EP4643403A1 - Pile à combustible à hydrogène à multiples points de collecte de courant - Google Patents

Pile à combustible à hydrogène à multiples points de collecte de courant

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EP4643403A1
EP4643403A1 EP23840768.8A EP23840768A EP4643403A1 EP 4643403 A1 EP4643403 A1 EP 4643403A1 EP 23840768 A EP23840768 A EP 23840768A EP 4643403 A1 EP4643403 A1 EP 4643403A1
Authority
EP
European Patent Office
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collection points
fuel cell
collection
plates
hydrogen fuel
Prior art date
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Pending
Application number
EP23840768.8A
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German (de)
English (en)
Inventor
Fabien GUIMARD
Hadrien DUFOUR
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Hopium
Original Assignee
Hopium
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4643403A1 publication Critical patent/EP4643403A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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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
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • 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
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2457—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • the field of the invention is that of hydrogen fuel cells. More specifically, the invention relates to the improvement of such batteries, and in particular with regard to the collection of the electric current produced during the use of such batteries.
  • Such batteries find applications in numerous fields, since it is necessary to produce electrical energy, in particular autonomously, for example in vehicles (automobiles, utility vehicles, trucks, buses, trains, boats, aircraft, etc.), generators, etc.
  • a hydrogen fuel cell is based on the principle illustrated in [Fig.l], and produces electrical energy by a chemical reaction between dihydrogen (H 2 ) and dioxygen (O 2 ). This chemical reaction is described by the equations below:
  • This reaction occurs in what is called an active zone of an assembly of an electrolyte membrane and electrodes (AME - or MEA in English, for "Membrane Electrode Assembly"), i.e. that is to say a stack of membranes allowing the exchange of H + ions, placed between an anode, receiving dihydrogen from a reservoir, and a cathode receiving dioxygen (O 2 ) from the outside air.
  • AME - or MEA in English for "Membrane Electrode Assembly”
  • the number of collection points of each of said collector plates is greater than or equal to 3, and said stack comprises means for controlling said collection points, said control means being configured to allow opening /selective closure of collection points from which electric current is likely to be collected.
  • the invention consists of implementing, in a hydrogen fuel cell, collector plates each comprising at least three current collection points and control means for selectively opening/closing the collection points from which an electric current is likely to be collected.
  • the number of collection points of each of said collector plates can in particular be determined as a function of the size of the active surface of said at least one cell, or of each active surface, if there are several.
  • said collection points are distributed substantially uniformly around the periphery of said collector plates.
  • the number of collection points of each of said collector plates can be equal to 4, the four collection points of each of said collector plates being arranged near the four corners of said collector plates.
  • Said means for controlling said collection points can in particular be configured to allow opening/closing of collection points taking into account a current phase of the life of said at least one cell.
  • Said means for controlling said collection points can also be configured to allow opening/closing of collection points taking into account at least one condition of use and/or operation of said battery.
  • the openings/closings of said collection points can be carried out according to a predefined control law, as a function of the power to be delivered by said battery and/or as a function of operating conditions.
  • the invention also relates to a method of controlling a fuel cell as described above, said method comprising a step of selectively opening/closing the collection point(s) of each of said collector plates from which a electric current is likely to be collected.
  • the selective opening/closing of the collection point(s) from which an electric current is likely to be collected takes into account a current phase of the life of said at least one cell.
  • the selective opening/closing of the collection point(s) from which an electric current is likely to be collected takes into account at least one condition of use and/or operation of said battery.
  • the choice of the collection point(s) can in particular be made according to a predefined control law as a function of the power to be delivered by said battery and/or as a function of operating conditions.
  • FIG.l [Fig.l], already described in the preamble, illustrates the general principle of a fuel cell
  • FIG.2 [Fig.2], already described in the preamble, presents the structure of a fuel cell, comprising a stack of cells;
  • FIG.3 [Fig.3], already described in the preamble, presents the constituent elements of a cell of [Fig.2], exploded;
  • FIG.4 presents the structure of a fuel cell comprising collector plates according to the invention
  • Figures 5 to 10 illustrate different examples of collector plates according to the invention
  • FIG.11 illustrates a diagram illustrating the means for controlling the collection points of a stack according to the invention
  • FIG.13 Figures 13 and 14 illustrate different current densities generated in a cell depending on the open collection points.
  • a fuel cell according to the invention conventionally comprises at least one cell 22 positioned between a first 231 and a second 23 2 end plates.
  • the stack may comprise a single cell 22 but preferably comprises a plurality of cells 22 stacked against each other between the two end plates 231, 23 2 .
  • the battery also conventionally comprises a first and a second collector plate 24.
  • the first collector plate 24 is located between the first end plate 231 and the cell(s) 22.
  • the second collector plate 24 is located between the second plate end 23 2 and the cell(s) 22.
  • Each of the collector plates 24 comprises current collection points 25 whose number, according to the principle of the invention, is greater than or equal to 3. These collector plates are described in more detail below.
  • the battery comprises, or is connected to, means for controlling the collection points 25, these control means being configured to allow the selective opening/closing of the collection points 25 from which an electric current is capable of being transmitted. be collected. These control means are described in more detail below.
  • collector plates 24 we present, in relation to Figures 5 to 10, some examples, illustrative and non-limiting, of collector plates 24 according to the invention.
  • the collector plates 24 can comprise three collection points 25.
  • two collection points 25 can be located on one side of the collector plate 24 at proximity of two opposite angles, the other collection point 25 being located on the other side of the collector plate 24 for example near one or the other of the angles (see Figures 6 and 7) or substantially in the center (see [Fig.5]).
  • FIG.8 illustrates an embodiment in which the collector plates 24 comprise four collection points 25 located near the corners of the collector plate 24, two collection points 25 being placed on one side and two another on the opposite side of the collector plate 24.
  • the collector plates 24 include four collection points 25. They can, however, include more.
  • FIG.9 illustrates by way of example a collector plate 24 comprising six collection points 25, four being placed near the four corners of the collector plate 24, two others being located approximately in the center of two sides opposite the collector plate 24.
  • FIG.10 illustrates by way of example a collector plate 24 comprising five collection points 25, three collection points 25 being distributed uniformly on one side of the collector plate 24 and the other two being distributed uniformly on the opposite side of the collector plate 24.
  • the number of collection points will preferably be even but could alternatively be odd.
  • the collection points are ideally distributed evenly around the periphery of the collector plates.
  • each cell comprises an active surface. This surface is the zone in which chemical reactions leading to the production of electric current take place.
  • the number of collection points on each of the collector plates can, but is not obligatory, be determined based on the size of the active surface.
  • the battery comprises, or is connected to, means for controlling the collection points.
  • control means are configured to allow the selective opening/closing of the collection points 25 from which an electric current can be collected. In other words, they make it possible to select the collection points 25 from which the current produced by the battery will be collected.
  • the means for controlling the collection points are configured to allow selective opening/closing of collection points during different phases of life of the cell(s) of the battery.
  • the means for controlling the collection points are configured to allow selective opening/closing of collection points during different phases of life of the cell(s) of the battery.
  • the means for controlling the collection points are configured to allow selective opening/closing of collection points during use of the battery, depending on conditions of use and operation.
  • the collection points which will be open/closed during phases during which the battery is called upon to produce more or less electric current. It is thus possible to vary the current density in its cells during use of the battery.
  • FIG.11 illustrates the diagram of an example of the principle of means for controlling collection points.
  • the control means comprise a control unit 31 and a battery of switches 32 b 32 2 , 32 3 , 32 4 , each switch being respectively connected to a collection point 33 b 33 2 , 33 3 , 33 4 of the collection plate 33 so as to control its opening or closing.
  • the control unit 31 is programmed to ensure the selective opening/closing of each collection point, by delivering a suitable opening/closing signal to the switches to open/close the collection points as needed.
  • control program implemented by the control means (which can be stored in a memory provided for this purpose and, if necessary, modifiable, by an update) implements one or more control laws, which can be in particular take into account medium and long term aspects, that is to say the evolution of the battery over the during its life and/or short-term, instantaneous or almost instantaneous aspects, such as a need for power, or current operating conditions.
  • the opening/closing of the collection points when the opening/closing of the collection points is done in real time, the opening/closing of the collection points will be carried out according to a predefined control law depending on the power to be delivered by the battery and/or depending on operating conditions.
  • the control means receive a series of information 34, from sensors or reference data, for example statistics on the evolution of the battery during its life, such as:
  • Figures 12A to 12D illustrate four particular examples:
  • the selection of the collection points also takes into account the location of these active zones.

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Abstract

L'invention concerne une pile à combustible à hydrogène comprenant : - deux plaques d'extrémité; - au moins une cellule disposée entre lesdites plaques d'extrémité; - deux plaques collectrices de courant électrique comprenant chacune des points de collecte de courant électrique, ces plaques collectrices étant interposées respectivement entre une desdites plaques d'extrémité et ladite au moins une cellule Selon l'invention, le nombre de points de collecte de chacune desdites plaques collectrices est supérieur ou égal à 3, et ladite pile comprend des moyens de pilotage desdits points de collecte, lesdits moyens de pilotage étant configurés pour permettre l'ouverture/fermeture sélective des points de collecte depuis lesquels un courant électrique est susceptible d'être collecté.

Description

Description
Titre de l'invention : Pile à combustible à hydrogène à multiples points de collecte de courant
1. Domaine de l’invention
[0001] Le domaine de l’invention est celui des piles à combustible à hydrogène. Plus précisément, l'invention concerne l'amélioration de telles piles, et en particulier en ce qui concerne la collecte du courant électrique produit lors de la mise en œuvre de telles piles.
[0002] De telles piles trouvent des applications dans de nombreux domaines, dès lors qu'il est nécessaire de produire de l'énergie électrique, notamment de façon autonome, par exemple dans des véhicules (automobiles, utilitaires, camions, bus, trains, bateaux, aéronefs...), des groupes électrogènes...
2. Art antérieur
[0003] Le principe de la pile à combustible est connu depuis de très nombreuses années. Il a été notamment mis en œuvre dans le domaine spatial, et de nombreux projets ont également été développés par différents constructeurs automobiles.
[0004] Une pile à combustible à hydrogène repose sur le principe illustré en [Fig.l], et produit de l'énergie électrique par une réaction chimique entre le dihydrogène (H2) et le dioxygène (O2). Cette réaction chimique est décrite par les équations ci-dessous :
[0005] [Chem 1] H2 --> 2H+ + 2e
[0006] O2 + 4 H+ + 2e --> 2H2O
[0007] >
[0008] H2 + l/2O2 --> H2O ; ArH < 0
[0009] Le terme facultatif ArH < 0 indique seulement que la réaction est exothermique.
[0010] Cette réaction se produit dans ce que l'on appelle une zone active d'un assemblage d'une membrane électrolyte et d'électrodes (AME - ou MEA en anglais, pour "Membrane Electrode Assembly"), c'est-à-dire un empilement de membranes permettant l'échange d'ions H+, placé entre une anode, recevant du dihydrogène depuis un réservoir, et une cathode par recevant du dioxygène (O2) à partir de l'air extérieur.
[0011] Comme illustré sur la [Fig.l], le carburant, le dihydrogène (H2), est introduit (Fl) dans la pile, pour venir en contact avec l'anode A. Une partie du dihydrogène pénètre (F2) dans l'anode A, dans laquelle les molécules de dihydrogène sont séparées en électrons e et en ions H+ qui traversent l'électrolyte E vers la cathode C. Cette dernière est en contact avec l'air amené depuis l'extérieur (F3) dont les molécules de dioxygène O2 (F4) se combinent avec les ions H+ et les électrons e pour produire (F5) de l'eau (H2 O). Cette eau (F6) et l'air non utilisé (F7) sont évacués. [0012] L'anode A est donc l'élément dans lequel se produit l'oxydation : H2 -^2H+ + 2e , et la cathode C est l'élément dans lequel se produit la réduction : O2 + 4H+ + 4e — > 2H2O. Les électrons e circulent (F8) entre l'anode A et la cathode C, produisant un courant électrique E, qui est utilisé pour entrainer un moteur électrique et/ou charger une batterie.
[0013] Cette réaction est exothermique, et les différents éléments constitutifs de la pile peuvent s'échauffer rapidement. Le système entier doit donc être refroidi. La conception des pièces mécaniques doit en conséquence être adaptée pour être alimentée en liquide de refroidissement, ou liquide caloporteur.
[0014] La structure d'une pile à combustible, mettant en œuvre cette réaction chimique, est illustrée sur la [Fig.2]. La pile 21 est constituée d'un empilement de cellules 22, placées entre deux plaques d'extrémité 231 et 232.
[0015] Une plaque collectrice de courant 24 est interposée entre chaque plaque d’extrémité 23i et 232et les cellules 22 (une seule des deux plaques collectrice 24 est visible sur la [Fig.2]).
[0016] Les éléments constitutifs d'une cellule 22 sont détaillés, en éclaté, en [Fig.3]. Elle comprend deux plaques, bipolaires ou monopolaires, entre lesquelles est placée une membrane électrolyte. Ees plaques monopolaires sont les premières et les dernières plaques de l'empilement des cellules. Elles ont généralement le même design qu'une plaque bipolaire, mais des entrées sont fermées de sorte que la plaque ne reçoit pas l'un des gaz. La pile comprend ainsi une plaque monopolaire cathodique ne recevant pas de dihydrogène et une plaque monopolaire anodique ne recevant pas de dioxygène.
[0017] Les plaques bipolaires, empilées entre les deux plaques monopolaires, sont constituées par l'assemblage de deux demi-plaques métalliques 31, 32 (une demi- plaque anodique 31 et une demi-plaque cathodique 32), qui peuvent être soudées, brasées ou collées. Un espace entre les deux demi-plaques métalliques est défini par le formage de celles-ci pour définir d'une part des zones 33, 34 recevant un liquide de refroidissement et d'autre part des canaux permettant la circulation des gaz, respectivement dihydrogène et dioxygène (extrait de l'air). Des membranes MEA 35 sont intercalées entre les demi-plaques.
[0018] Les plaques collectrices 24 selon l’art antérieur comprennent chacune un à deux points de collecte de courant 25. Il résulte de cette quantité réduite de point de collecte 25 que la quantité de courant absorbé par chaque point de collecte 25 est importante. Pour y résister, les points de collecte 25 doivent être suffisamment dimensionnés. Les plaques collectrices 24 étant réalisées en cuivre, cela induit une consommation non négligeable de cuivre pour les fabriquer, ce qui représente un poste de coût important. En outre, le dimensionnement important des points de collecte induit des pertes qui nuisent au rendement de la pile. [0019] Compte tenu de ce faible nombre de points de collecte, les courants ne sont pas homogènes dans les cellules. Ceci peut induire la formation de points chauds. La température et le degré d’hygrométrie ne sont alors pas homogènes dans les cellules, ce qui est de nature à affecter le fonctionnement de la pile et à réduire sa durabilité.
[0020] Il y a donc un besoin d'une nouvelle approche pour la réalisation de telles piles, pour améliorer leur fonctionnement et/ou leur efficacité.
[0021] 3. Caractéristiques principales de l'invention
[0022] L'invention répond à au moins une partie de ce besoin à l'aide d'un nouveau type de pile à combustible à hydrogène, ladite pile comprenant :
[0023] - deux plaques d’extrémité ;
[0024] - au moins une cellule disposée entre lesdites plaques d’extrémité ;
[0025] - deux plaques collectrices de courant électrique comprenant chacune des points de collecte de courant électrique, ces plaques collectrices étant interposées respectivement entre une desdites plaques d’extrémité et ladite au moins une cellule.
[0026] Selon l'invention, le nombre de points de collecte de chacune desdites plaques collectrices est supérieur ou égal à 3, et ladite pile comprend des moyens de pilotage desdits points de collecte, lesdits moyens de pilotage étant configurés pour permettre l’ouverture/fermeture sélective des points de collecte depuis lesquels un courant électrique est susceptible d’être collecté.
[0027] En d'autres termes, l’invention consiste à mettre en œuvre, dans une pile à combustible à hydrogène, des plaques collectrices comprenant chacune au moins trois points de collecte de courant et des moyens de pilotage pour ouvrir/fermer sélectivement les points de collecte depuis lesquels un courant électrique est susceptible d’être collecté.
[0028] Il est ainsi possible de choisir, selon l’invention, les points de collecte depuis lesquels le courant produit par la pile est tiré, ce qui procure de nombreux avantages, notamment :
- cela permet, selon la position des points de collecte, et selon le choix des points de collecte ouverts et des points fermés, une homogénéisation des courants dans les plaques de la ou des cellules de la pile ;
- de mieux réguler la température dans la pile et d’éviter les points chauds, et de mieux réguler le taux d’humidité dans la pile, et par conséquent d’améliorer la durabilité de la pile ;
- le fait d’augmenter le nombre de points de collecte permet d’en réduire la section et ainsi de réduire la consommation en matière première ;
- le pilotage des points de collecte permet un dimensionnement plus calibré et donc une réduction des sections, ce qui contribue à réduire les pertes et à augmenter le rendement de la pile. [0029] Le nombre de points de collecte de chacune desdites plaques collectrices peut notamment être déterminé en fonction de la taille de la surface active de ladite au moins une cellule, ou de chaque surface active, s'il y en a plusieurs.
[0030] Selon un mode de réalisation particulier, lesdits points de collecte sont répartis de manière sensiblement uniforme à la périphérie desdites plaques collectrices.
[0031] Notamment, le nombre de points de collecte de chacune desdites plaques collectrices peut être égal à 4, les quatre points de collecte de chacune desdites paques collectrices étant disposés à proximité des quatre coins desdites plaques collectrices.
[0032] Lesdits moyens de pilotage desdits points de collecte peuvent notamment être configurés pour permettre une ouverture/fermeture de points de collecte tenant compte d'une phase courante de la vie de ladite au moins une cellule.
[0033] Lesdits moyens de pilotage desdits points de collecte peuvent également être configurés pour permettre une ouverture/fermeture de points de collecte tient compte d'au moins une condition d'utilisation et/ou de fonctionnement de ladite pile.
[0034] Dans ce cas, les ouvertures/fermetures desdits points de collecte peuvent réalisées selon une loi de commande prédéfinie, en fonction de la puissance à délivrer par ladite pile et/ou en fonction de conditions opératoires.
[0035] De nombreuses utilisations sont envisageables pour une pile telle que décrite ci- dessus, en particulier pour au moins une des applications appartenant au groupe comprenant :
[0036] - les véhicules automobiles ;
[0037] - les véhicules utilitaires ;
[0038] - les autobus ou les camions ;
[0039] - les trains ;
[0040] - les bateaux ;
[0041] - les aéronefs ;
[0042] - les groupes électrogènes.
[0043] L'invention concerne également un procédé de pilotage d’une pile à combustible telle que décrite ci-dessus, ledit procédé comprenant une étape d’ ouverture/fermeture sélective du ou des points de collecte de chacune desdites plaques collectrices depuis lesquels un courant électrique est susceptible d’être collecté.
[0044] Selon un mode de réalisation particulier, F ouverture/fermeture sélective du ou des points de collecte depuis lesquels un courant électrique est susceptible d’être collecté tient compte d'une phase courante de la vie de ladite au moins une cellule.
[0045] Selon un autre mode de réalisation particulier, pouvant être ou non combiné au précédent, F ouverture/fermeture sélective du ou des points de collecte depuis lesquels un courant électrique est susceptible d’être collecté tient compte d'au moins une condition d'utilisation et/ou de fonctionnement de ladite pile. [0046] Dans ce cas, le choix du ou des points de collecte peut notamment être réalisé selon une loi de commande prédéfinie en fonction de la puissance à délivrer par ladite pile et/ou en fonction de conditions opératoires.
4. liste des figures
[0047] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de mise en œuvre, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des figures annexées parmi lesquels :
[0048] [Fig-1] : la [Fig.l], déjà décrite en préambule, illustre le principe général d'une pile à combustible ;
[0049] [Fig.2] : la [Fig.2], déjà décrite en préambule, présente la structure d'une pile à combustible, comprenant un empilement de cellules ;
[0050] [Fig.3] : la [Fig.3], déjà décrite en préambule, présente les éléments constitutifs d'une cellule de la [Fig.2], en éclaté ;
[0051] [Fig.4] : la [Fig.4] présente la structure d'une pile à combustible comprenant des plaques collectrices selon l’invention ;
[0052] [Fig.5], [Fig.6], [Fig.7], [Fig.8], [Fig.9], [Fig.10] : les figures 5 à 10 illustrent différents exemples de plaques collectrices selon l’invention ;
[0053] [Fig.11] : la [Fig.11] illustre un schéma illustrant les moyens de pilotage des points de collection d’une pile selon l’invention ;
[0054] [Fig.l2C], [Fig.l2B], [Fig.l2C] , [Fig.l2D] illustrent quatre exemples de sélection effectués par les moyens de pilotage de la [Fig.11] ;
[0055] [Fig.13], [Fig.14] : les figures 13 et 14 illustrent différentes densités de courant générées dans une cellules selon les points de collectes ouverts.
[0056] 5. Description d'un mode de réalisation particulier
[0057] 5.7 Eléments principaux d'une pile à combustible à hydrogène
[0058] En référence à la [Fig.4], une pile à combustible selon l’invention comprend classiquement au moins une cellule 22 positionnée entre une première 231 et une deuxième 232 plaques d’extrémité. La pile peut comprendre une unique cellule 22 mais comprend préférentiellement une pluralité de cellules 22 empilées les unes contre les autres entre les deux plaques d’extrémité 231, 232.
[0059] La pile comprend également classiquement une première et une deuxième plaque collectrice 24. La première plaque collectrice 24 est située entre la première plaque d’extrémité 231 et la ou les cellules 22. La deuxième plaque collectrice 24 est située entre la deuxième plaque d’extrémité 232 et la ou les cellules 22. Sur la [Eig.4], seule la première plaque collectrice est visible.
[0060] Chacune des plaques collectrices 24 comprend des points de collecte de courant 25 dont le nombre, selon le principe de l’invention, est supérieur ou égal à 3. Ces plaques collectrices sont décrites plus en détail par la suite. [0061] La pile comprend, ou est reliée à, des moyens de pilotage des points de collecte 25, ces moyens de pilotage étant configurés pour permettre l’ouverture/fermeture sélective des points de collecte 25 depuis lesquels un courant électrique est susceptible d’être collecté. Ces moyens de pilotage sont décrits plus en détail par la suite.
[0062] 5.2 Plaques de collecte
[0063] On présente, en relation avec les figures 5 à 10, quelques exemples, illustratifs et non limitatifs, de plaques collectrices 24 selon l’invention.
[0064] Comme cela est représenté sur les figures 5, 6 et 7, les plaques collectrices 24 peuvent comprendre trois points de collecte 25. Dans ce cas, deux points de collecte 25 peuvent être situés d’un côté de la plaque collectrice 24 à proximité de deux angles opposés, l’autre point de collecte 25 se situant de l’autre côté de la plaque collectrice 24 par exemple à proximité de l’un ou l’autre des angles (cf. figures 6 et 7) ou bien sensiblement au centre (cf. [Fig.5]).
[0065] La [Fig.8] illustre un mode de réalisation dans lequel les plaques collectrices 24 comprennent quatre points de collecte 25 situés à proximité des angles de la plaque collectrice 24, deux points de collecte 25 étant placés d’un côté et deux autre du côté opposé de la plaque collectrice 24.
[0066] De manière préférée, les plaques collectrices 24 comprennent quatre points de collecte 25. Elles peuvent toutefois en comprendre davantage.
[0067] La [Fig.9] illustre à titre d’exemple une plaque collectrice 24 comprenant six points de collecte 25, quatre étant placés à proximité des quatre angles de la plaque collectrice 24, deux autres étant situés approximativement au centre de deux côtés opposés de la plaque collectrice 24.
[0068] La [Fig.10] illustre à titre d’exemple une plaque collectrice 24 comprenant cinq points de collecte 25, trois points de collecte 25 étant répartis de manière uniforme d’un côté de la plaque collectrice 24 et les deux autres étant répartis de manière uniforme du côté opposé de la plaque collectrice 24.
[0069] Au sein d’une même pile, le nombre et la répartition des points de collecte sur la première et sur la deuxième plaque collectrice sont identiques. Ils pourraient toutefois être différents d’une plaque collectrice à l’autre.
[0070] Le nombre de points de collecte sera préférentiellement pair mais pourra à titre d’alternative être impair. Les points de collecte sont idéalement répartis de manière uniforme à la périphérie des plaques collectrices.
[0071] Au sein d’une pile à combustible à hydrogène, chaque cellule comprend une surface active. Cette surface est la zone dans laquelle se produisent les réactions chimiques conduisant à la production de courant électrique. Le nombre de points de collecte de chacune des plaques collectrices pourra, sans que cela soit obligatoire, déterminé en fonction de la taille de la surface active. [0072] 5.3 Moyens de pilotage
[0073] Comme cela a été mentionné plus haut, la pile comprend, ou est relié à, des moyens de pilotage des points de collecte.
[0074] Ces moyens de pilotage sont configurés pour permettre l’ouverture/fermeture sélective des points de collecte 25 depuis lesquels un courant électrique est susceptible d’être collecté. En d’autres termes, ils permettent de sélectionner les points de collecte 25 depuis lesquels le courant produit par la pile sera collecté.
[0075] Selon une première approche, les moyens de pilotage des points de collecte sont configurés pour permettre une ouverture/fermeture sélective de points de collecte au cours de différentes phases de vie de la ou des cellules de la pile. Dans ce cas, il est possible, lorsque la pile est encore en état de fonctionner, de sélectionner les points de collecte qui seront ouverts/fermés pendant des phases au cours desquelles la pile est sollicitée de façon différente, et/ou pour prendre en compte une variation de la concentration de courant dans la pile, en fonction de l'évolution de la pile au cours du temps.
[0076] Il est également ainsi possible de produire, avec une même structure de pile, des piles ayant des densités de courant différentes selon les applications.
[0077] Selon une deuxième approche, pouvant bien sûr être combinée avec la première, les moyens de pilotage des points de collecte sont configurés pour permettre une ouverture/fermeture sélective de points de collecte au cours de l'utilisation de la pile, en fonction de conditions d'utilisation et de fonctionnement. Dans ce cas, il est possible de sélectionner, en temps réel, les points de collecte qui seront ouverts/fermés pendant des phases au cours desquelles la pile est sollicitée pour produire plus ou moins de courant électrique. Il est ainsi possible de faire varier pendant l’utilisation de la pile la densité de courant dans ses cellules.
[0078] La [Fig.11] illustre le schéma d’un exemple de principe de moyens de pilotage des points de collecte.
[0079] Les moyens de pilotage comprennent une unité de commande 31 et une batterie d’interrupteurs 32b 322, 323, 324, chaque interrupteur étant respectivement connecté un point de collecte 33 b 332, 333, 334 de la plaque de collecte 33 de façon à commander son ouverture ou sa fermeture. L’unité de commande 31 est programmée pour assurer l’ouverture/fermeture sélective de chacun de points de collecte, en délivrant un signal adapté d’ ouverture/fermeture aux interrupteurs pour ouvrir/fermer les points de collecte en fonction des besoins.
[0080] Le programme de commande mis en œuvre par les moyens de pilotage (qui peut être mémorisé dans une mémoire prévue à cet effet et le cas échéant modifiable, par une mise à jour) met en œuvre une ou plusieurs lois de commande, pouvant notamment tenir compte d'aspects de moyen et long terme, c'est-à-dire de l'évolution de la pile au cours de sa vie et/ou d'aspects de court terme, instantanés ou quasi-instantanés, tel qu'un besoin de puissance, ou des conditions de fonctionnement courantes.
[0081] Notamment, lorsque l’ouverture/fermeture des points de collecte se fait en temps réel, les ouvertures/fermetures des points de collecte seront réalisées selon une loi de commande prédéfinie en fonction de la puissance à délivrer par la pile et/ou en fonction de conditions opératoires.
[0082] Les moyens de pilotage reçoivent une série d'informations 34, issues de capteurs ou de données de référence, par exemple de statistiques sur l'évolution de la pile au cours de sa vie, telles que :
- besoin immédiat de puissance électrique ;
- préréglage de fonctionnement (mode "économie" ou mode "sport" par exemple) ;
- température de la pile et/ou d'autres éléments du véhicule ;
- conditions extérieures, telles que l'hygrométrie et la température extérieure ;
- gestion de l'eau produite par la pile ;
- phase de vie, ou âge, de la pile ;
- informations spécifiques sur la pile, par exemple usure particulière d'une région ;
[0083] Les figures 12A à 12D illustrent quatre exemples particuliers :
- [Fig.l2A] : dans le cadre de la gestion de l'usure de la pile ("aging management" en anglais), le courant est concentré dans une zone 41 correspondant à la zone supérieure droite de la pile. Dans ce cas, seul le point de collecte 332 est actif, et seul l'interrupteur correspondant 322. Le courant est ainsi dirigé vers le point de collecte le plus proche, sans qu'une portion de celui-ci traverse la pile vers les autres points de collecte, au risque de générer des pertes et/ou des perturbations ;
- [Fig.l2B] : utilisation sélective d'une moitié de la surface de catalyseur, la zone 42 correspondant à la partie supérieure de la plaque de collecte 33. Cette approche correspond par exemple à une gestion optimisée de l'eau, notamment en fonction de conditions d'hygrométrie. Dans ce cas, seuls les interrupteurs 32i et 322 sont fermés, de façon que le courant soit collecté sur les points de collecte 331 et 332 proches de la zone 42 de concentration du courant
- [Fig.l2C] : dans le cadre de la gestion de l'usure de la pile, on constate que la portion en bas à droite devient peu ou non fonctionnelle, et que la concentration de courant est présente essentiellement sur la zone 43. Dans cette hypothèse, seuls les interrupteurs 32b 322 et 323 sont fermés, de façon que le courant soit collecté sur les points de collecte 331, 332 et 333proches de la zone 44 de concentration du courant ;
- [Fig.l2D] : dans cette configuration, toute la surface 44 de la plaque de collecte 33 est utilisée, ce qui correspond à une utilisation équilibrée, par exemple pour une pile neuve et/ou un besoin fort de puissance électrique. Tous les interrupteurs sont alors fermés, et tous les points de collecte sont utilisés.
[0084] Dans le cas où la pile comprend plusieurs zones actives pouvant être sélectivement être activées, la sélection des points de collecte prend également en compte l'emplacement de ces zones actives.
[0085] 5.4 Densité de courant
[0086] L’ouverture/fermeture sélective de différents points de collecte 25 permet de faire varier la densité de courant dans la ou les cellules 22 de la pile.
[0087] On observe ainsi sur la [Fig.13] que l’ouverture de deux points de collecte 25O placés sur deux côtés opposés des plaques collectrices 24 et à deux angles se faisant face permet de générer un profile de densité de courant 26. On observe sur la [Fig.14] que l’ouverture de deux points de collecte 25O placés sur deux côtés opposés des plaques collectrices 24 et à deux angles diamétralement opposés permet de générer un autre profile de densité de courant 26.
[0088] Il est ainsi possible de créer une multitude de profils de densité de courant en fonction du nombre de points de collecte ouverts et de leur position autour de la plaque collectrice 24.
[0089] 5.5 Avantages
[0090] La mise en œuvre de l’invention permet notamment :
- selon la position des points de collecte, et selon le choix des points de collecte ouverts et des points fermés, une homogénéisation des courants dans les plaques de la ou des cellules de la pile ;
- de mieux réguler la température dans la pile et d’éviter les points chauds, et de mieux réguler le taux d’humidité dans la pile, et par conséquent d’améliorer la durabilité de la pile ;
- le fait d’augmenter le nombre de points de collecte permet d’en réduire la section et ainsi de réduire la consommation en matière première ;
- le pilotage des points de collecte permet un dimensionnement plus calibré et donc une réduction des sections, ce qui contribue à réduire les pertes et à augmenter le rendement de la pile.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Pile à combustible à hydrogène comprenant :
- deux plaques d’extrémité ;
- au moins une cellule de production d'un courant électrique, disposée entre lesdites plaques d’extrémité ;
- deux plaques collectrices de courant électrique comprenant chacune des points de collecte de courant électrique, ces plaques collectrices étant interposées respectivement entre une desdites plaques d’extrémité et ladite au moins une cellule, caractérisée en ce que le nombre de points de collecte de chacune desdites plaques collectrices est supérieur ou égal à 3, et en ce que ladite pile comprend des moyens de pilotage desdits points de collecte, lesdits moyens de pilotage étant configurés pour permettre l’ouverture/fermeture sélective des points de collecte depuis lesquels un courant électrique est susceptible d’être collecté.
[Revendication 2] Pile à combustible à hydrogène selon la revendication 1 dans laquelle ladite au moins une cellule possède une surface active, le nombre de points de collecte de chacune desdites plaques collectrices étant déterminé en fonction de la taille de ladite surface active.
[Revendication 3] Pile à combustible à hydrogène selon la revendication 1 ou 2 dans laquelle lesdits points de collecte sont répartis de manière sensiblement uniforme à la périphérie desdites plaques collectrices.
[Revendication 4] Pile à combustible à hydrogène selon la revendication 1 dans laquelle le nombre de points de collecte de chacune desdites plaques collectrices est égal à 4, les quatre points de collecte de chacune desdites paques collectrices étant disposés à proximité des quatre coins desdites plaques collectrices.
[Revendication 5] Pile à combustible à hydrogène selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 dans laquelle lesdits moyens de pilotage desdits points de collecte sont configurés pour permettre une ouverture/fermeture de points de collecte tenant compte d'une phase courante de la vie de ladite au moins une cellule.
[Revendication 6] Pile à combustible à hydrogène selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 dans laquelle lesdits moyens de pilotage desdits points de collecte sont configurés pour permettre une ouverture/fermeture de points de collecte tient compte d'au moins une condition d'utilisation et/ ou de fonctionnement de ladite pile.
[Revendication 7] Pile à combustible à hydrogène selon la revendication 6 dans laquelle les ouvertures/fermetures desdits points de collecte sont réalisées selon une loi de commande prédéfinie en fonction de la puissance à délivrer par ladite pile et/ou en fonction de conditions opératoires.
[Revendication 8] Utilisation d'une pile à combustible selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 pour au moins une des applications appartenant au groupe comprenant :
- les véhicules automobiles ;
- les véhicules utilitaires ;
- les autobus ou les camions ;
- les trains ;
- les bateaux ;
- les aéronefs ;
- les groupes électrogènes.
[Revendication 9] Procédé de pilotage d’une pile à combustible selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, ledit procédé comprenant une étape d’ouverture/fermeture sélective du ou des points de collecte de chacune desdites plaques collectrices depuis lesquels un courant électrique est susceptible d’être collecté.
[Revendication 10] Procédé selon la revendication 9 dans lequel l’ouverture/fermeture sélective du ou des points de collecte depuis lesquels un courant électrique est susceptible d’être collecté tient compte d'une phase courante de la vie de ladite au moins une cellule.
[Revendication 11] Procédé selon la revendication 9 ou 10 dans lequel l’ouverture/fermeture sélective du ou des points de collecte depuis lesquels un courant électrique est susceptible d’être collecté tient compte d'au moins une condition d'utilisation et/ou de fonctionnement de ladite pile.
[Revendication 12] Procédé selon la revendication 11 dans lequel le choix du ou des points de collecte est réalisé selon une loi de commande prédéfinie en fonction de la puissance à délivrer par ladite pile et/ou en fonction de conditions opératoires.
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