FR2836283A1 - Fuel cell for electric motor vehicle has cells each with anode, cathode and electrolyte between two bipolar cells, and some cells having phase change material - Google Patents
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Abstract
Description
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Pile à combustible à puissance renforcée et son procédé de fabrication et utilisation pour la traction électrique d'un véhicule
La présente invention concerne une pile à combustible à puissance renforcée, et concerne plus particulièrement une pile à combustible de type PEM (proton exchange membrane). Reinforced power fuel cell and its manufacturing process and use for electric traction of a vehicle
The present invention relates to a fuel cell with enhanced power, and more particularly relates to a fuel cell of the PEM (proton exchange membrane) type.
La pile à combustible apparaît de plus en plus comme le convertisseur d'énergie le plus propre et le plus efficace pour convertir l'énergie chimique en une énergie directement utilisable sous forme électrique et thermique. The fuel cell is increasingly seen as the cleanest and most efficient energy converter for converting chemical energy into energy that can be used directly in electrical and thermal form.
Son principe de fonctionnement est simple : il s'agit d'une combustion électrochimique et contrôlée d'hydrogène et d'oxygène, avec production simultanée d'électricité, d'eau et de chaleur, selon la réaction chimique : H2 + 1/2 z H20. Cette réaction s'opère au sein d'une structure essentiellement composée de deux électrodes, l'anode et la cathode, séparées par un électrolyte : c'est la réaction inverse de l'électrolyse de l'eau. Its operating principle is simple: it is an electrochemical and controlled combustion of hydrogen and oxygen, with simultaneous production of electricity, water and heat, according to the chemical reaction: H2 + 1/2 z H2O. This reaction takes place within a structure essentially composed of two electrodes, the anode and the cathode, separated by an electrolyte: it is the opposite reaction of the electrolysis of water.
De nombreuses piles à combustible sont constituées d'un empilement de cellules électrochimiques, chacune comprenant deux électrodes, dont une anode et une cathode, auxquelles sont apportés continûment un comburant et un combustible, qui restent séparées par une membrane échangeuse d'ions faisant office d'électrolyte. La membrane échangeuse d'ions peut être formée d'un électrolyte solide polymère et sépare le compartiment de l'anode, où se produit l'oxydation du combustible, tel que l'hydrogène, du compartiment de la cathode, où le comburant, tel que l'oxygène de l'air, est réduit. Many fuel cells consist of a stack of electrochemical cells, each comprising two electrodes, including an anode and a cathode, to which an oxidant and a fuel are continuously supplied, which remain separated by an ion exchange membrane acting as a 'electrolyte. The ion exchange membrane can be formed from a solid polymer electrolyte and separates the anode compartment, where oxidation of the fuel, such as hydrogen, occurs from the cathode compartment, where the oxidant, such that the oxygen in the air is reduced.
Chaque cellule d'un empilement d'une pile à combustible est ainsi constituée d'un ensemble central comprenant la membrane, prise en sandwich entre les deux électrodes, cet ensemble étant lui-même Each cell of a fuel cell stack thus consists of a central assembly comprising the membrane, sandwiched between the two electrodes, this assembly itself
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placé entre deux flasques, appelées plaques bipolaires. Ces dernières ont plusieurs fonctions. placed between two flanges, called bipolar plates. These have several functions.
La première de ces fonctions est d'amener au contact de l'ensemble réunissant la membrane et les électrodes, d'un côté le carburant, par exemple de l'hydrogène, et de l'autre côté le comburant, par exemple l'oxygène de l'air. Pour ce faire, un canal de distribution est prévu sur toute la face des plaques polaires en contact avec la membrane. Chaque canal possède une entrée par laquelle pénètre le comburant ou le carburant, par exemple sous la forme gazeuse sèche ou humide, et une sortie par laquelle sont évacués les gaz neutres, l'eau générée par la réaction d'oxydoréduction dans le côté air et l'humidité résiduelle de l'hydrogène de son côté. Bien entendu, les deux circuits doivent être parfaitement étanches l'un par rapport à l'autre et chacun vis-à-vis de l'extérieur. The first of these functions is to bring into contact with the assembly uniting the membrane and the electrodes, on the one hand the fuel, for example hydrogen, and on the other side the oxidizer, for example oxygen air. To do this, a distribution channel is provided on the entire face of the pole plates in contact with the membrane. Each channel has an inlet through which the oxidant or fuel enters, for example in the dry or wet gaseous form, and an outlet through which the neutral gases, the water generated by the redox reaction are discharged into the air side and the residual moisture of the hydrogen on its side. Of course, the two circuits must be perfectly sealed with respect to each other and each vis-à-vis the outside.
La deuxième fonction des plaques bipolaires est de collecter les électrons produits par la réaction d'oxydoréduction. The second function of bipolar plates is to collect the electrons produced by the redox reaction.
La troisième fonction de ces plaques bipolaires est d'assurer l'évacuation des calories produites conjointement avec les électrons lors de la réaction d'oxydoréduction. The third function of these bipolar plates is to ensure the evacuation of the calories produced jointly with the electrons during the redox reaction.
En outre, les plaques bipolaires assurent la tenue mécanique de l'ensemble électrodes-membrane. In addition, the bipolar plates ensure the mechanical strength of the electrode-membrane assembly.
Un des problèmes liés au fonctionnement de la pile à combustible est que celle-ci dégage une quantité d'énergie importante sous forme thermique. Il est ainsi nécessaire de refroidir la pile à combustible pour éviter une dégradation de certains de ses composants, tel que la membrane, en raison d'une température interne trop élevée. One of the problems associated with the operation of the fuel cell is that it releases a significant amount of energy in thermal form. It is thus necessary to cool the fuel cell to avoid degradation of some of its components, such as the membrane, due to an internal temperature that is too high.
Il est connu de refroidir la pile à combustible à l'aide d'un liquide ou d'un gaz réfrigérant, tel que décrit dans le brevet US n 4, 599,282. Toutefois, les piles à combustibles de type classique présentent l'inconvénient de mal résister à de brusques variations de températures. It is known to cool the fuel cell using a liquid or a refrigerant gas, as described in US Pat. No. 4,599,282. However, conventional type fuel cells have the drawback of poorly withstanding sudden temperature variations.
La présente invention propose une pile à combustible remédiant à ces inconvénients. The present invention provides a fuel cell overcoming these drawbacks.
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En particulier, la présente invention propose une pile à combustible qui puisse supporter des phases transitoires durant lesquelles la puissance exigée est importante, comme par exemple une phase d'accélération ou de dépassement dans le cas d'un véhicule utilisant une pile à combustible. In particular, the present invention provides a fuel cell which can withstand transient phases during which the required power is high, such as for example an acceleration or overtaking phase in the case of a vehicle using a fuel cell.
L'invention a également pour objet l'utilisation de cette pile à combustible pour la traction électrique d'un véhicule automobile. The invention also relates to the use of this fuel cell for the electric traction of a motor vehicle.
La pile à combustible selon l'invention comprend une ou plusieurs cellules élémentaires, chaque cellule élémentaire comprenant un ensemble formé par une anode, une cathode et un électrolyte situé entre l'anode et la cathode, l'ensemble formé par l'anode, l'électrolyte et la cathode étant placé entre deux plaques bipolaires. En outre, au moins certaines cellules élémentaires comportent un matériau à changement de phase dont la température de changement de phase est proche de la température maximale de fonctionnement admissible de la pile à combustible.
Par proche , on entend que l'écart entre les deux températures est inférieur à 20 C, et de préférence à 15 C. By close, we mean that the difference between the two temperatures is less than 20 C, and preferably 15 C.
De préférence, le matériau à changement de phase est disposé à l'intérieur d'un ou plusieurs logements pratiqués dans au moins une plaque bipolaire. Preferably, the phase change material is placed inside one or more housings formed in at least one bipolar plate.
L'ensemble formé par les cellules électrochimiques peut être placé entre deux plaques terminales permettant le serrage des cellules. De la même façon que pour les plaques bipolaires, le matériau à changement de phase peut être disposé à l'intérieur d'un ou plusieurs logements pratiqués dans au moins une plaque terminale. The assembly formed by the electrochemical cells can be placed between two end plates allowing the cells to be clamped. In the same way as for bipolar plates, the phase change material can be placed inside one or more housings made in at least one end plate.
Les logements sont par exemple les canaux de distribution décrits plus haut. The housings are for example the distribution channels described above.
En cas d'échauffement excessif de la plaque bipolaire, le matériau à changement de phase, dans le cas d'un changement de phase solide-liquide, peut passer de l'état solide à l'état liquide. Le surplus de puissance thermique, qui ne peut être évacué par le circuit de refroidissement interne à la pile à combustible, est absorbé par l'enthalpie de fusion du matériau. In the event of excessive heating of the bipolar plate, the material with phase change, in the case of a change of solid-liquid phase, can pass from the solid state to the liquid state. The excess thermal power, which cannot be removed by the cooling circuit internal to the fuel cell, is absorbed by the enthalpy of fusion of the material.
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Lors d'une période transitoire, la charge couplée à la pile peut avoir une demande importante de puissance, comme par exemple lors d'une phase d'accélération ou de dépassement dans le cas d'un véhicule utilisant une pile à combustible. Cette puissance exigée peut être supérieure à la puissance électrique nominale de la pile à combustible et provoquer un échauffement excessif de la plaque bipolaire. During a transitional period, the load coupled to the battery may have a significant demand for power, such as during an acceleration or passing phase in the case of a vehicle using a fuel cell. This required power may be greater than the nominal electric power of the fuel cell and cause excessive heating of the bipolar plate.
Le surplus de puissance thermique ne peut être évacué par le circuit de refroidissement interne à la pile à combustible. The excess thermal power cannot be removed by the cooling circuit internal to the fuel cell.
Grâce à la présence du matériau à changement de phase, la pile à combustible peut supporter sans dommage ce surplus de puissance thermique. Thanks to the presence of the phase change material, the fuel cell can withstand this excess thermal power without damage.
En effet, durant la période de passage de l'état solide à l'état liquide du matériau inséré dans les plaques bipolaires, l'excès de la puissance dissipée thermiquement est absorbé par la chaleur latente de fusion du matériau. Indeed, during the period of transition from the solid state to the liquid state of the material inserted in the bipolar plates, the excess of the heat dissipated power is absorbed by the latent heat of fusion of the material.
Ainsi, la durée de fonctionnement en surplus de puissance dépendra de la quantité de matériau inséré dans les plaques bipolaires. Thus, the operating time in excess power will depend on the amount of material inserted in the bipolar plates.
L'homme du métier, en fonction des cycles de fonctionnement et de la durée de la surcharge, pourra ainsi déterminer la quantité de matériau à incorporer dans les plaques. Those skilled in the art, depending on the operating cycles and the duration of the overload, will thus be able to determine the amount of material to be incorporated into the plates.
Cette capacité de la pile à combustible à absorber le surplus de puissance thermique permet d'avoir une puissance tampon disponible, sans la présence de batteries tampon, ou avec des batteries tampon de taille réduite. This capacity of the fuel cell to absorb the excess thermal power makes it possible to have available buffer power, without the presence of buffer batteries, or with buffer batteries of reduced size.
En outre, cette capacité permet de diminuer les échauffements locaux de la membrane, appelés points chauds, ce qui entraîne un accroissement de la durée de vie de la pile à combustible. In addition, this capacity makes it possible to reduce the local heating of the membrane, called hot spots, which leads to an increase in the life of the fuel cell.
De préférence, le matériau à changement de phase est susceptible de passer de l'état solide à l'état liquide ; de préférence il est également susceptible de passer de l'état liquide à l'état solide. Preferably, the phase change material is capable of passing from the solid state to the liquid state; preferably it is also capable of passing from the liquid state to the solid state.
Il est à noter que le passage de l'état liquide à l'état solide se fait automatiquement, par conduction thermique avec les plaques de refroidissement. It should be noted that the transition from the liquid state to the solid state takes place automatically, by thermal conduction with the cooling plates.
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Parmi les matériaux susceptible de passer de l'état solide à l'état liquide, on peut notamment citer l'alliage de Wood, les matériaux organiques à faible point de fusion comme par exemple la cire. Among the materials capable of passing from the solid state to the liquid state, mention may in particular be made of Wood's alloy, organic materials with a low melting point, for example wax.
De préférence, l'électrolyte de la pile à combustible est une membrane échangeuse d'ions. On peut utiliser par exemple des membranes en polymère perfluoré sulfuré. Preferably, the electrolyte of the fuel cell is an ion exchange membrane. It is possible, for example, to use membranes made of perfluorinated sulfurized polymer.
La pile à combustible selon l'invention peut comprendre plusieurs cellules élémentaires. Elle peut notamment être constitué par un empilement de cellules électrochimiques adjacentes. Dans ce cas, la pile à combustible comprenant n plaques bipolaires, n étant un entier naturel supérieur ou égal à 2, la pile à combustible comprend (n-1) cellules électrochimiques adjacentes, de sorte que la première et la énième plaque bipolaire appartiennent respectivement à la première et la énième cellule électrochimique, et que les autres plaques bipolaires sont communes à deux cellules électrochimiques adjacentes. The fuel cell according to the invention can comprise several elementary cells. It can in particular be constituted by a stack of adjacent electrochemical cells. In this case, the fuel cell comprising n bipolar plates, n being a natural integer greater than or equal to 2, the fuel cell comprises (n-1) adjacent electrochemical cells, so that the first and the umpteenth bipolar plate belong respectively to the first and the umpteenth electrochemical cell, and that the other bipolar plates are common to two adjacent electrochemical cells.
L'une au moins des plaques bipolaires peut être parcourue par un fluide caloporteur. L'utilisation d'un fluide caloporteur est destinée à faciliter l'évacuation de la puissance thermique dissipée par la réaction électrochimique. Les plaques bipolaires parcourues par un fluide caloporteur sont appelées plaques de refroidissement. At least one of the bipolar plates can be traversed by a heat transfer fluid. The use of a heat transfer fluid is intended to facilitate the evacuation of the thermal power dissipated by the electrochemical reaction. The bipolar plates through which a heat transfer fluid passes are called cooling plates.
Le matériau à changement de phase peut notamment être disposé dans des canaux pratiqués dans l'épaisseur de la plaque bipolaire. The phase change material can in particular be placed in channels formed in the thickness of the bipolar plate.
Les plaques bipolaires et/ou terminales peuvent être réalisées en carbone. The bipolar and / or terminal plates can be made of carbon.
Le carbone est de préférence sous forme graphite. The carbon is preferably in graphite form.
Le matériau à changement de phase peut notamment être disposé dans des canaux pratiqués dans l'épaisseur de la plaque bipolaire. The phase change material can in particular be placed in channels formed in the thickness of the bipolar plate.
Selon une variante de l'invention, le matériau à changement de phase peut être disposé dans un espace clos aménagé entre deux flancs de la plaque bipolaire. According to a variant of the invention, the phase change material can be placed in an enclosed space arranged between two sides of the bipolar plate.
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Les plaques bipolaires et/ou terminales peuvent comprendre du métal. Elles peuvent notamment être constituées par des flancs en tôle ondulée, emboutis et assemblés, par exemple par soudage, sertissage ou collage. The bipolar and / or terminal plates may include metal. They can in particular be constituted by sides of corrugated sheet, stamped and assembled, for example by welding, crimping or gluing.
Selon une autre variante de l'invention, les flancs sont des profilés obtenus par extrusion. De préférence, les plaques bipolaires et/ou terminales sont des plaques d'aluminium extrudées. According to another variant of the invention, the sides are profiles obtained by extrusion. Preferably, the bipolar and / or terminal plates are extruded aluminum plates.
Selon une autre variante de l'invention, la plaque bipolaire est moulée à l'aide d'un insert. Les flancs sont réalisés à partir d'un polymère comprenant du graphite ou un matériau conducteur de l'électricité. Ce type de matériau permet une obtention de la plaque par moulage ou par injection. Ainsi, l'incorporation du matériau à changement de phase peut se faire à l'aide d'un insert qui est fixé dans un moule préalablement à l'injection ou au moulage. According to another variant of the invention, the bipolar plate is molded using an insert. The sidewalls are made from a polymer comprising graphite or an electrically conductive material. This type of material allows the plate to be obtained by molding or by injection. Thus, the incorporation of the phase change material can be done using an insert which is fixed in a mold prior to injection or molding.
L'invention a également pour objet l'utilisation d'une pile à combustible décrite ci-dessus pour la traction électrique d'un véhicule automobile. The invention also relates to the use of a fuel cell described above for the electric traction of a motor vehicle.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de différents modes de mise en oeuvre nullement limitatifs de la pile à combustible selon l'invention et illustrés par les figures 1 à 5 sur lesquelles : - la figure 1 illustre schématiquement une cellule élémentaire d'une pile à combustible,
- la figure 2 illustre schématiquement une plaque bipolaire selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 illustre la plaque bipolaire de la figure 2, vue de dessus, - la figure 4 illustre schématiquement une plaque bipolaire selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, - la figure 5 illustre schématiquement une plaque bipolaire selon un troisième mode de réalisation de l'invention. Other advantages and characteristics of the invention will appear on examining the detailed description of different modes of implementation which are in no way limitative of the fuel cell according to the invention and illustrated by FIGS. 1 to 5 in which: the FIG. 1 schematically illustrates an elementary cell of a fuel cell,
- Figure 2 schematically illustrates a bipolar plate according to a first embodiment of the invention, - Figure 3 illustrates the bipolar plate of Figure 2, top view, - Figure 4 schematically illustrates a bipolar plate according to a second mode of embodiment of the invention, - Figure 5 schematically illustrates a bipolar plate according to a third embodiment of the invention.
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La figure 1 montre schématiquement une cellule élémentaire 1 d'une pile à combustible. La cellule 1 comprend deux plaques bipolaires 2 encadrant la cellule 1. A l'intérieur de la cellule 1 se trouve un électrolyte 6 entouré par une anode 5a et une cathode 5b, deux joints 4 et deux collecteurs de courant 3. FIG. 1 schematically shows an elementary cell 1 of a fuel cell. Cell 1 comprises two bipolar plates 2 framing cell 1. Inside cell 1 is an electrolyte 6 surrounded by an anode 5a and a cathode 5b, two seals 4 and two current collectors 3.
L'électrolyte 6 est de préférence une membrane échangeuse d'ions. On peut utiliser par exemple des membranes en polymère perfluoré sulfuré. The electrolyte 6 is preferably an ion exchange membrane. It is possible, for example, to use membranes made of perfluorinated sulfurized polymer.
La figure 2 montre schématiquement une plaque bipolaire selon un premier mode de réalisation de l'invention. FIG. 2 schematically shows a bipolar plate according to a first embodiment of the invention.
Dans ce mode de réalisation, la plaque bipolaire 2 est réalisée en carbone ou en graphite usiné. Un matériau à changement de phase 8 est incorporé dans des canaux 7 de la plaque bipolaire 2. Les canaux 7 où est inséré le matériau à changement de phase 8 sont réalisés par perçage ou par toute autre méthode d'usinage. La section des canaux 7 est quelconque, par exemple de forme circulaire. On peut également envisager d'autres sections, par exemple de forme carrée, triangulaire ou rectangulaire. In this embodiment, the bipolar plate 2 is made of carbon or machined graphite. A phase change material 8 is incorporated into channels 7 of the bipolar plate 2. The channels 7 into which the phase change material 8 is inserted are produced by drilling or by any other machining method. The section of the channels 7 is arbitrary, for example of circular shape. We can also consider other sections, for example square, triangular or rectangular.
La figure 3, où les éléments identiques portent les mêmes références, illustre la plaque bipolaire de la figure 2, vue de dessus.
Une seule rangée de canaux 7 est représentée, mais la plaque bipolaire
2 peut comporter plusieurs rangées de canaux 7, disposées par exemple en quinconce ou alignées. Figure 3, where the identical elements have the same references, illustrates the bipolar plate of Figure 2, seen from above.
Only one row of channels 7 is shown, but the bipolar plate
2 may comprise several rows of channels 7, arranged for example in staggered rows or aligned.
Dans un deuxième mode de réalisation illustré schématiquement sur la figure 4, la plaque bipolaire 2 est constituée de deux flancs 2a et 2b en tôle métallique. La tôle métallique peut être ondulée en zig-zag ou en arrondis. Les deux flancs 2a et 2b sont maintenus à une certaine distance l'un de l'autre. Le matériau à changement de phase 8 est ensuite inséré dans l'espace situé entre les deux flancs 2a et 2b, puis les deux flancs 2a et 2b sont assemblés à leur extrémité par un soudage 9, afin d'éviter que le matériau 8 ne s'échappe durant le changement de phase. On peut également In a second embodiment illustrated schematically in Figure 4, the bipolar plate 2 consists of two sides 2a and 2b made of metal sheet. The metal sheet can be waved in a zig-zag or rounded. The two sides 2a and 2b are kept at a certain distance from each other. The phase change material 8 is then inserted into the space between the two sides 2a and 2b, then the two sides 2a and 2b are assembled at their ends by welding 9, in order to prevent the material 8 from s escapes during the phase change. We can also
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envisager un assemblage par sertissage ou collage. La forme des flancs 2a et 2b est généralement étudiée pour permettre la circulation des fluides réactant et de refroidissement. consider assembly by crimping or gluing. The shape of the flanks 2a and 2b is generally studied to allow the circulation of the reactant and cooling fluids.
Dans un troisième mode de réalisation illustré schématiquement sur la figure 5, la plaque bipolaire 2 est fabriquée à partir de profilés 2a et 2b. Les profilés 2a et 2b sont obtenus par extrusion, par exemple à partir d'une plaque d'aluminium, et peuvent être notamment en forme de créneau. La surface des profilés 2a et 2b est en outre généralement recouverte par un traitement de surface. Le matériau à changement de phase 8 est ensuite inséré dans l'un des deux profilés 2a et 2b ou dans les deux. La plaque bipolaire 2 est achevée par mise en contact et soudage des deux profilés 2a et 2b. In a third embodiment illustrated schematically in Figure 5, the bipolar plate 2 is made from profiles 2a and 2b. Profiles 2a and 2b are obtained by extrusion, for example from an aluminum plate, and can in particular be in the form of a slot. The surface of the sections 2a and 2b is also generally covered by a surface treatment. The phase change material 8 is then inserted into one or both of the two sections 2a and 2b. The bipolar plate 2 is completed by contacting and welding the two sections 2a and 2b.
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Also Published As
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|---|---|
| FR2836283B1 (en) | 2004-11-05 |
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