes de charge proportionnelles au carré de la vitesse du comburant les traversant. Les plaques bipolaires présentent une même zone active.
L'optimisation dans la zone d'homogénéisation ZHE d'entrée de comburant permet de réduire la pression de comburant que la pompe doit appliquer au comburant pour obtenir une même pression à l'entrée de la zone active. La consommation électrique du compresseur est ainsi réduite. La zone d'homogénéisation d'échappement de comburant pour la plaque bipolaire selon l'invention présente des pertes de charge sensiblement homogènes sur la longueur de l'écoulement entre la zone active et le collecteur d'échappement de comburant.
La figure 9 est un diagramme comparatif de la pression relative en entrée de collecteur d'écoulement pour différentes configurations de piles à combustible, en fonction de la puissance électrique générée par ces piles à combustible.
La courbe en trait discontinu correspond à une configuration théorique présentant le rendement énergétique optimal, pour un compresseur de comburant présentant un rendement de compression donné. Plus l'écart entre cette courbe et une courbe caractéristique d'une pile à combustible réelle est important pour une puissance donnée, plus le rendement énergétique pour cette puissance est faible. La courbe en pointillés correspond à l'utilisation d'un limiteur de débit selon l'état de la technique avec une même pompe de compression. La courbe en trait plein correspond à une plaque bipolaire pour un écoulement de comburant laminaire dans la zone d'échappement, objet de l'invention. Le rendement énergétique est amélioré en particulier pour les puissances intermédiaires de fonctionnement. Une plaque bipolaire selon l'invention favorise ainsi l'utilisation d'une pile à combustible avec une certaine dynamique.
La courbe en tiret-point correspond à une plaque bipolaire selon l'invention, pour un écoulement mixte laminaire/turbulent. Même pour un tel écoulement, le rendement énergétique obtenu avec une plaque bipolaire selon l'invention reste meilleur que celui obtenu avec un limiteur de débit selon l'état de la technique (courbe en pointillés).
Le diamètre hydraulique d'un canal d'écoulement de comburant dans la zone active d'une plaque bipolaire selon l'état de la technique est typiquement compris entre 0,35 et 0,4mm. Pour un point de fonctionnement avec une pression moyenne de 1 ,5 bar dans la zone active, avec Stcomburant =2 (rapport du débit comburant total sur débit comburant consommé par la pile), une densité de 1 ,5A/cm2, le nombre de Reynolds de l'écoulement de comburant dans la zone active est de 240. Avec une configuration d'une zone d'homogénéisation d'échappement de comburant selon l'état de la technique, le comburant est accéléré et le nombre de Reynolds y est alors typiquement compris entre 500 et 1000. Avec une plaque bipolaire selon l'invention qui diviserait par deux la section de passage de comburant dans la zone d'homogénéisation d'échappement de comburant, le nombre de Reynolds y atteindrait au maximum 2000, ce qui permettrait de conserver un régime laminaire.
On notera que plus la pompe de comburant présente un rendement de compression élevé, plus l'invention permet d'accroître le rendement énergétique de la pile à combustible 4. Ainsi, l'invention s'avère particulièrement avantageuse lorsque la pompe de comburant présente un rendement de compression au moins égal à 75%, ou de préférence au moins égal à 80%. Un tel rendement est par exemple celui correspondant à des conditions de fonctionnement nominales de la pompe, par exemple lorsque le comburant est de l'air.
La figure 10 est une vue de dessus schématique d'une autre plaque bipolaire 5 donnée à titre d'exemple. Les plaques bipolaires 5 comportent ainsi des orifices 591 à 593 au niveau d'une première extrémité longitudinale, des orifices 594 à 596 au niveau d'une deuxième extrémité longitudinale. La plaque bipolaire 5 comporte ici un circuit de refroidissement à courant parallèle par rapport aux flux de carburant et comburant.
L'orifice 591 forme un collecteur d'alimentation en carburant, l'orifice 596 forme un collecteur d'évacuation de résidus de combustion. L'orifice 593 forme un collecteur d'alimentation en liquide de refroidissement, l'orifice 594 forme un collecteur d'évacuation de liquide de refroidissement. L'orifice 592 forme un collecteur d'alimentation en comburant, et l'orifice 595 forme un collecteur d'évacuation d'eau produite et de comburant non utilisé.
Des canaux de liquide de refroidissement sont donc superposés à des canaux d'écoulement de comburant et de carburant des zones d'homogénéisation 52 et 55.
Dans cet exemple, on peut moduler la profondeur des canaux d'écoulement de comburant et/ou de carburant dans une zone d'homogénéisation 52 ou 55, en adaptant de façon correspondante la profondeur des canaux d'écoulement de liquide de refroidissement dans cette zone d'homogénéisation. La modification de la profondeur des canaux de liquide de refroidissement peut en effet avoir moins d'incidence sur les paramètres de fonctionnement que la modification de la profondeur des canaux d'écoulement d'un autre réactif.
Ainsi, pour réduire la hauteur des canaux d'écoulement de comburant dans la zone d'homogénéisation 55, on pourra utiliser des canaux de liquide de refroidissement superposés présentant une hauteur supérieure à la hauteur des canaux de liquide de refroidissement dans la zone active 54.
De façon similaire, pour pouvoir augmenter la hauteur des canaux d'entrée de comburant dans la zone d'homogénéisation 52, on pourra utiliser des canaux de liquide de refroidissement superposés présentant une hauteur inférieure à la hauteur des canaux de liquide de refroidissement dans la zone active 54.

Claims

REVENDICATIONS
Plaque bipolaire (5) pour pile à combustible à membrane échangeuse de protons (4), comportant :
-un collecteur d'entrée de comburant (592) et un collecteur de sortie de comburant (595) ;
-des canaux d'écoulement (541 ) de comburant d'une zone active (54) ;
-une zone d'homogénéisation d'entrée (52) comportant des canaux d'écoulement et reliant les canaux d'écoulement de comburant (541 ) au collecteur d'entrée de comburant (592) ;
-une zone d'homogénéisation d'échappement (55) reliant les canaux d'écoulement de comburant (541 ) au collecteur de sortie de comburant (595); Caractérisée en ce que, pour un nombre de Reynolds de l'écoulement du comburant dans la zone d'homogénéisation d'échappement (55) compris entre 1000 et 2000 :
-des pertes de charge linéaires à travers la zone d'homogénéisation d'échappement (55) constituent plus de 80 % des pertes de charge dP2 entre la zone active (54) et le collecteur de sortie de comburant (595) ;
-la valeur dP2/dP1 est au moins égale à 2, avec dP1 les pertes de charges entre le collecteur d'entrée de comburant (592) et la zone active (54).
Plaque bipolaire (5) selon la revendication 1 , dans laquelle la section de passage moyenne dans la zone d'homogénéisation d'entrée (52) est au moins le double de celle de la zone d'homogénéisation d'échappement (55).
Plaque bipolaire (5) selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans laquelle la zone d'homogénéisation d'échappement (55) comporte des canaux d'écoulement, les canaux d'écoulement dans la zone d'homogénéisation d'entrée (52) présentant une profondeur au moins double de celle des canaux d'écoulement (551 ) dans la zone d'homogénéisation d'échappement (55).
Plaque bipolaire (5) selon la revendication 3, dans laquelle la profondeur des canaux d'écoulement (521 ) de la zone d'homogénéisation d'entrée (52) est strictement supérieure à celle des canaux d'écoulement (541 ) de comburant de la zone active (54).
Plaque bipolaire selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, comportant : -un collecteur d'entrée de carburant (591 ) et un collecteur d'évacuation de carburant (596) ;
-des canaux d'écoulement de carburant (542) de la zone active ; -une zone d'homogénéisation d'entrée de carburant reliant les canaux d'écoulement de carburant au collecteur d'entrée de carburant (591 ) ;
-une zone d'homogénéisation d'évacuation de carburant (596) reliant les canaux d'écoulement de carburant (542) au collecteur d'évacuation de carburant (596) ;
-une partie de la zone d'homogénéisation d'entrée de carburant étant superposée à la zone d'homogénéisation d'échappement de comburant ; -une partie de la zone d'homogénéisation d'évacuation de carburant étant superposée à la zone d'homogénéisation d'entrée de comburant, la somme de la hauteur de la zone d'homogénéisation d'évacuation de carburant et de la hauteur de la zone d'homogénéisation d'entrée de comburant étant égale à la somme de la hauteur de la zone d'homogénéisation d'échappement de comburant et de la hauteur de la zone d'homogénéisation d'entrée de carburant.
6. Plaque bipolaire selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, comportant :
-un collecteur d'entrée de liquide de refroidissement (593) et un collecteur d'évacuation de liquide de refroidissement (594) ;
-des canaux d'écoulement de liquide de refroidissement (543) de la zone active ;
-une zone de liaison entre le collecteur d'entrée de liquide de refroidissement
(593) et lesdits canaux d'écoulement de liquide de refroidissement (543) ; -une zone de liaison entre le collecteur de sortie de liquide de refroidissement
(594) et lesdits canaux d'écoulement de liquide de refroidissement (543) ; -une partie d'une zone de liaison étant superposée à la zone d'homogénéisation d'échappement de comburant, la hauteur de la zone de liaison superposée étant supérieure à la hauteur des canaux d'écoulement de liquide de refroidissement (543) de la zone active. 7. Plaque bipolaire (5) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la zone d'homogénéisation d'entrée (52) et la zone d'homogénéisation d'échappement (55) comportent des plots (554) en relief.
8. Plaque bipolaire (5) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle des pertes de charge linéaires à travers la zone d'homogénéisation d'entrée (52) constituent plus de 80 % des pertes de charge dP1 entre la zone active (54) et le collecteur d'entrée de comburant (592). 9. Pile à combustible (4), comprenant -une plaque bipolaire (5) selon l'une quelconque des revendications précédentes ;
-un assemblage membrane/électrodes (1 10) comprenant une membrane échangeuse de protons (1 13) et une cathode (1 12) recouvrant une partie médiane de la membrane échangeuse de protons et recouvrant la zone active (54) de la plaque bipolaire (5).
10. Pile à combustible (4) selon la revendication 9, comprenant une pompe configurée pour alimenter le collecteur d'entrée de comburant (592) en comburant sous pression.
1 1 . Pile à combustible (4) selon la revendication 1 0, dans laquelle ladite pompe présente un rendement de compression de comburant au moins égal à 75 %. 12. Pile à combustible selon la revendication 10 ou 1 1 , la pile à combustible étant dépourvue de condenseur d'eau et de séparateur gaz/eau en aval du collecteur de sortie de comburant (595).
13. Pile à combustible (4) selon la revendication 1 1 , dans laquelle ladite pompe présente un rendement de compression de comburant au moins égal à 75 % dans ses conditions de fonctionnement nominales, lorsque le comburant est de l'air.
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