FR2865852A1 - Fuel cell e.g. hydrogen cell, for motor vehicle, has longitudinal elastic tightening units to provide tightening of basic cells, and including four longitudinal elastic blades for connecting two support plates - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne une pile à combustible du type comprenant:The present invention relates to a fuel cell of the type comprising:
- des cellules empilées le long d'une direction longitudinale et comprenant chacune une chambre cathodique et une chambre anodique pour produire de l'électricité par oxydation d'un combustible dans la chambre anodique et réduction d'un comburant dans la chambre cathodique, et - des moyens élastiques de serrage longitudinal des cellules. cells stacked along a longitudinal direction and each comprising a cathode chamber and an anode chamber for producing electricity by oxidation of a fuel in the anode chamber and reduction of an oxidizer in the cathode chamber, and elastic means for longitudinal clamping of the cells.
Généralement, les chambres de chaque cellule sont séparées par une membrane échangeuse d'ions qui forme un électrolyte. Le comburant est un gaz oxygéné, par exemple de l'oxygène ou de l'air. Le combustible est un gaz hydrogéné, par exemple de l'hydrogène. Generally, the chambers of each cell are separated by an ion exchange membrane that forms an electrolyte. The oxidant is an oxygenated gas, for example oxygen or air. The fuel is a hydrogenated gas, for example hydrogen.
Chaque chambre anodique comprend une anode où la réaction suivante se produit: 2H2 > 4 H++4e La chambre cathodique comprend une cathode où la réaction suivante se produit: 02 + 4H+ + 4e > 2H20 FR-2 819 343 décrit une telle pile à combustible. Les cellules qui y sont décrites comprennent chacune deux plaques polaires qui enserrent les deux électrodes entre lesquelles la membrane échangeuse d'ions est placée. Ces plaques polaires assurent l'alimentation en combustible et en comburant des chambres anodique et cathodique, l'évacuation de l'eau produite par la réaction d'oxydoréduction, la collecte des électrons produits par la réaction d'oxydoréduction et la canalisation d'un fluide de refroidissement de la pile. Each anode chamber comprises an anode where the following reaction occurs: 2H2> 4H + +4e The cathode chamber comprises a cathode where the following reaction occurs: O 2 + 4H + + 4e> 2H 2 O FR-2 819 343 discloses such a battery combustible. The cells described therein each comprise two polar plates which enclose the two electrodes between which the ion exchange membrane is placed. These polar plates supply the fuel and the combustive anodic and cathodic chambers, the evacuation of the water produced by the oxidation-reduction reaction, the collection of the electrons produced by the oxidation-reduction reaction and the channeling of a coolant of the battery.
La pile décrite dans ce document comprend également des moyens de serrage des cellules pour les maintenir plaquées les unes contre les autres afin d'assurer la fermeture des chambres et l'étanchéité des différents circuits de fluides de la pile à combustible. The battery described in this document also comprises means for clamping the cells to keep them pressed against each other in order to ensure the closure of the chambers and the sealing of the various fluid circuits of the fuel cell.
Ces moyens de serrage comprennent deux plaques d'appui disposées aux extrémités longitudinales de l'empilement de cellules et des goujons dont des premières extrémités sont vissées dans une première des plaques d'appui, et dont les deuxièmes extrémités s'appuient sur la deuxième plaque d'appui par l'intermédiaire d'écrous. These clamping means comprise two support plates arranged at the longitudinal ends of the stack of cells and studs whose first ends are screwed into a first of the support plates, and whose second ends rest on the second plate by means of nuts.
Afin de compenser les dilatations longitudinales dues à l'hydratation des membranes ainsi qu'à la chaleur produite par la réaction d'oxydoréduction, on a proposé des piles à combustible du type précité, c'est à dire avec des moyens élastiques de serrage. In order to compensate for the longitudinal expansions due to the hydration of the membranes as well as the heat produced by the oxidation-reduction reaction, fuel cells of the above-mentioned type have been proposed, that is to say with elastic clamping means.
Plus précisément, les deuxièmes extrémités des goujons font alors saillie longitudinalement fortement par rapport à la deuxième plaque et des ressorts sont intercalés entre cette deuxième plaque et les écrous vissés sur les goujons. Une telle structure permet, grâce aux ressorts, d'absorber les dilatations longitudinales, mais conduit à un encombrement longitudinal important. More specifically, the second ends of the studs then protrude longitudinally strongly relative to the second plate and springs are interposed between the second plate and the nuts screwed on the studs. Such a structure makes it possible, thanks to the springs, to absorb the longitudinal expansions, but leads to a large longitudinal congestion.
Or, il est nécessaire que l'encombrement de telles piles soit faible pour permettre leur implantation dans des véhicules automobiles. However, it is necessary that the size of such batteries is low to allow their implementation in motor vehicles.
Un but de l'invention est de résoudre ce problème en fournissant une pile à combustible du type précité qui soit d'encombrement longitudinal plus réduit. An object of the invention is to solve this problem by providing a fuel cell of the aforementioned type which is of smaller longitudinal size.
A cet effet, l'invention a pour objet une pile à combustible du type précité, caractérisée en ce que les moyens élastiques de serrage longitudinal comprennent au moins une lame élastique de traction. For this purpose, the subject of the invention is a fuel cell of the aforementioned type, characterized in that the elastic longitudinal clamping means comprise at least one elastic traction plate.
Selon des modes particuliers de réalisation, la pile peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles: - la lame est cintrée transversalement, - les moyens de serrage comprennent deux éléments d'appui longitudinal sur les cellules, et la lame relie les deux éléments d'appui, - les éléments d'appui sont des plaques, - les éléments d'appui comprennent des saillies engagées dans des ouvertures ménagées dans la lame, - la lame est métallique, - la lame est réalisée en un matériau composite, et e comburant est un fluide oxygéné, et le combustible est un fluide hydrogéné. According to particular embodiments, the battery may comprise one or more of the following characteristics, taken individually or in any technically possible combination: the blade is bent transversely, the clamping means comprise two elements of longitudinal support on the cells, and the blade connects the two support elements, - the support elements are plates, - the support elements comprise projections engaged in openings in the blade, - the blade is metallic the blade is made of a composite material, and the oxidizer is an oxygenated fluid, and the fuel is a hydrogenated fluid.
L'invention a également pour objet un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend une pile à combustible telle que définie ci-dessus. The invention also relates to a motor vehicle, characterized in that it comprises a fuel cell as defined above.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en perspective éclatée d'une pile à combustible selon l'invention, - la figure 2 est une vue latérale schématique de la partie courante d'une lame élastique de la pile à combustible de la figure 1, avant assemblage de la pile, et - la figure 3 est une vue analogue à la figure 2, après assemblage de la pile à combustible. The invention will be better understood on reading the description which follows, given solely by way of example, and with reference to the appended drawings, in which: FIG. 1 is a diagrammatic perspective exploded view of a FIG. 2 is a schematic side view of the running part of an elastic blade of the fuel cell of FIG. 1, before assembly of the battery, and FIG. similar to Figure 2, after assembly of the fuel cell.
La figure 1 illustre schématiquement une pile à combustible 1 qui comprend principalement des cellules de base 3 empilées le long d'une direction longitudinale L et des moyens élastiques 5 de serrage longitudinal des cellules 3 pour les maintenir plaquées les unes contre les autres. Figure 1 schematically illustrates a fuel cell 1 which mainly comprises base cells 3 stacked along a longitudinal direction L and elastic means 5 for longitudinally clamping the cells 3 to keep them pressed against each other.
Les cellules 3 ont par exemple une structure classique et comprennent 20 ainsi chacune une chambre cathodique, une chambre anodique et une membrane échangeuse d'ions qui sépare les deux chambres. The cells 3 have, for example, a conventional structure and thus each comprise a cathode chamber, an anode chamber and an ion exchange membrane which separates the two chambers.
Plus précisément, et comme décrit dans le document FR-2 819 343, la chambre cathodique peut comprendre une cathode et une plaque polaire et la chambre anodique peut comprendre une anode et une plaque polaire. Les deux plaques polaires enserrent l'anode et la cathode qui enserrent ellesmêmes la membrane échangeuse d'ions. More specifically, and as described in document FR-2,819,343, the cathode chamber may comprise a cathode and a polar plate and the anode chamber may comprise an anode and a polar plate. The two polar plates enclose the anode and the cathode which enclose the ion exchange membrane themselves.
De manière classique, une telle cellule 3 permet de produire de l'électricité par oxydation d'un combustible dans la chambre anodique et réduction d'un comburant dans la chambre cathodique. In a conventional manner, such a cell 3 makes it possible to produce electricity by oxidation of a fuel in the anode chamber and reduction of an oxidant in the cathode chamber.
De préférence, le combustible est un fluide hydrogéné, par exemple de l'hydrogène gazeux, et le comburant un fluide oxygéné, et par exemple de l'oxygène gazeux ou de l'air gazeux. Les deux réactions se produisant aux électrodes sont alors celles mentionnées précédemment. Preferably, the fuel is a hydrogenated fluid, for example hydrogen gas, and the oxidant an oxygenated fluid, and for example oxygen gas or gaseous air. The two reactions occurring at the electrodes are then those mentioned above.
Les modes d'alimentation en combustible et en comburant, d'évacuation de l'eau produite par la réaction d'oxydoréduction, de collecte des électrons produits, et de refroidissement de la pile n'étant pas l'objet de la présente invention, ils ne seront pas décrits plus en détail. Toutefois, ils peuvent être obtenus grâce à des moyens classiques telles que ceux décrits dans le document FR-2 819 343. The modes of supplying fuel and oxidant, evacuation of the water produced by the oxidation-reduction reaction, the collection of electrons produced, and the cooling of the cell are not the subject of the present invention, they will not be described in more detail. However, they can be obtained by conventional means such as those described in document FR-2 819 343.
Dans l'exemple représenté, les cellules 3 ont des sections carrées et l'empilement 6 formé a donc une forme sensiblement parallélépipédique. En variante, les cellules 3 peuvent avoir d'autres formes. In the example shown, the cells 3 have square sections and the stack 6 formed therefore has a substantially parallelepiped shape. Alternatively, the cells 3 may have other shapes.
Les moyens de serrage 5 comprennent deux plaques 7 d'appui longitudinal sur l'empilement 6 de cellules 3 et quatre lames élastiques 9 de traction longitudinale des plaques 7. En variante, le nombre et la disposition des lames 9 peuvent également être différents. The clamping means 5 comprise two plates 7 of longitudinal support on the stack 6 of cells 3 and four elastic strips 9 longitudinal traction plates 7. Alternatively, the number and arrangement of the blades 9 may also be different.
Les plaques 7 sont par exemple de formes carrées et de dimensions légèrement supérieures à celles des cellules 3. Les plaques 7, par exemple, comprennent sur chacun de leur côté un ergot 11 qui fait saillie transversalement. En variante, les ergots peuvent être remplacés par des vis. The plates 7 are for example of square shapes and dimensions slightly greater than those of the cells 3. The plates 7, for example, each comprise on their side a lug 11 which projects transversely. Alternatively, the lugs may be replaced by screws.
Les ergots 11 ont par exemple des sections rectangulaires. Les plaques 7 sont disposées aux extrémités longitudinales de l'empilement 6 de cellules 3. De manière classique, l'une ou les deux plaques 7 peuvent participer à la canalisation des différents fluides circulant dans les cellules 3. The lugs 11 have for example rectangular sections. The plates 7 are arranged at the longitudinal ends of the stack 6 of cells 3. In a conventional manner, one or both plates 7 can participate in the channelization of the different fluids circulating in the cells 3.
Les lames élastiques 9 ont des structures analogues. Elles s'étendent longitudinalement et comprennent, entre deux extrémités longitudinales 13, une partie courante 15. The elastic blades 9 have similar structures. They extend longitudinally and comprise, between two longitudinal ends 13, a running portion 15.
Une ouverture 17 de forme complémentaire de celle des ergots 11 est ménagée dans chaque extrémité longitudinale 13. An opening 17 of shape complementary to that of the lugs 11 is formed in each longitudinal end 13.
Comme illustré par la figure 2, la partie courante 15 de chaque lame 9 est cintrée transversalement de sorte qu'elle présente au repos une flèche transversale FO par rapport à un plan longitudinal P dont la trace est représentée en trait mixte sur la figure 2. On notera que sur cette figure, les extrémités 13 de la lame 9 n'ont pas été représentées. As illustrated in FIG. 2, the running portion 15 of each blade 9 is bent transversely so that it has at rest a transverse arrow FO with respect to a longitudinal plane P whose trace is shown in phantom in FIG. Note that in this figure, the ends 13 of the blade 9 have not been shown.
Depuis cette position de repos, qu'elle occupe avant assemblage de la pile 1, la lame 9 peut être déformée élastiquement de sorte que sa flèche transversale F diminue comme illustré par la figure 3. Simultanément, la longueur de la lame 9 augmente. From this rest position, which it occupies before assembly of the stack 1, the blade 9 can be elastically deformed so that its transverse arrow F decreases as shown in FIG. 3. At the same time, the length of the blade 9 increases.
Chaque lame 9 peut par exemple être une lame métallique ou être réalisée en un matériau composite. Each blade 9 may for example be a metal blade or be made of a composite material.
Lors de l'assemblage de la pile à combustible 1, on applique les deux plaques 7 contre les extrémités longitudinales de l'empilement 6 de cellules 3, puis on relie les deux plaques 7 grâce aux quatre lames élastiques 9. Ainsi, les ouvertures 17 de chaque lame 9 reçoivent les ergots 11 en regard des deux plaques 7. Les lames 9 s'étendent alors longitudinalement chacune le long d'une face latérale de la pile à combustible 1. During the assembly of the fuel cell 1, the two plates 7 are applied against the longitudinal ends of the stack 6 of cells 3, and then the two plates 7 are connected by means of the four resilient blades 9. Thus, the openings 17 each blade 9 receives the lugs 11 opposite the two plates 7. The blades 9 then extend longitudinally each along a side face of the fuel cell 1.
Au repos, la longueur de chaque lame 9 est inférieure à celle de l'empilement 6 de sorte que, dans la pile à combustible 1 assemblée, les lames 9 sont précontraintes. Leurs flèches F ont alors diminuées par rapport à la valeur FO et les lames 9 occupent, tant que la pile 1 ne fonctionne pas, la position de la figure 3. Les lames 9, qui tendent à revenir vers leurs positions de repos tirent donc les plaques 7 longitudinalement l'une vers l'autre et exercent ainsi un effort de serrage longitudinal des cellules 3. La fermeture des chambres et l'étanchéité des différents circuits de la pile à combustible sont ainsi assurées. At rest, the length of each blade 9 is less than that of the stack 6 so that, in the assembled fuel cell 1, the blades 9 are prestressed. Their arrows F have then decreased relative to the value FO and the blades 9 occupy, as long as the battery 1 does not work, the position of Figure 3. The blades 9, which tend to return to their resting positions therefore draw the plates 7 longitudinally towards each other and thus exert a longitudinal clamping force of the cells 3. The closure of the chambers and the sealing of the various fuel cell circuits are thus ensured.
Lorsque la pile à combustible 1 fonctionne et que les cellules 3 se dilatent longitudinalement, par exemple du fait de l'échauffement ou du fait de l'hydratation des membranes, les lames élastiques 9 se déforment encore élastiquement pour absorber la dilatation longitudinale de l'empilement 6. Leurs flèches F diminuent donc encore plus. When the fuel cell 1 operates and the cells 3 expand longitudinally, for example because of the heating or because of the hydration of the membranes, the elastic blades 9 deform elastically to absorb the longitudinal expansion of the stacking 6. Their arrows F thus decrease even more.
Ainsi, les moyens 5 de serrage permettent de maintenir les cellules 3 plaquées les unes contre les autres et ainsi d'assurer l'étanchéité nécessaire, tout en permettant d'absorber les phénomènes de dilatation. Thus, the clamping means 5 can maintain the cells 3 pressed against each other and thus provide the necessary seal, while allowing to absorb the expansion phenomena.
Pour autant, l'encombrement longitudinal de la pile 1 est réduit puisque les lames élastiques 9 ne font pratiquement pas saillie longitudinalement par rapport aux plaques 7. However, the longitudinal size of the stack 1 is reduced since the elastic blades 9 do not substantially project longitudinally with respect to the plates 7.
De manière plus générale, la liaison des lames 9 aux plaques 7 peut être assurée autrement que par emboîtement et les plaques 7 peuvent être remplacées par d'autres éléments d'appui. % More generally, the connection of the blades 9 to the plates 7 can be provided otherwise than by interlocking and the plates 7 can be replaced by other support elements. %
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Also Published As
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| FR2865852B1 (en) | 2007-01-26 |
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