FR2828769A1

FR2828769A1 - Element de base d'une pile a combustible avec electrolyte tridimensionnel et son procede de fabrication

Info

Publication number: FR2828769A1
Application number: FR0116682A
Authority: FR
Inventors: Jean Yves Laurent; Didier Marsacq; Emmanuel Damery; Jean Arroyo
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2003-02-21

Abstract

L'élément de base présente une surface d'échange entre l'électrolyte (1) et les électrodes (10) et (20) relativement importante par rapport à la surface projetée.L'électrolyte (1) est constitué d'une plaque ou d'une feuille préalablement usinée, déformée. Les électrodes (10) et (20) sont alors fixées sur les deux surfaces (2) de l'électrolyte (1), ainsi déformées.Application aux piles à combustible de petites dimensions.

Description

ELEMENT DE BASE D'UNE PILE A COMBUSTIBLE
AVEC ELECTROLYTE TRIDIMENSIONNEL
ET SON PROCEDE DE FABRICATION
DESCRIPTION
Domaine de l'invention
L'invention concerne le domaine des piles à combustible de petites dimensions destinées à être utilisées en tant que micro-source d'énergie portable, bien qu'elle puisse être appliquée à des piles à combustible de moyenne puissance. Elle concerne, en particulier, l'élément de base d'un module de base constituant une pile à combustible, c'est-à-dire l'élément membrane/électrodes, soit électrolyte/électrodes.

Art antérieur et problème posé
Les piles à combustible sont des piles électrochimiques constituées généralement d'un empilement d'étages producteurs d'énergie. Chacun d'entre eux comprend une anode et une cathode placées chacune de part et d'autre d'une couche d'électrolyte.

Un réactif différent arrive sur chacune des surfaces de ces deux électrodes, à savoir un carburant et un comburant. Ceux-ci réagissent chimiquement l'un par rapport à l'autre, par l'intermédiaire de la couche d'électrolyte, de sorte qu'il est possible de prélever une tension électrique aux bornes des deux électrodes.

De manière générale, les éléments de base membrane (ou électrolyte) /électrodes sont plats. Plus précisément, cet élément de base est pris en sandwich entre les deux plaques polaires constituant les éléments permettant l'apport et l'évacuation du carburant et du comburant. L'électrolyte est constitué d'une membrane fine prise en sandwich entre deux électrodes planes. Or, le caractère plan de ces éléments de base membrane/électrodes d'électrolyte ne permet pas d'obtenir une surface d'échange suffisamment importante pour produire l'énergie électrique nécessaire, afin d'alimenter en énergie les dispositifs électroniques des appareils portables. Le but de l'invention est donc de remédier à cet inconvénient.

Résumé de l'invention
A cet effet, un premier objet principal de l'invention est un élément de base d'une pile à combustible de petites dimensions, comprenant : un électrolyte en plaque ou en feuille ; deux électrodes placées chacune sur une surface de l'électrolyte.

Selon l'invention, au moins une des deux faces de l'électrolyte est tridimensionnelle, c'est-à-dire qu'elle comprend un relief qui est recouvert d'une des deux électrodes qui épouse, de ce fait, ce relief.

De préférence, les deux surfaces de l'électrolyte sont tridimensionnelles, les deux

électrodes recouvrant chacune une de ces deux surfaces tridimensionnelles.

Un deuxième objet principal de l'invention est un procédé de fabrication d'un tel élément de base.

Selon l'invention, il consiste, dans une première version, à usiner la au moins une surface de l'électrolyte.

Cet usinage peut se faire soit par gravure ionique réactive, soit par usinage laser, soit usinage ionique par ions lourds.

Dans une deuxième variante possible, le procédé selon l'invention consiste à déformer l'électrolyte pour lui conférer le relief voulu.

Dans une troisième variante, il consiste en un moulage avec un moule et un contre-moule.

Il est également possible qu'au départ l'électrolyte soit constitué de deux plaques, dont une seule surface est usinée, les deux plaques étant ensuite assemblées par leur surface non usinée et plane.

Liste des figures
L'invention et ses caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, de trois réalisations de l'invention, accompagnée de trois figures qui représentent respectivement : figure 1, en coupe, l'élément de base selon l'invention, selon une première réalisation ;

figure 2, en coupe, Isolément selon l'invention, selon une deuxième réalisation ; et figure 3, en coupe, l'élément selon l'invention, selon une troisième réalisation de l'invention.

Description détaillée de trois réalisations de l'invention
La première réalisation de l'élément de base selon l'invention est donc représentée à la figure 1.

On y distingue, au centre, un électrolyte 1. Les surfaces externes 2 de ce dernier affectent une forme en relief, c'est-à-dire tridimensionnelle. Dans l'exemple représenté sur cette figure 1, ce relief est constitué de creux et de bosses. Ces dernières affectent une forme plus ou moins cubique, mais ceci n'est qu'un exemple de réalisation.

Le reste de l'élément de base se compose d'une anode 10 et d'une cathode 20, placées chacune sur une des deux surfaces 2 de l'électrolyte 1. En conséquence, ces deux électrodes, que constituent l'anode 10 et la cathode 20, affectent la même forme que celle des surfaces 2 de l'électrolyte 1. De ce fait, la surface externe 12 de l'élément de base possède le même relief, qui est formé de creux 3 et de bosses 4. Des parois verticales 6 rejoignent la base et le sommet des bosses 4.

On constate donc que les surfaces externes 12 de l'élément de base sont plus importantes que si cet

élément de base était plat, le relief possédant une surface développée plus importante. On obtient donc une surface d'échange ionique plus importante qu'avec un élément de base plat.

On s'attache donc à obtenir ce relief dans l'électrolyte lui-même. Différents procédés de fabrication sont utilisés. On cite, entre autres, l'utilisation de films commerciaux obtenus par pressage et déformation thermoplastique. Il est également possible d'utiliser des usinages, tels que la gravure sur des films d'électrolyte. On pense en particulier à l'usinage laser, à la gravure ionique réactive et à l'usinage ionique par ions lourds. Enfin, le relief de l'électrolyte 1 peut être réalisé par moulage avec un moule et un contre-moule.

Ces différentes techniques de fabrication peuvent permettre d'obtenir des formes diverses constituant les reliefs que l'on souhaite obtenir. Par exemple, il est possible d'utiliser des cylindres, des cônes, des tubes, des sphères ou des parallélépipèdes.

Dans les réalisations envisagées, le matériau constituant l'électrolyte est choisi parmi les polyimides, les polyéthersulfones, les polystyrènes et leurs dérivés, les polyéthercétones et leurs dérivés, les polybenzoxazoles, les polybenzimidazoles et leurs dérivés, les polyarylènes tels que les paraphénylènes et polyparaxylylènes et leurs dérivés éventuellement conducteurs ioniques.

A titre indicatif, l'épaisseur initiale d'un tel film constituant l'électrolyte 1 peut être

avantageusement, au départ, d'une épaisseur de l'ordre de 20 um.

La figure 1 montre que les deux surfaces 2 de l'électrolyte 1 possèdent des reliefs décalés l'un par rapport à l'autre, c'est-à-dire que les creux 3 de l'une correspondent aux bosses 4 de l'autre. Ceci permet de limiter la variation de l'épaisseur de l'électrolyte 1, d'une surface 2 à l'autre, et d'homogénéiser ainsi l'échange d'ions ou de protons. En effet, une épaisseur d'électrolyte constante permet d'avoir une résistance ionique uniforme entre l'anode et la cathode.

La figure 2 montre une deuxième réalisation où l'électrolyte 21 possède une seule surface 2 équipée d'un relief, la deuxième surface 22 étant plane. De ce fait, seule, l'une des deux électrodes, en l'occurrence la cathode 20, possède également une forme en relief.

De son côté, l'anode 23 est plane.

La figure 3 montre une troisième réalisation où l'électrolyte est réalisé en deux parties 31A et 31B. Les deux surfaces 32 et 33 de chacune de ces deux parties 31A et 31B sont différentes, à l'instar des deux surfaces 2 et 22 de l'électrolyte 21 de la deuxième réalisation (voir figure 2). En d'autres termes, une des surfaces, en l'occurrence la surface externe 32, est équipée d'un relief, tandis que l'autre, en l'occurrence la surface interne 33, est plane.

Ceci étant réalisé, il est alors possible de placer l'une contre l'autre les deux parties 31A et 31B par leurs surfaces internes 33 respectives qui sont

planes et de les fixer dans cette position. On note qu'il est également avantageux de décaler les reliefs respectifs des deux surfaces externes 42 de l'élément de base ainsi obtenu pour que la variation d'épaisseur de l'électrolyte, c'est-à-dire la distance séparant la cathode 20 de l'anode 40, soit minimale.

On précise que les anodes et les cathodes utilisées sur ces trois réalisations, qui ne sont que des exemples, peuvent être déposées sur l'électrolyte par pulvérisation, enduction, trempage, dépôt de vapeur (PVD, CVD), ou revêtement par centrifugation.

Un avantage supplémentaire de l'utilisation de ce type de relief est de pouvoir utiliser différentes sortes de connexion des collecteurs de courant, par exemple en parallèle ou en série des micro-piles ainsi obtenues.

Claims

REVENDICATIONS

1. Elément de base de pile à combustible de petites dimensions comprenant : - un électrolyte (1,21, 31A, 31B) en plaque ou en feuille ; et - deux électrodes (10,20, 23,40) placées chacune sur une surface (2,22) de l'électrolyte, caractérisé en ce que au moins une des deux surfaces (2,32) de l'électrolyte (1,21, 31A, 31B) est tridimensionnelle, c'est-à-dire qu'elle comprend un relief qui est recouvert d'une des deux électrodes (10, 20,40).

2. Elément de base de pile à combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux surfaces (2) de l'électrolyte (1,21, 31A, 31B) sont tridimensionnelles.

3. Procédé de fabrication d'un élément de base de pile à combustible selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à usiner la au moins une surface (2,32) de l'électrolyte (1,21, 31A, 31B).

4. Procédé de fabrication d'un élément de base de pile à combustible selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'usinage utilisé est la gravure ionique réactive.

5. Procédé de fabrication d'un élément de base de pile à combustible selon la revendication 3,

caractérisé en ce que l'usinage utilisé est un usinage laser.

6. Procédé de fabrication d'un élément de base de pile à combustible selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'usinage utilisé est un usinage ionique par ions lourds.

7. Procédé de fabrication d'un élément de base de pile à combustible selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le relief de la au moins une surface (2,32) est obtenu par déformation de l'électrolyte (1, 21,31A, 31B).

8. Procédé de fabrication d'un élément de base de pile à combustible selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'électrolyte (1, 21,31A, 31B) et sa au moins une surface (2,32) sont formés par moulage avec un moule et un contre-moule.

9. Procédé de fabrication d'un élément de base de pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que l'électrolyte est constitué au départ de deux plaques dont une surface (32) est usinée, les deux plaques ainsi obtenues (31A, 31B) étant ensuite assemblées par leur surface interne (33) non usinée et plane.