FR2853142A1

FR2853142A1 - METHOD FOR MANUFACTURING A COMPONENT COMPRISING AN ELECTRODE AND A RIGID SEAL AND COMPONENT OBTAINED THEREBY

Info

Publication number: FR2853142A1
Application number: FR0303786A
Authority: FR
Inventors: Jean Francois Blachot; Didier Marsacq
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2004-10-01
Also published as: WO2004088775A3; WO2004088775A2

Abstract

Le procédé comporte le dépôt de l'électrode (1) sur un support (2), le dépôt d'un matériau durcissable (3) sur le support (2) à la périphérie de l'électrode (1) et le positionnement d'une couche de recouvrement (4) sur l'ensemble comportant l'électrode (1) et le matériau durcissable (3). L'ensemble est ensuite comprimé entre le support (2) et la couche de recouvrement (4). Après durcissement du matériau durcissable (3), le support (2) et la couche de recouvrement (4) sont enlevés. Le dépôt du matériau durcissable (3) peut comporter le dépôt de mat de fibre de verre, sur le support (2), à la périphérie de l'électrode (1), et le dépôt d'une résine recouvrant le mat de fibre de verre et l'imbibant.The method comprises depositing the electrode (1) on a support (2), depositing a hardenable material (3) on the support (2) at the periphery of the electrode (1) and positioning the a covering layer (4) on the assembly comprising the electrode (1) and the hardenable material (3). The assembly is then compressed between the support (2) and the covering layer (4). After hardening of the curable material (3), the support (2) and the covering layer (4) are removed. The deposition of the hardenable material (3) may comprise the deposition of fiberglass mat on the support (2) at the periphery of the electrode (1), and the deposition of a resin covering the fiber mat. glass and soaking it.

Description

Procédé de fabrication d'un composant comportant une électrode et unA method of manufacturing a component comprising an electrode and a

joint rigide et composant obtenu par ce procédé Domaine technique de l'invention L'invention concerne un procédé de fabrication d'un composant, comportant un joint d'étanchéité disposé à la périphérie d'une électrode. The invention relates to a method for manufacturing a component, comprising a seal disposed on the periphery of an electrode.

État de la technique Les électrodes de piles à combustible comportent usuellement des joints d'étanchéité compressibles permettant d'éviter l'échappement des combustibles 15 vers l'extérieur. Chaque électrode, l'anode et la cathode, est typiquement constituée par une couche, entourée à sa périphérie par un joint flexible. STATE OF THE ART The fuel cell electrodes usually comprise compressible seals which make it possible to prevent the fuels from escaping to the outside. Each electrode, the anode and the cathode, is typically constituted by a layer, surrounded at its periphery by a flexible seal.

L'étanchéité est assurée par compression du joint entre des plaques polaires de la pile lors de l'assemblage des électrodes et d'une membrane disposée entre celles-ci. Le contrôle de la compression est primordial pour optimiser le 20 fonctionnement de la pile à combustible mais est difficile à réaliser et peut provoquer la destruction de la membrane, par exemple. En effet, l'électrode doit être suffisamment comprimée pour présenter une bonne conduction, de même le joint doit être soumis à une pression permettant d'assurer l'étanchéité, mais cette contrainte doit rester modérée pour éviter de trop grandes déformations 25 des éléments disposés entre les plaques polaires, notamment la membrane de la pile. La gamme d'épaisseur et de caractéristiques mécaniques des matériaux de joints commerciaux est limitée et elle n'offre pas un joint adapté à chaque électrode. Sealing is provided by compressing the seal between polar plates of the cell during assembly of the electrodes and a membrane disposed therebetween. Compression control is essential to optimize the operation of the fuel cell but is difficult to achieve and may cause destruction of the membrane, for example. Indeed, the electrode must be sufficiently compressed to have good conduction, the seal must also be subjected to a pressure to ensure tightness, but this stress must remain moderate to prevent excessive deformation of the elements arranged between the polar plates, in particular the cell membrane. The range of thickness and mechanical characteristics of commercial seal materials is limited and does not provide a seal adapted to each electrode.

Dans le cas de joints non-solidaires de l'électrode, le positionnement relatif de ces deux éléments lors du montage des piles à combustible nécessite un ajustement précis souvent difficile à réaliser. De plus, l'interface électrode/joint crée un gradient de contrainte important pouvant engendrer des ruptures de la 5 membrane, surtout dans le cas de membranes peu déformables. L'apparition de ces ruptures entraîne une diminution de la durée de vie des membranes. In the case of non-integral joints of the electrode, the relative positioning of these two elements during assembly of fuel cells requires a precise adjustment often difficult to achieve. In addition, the electrode / seal interface creates a large stress gradient that can cause diaphragm breaks, especially in the case of poorly deformable membranes. The occurrence of these breaks leads to a decrease in the life of the membranes.

Objet de l'invention L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et, plus particulièrement, un procédé de fabrication d'un composant comportant un joint d'étanchéité permettant d'éviter l'endommagement de la membrane d'une pile à combustible utilisant ce composant. OBJECT OF THE INVENTION The object of the invention is to overcome these drawbacks and, more particularly, a method of manufacturing a component comprising a seal that makes it possible to prevent damage to the membrane of a battery. fuel using this component.

Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que le procédé comporte: - le dépôt de l'électrode sur un support, - le dépôt d'un matériau durcissable sur le support à la périphérie de l'électrode, - le positionnement d'une couche de recouvrement sur l'ensemble comportant l'électrode et le matériau durcissable, - la compression dudit ensemble entre le support et la couche de recouvrement, - le durcissement du matériau durcissable, - l'enlèvement du support et de la couche de recouvrement. According to the invention, this object is achieved by the fact that the method comprises: the deposition of the electrode on a support, the deposition of a hardenable material on the support at the periphery of the electrode, the positioning a covering layer on the assembly comprising the electrode and the hardenable material, - compressing said assembly between the support and the covering layer, - hardening of the hardenable material, - removal of the support and the layer recovery.

Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, le dépôt du matériau durcissable comporte: - le dépôt de mat de fibre de verre, sur le support, à la périphérie de l'électrode, - le dépôt d'une résine recouvrant au moins le mat de fibre de verre et l'imbibant. According to a preferred embodiment of the invention, the deposition of the curable material comprises: the deposition of fiberglass mat on the support at the periphery of the electrode; the deposition of a resin covering at least fiberglass mat and soaking it.

Selon un développement de l'invention, le procédé comporte, après le dépôt de l'électrode, successivement le dépôt d'une membrane et le dépôt d'une électrode supplémentaire, le dépôt du matériau durcissable étant effectué à la périphérie de l'ensemble constitué par la membrane et les électrodes avant 10 positionnement de la couche de recouvrement. According to a development of the invention, the method comprises, after deposition of the electrode, successively the deposition of a membrane and the deposition of an additional electrode, the deposition of the hardenable material being carried out at the periphery of the assembly. constituted by the membrane and the electrodes before positioning the covering layer.

L'invention a également pour objet un composant, réalisé par le procédé cidessus, et comportant un joint d'étanchéité disposé à la périphérie d'une électrode, le joint étant rigide et solidaire de l'électrode. The invention also relates to a component, made by the method above, and comprising a seal disposed on the periphery of an electrode, the seal being rigid and integral with the electrode.

Description sommaire des dessinsBrief description of the drawings

D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la 20 description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 illustre une étape du procédé selon l'invention. Other advantages and features will emerge more clearly from the following description of particular embodiments of the invention given by way of nonlimiting example and represented in the accompanying drawings, in which: FIG. 1 illustrates a step of the method according to the invention.

Les figures 2 et 3 représentent différents composants obtenus par le procédé selon l'invention. Figures 2 and 3 show different components obtained by the method according to the invention.

La figure 4 représente une étape d'un mode de réalisation particulier du procédé selon l'invention. FIG. 4 represents a step of a particular embodiment of the method according to the invention.

La figure 5 représente un composant obtenu par un autre mode de réalisation particulier du procédé selon l'invention. FIG. 5 represents a component obtained by another particular embodiment of the method according to the invention.

Description de modes particuliers de réalisation Description of particular embodiments

La figure 1 représente une électrode 1 plane, déposée sur un support 2 lors d'une première étape du procédé de fabrication. L'étape suivante consiste à déposer un matériau durcissable 3 sur le support 2, à la périphérie de l'électrode 10 1. Puis, une couche de recouvrement 4 est positionnée sur l'ensemble comportant l'électrode 1 et le matériau durcissable 3, qui est ensuite comprimé entre le support 2 et la couche de recouvrement 4 avec une force F. Après durcissement du matériau durcissable 3, la force F de compression est relâchée et le support 2 et la couche de recouvrement 4 sont enlevés. Ainsi, le 15 composant final comporte l'électrode 1 et un joint rigide 5, solidaire de l'électrode 1 (figure 2). Le joint 5 est ainsi intégré dans le composant, s'adapte automatiquement à l'électrode 1 et peut être réalisé avec une grande régularité d'épaisseur. FIG. 1 represents a plane electrode 1 deposited on a support 2 during a first step of the manufacturing process. The following step consists in depositing a curable material 3 on the support 2 at the periphery of the electrode 1. Then, a covering layer 4 is positioned on the assembly comprising the electrode 1 and the hardenable material 3. which is then compressed between the support 2 and the cover layer 4 with a force F. After curing the curable material 3, the compression force F is released and the support 2 and the cover layer 4 are removed. Thus, the final component comprises the electrode 1 and a rigid seal 5 integral with the electrode 1 (FIG. 2). The seal 5 is thus integrated in the component, automatically adapts to the electrode 1 and can be made with a great regularity of thickness.

La compression peut être effectuée jusqu'à une épaisseur prédéterminée de l'ensemble comportant l'électrode 1 et le matériau durcissable 3. L'épaisseur du joint 5 peut aussi être contrôlée par la force ou la pression de compression. The compression can be performed up to a predetermined thickness of the assembly comprising the electrode 1 and the curable material 3. The thickness of the seal 5 can also be controlled by the force or the compression pressure.

Pendant la compression, l'électrode 1 est comprimée à une pression correspondant sensiblement à celle qui est désirée en fonctionnement et peut 25 être utilisée comme cale d'épaisseur de la préparation du joint 5, ce qui permet d'obtenir un joint dont l'épaisseur est parfaitement adaptée à l'épaisseur de l'électrode 1. Ainsi, l'épaisseur de chaque joint 5 est définie par l'électrode 1 correspondante, prenant ainsi en compte la variabilité des épaisseurs et des comportements sur une série d'électrodes. L'épaisseur du joint rigide 5 reste constante après durcissement du matériau durcissable 3, tandis que l'électrode 1 peut éventuellement se dilater dès que la force de compression est relâchée. During compression, the electrode 1 is compressed to a pressure corresponding substantially to that desired in operation and can be used as a thickness shim of the preparation of the joint 5, which makes it possible to obtain a seal of which the thickness is perfectly adapted to the thickness of the electrode 1. Thus, the thickness of each gasket 5 is defined by the corresponding electrode 1, thus taking into account the variability of the thicknesses and behaviors on a series of electrodes. The thickness of the rigid seal 5 remains constant after hardening of the curable material 3, while the electrode 1 may possibly expand as soon as the compressive force is released.

Les figures 2 et 3 représentent respectivement une électrode la, conservant l'épaisseur déterminée par l'écart entre le support 2 et la couche de 5 recouvrement 4 en fin de compression, et une électrode lb, se dilatant après enlèvement du support 2 et de la couche de recouvrement 4. Les électrodes 1 a et 1 b peuvent, par exemple, respectivement être constituées par une grille, à base de métal ou de carbone, irréversiblement déformable, ou par un tissu, se dilatant. Figures 2 and 3 respectively represent an electrode 1a, retaining the thickness determined by the gap between the support 2 and the covering layer 4 at the end of compression, and an electrode 1b, expanding after removal of the support 2 and the covering layer 4. The electrodes 1a and 1b may, for example, respectively be constituted by a grid, based on metal or carbon, irreversibly deformable, or by a tissue, expanding.

Le joint 5 étant rigide, il peut être usiné pour l'adapter aux plaques polaires d'une pile à combustible, qui maintiennent le composant après assemblage de la pile. Ceci facilite le montage par rapport aux joints flexibles. The seal 5 being rigid, it can be machined to fit the pole plates of a fuel cell, which maintain the component after assembly of the battery. This facilitates assembly over flexible joints.

Dans un mode de réalisation préféré représenté à la figure 4, le matériau durcissable 3 est déposé en deux étapes: un dépôt de mat 6 de fibre de verre, sur le support 2, à la périphérie d'une électrode 1, puis un dépôt d'une résine 7 recouvrant le mat 6 de fibre de verre et l'imbibant. La résine 7 peut déborder du mat 6 et recouvrir également une partie périphérique de l'électrode et une partie 20 du support 2 adjacentes au mat 6 de fibre de verre. In a preferred embodiment shown in FIG. 4, the curable material 3 is deposited in two steps: a deposition of mat 6 of fiberglass on the support 2 at the periphery of an electrode 1, then a deposit of a resin 7 covering the mat 6 of fiberglass and soaking it. The resin 7 may overflow the mat 6 and also cover a peripheral portion of the electrode and a portion 20 of the support 2 adjacent to the mat 6 of fiberglass.

Le mat 6 permet de renforcer les propriétés mécaniques du joint 5 et d'éviter la propagation de fissures lors de la formation du joint. Le dépôt de la résine 7 est effectué en étalant un mélange résine/durcisseur, ayant de préférence un 25 rapport 25/9. L'épaisseur du matériau durcissable 3, constitué par le mat 6 et la résine 7, doit être supérieure à l'épaisseur finale désirée du joint, qui peut être de l'ordre de 500 gm. Le durcissement de la résine 7 peut se faire soit par une étape thermique, soit par une étape chimique ou photochimique. The mat 6 makes it possible to reinforce the mechanical properties of the gasket 5 and to prevent the propagation of cracks during the formation of the gasket. The deposition of resin 7 is carried out by spreading a resin / hardener mixture, preferably having a 25: 9 ratio. The thickness of the curable material 3, consisting of the mat 6 and the resin 7, must be greater than the desired final thickness of the seal, which may be of the order of 500 gm. The hardening of the resin 7 can be done either by a thermal step, or by a chemical or photochemical step.

La résine 7 peut être une résine époxyde et, de préférence, une résine thermodurcissable présentant une température de transition vitreuse Tv supérieure à 1300C. Ceci permet de créer une bonne interface entre l'électrode 1 et le joint 5 sans nécessiter une température supérieure à 1500C au cours du 5 procédé de fabrication du composant. Ces matériaux sont des isolants électriques et ioniques, ne se dilatent pas en présence de l'eau et sont chimiquement inertes dans l'environnement d'une pile à combustible. The resin 7 may be an epoxy resin and, preferably, a thermosetting resin having a glass transition temperature Tv greater than 1300C. This makes it possible to create a good interface between the electrode 1 and the seal 5 without requiring a temperature greater than 1500 ° C. during the manufacturing process of the component. These materials are electrical and ionic insulators, do not expand in the presence of water, and are chemically inert in the environment of a fuel cell.

Le support 2 et la couche de recouvrement 4 peuvent être constitués, de 10 préférence, par une feuille en matière anti-adhérente, par exemple en matériau polymère (PVDF, PTFE). Les feuilles peuvent ainsi être retirées facilement après durcissement du matériau durcissable 3. The support 2 and the covering layer 4 may preferably consist of a sheet of non-stick material, for example of polymeric material (PVDF, PTFE). The sheets can thus be removed easily after hardening of the hardenable material 3.

Lors de l'étape de compression, l'air que contient l'électrode 1, doit pouvoir 15 s'échapper. Afin d'éviter que l'air ne s'évacue dans la résine 7 et ne crée des bulles dans le joint 5 final, la couche de recouvrement 4 comporte, de préférence, un orifice 10 d'évacuation d'air. La couche de recouvrement 4 doit être posée sur l'électrode 1 de manière à ce que l'orifice 10 d'évacuation d'air soit disposé sensiblement face au centre de l'électrode 1. La compression peut 20 être effectuée à l'aide d'un plateau de serrage (non-représenté), disposé parfaitement parallèlement à l'électrode. Le plateau possède également un orifice centré sur l'orifice 10 d'évacuation d'air de la couche de recouvrement 4. During the compression step, the air contained in the electrode 1 must be able to escape. In order to prevent air from escaping into the resin 7 and creating bubbles in the final seal 5, the cover layer 4 preferably has an air outlet port 10. The cover layer 4 must be placed on the electrode 1 so that the air discharge opening 10 is disposed substantially opposite the center of the electrode 1. The compression can be performed using a clamping plate (not shown), arranged perfectly parallel to the electrode. The plate also has an orifice centered on the air evacuation orifice 10 of the covering layer 4.

L'ensemble est mis sous pression en utilisant un point d'application de la pression centré sur l'électrode 1, de manière à homogénéiser la répartition de la 25 contrainte sur l'électrode. La force de compression est progressivement augmentée jusqu'à la valeur désirée. The assembly is pressurized using a point of application of the pressure centered on the electrode 1, so as to homogenize the distribution of the stress on the electrode. The compressive force is gradually increased to the desired value.

Dans une variante de réalisation, on peut fabriquer un joint rigide 5 autour d'un empilement constitué par l'anode 1, la membrane 8 et la cathode 9 d'une pile à combustible (figure 5). Dans ce cas, après dépôt de l'électrode 1, sur le support 2, une membrane 8 et une électrode supplémentaire 9 sont successivement déposées de manière à former un empilement anode-membrane-cathode sur le support 2. Le dépôt du matériau durcissable 3 est alors effectué à la périphérie 5 de l'empilement constitué par la membrane 8 et les électrodes 1 et 9, avant positionnement de la couche de recouvrement 4. Comme précédemment, l'ensemble est alors comprimé et le matériau durcissable 3 durci avant retrait du support 2 et la couche de recouvrement 4. Ainsi, ultérieurement lorsque l'ensemble est comprimé entre les plaques polaires d'une pile à combustible, la 10 membrane est protégée des contraintes mécaniques par le joint 5 rigide servant de cale supportant les contraintes. In an alternative embodiment, it is possible to manufacture a rigid seal 5 around a stack formed by the anode 1, the membrane 8 and the cathode 9 of a fuel cell (FIG. 5). In this case, after deposition of the electrode 1, on the support 2, a membrane 8 and an additional electrode 9 are successively deposited so as to form an anode-membrane-cathode stack on the support 2. The deposition of the hardenable material 3 is then performed at the periphery 5 of the stack constituted by the membrane 8 and the electrodes 1 and 9, before positioning of the cover layer 4. As before, the assembly is then compressed and the hardenable material 3 cured before removing the Thus, subsequently, when the assembly is compressed between the pole plates of a fuel cell, the membrane is protected from mechanical stresses by the rigid seal 5 serving as a load-bearing wedge.

Une électrode selon l'invention peut être intégrée dans tout type de pile à combustible (par exemple du type " PEMC: proton exchange membrane fusion 15 cell " ou AFC: alkaline fuel cell "). An electrode according to the invention can be integrated in any type of fuel cell (for example of the type "PEMC: proton exchange membrane fusion cell 15" or AFC: alkaline fuel cell ").

Claims

claims

1. A method of manufacturing a component, comprising a sealing gasket (5) disposed at the periphery of an electrode (1), characterized in that it comprises: - the deposition of the electrode (1) ) on a support (2), - the deposition of a curable material (3) on the support (2) at the periphery of the electrode (1), - the positioning of a covering layer (4) on the assembly comprising the electrode (1) and the hardenable material (3), - compressing said assembly between the support (2) and the covering layer (4), - hardening of the hardenable material (3), - the removing the support (2) and the covering layer (4).

2. Method according to claim 1, characterized in that the deposition of the hardenable material (3) comprises: the deposition of mat (6) of glass fiber on the support (2) at the periphery of the electrode ( 1), - the deposition of a resin (7) covering at least the mat (6) of fiberglass and soaking it.

3. Method according to claim 2, characterized in that the resin (6) is an epoxy resin.

4. Method according to one of claims 2 and 3, characterized in that the resin (6) is a thermosetting resin having a glass transition temperature greater than 1300C.

5. Method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the compression is performed to a predetermined thickness of said assembly.

6. Method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the compression is performed to a predetermined pressure.

7. Method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the electrode (la) is constituted by a metal gate.

8. Method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the electrode (l b) is constituted by a fabric.

9. Method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the carrier (2) is constituted by a sheet of antiadherent material.

10. Method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the covering layer (4) consists of a sheet of non-stick material.

11. A method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the covering layer (4) comprises an orifice (10) for discharging air.

12. Method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that it comprises, after the deposition of the electrode (1), successively the deposition of a membrane (8) and the deposition of an electrode additional (9), the deposition of the curable material (3) being performed at the periphery of the assembly consisting of the membrane (8) and the electrodes (1 and 9) before positioning the covering layer (4).

13. Component comprising a sealing gasket (5) disposed at the periphery of an electrode (1), characterized in that it is obtained by the method according to any one of claims 1 to 12, the seal ( 5) being rigid and integral with the electrode (1).