FR2764122A1 - BIPOLAR PLATE FOR FUEL CELL ASSEMBLY - Google Patents
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Abstract
Un ensemble de piles à combustible présente des plaques bipolaires thermoplastiques prises en sandwich entre un certain nombre d'ensembles d'électrodes (30, 30') pour former un empilage. Une plaque bipolaire thermoplastique (35) est placée en alternance avec un ensemble d'électrodes (30) de sorte qu'un côté (31) de la plaque est adjacent et lié par adhésion à la surface correspondante d'une anode de l'assemblage d'électrodes (34), et l'autre côté (39) est adjacent à la surface correspondante d'une cathode (32) dans l'assemblage d'électrodes voisin (30'). La liaison par adhésion sert également à étanchéifier les gorges à combustible et à oxydant (37).A fuel cell assembly has bipolar thermoplastic plates sandwiched between a number of electrode assemblies (30, 30 ') to form a stack. A thermoplastic bipolar plate (35) is placed alternately with a set of electrodes (30) so that one side (31) of the plate is adjacent and bonded by adhesion to the corresponding surface of an anode of the assembly of electrodes (34), and the other side (39) is adjacent to the corresponding surface of a cathode (32) in the neighboring electrode assembly (30 '). The adhesion bond also serves to seal the fuel and oxidant grooves (37).
Description
Priorité: no 08/868 330 du 03.06.1997 Motorola, Inc. Titre PlaquePriority: no 08/868 330 of 03.06.1997 Motorola, Inc. Title Plaque
bipolaire pour ensemble de piles à combustible Domaine technique La présente invention concerne en général des piles à combustible et plus particulièrement une plaque bipolaire pour piles à combustible. Arrière-plan de l'invention Les piles à combustible sont des piles électrochimiques dans lesquelles un changement d'énergie libre résultant de la réaction d'oxydation du combustible est converti en énergie électrique. Tel que représenté sur la figure 1, une pile à combustible typique 10 est composée d'une électrode à combustible (anode) 12 et d'une électrode à oxydant (cathode) 14, séparées par un électrolyte conducteur d'ions 16. Les électrodes sont électriquement reliées par le biais d'une charge (comme un circuit électronique) 19 par un conducteur de circuit externe. Dans le conducteur de circuit, le courant électrique est transporté par un flux d'électrons, alors que dans l'électrolyte, il est20 transporté par le flux d'ions, par exemple l'ion hydrogène (H+) dans des électrolytes acides, ou l'ion hydroxyle (OH-) dans des électrolytes alcalins. En théorie, toute substance capable d'oxydation chimique pouvant être fournie en continu (comme un gaz ou un fluide) peut être oxydée de façon galvanique, comme le combustible 11 au niveau de l'anode 12 d'une pile à combustible. De la même manière, l'oxydant 13 peut être n'importe quel matériau pouvant être réduit à une vitesse suffisante. Dans des systèmes spécialisés, les deux réactants peuvent être des liquides, comme de l'hydrazine pour le combustible et du peroxyde Technical Field The present invention generally relates to fuel cells and more particularly to a bipolar plate for fuel cells. Background of the invention Fuel cells are electrochemical cells in which a change in free energy resulting from the oxidation reaction of the fuel is converted into electrical energy. As shown in FIG. 1, a typical fuel cell 10 is composed of a fuel electrode (anode) 12 and an oxidant electrode (cathode) 14, separated by an ion-conducting electrolyte 16. The electrodes are electrically connected via a load (such as an electronic circuit) 19 by an external circuit conductor. In the circuit conductor, the electric current is transported by a flow of electrons, while in the electrolyte it is transported by the flow of ions, for example hydrogen ion (H +) in acid electrolytes, or the hydroxyl ion (OH-) in alkaline electrolytes. In theory, any substance capable of chemical oxidation which can be supplied continuously (such as a gas or a fluid) can be galvanically oxidized, like fuel 11 at the anode 12 of a fuel cell. Likewise, the oxidant 13 can be any material which can be reduced at a sufficient speed. In specialized systems, the two reactants can be liquids, such as hydrazine for fuel and peroxide
d'hydrogène ou de l'acide nitrique pour l'oxydant. hydrogen or nitric acid for the oxidant.
L'hydrogène gazeux est devenu le combustible préféré pour la plupart des applications, du fait de sa réactivité élevée en présence de catalyseurs appropriés et du fait de sa densité d'énergie élevée lorsqu'il est stocké en tant que liquide cryogénique, par exemple pour une utilisation dans l'espace. De la même manière, au niveau de la cathode de la pile à combustible 14, l'oxydant le plus courant est l'oxygène gazeux, que l'on trouve facilement et à moindre coût dans l'air pour des piles à combustible utilisées dans des applications terrestres. Lorsque de l'hydrogène et de l'oxygène gazeux sont utilisés comme combustible et oxydant, les électrodes sont poreuses et permettent à la jonction gaz-électrolyte d'être optimale. Les électrodes doivent être des conducteurs électroniques, et posséder la réactivité appropriée pour donner des vitesses de réaction importantes. Les piles à Hydrogen gas has become the preferred fuel for most applications because of its high reactivity in the presence of suitable catalysts and because of its high energy density when stored as a cryogenic liquid, for example for use in space. Similarly, at the cathode of fuel cell 14, the most common oxidant is gaseous oxygen, which is easily and inexpensively found in air for fuel cells used in terrestrial applications. When hydrogen and gaseous oxygen are used as fuel and oxidizer, the electrodes are porous and allow the gas-electrolyte junction to be optimal. The electrodes must be electronic conductors, and have the appropriate reactivity to give high reaction rates. The batteries
combustible les plus courantes sont du type hydrogène- the most common fuels are hydrogen-
oxygène et utilisent un électrolyte acide. Au niveau de l'anode 12, le gaz hydrogène entrant 11 s'ionise pour produire des électrons et des ions hydrogène. Puisque l'électrolyte est un conducteur non électronique, les électrons sortent de l'anode par l'intermédiaire du circuit externe métallique. Au niveau de la cathode 14, le gaz oxygène 13 réagit avec les ions hydrogène qui migrent dans l'électrolyte 16 et les électrons entrants provenant du circuit externe pour produire de l'eau comme produit dérivé. Selon la température de fonctionnement de la pile, l'eau produite peut entrer dans l'électrolyte, ce qui le dilue et augmente son volume, ou bien être extraite à travers la cathode en tant que vapeur. La réaction globale qui se produit dans la pile à combustible correspond à la somme des réactions à l'anode et à la cathode; dans ce cas, la combinaison de l'hydrogène et de l'oxygène produit de l'eau, une partie de l'énergie libre de la réaction étant libéré directement sous la forme d'énergie électrique. La différence entre cette énergie libre disponible et la chaleur de la réaction est produite sous forme de chaleur à la température de la pile à combustible. Dans tous les cas, on peut voir que tant que de l'hydrogène et de l'oxygène sont fournis à la pile à combustible, le flux de courant électrique est supporté par le flux électronique dans le circuit oxygen and use an acid electrolyte. At the anode 12, the incoming hydrogen gas 11 ionizes to produce electrons and hydrogen ions. Since the electrolyte is a non-electronic conductor, the electrons exit the anode via the metallic external circuit. At the cathode 14, the oxygen gas 13 reacts with the hydrogen ions which migrate in the electrolyte 16 and the incoming electrons coming from the external circuit to produce water as a derived product. Depending on the operating temperature of the cell, the water produced can enter the electrolyte, which dilutes it and increases its volume, or can be extracted through the cathode as vapor. The overall reaction which takes place in the fuel cell corresponds to the sum of the reactions at the anode and at the cathode; in this case, the combination of hydrogen and oxygen produces water, part of the free energy of the reaction being released directly in the form of electrical energy. The difference between this available free energy and the heat of the reaction is produced as heat at the temperature of the fuel cell. In all cases, it can be seen that as long as hydrogen and oxygen are supplied to the fuel cell, the flow of electric current is supported by the electronic flow in the circuit.
externe et le flux ionique dans l'électrolyte. external and ionic flux in the electrolyte.
En pratique, un certain nombre de piles à combustible sont normalement empilées ou regroupées pour former un ensemble de piles à combustible. En référence à présent à la figure 2, la sous-unité anode/électrolyte/cathode est en général désignée par "ensemble d'électrode" (EE). La cathode 24 d'un premier EE 20 est en général placée près de l'anode 22 d'une EE 20' suivante, mais séparée d'elle par une plaque bipolaire 25. Dans la technique antérieure, la plaque bipolaire est généralement en carbone, choisie pour sa combinaison unique de propriétés: inertance chimique, conductibilité électrique, rigidité et capacité à être usinée. Un réseau de gorges 27 est en général formé dans la plaque bipolaire par usinage mécanique. Ces rainures ou gorges assurent la distribution de l'oxydant ou du combustible liquide ou gazeux à la cathode et à l'anode, respectivement. La plaque bipolaire assure une connexion électrique entre un EE et le suivant, et sert également à isoler le combustible de l'anode de l'oxydant de la cathode dans les EE adjacents. Afin de contenir en outre le combustible et le maintenir séparé de l'oxydant, un moyen d'étanchéité 28, comme un joint torique d'étanchéité ou un autre joint d'étanchéité extérieur, doit être fourni. Comme on peut le comprendre facilement, le coût de la fabrication de la plaque bipolaire en carbone puis de son assemblage en un ensemble de piles à combustible est considérable, du fait des matériaux et du travail impliqués. En conséquence, ceci constitue l'un des facteurs qui empêche la technologie des piles à combustible de se répandre. Une plaque bipolaire de faible coût serait un In practice, a number of fuel cells are normally stacked or grouped together to form a set of fuel cells. Referring now to Figure 2, the anode / electrolyte / cathode subunit is generally referred to as an "electrode assembly" (EE). The cathode 24 of a first EE 20 is generally placed near the anode 22 of a next EE 20 ', but separated from it by a bipolar plate 25. In the prior art, the bipolar plate is generally made of carbon. , chosen for its unique combination of properties: chemical inertness, electrical conductivity, rigidity and ability to be machined. A network of grooves 27 is generally formed in the bipolar plate by mechanical machining. These grooves or grooves ensure the distribution of the oxidant or of the liquid or gaseous fuel to the cathode and to the anode, respectively. The bipolar plate provides an electrical connection between one EE and the next, and also serves to isolate the anode fuel from the oxidant of the cathode in the adjacent EEs. In order to further contain the fuel and keep it separate from the oxidant, a sealing means 28, such as an O-ring or other external seal, must be provided. As can be easily understood, the cost of manufacturing the carbon bipolar plate and then assembling it into a set of fuel cells is considerable, due to the materials and work involved. As a result, this is one of the factors preventing fuel cell technology from spreading. A low cost bipolar plate would be a
plus dans le domaine.more in the field.
Brève description des dessinsBrief description of the drawings
La figure 1 est une représentation schématique d'un pile à combustible classique, tel que mise en Figure 1 is a schematic representation of a conventional fuel cell, as put in
pratique dans la technique antérieure. practice in the prior art.
La figure 2 est une vue en coupe schématique d'un ensemble de piles à combustible, tel que mis en Figure 2 is a schematic sectional view of a set of fuel cells, as set
pratique dans la technique antérieure. practice in the prior art.
La figure 3 est une vue en coupe schématique d'un Figure 3 is a schematic sectional view of a
ensemble de piles à combustible selon l'invention. set of fuel cells according to the invention.
La figure 4 est une vue en coupe schématique d'un autre mode de réalisation d'un ensemble de piles à Figure 4 is a schematic sectional view of another embodiment of a set of batteries to
combustible selon l'invention.fuel according to the invention.
La figure 5 est une vue en coupe schématique d'un autre mode de réalisation d'un ensemble de piles à Figure 5 is a schematic sectional view of another embodiment of a set of batteries to
combustible selon l'invention.fuel according to the invention.
Description détaillée du mode de réalisation préféré Detailed description of the preferred embodiment
Un ensemble de piles à combustible présente des plaques bipolaires thermoplastiques prises en sandwich entre un certain nombre d'ensembles d'électrodes pour former un empilage. Une plaque bipolaire thermoplastique est placée en alternance avec un ensemble d'électrodes de sorte qu'un côté de la plaque est adjacent à la surface correspondante d'une anode de l'assemblage d'électrodes, et l'autre côté est adjacent à la surface correspondante d'une cathode dans l'assemblage d'électrodes voisin. La plaque bipolaire thermoplastique est liée et adhère à chacun des assemblages d'électrodes adjacents, scellant les gorges contenant l'oxydant et le combustible tout en éliminant A fuel cell assembly has thermoplastic bipolar plates sandwiched between a number of electrode assemblies to form a stack. A thermoplastic bipolar plate is alternately placed with an electrode assembly so that one side of the plate is adjacent to the corresponding surface of an anode of the electrode assembly, and the other side is adjacent to the corresponding surface of a cathode in the neighboring electrode assembly. The thermoplastic bipolar plate is bonded and adheres to each of the adjacent electrode assemblies, sealing the grooves containing the oxidant and the fuel while eliminating
le besoin de joints d'étanchéité supplémentaires. the need for additional seals.
En référence maintenant à la figure 3, un ensemble de piles à combustible est composé d'un empilage de piles à combustible contenant plus d'un ensemble d'électrodes 30, 30', 30". Tel qu'utilisé dans le Referring now to Figure 3, a fuel cell assembly is composed of a fuel cell stack containing more than one electrode assembly 30, 30 ', 30 ". As used in the
contexte de cette description et dans la littérature en context of this description and in the literature in
général, un ensemble d'électrodes (EE) ou ensemble d'électrodes à membrane (EEM) est une pile unité composée d'une anode 32, d'une cathode 34 et d'un électrolyte 36. Lorsqu'une pluralité de ces piles unités sont reliées entre elles, on les désigne par empilage de piles à combustible ou ensemble de piles à combustible. Dans le mode de réalisation préféré, l'électrolyte est une membrane d'électrolyte polymère (PEM), comme celle généralement utilisée dans une pile à combustible d'hydrogène, une pile à PEM à méthanol direct ou une pile à combustible à PEM utilisant un combustible organique comme de l'éthanol ou du formaldéhyde. Les PEM sont des polymères ioniques ayant une conductivité ionique importante. La nature polymère des PEM les rend plus faciles à manipuler que les électrolytes liquides. La construction physique de la pile électrochimique est considérablement simplifiée puisque les joints finis et les systèmes de confinement ne doivent pas nécessairement contenir des électrolytes liquides corrosifs. Une PEM doit avoir les propriétés suivantes: (1) conductivité ionique élevée, (2) conductivité électronique nulle, (3) très faible perméabilité aux gaz, (4) stabilité chimique à la température de fonctionnement, (5) résistance mécanique, (6) faible sensibilité à l'humidité, et (7) compatibilité avec le catalyseur. Les piles à combustible utilisant des PEM sont décrites et connues dans la littérature, par exemple dans le brevet américain nO 5 403 675 et puisqu'un spécialiste de la technique est sensé être familier avec les piles à PEM, les PEM ne seront pas détaillées par la suite. Entre chacune des piles unités de l'empilage se trouve une plaque bipolaire thermoplastique et électroconductrice fournissant une conductivité électrique entre la cathode 34 d'une pile à combustible 30 et l'anode 32 de la pile à combustible voisine 30'. Chaque cathode de l'empilage est isolée de l'anode précédente par la plaque bipolaire. Un empilage de piles à combustible peut être créé en plaçant les piles unités en alternance avec les plaque bipolaires de telle sorte que n (n étant un nombre entier supérieur à 2) ensembles d'électrodes sont combinés avec n-l plaques bipolaires pour créer l'empilage de piles à combustible. Bien évidemment, un spécialiste de la technique comprendra que l'empilage de piles à combustible doit également contenir des capuchons d'extrémité au- dessus des électrodes situées le plus à l'extérieur, qui n'ont pas été représentées sur les In general, a set of electrodes (EE) or set of membrane electrodes (EEM) is a unit cell composed of an anode 32, a cathode 34 and an electrolyte 36. When a plurality of these cells units are interconnected, they are referred to as fuel cell stacking or a set of fuel cells. In the preferred embodiment, the electrolyte is a polymer electrolyte membrane (PEM), such as that generally used in a hydrogen fuel cell, a direct methanol PEM cell or a PEM fuel cell using a organic fuel such as ethanol or formaldehyde. PEMs are ionic polymers with high ionic conductivity. The polymeric nature of PEMs makes them easier to handle than liquid electrolytes. The physical construction of the electrochemical cell is considerably simplified since finished joints and containment systems do not necessarily have to contain corrosive liquid electrolytes. A PEM must have the following properties: (1) high ionic conductivity, (2) zero electronic conductivity, (3) very low gas permeability, (4) chemical stability at operating temperature, (5) mechanical resistance, (6 ) low sensitivity to humidity, and (7) compatibility with the catalyst. Fuel cells using PEMs are described and known in the literature, for example in U.S. Patent No. 5,403,675 and since a skilled person is expected to be familiar with PEM cells, PEMs will not be detailed by the following. Between each of the unit cells of the stack is a bipolar thermoplastic and electrically conductive plate providing electrical conductivity between the cathode 34 of a fuel cell 30 and the anode 32 of the neighboring fuel cell 30 '. Each cathode of the stack is isolated from the previous anode by the bipolar plate. A fuel cell stack can be created by placing the unit cells alternately with the bipolar plates so that n (n being an integer greater than 2) sets of electrodes are combined with nl bipolar plates to create the stack fuel cells. Obviously, a person skilled in the art will understand that the stack of fuel cells must also contain end caps above the outermost electrodes, which have not been shown on the
figures 2 à 4 à des fins de clarté. Figures 2 to 4 for clarity.
La plaque bipolaire thermoplastique est rendue électroconductrice par le biais d'un nombre quelconque The thermoplastic bipolar plate is made electrically conductive by any number
de procédés connus des spécialistes de la technique. methods known to those skilled in the art.
Par exemple, une matière de remplissage électroconductrice comme de la poudre de carbone, de la fibre de carbone ou des particules métalliques sous forme de poudre ou de flocons (par exemple du titane, de l'aluminium, de l'acier inoxydable, de l'argent, de l'or, etc.), peut être ajoutée au thermoplastique. De plus, la plaque bipolaire thermoplastique peut être rendue électroconductrice en revêtant la surface d'un mince film d'un matériau conducteur comme du carbone, de l'or, du nickel, du titane, de l'argent, du platine, du palladium, du chrome ou du rhodium, comme cela est bien connu dans les techniques de déposition sous vide de films minces et d'électrodéposition. Dans ce cas, les bords de la plaque bipolaire doivent également être traités afin de garantir que la plaque est capable de conduire la charge électrique entre les cathodes et les anodes voisines. Si l'extérieur du plastique est complètement métallisé, le chemin conducteur va du côté anode au côté cathode, en tournant autour de la plaque, et ne traverse pas le plastique. En d'autres termes, les deux côtés ou faces de la plaque bipolaire sont reliés électriquement par l'intermédiaire de la For example, an electrically conductive filler such as carbon powder, carbon fiber or metallic particles in the form of powder or flakes (for example titanium, aluminum, stainless steel, l (silver, gold, etc.), can be added to the thermoplastic. In addition, the thermoplastic bipolar plate can be made electrically conductive by coating the surface with a thin film of a conductive material such as carbon, gold, nickel, titanium, silver, platinum, palladium. , chromium or rhodium, as is well known in the techniques of vacuum deposition of thin films and of electroplating. In this case, the edges of the bipolar plate must also be treated to ensure that the plate is capable of conducting the electrical charge between the cathodes and the neighboring anodes. If the outside of the plastic is completely metallized, the conductive path goes from the anode side to the cathode side, turning around the plate, and does not pass through the plastic. In other words, the two sides or faces of the bipolar plate are electrically connected via the
métallisation des bords.metallization of the edges.
Pour revenir au choix des matériaux, la plaque bipolaire thermoplastique peut être un nombre quelconque de plastiques comme des thermoplastiques de base tels que le polyéthylène, le polypropylène ou le polyacrylate ou bien peut être un thermoplastique To return to the choice of materials, the thermoplastic bipolar plate can be any number of plastics such as basic thermoplastics such as polyethylene, polypropylene or polyacrylate or else can be a thermoplastic
transformé tel que le polycarbonate, l'acrylonitrile- processed such as polycarbonate, acrylonitrile-
butadiène-styrène (ABS), le polyétherimide, le polyimide ou le polyamide. En général, les thermoplastiques de base de plus faible coût sont préférés, puisqu'ils donneront un ensemble de piles à combustible de plus faible coût, cependant, d'autres critères de performance comme la température ou la résistance chimique peuvent susciter le besoin d'un matériau plus performant. Le traitement de ces matériaux pour les rendre électroconducteurs peut être facilement accompli en effectuant un remplissage ou en butadiene-styrene (ABS), polyetherimide, polyimide or polyamide. In general, lower cost base thermoplastics are preferred since they will give a lower cost set of fuel cells, however, other performance criteria such as temperature or chemical resistance may prompt the need for a more efficient material. Processing these materials to make them electrically conductive can be easily accomplished by filling or
posant un revêtement, tel qu'expliqué ci-dessus. laying a coating, as explained above.
Une pluralité de gorges ou rainures 37 est formée à la surface de la plaque bipolaire thermoplastique pour assurer la distribution de gaz à l'anode et à la cathode. Bien que ces gorges soient en général formées dans les plaques de carbone par usinage mécanique, il a été découvert que, lorsqu'on utilise des thermoplastiques, elles peuvent être formées dans la surface par différents procédés plus efficaces et moins coûteux, par exemple par emboutissage, moulage, thermoformage, photolithographie utilisant une couche photographique active, micro-usinage ou incorporation A plurality of grooves or grooves 37 is formed on the surface of the thermoplastic bipolar plate to ensure the distribution of gas to the anode and to the cathode. Although these grooves are generally formed in the carbon plates by mechanical machining, it has been discovered that, when thermoplastics are used, they can be formed in the surface by various more efficient and less costly methods, for example by stamping. , molding, thermoforming, photolithography using an active photographic layer, micro-machining or incorporation
d'un écran en acier inoxydable dans la surface. a stainless steel screen in the surface.
Shimshon Gottesfeld et al., de Los Alamos National Laboratories ont démontré l'efficacité d'un procédé consistant à encastrer une matrice de mailles dans un Shimshon Gottesfeld et al., Of Los Alamos National Laboratories have demonstrated the effectiveness of a process of embedding a mesh matrix in a
matériau pour former des gorges ou poches. material for forming grooves or pockets.
Lorsqu'un matériau thermoplastique présentant un indice de fusion relativement faible, comme du polyéthylène ou du polypropylène, est utilisé comme plaque bipolaire, la plaque peut alors être facilement laminée directement sur le EEM en appliquant de la chaleur et de la pression pour la faire fondre sur la cathode 34 ou l'anode 32. Ce procédé de fusion élimine le besoin de joints externes et sert à sceller les gorges de distribution de gaz 37 les unes aux autres, ce qui assure une intégrité et une rigidité mécanique à l'empilage de piles à combustible et permet de faire un scellement de celui-ci en une seule étape. Ceci réduit le coût et la taille de l'empilage de piles à combustible en éliminant les joints d'étanchéité, le coût et la taille des éléments voisins et élimine le besoin de briques de carbone usinées onéreuses. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, tel que représenté sur la figure 4, la plaque bipolaire est un thermoplastique à point de fusion plus élevé, et une mince couche d'un matériau thermoplastique 48 qui présente un indice de fusion relativement faible, comme du polyéthylène ou du polypropylène, est appliquée sur la plaque. Le polyéthylène ou polypropylène sert ensuite à stratifier le EEM sur la plaque bipolaire en appliquant de la chaleur et de la pression pour la faire fondre sur la cathode 34 ou l'anode 32. Il faut faire attention à ne pas bloquer les gorges de distribution de gaz avec la mince couche de thermoplastique de liaison. De plus, la conductibilité électrique doit être conservée entre une électrode et la plaque bipolaire, de sorte que la mince couche de matériau thermoplastique est préservée. En outre, la mince couche de matériau thermoplastique 48 peut, si on le souhaite, être rendue électroconductrice en la remplissant de particules conductrices d'une façon semblable à celle utilisée pour rendre conductrice la When a thermoplastic material with a relatively low melt index, such as polyethylene or polypropylene, is used as a bipolar plate, the plate can then be easily laminated directly on the EEM by applying heat and pressure to melt it. on cathode 34 or anode 32. This fusion process eliminates the need for external seals and serves to seal the gas distribution grooves 37 to each other, which provides integrity and mechanical rigidity to the stacking of fuel cells and allows to seal it in a single step. This reduces the cost and size of fuel cell stacking by eliminating seals, the cost and size of neighboring elements, and eliminates the need for expensive machined carbon bricks. According to another embodiment of the invention, as shown in FIG. 4, the bipolar plate is a thermoplastic with a higher melting point, and a thin layer of a thermoplastic material 48 which has a relatively low melt index. , such as polyethylene or polypropylene, is applied to the plate. The polyethylene or polypropylene is then used to laminate the EEM on the bipolar plate by applying heat and pressure to make it melt on the cathode 34 or the anode 32. Care must be taken not to block the distribution grooves gas with the thin layer of bonding thermoplastic. In addition, the electrical conductivity must be maintained between an electrode and the bipolar plate, so that the thin layer of thermoplastic material is preserved. In addition, the thin layer of thermoplastic material 48 can, if desired, be made electrically conductive by filling it with conductive particles in a manner similar to that used to make the conductive.
plaque de base.base plate.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, un adhésif peut être utilisé à la place de la mince couche de matériau thermoplastique pour assurer la liaison mécanique nécessaire entre la plaque bipolaire et le EEM. Par exemple, une résine époxy de qualité B peut être disposée sur la surface de la plaque bipolaire, et la plaque peut être placée par adhésion sur le EEM au moyen de chaleur et de pression afin de cuire la résine époxy. Les adhésifs fondus à chaud sont également utiles en tant qu'agents adhésifs et peuvent être disposés sur la surface de différentes façons, puis assemblés pour former l'empilage. Le numéro de référence 48 de la figure 4, bien que décrit précédemment comme étant une mince couche de matériau thermoplastique, sert également à montrer la façon dont la résine époxy ou l'adhésif fondu chaud est appliqué sur l'empilage plaque bipolaire/EEM. Si on le souhaite, si une résine d'époxy de qualité B est utilisée, les gorges de distribution de gaz peuvent être formées dans la couche d'adhésif grâce à des techniques mécaniques According to another embodiment of the invention, an adhesive can be used in place of the thin layer of thermoplastic material to ensure the necessary mechanical connection between the bipolar plate and the EEM. For example, grade B epoxy resin can be placed on the surface of the bipolar plate, and the plate can be adhesively placed on the EEM using heat and pressure to cure the epoxy resin. Hot melt adhesives are also useful as adhesive agents and can be placed on the surface in different ways and then assembled to form the stack. The reference number 48 in Figure 4, although previously described as a thin layer of thermoplastic material, is also used to show how the hot melt epoxy resin or adhesive is applied to the bipolar plate / EEM stacking. If desired, if a grade B epoxy resin is used, the gas distribution grooves can be formed in the adhesive layer using mechanical techniques
ou de photolithographie.or photolithography.
En référence maintenant à la figure 5, la plaque bipolaire thermoplastique peut également être fabriquée selon une forme autre que plane. La nature même du matériau thermoplastique permet de créer des plaques bipolaires de formes différentes et variées. Par exemple, la plaque 55 peut être élaborée de façon à Referring now to Figure 5, the bipolar thermoplastic plate can also be manufactured in a form other than planar. The very nature of the thermoplastic material makes it possible to create bipolar plates of different and varied shapes. For example, the plate 55 can be constructed so as to
présenter une cavité ou évidement 52 sur un côté. present a cavity or recess 52 on one side.
L'intérieur de l'évidement 52 est rendu conducteur, par exemple en revêtant la surface du fond de l'évidement d'un métal conducteur (électrodéposition ou déposition sous vide). Le côté opposé est également rendu conducteur. Afin d'assembler l'empilage de piles à combustible, les EEM 50 sont placés à l'intérieur des évidements 52 de sorte qu'une électrode de chaque EEM The interior of the recess 52 is made conductive, for example by coating the bottom surface of the recess with a conductive metal (electrodeposition or deposition under vacuum). The opposite side is also made conductive. In order to assemble the fuel cell stack, the EEMs 50 are placed inside the recesses 52 so that one electrode of each EEM
touche le revêtement conducteur dans l'évidement. touches the conductive coating in the recess.
L'électrode est de préférence liée au EEM d'une façon décrite précédemment. Ces sous-ensembles sont ensuite empilés les uns sur les autres pour créer un empilage représenté sur la figure 5, une plaque bipolaire thermoplastique étant liée directement à une autre plaque bipolaire par fusion d'une partie non métallique 51 près des bords de la plaque bipolaire. Ceci enferme les gaz hermétiquement et maintient l'ensemble assemblé sans qu'on doive utiliser des joints d'étanchéité ou des attaches externes. Ainsi, un empilage de piles à combustible est réalisé en combinant une pluralité de EEM (50, 50', 50") avec une pluralité de plaques The electrode is preferably linked to the EEM in a manner described above. These sub-assemblies are then stacked on top of each other to create a stack shown in FIG. 5, a thermoplastic bipolar plate being linked directly to another bipolar plate by melting a non-metallic part 51 near the edges of the bipolar plate . This seals the gas tightly and keeps the assembly assembled without the need for external seals or fasteners. Thus, fuel cell stacking is achieved by combining a plurality of EEMs (50, 50 ', 50 ") with a plurality of plates
bipolaires thermoplastiques façonnées (55, 55', 55"). shaped thermoplastic bipolar (55, 55 ', 55 ").
En résumé, un ensemble de piles à combustible à PEM a été décrit et utilise une plaque bipolaire thermoplastique pour relier les EEM individuels. La plaque bipolaire utilise des matériaux de faible coût et est liée par adhésion aux EEM, ce qui élimine le besoin de joints d'étanchéité et d'autres moyens d'étanchéité. La taille de l'ensemble est réduite ainsi In summary, a set of PEM fuel cells has been described and uses a bipolar thermoplastic plate to connect the individual EEMs. The bipolar plate uses low cost materials and is bonded by adhesion to EEM, which eliminates the need for gaskets and other means of sealing. The overall size is reduced as well
que son coût.than its cost.
Bien que les modes de réalisation préférés de l'invention aient été illustrés et décrits, on comprendra facilement que l'invention n'y est pas limitée et que des variantes viendront à l'esprit des spécialistes de la techniques, celles-ci devant rester dans l'esprit et dans la portée de la présente Although the preferred embodiments of the invention have been illustrated and described, it will be readily understood that the invention is not limited thereto and that variants will come to mind of those skilled in the art, these should remain in the spirit and in the scope of this
invention, tel que décrit dans les revendications invention as described in the claims
jointes.attached.
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