FR2865853A1

FR2865853A1 - Fuel cell for motor vehicle, has longitudinal traction devices to provide traction for support plates, and having coil springs disposed between support plates for absorbing longitudinal dilatation of basic cells

Info

Publication number: FR2865853A1
Application number: FR0401014A
Authority: FR
Inventors: Jean Claude Chatain
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2004-02-03
Filing date: 2004-02-03
Publication date: 2005-08-05

Abstract

The cell has longitudinal elastic tightening units (5) with two longitudinal support plates (7) placed on basic cells (3), and twelve longitudinal traction devices (9) to provide traction for the support plates. Each traction device has deformable elastic units in the form of a coil spring (31) for absorbing longitudinal dilatation of the cells (3). The coil springs are disposed between the support plates. The basic cells (3) are stacked along a longitudinal direction (L) and each have a cathodic chamber and an anodic chamber to produce electricity by oxidation of fuel in the anodic chamber and reduction of an oxidant in the cathodic chamber. An independent claim is also included for a motor vehicle.

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 5 pour produire de l'électricité par oxydation d'un combustible dans la cham- bre anodique et réduction d'un comburant dans la chambre cathodique, - deux éléments d'appui longitudinal sur les cellules, et - au moins un dispositif de traction longitudinale des éléments d'appui, le dispositif de traction comprenant des moyens élastiquement dé- formables pour absorber une dilatation longitudinale des cellules. cells stacked along a longitudinal direction and each comprising a cathode chamber and an anode chamber 5 for producing electricity by oxidation of a fuel in the anode chamber and reduction of an oxidant in the cathode chamber two longitudinal support elements on the cells, and at least one longitudinal traction device for the support elements, the traction device comprising means that are elastically deformable to absorb longitudinal expansion 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- -* 2H2O 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 refroidisse-ment de la pile. Each anode chamber comprises an anode where the following reaction occurs: 2H 2 - + 4H + + 4e The cathode chamber comprises a cathode where the following reaction occurs: O 2 + 4H + + 4e- - * 2H 2O FR-2 819 343 describes such Fuel cell. 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 cooling fluid 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 dis-posées aux extrémités longitudinales de l'empilement de cellules et des goujons de traction longitudinale des plaques d'appui. Des premières extrémités des goujons sont vissées dans une première des plaques d'appui, et les deuxièmes extrémités des goujons s'appuient sur la deuxième plaque d'appui par l'intermédiaire d'écrous. These clamping means comprise two support plates dis-posited at the longitudinal ends of the stack of cells and longitudinal tensile studs of the support plates. First ends of the studs are screwed into a first of the support plates, and the second ends of the studs rest on the second support 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 dispositifs de traction munis de moyens élastiquement déformables. 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 aforementioned type have been proposed, that is to say with traction devices provided with elastically deformable 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 élastiquement déformables sont disposés entre les éléments d'appui. For this purpose, the invention relates to a fuel cell of the aforementioned type, characterized in that the elastically deformable means are arranged between the support elements.

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: - le dispositif de traction comprend une première partie et une deuxième partie mobiles l'une par rapport à l'autre et reliées chacune à un élément d'appui respectif, et les moyens élastiquement déformables comprennent un ressort de rappel disposé entre la première partie et la deuxième partie, - la première partie comprend un boîtier dans lequel le ressort est disposé, - le ressort prend appui sur une paroi du boîtier et sur une première extrémité de la deuxième partie, - la première partie et la deuxième partie du dispositif de traction comprennent des tiges, traversant des passages prévus dans les éléments d'appui, et sont terminées par des organes d'accrochage aux éléments d'appui, - la tige de la première partie est prolongée par le boîtier et la tige 10 de la deuxième partie est munie d'un organe d'appui sur le ressort, et - les éléments d'appui sont des plaques. According to particular embodiments, the battery may comprise one or more of the following characteristics, taken individually or in any technically possible combination: the traction device comprises a first part and a second part that can be moved one to the other; relative to each other and each connected to a respective support element, and the elastically deformable means comprise a return spring disposed between the first part and the second part, the first part comprises a housing in which the spring is arranged the spring rests on a wall of the housing and on a first end of the second part, the first part and the second part of the traction device comprise rods, passing through passages provided in the support elements, and terminated by fasteners to the bearing elements, - the rod of the first part is extended by the housing and the rod 10 of the second part is provided with a support member on the spring, and - the support elements are plates.

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 à la figure unique qui est une vue schématique en perspective d'une pile à combustible selon l'invention. The invention will be better understood on reading the description which follows, given solely by way of example, and with reference to the single figure which is a schematic perspective view of a fuel cell according to the invention. .

La figure illustre schématiquement une pile à combustible 1 qui comprend principalement des cellules de base 3 empilées le long d'une di-rection longitudinale L et des moyens élastiques 5 de serrage longitudinal des cellules 3 pour les maintenir plaquées les uns contre les autres. The figure schematically illustrates a fuel cell 1 which mainly comprises base cells 3 stacked along a longitudinal di-rection L and elastic means 5 for longitudinal clamping of the cells 3 to keep them pressed against each other.

Les cellules 3 ont par exemple une structure classique et comprennent 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 enser- rent elles-mêmes 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, 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, 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 celles décri- tes 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 car-rées 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 carved 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 par exemple douze dispositifs 9 de traction longitudinale des plaques 7. En variante, le nombre et la disposition des dispositifs 9 peuvent également être différents. The clamping means 5 comprise two plates 7 of longitudinal support on the stack 6 of cells 3 and for example twelve devices 9 of longitudinal traction plates 7. Alternatively, the number and arrangement of devices 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 présen- tent sur chacun de leur côté trois encoches 11. The plates 7 are, for example, square in shape and slightly larger in size than the cells 3. The plates 7 have on each side three notches 11.

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 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 dispositifs de traction 9 ont des structures analogues et un seul sera donc décrit par la suite. Traction devices 9 have similar structures and only one will be described later.

Le dispositif de traction 9 comprend deux parties 13 et 15 mobiles l'une par rapport à l'autre. The traction device 9 comprises two parts 13 and 15 movable relative to each other.

La première partie 13, située en avant sur la figure, comprend une tige 17 et un boîtier 19, par exemple métalliques. The first part 13, located forward in the figure, comprises a rod 17 and a housing 19, for example metal.

L'extrémité avant de la tige 17 est terminée par un cavalier 21 d'accrochage à la plaque 7 avant. L'extrémité arrière de la tige 17 est reliée, par exemple par soudure, au boîtier 19. The front end of the rod 17 is terminated by a jumper 21 hooking to the plate 7 before. The rear end of the rod 17 is connected, for example by welding, to the housing 19.

La partie arrière 15 comprend une tige 23, par exemple métalli- que, dont l'extrémité arrière est munie d'un cavalier 21 analogue à celui de la tige 17, mais qui est masqué sur la figure par la plaque 7 arrière. The rear portion 15 comprises a rod 23, for example metal, whose rear end is provided with a jumper 21 similar to that of the rod 17, but which is masked in the figure by the rear plate 7.

L'extrémité avant de la tige 23 est filetée. Une rondelle 25 est enfi- 5 lée et un écrou 27 est vissé sur cette extrémité avant. The front end of the rod 23 is threaded. A washer 25 is plugged in and a nut 27 is screwed onto this front end.

La tige 23 traverse la paroi arrière 29 du boîtier 19 de sorte que tout un tronçon avant de la tige 23 s'étend à l'intérieur du boîtier 19. The rod 23 passes through the rear wall 29 of the housing 19 so that a whole front section of the rod 23 extends inside the housing 19.

Le dispositif 9 comprend en outre des moyens élastiquement déformables sous forme d'un ressort hélicoïdal de compression 31 disposé dans le boîtier 19. Plus précisément, le ressort 31 est enfilé sur le tronçon avant de la tige 23 et prend appui d'une part sur la paroi arrière 29 du boîtier 19 et d'autre part sur la rondelle 25. The device 9 further comprises elastically deformable means in the form of a helical compression spring 31 disposed in the housing 19. More specifically, the spring 31 is threaded onto the front section of the rod 23 and bears on the one hand on the rear wall 29 of the housing 19 and secondly on the washer 25.

Ainsi, la partie arrière 15 peut coulisser longitudinalement par rapport à la partie avant 13 entre une position non-représentée correspondant à une longueur réduite du dispositif 9, et des positions correspondant à des longueurs plus importantes du dispositif 9, telle que celle représentée sur la figure. Thus, the rear portion 15 can slide longitudinally with respect to the front portion 13 between a non-represented position corresponding to a reduced length of the device 9, and positions corresponding to longer lengths of the device 9, such as that shown in FIG. Fig.

Dans la position de longueur réduite, le ressort 31 n'est pas comprimé. Dans les positions de longueurs plus importantes, le ressort 31 est comprimé longitudinalement et rappelle le dispositif 9 vers sa position de longueur réduite. In the reduced length position, the spring 31 is not compressed. In the longer length positions, the spring 31 is compressed longitudinally and returns the device 9 to its position of reduced length.

Le dispositif 9 s'étend longitudinalement sur une face latérale de l'empilement 6 de cellules 3. L'extrémité avant de sa tige avant 17 est engagée dans une encoche 11 de la plaque 7 avant et l'extrémité arrière de sa tige arrière 23 est engagée dans une encoche 11 de la plaque 7 arrière. The device 9 extends longitudinally on a lateral face of the stack 6 of cells 3. The front end of its front rod 17 is engaged in a notch 11 of the front plate 7 and the rear end of its rear rod 23 is engaged in a notch 11 of the rear plate 7.

Les bras latéraux des cavaliers 21 s'appuient alors de part et d'autre des encoches 11 sur les faces longitudinalement extérieures des plaques 7. Comme exposé précédemment, le ressort 31 est alors comprimé, de sorte que le dispositif 9 exerce des forces de traction sur les deux pla- ques 7 via les cavaliers 21. The lateral arms of the jumpers 21 then rest on either side of the notches 11 on the longitudinally outer faces of the plates 7. As explained above, the spring 31 is then compressed, so that the device 9 exerts traction forces. on both plates 7 via jumpers 21.

Les dispositifs 9 sont répartis régulièrement autour de l'empilement de cellules 3. Plus précisément, trois dispositifs 9 sont prévus sur chaque face latérale de l'empilement 6. The devices 9 are evenly distributed around the stack of cells 3. More precisely, three devices 9 are provided on each lateral face of the stack 6.

Les dispositifs 9 exercent donc des efforts de traction sur les plaques 7 qui maintiennent les cellules 3 serrées les uns contre les autres, en assurant ainsi la fermeture des chambres et l'étanchéité nécessaire dans les circuits de fluide de la pile à combustible 1. The devices 9 thus exert tensile forces on the plates 7 which hold the cells 3 tight against each other, thus ensuring the closure of the chambers and the necessary sealing in the fluid circuits of the fuel cell 1.

On notera que les écrous 27 permettent de régler l'intensité de ces efforts de traction. It will be noted that the nuts 27 make it possible to regulate the intensity of these traction forces.

Les ressorts 31 sont donc comprimés et les dispositifs 9 préchargés lorsque la pile à combustible 1 ne fonctionne pas, comme dans l'état illustré par la figure. The springs 31 are therefore compressed and the devices 9 preloaded when the fuel cell 1 does not work, as in the state illustrated by the figure.

Lorsque la pile 1 fonctionne et qu'une dilatation longitudinale de l'empilement 6 de cellules 3 intervient, par exemple du fait de la production de chaleur lors de la réaction d'oxydoréduction ou du fait de l'hydratation des membranes, les tiges 23 coulissent longitudinalement par rapport aux boîtiers 19 correspondants en comprimant plus fortement les ressorts 31. When the battery 1 operates and a longitudinal expansion of the stack 6 of cells 3 occurs, for example because of the production of heat during the oxidation-reduction reaction or because of the hydration of the membranes, the rods 23 slide longitudinally relative to the corresponding housings 19 by compressing the springs 31 more strongly.

La longueur des dispositifs 9 augmente alors par rapport à celle qu'ils présentent sur la figure. The length of the devices 9 then increases relative to that they present in the figure.

Les dispositifs 9 permettent donc d'absorber les dilatations longitudinales de la pile 1. The devices 9 therefore make it possible to absorb the longitudinal expansions of the cell 1.

Pour autant, les dispositifs 9 ne font que très peu saillie longitudinalement au-delà des plaques 7 du fait de la disposition des ressorts 31 en- tre les plaques 7. However, the devices 9 only protrude longitudinally beyond the plates 7 because of the arrangement of the springs 31 between the plates 7.

L'encombrement longitudinal de la pile à combustible 1 est donc réduit, ce qui facilite son implantation dans les véhicules automobiles. The longitudinal size of the fuel cell 1 is reduced, which facilitates its implementation in motor vehicles.

On notera également qu'il est possible de diminuer le nombre de dispositifs 9 en augmentant le diamètre des tiges 17 et 23. La section d'une tige étant proportionnelle au carré de son diamètre, il suffit d'augmenter son diamètre d'un facteur d'environ 1,4 pour doubler sa section. Ainsi, en augmentant le diamètre des tiges 17 et 23, il est possible de diminuer le nombre de dispositifs 9 et de réduire l'encombrement transversal de la pile à corn- bustible 1. Note also that it is possible to reduce the number of devices 9 by increasing the diameter of the rods 17 and 23. The section of a rod being proportional to the square of its diameter, it is sufficient to increase its diameter by a factor about 1.4 to double its section. Thus, by increasing the diameter of the rods 17 and 23, it is possible to reduce the number of devices 9 and to reduce the transverse bulk of the fuel cell 1.

De manière plus générale, les dispositifs de traction 9 peuvent avoir des structures différentes de celle décrite précédemment. En particu- lier, les moyens élastiquement déformables disposés entre les plaques 7 peuvent être de nature différente de celle des ressorts 31. More generally, the traction devices 9 may have different structures from that described above. In particular, the elastically deformable means disposed between the plates 7 may be of a different nature from that of the springs 31.

Ainsi, des ressorts 31 peuvent être remplacés chacun par une partie élastique venue de matière avec d'autres parties du dispositif 9 carrespondant, cette partie élastique étant disposée entre les plaques 7. Thus, springs 31 can each be replaced by a resilient portion made of material with other parts of the corresponding device 9, this elastic portion being disposed between the plates 7.

De manière plus générale également, les plaques 7 peuvent être remplacées par d'autres éléments d'appui. More generally also, the plates 7 may be replaced by other support elements.

De même, l'accrochage des dispositifs de traction 9 aux éléments d'appui peut être assuré par d'autres moyens que des cavaliers 21, par Similarly, the attachment of the traction devices 9 to the support elements can be provided by means other than jumpers 21, by

exemple par des vis.example by screws.

Claims

A fuel cell (1) comprising: - cells (3) stacked along a longitudinal direction (L) and each comprising a cathode chamber and an anode chamber for generating electricity by oxidation of a fuel in the anode chamber and reduction of an oxidant in the cathode chamber, - two elements (7) longitudinal support on the cells (3), and - at least one device (9) longitudinal traction of the support elements (7). ), the traction device comprising means (31) elastically deformable to absorb a longitudinal expansion of the cells (3), characterized in that the means (31) elastically deformable are arranged between the support elements (7).

2. Battery according to claim 1, characterized in that the traction device (9) comprises a first part (13) and a second part (15) movable relative to each other and each connected to an element d respective support (7), and in that the elastically deformable means comprise a return spring (31) disposed between the first portion (13) and the second portion (15).

3. Battery according to claim 2, characterized in that the first portion (13) comprises a housing (19) in which the spring (31) is disposed.

4. Battery according to claim 3, characterized in that the spring (31) bears on a wall (29) of the housing and on a first end (25, 27) of the second portion (15).

5. Battery according to one of the preceding claims, characterized in that the first portion (13) and the second portion (15) of the traction device (9) comprise rods (17, 23), passing through passages (11). provided in the support elements (7), and are terminated by members (21) for attachment to the support elements (7).

6. Battery according to claims 4 to 5 taken together, characterized in that the rod of the first portion (13) is extended by the housing (19) and the rod of the second portion (15) is provided with a member ( 25) on the spring (31).

7. Battery according to one of the preceding claims, characterized in that the support elements (7) are plates.

8. Motor vehicle, characterized in that it comprises a fuel cell according to one of the preceding claims.