FR2888048A1

FR2888048A1 - METHOD FOR MANUFACTURING A BIPOLAR PLATE FOR A FUEL CELL AND A BIPOLAR PLATE OBTAINED

Info

Publication number: FR2888048A1
Application number: FR0506669A
Authority: FR
Inventors: Nicholas Lee; Francis Roy; Crouvezier Jean Philipp Poirot
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2005-06-29
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2007-01-05
Anticipated expiration: 2025-06-29
Also published as: WO2007003759A1; FR2888048B1

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une plaque bipolaire pour pile à combustible du type à membrane échangeuse d'ions.- On dispose une membrane polymère (3) comprenant au moins deux couches (4, 5) en polymère ayant des températures de fusion différentes, sur un support rigide comportant une pluralité de trous.- On dispose sur la membrane polymère une couche (6) d'un matériau fibreux conducteur d'électricité.- Par un procédé d'aiguilletage, on fait passer des fibres (10) du matériau fibreux à travers la membrane polymère.- On effectue un chauffage à une température intermédiaire entre les deux températures de fusion des polymères, de façon à assurer l'étanchéité de la membrane polymère (3) aux points traversés par les fibres en remplissant les interstices (9) correspondants par du polymère ayant la plus faible température de fusion.The invention relates to a method for manufacturing a bipolar plate for the ion exchange membrane type fuel cell. A polymer membrane (3) is provided comprising at least two polymer layers (4, 5) having temperatures on a rigid support having a plurality of holes. A layer (6) of electrically conductive fibrous material is provided on the polymer membrane. By means of a needling process, fibers are passed through (FIG. 10) of the fibrous material through the polymer membrane. Heating is carried out at an intermediate temperature between the two melting temperatures of the polymers, so as to ensure the sealing of the polymer membrane (3) at the points through which the fibers pass through. filling the corresponding interstices (9) with polymer having the lowest melting temperature.

Description

La présente invention est relative à la fabrication d'une plaque bipolaireThe present invention relates to the manufacture of a bipolar plate

pour pile à combustible du type à membrane échangeuse d'ions, ainsi qu'à la plaque bipolaire obtenue par ce procédé. for the ion exchange membrane type fuel cell, as well as to the bipolar plate obtained by this method.

Les piles à combustible du type à membrane échangeuse d'ions sont des dispositifs de production d'électricité par un processus électrochimique qui consiste à faire réagir un gaz carburant tel que de l'hydrogène avec un gaz comburant tel que de l'oxygène ou de l'air à travers une membrane échangeuse d'ions appelée assemblage membrane électrode. La production d'électricité est obtenue par une réaction entre le gaz comburant et le gaz carburant qui produit de l'eau et de l'électricité. Une telle pile à combustible est constituée d'un empilement alterné d'ensembles membrane électrode et plaques bipolaires, les plaques bipolaires étant des plaques destinées à assurer l'approvisionnement en gaz carburant ou comburant le long des assemblages membrane électrode et à collecter le courant électrique. Une plaque bipolaire est disposée entre deux assemblages membrane électrode, et cette plaque bipolaire comporte deux faces: une première face destinée à assurer la circulation du gaz carburant le long d'une face anodique d'un premier assemblage membrane électrode, et une deuxième face destinée à assurer la circulation du gaz comburant le long de la face cathodique du deuxième assemblage membrane électrode, les deux faces anodique et cathodique de la plaque bipolaire étant séparées par une paroi étanche destinée à empêcher le contact entre le gaz carburant et le gaz comburant à travers la plaque bipolaire. Cette paroi étanche doit cependant laisser passer l'électricité et elle peut être éventuellement parcourue par un courant d'un fluide caloporteur destiné à assurer le refroidissement de l'ensemble. De telles plaques bipolaires sont fabriquées par exemple à partir de plaques de graphite usinées, ou à partir de plaques métalliques découpées et embouties, accolées et soudées entre elles. Ces procédés classiques de fabrication conduisent à des plaques bipolaires qui sont très rigides et qui doivent être fabriquées par un procédé discontinu relativement coûteux. Ion-exchange membrane type fuel cells are electrochemical power generation devices which comprise reacting a fuel gas such as hydrogen with an oxidizing gas such as oxygen or carbon dioxide. air through an ion exchange membrane called membrane electrode assembly. Electricity generation is achieved by a reaction between the oxidizing gas and the fuel gas that produces water and electricity. Such a fuel cell consists of an alternating stack of membrane electrode assemblies and bipolar plates, the bipolar plates being plates intended to ensure the supply of fuel gas or oxidant along the membrane electrode assemblies and to collect the electric current. . A bipolar plate is disposed between two membrane electrode assemblies, and this bipolar plate has two faces: a first face intended to ensure the circulation of the fuel gas along an anode face of a first electrode membrane assembly, and a second face intended to to ensure the circulation of the oxidizing gas along the cathodic face of the second electrode membrane assembly, the two anodic and cathodic faces of the bipolar plate being separated by a sealed wall intended to prevent contact between the fuel gas and the oxidizing gas through the bipolar plate. This watertight wall must, however, let the electricity pass and it may possibly be traversed by a stream of a coolant for cooling the assembly. Such bipolar plates are made for example from machined graphite plates, or from metal plates cut and stamped, contiguous and welded together. These conventional methods of manufacture lead to bipolar plates which are very rigid and which must be manufactured by a relatively expensive batch process.

Le but de la présente invention est de proposer un moyen pour fabriquer une plaque bipolaire pour pile à combustible du type à membrane échangeuse d'ions qui puisse être fabriquée en continu beaucoup plus économique que les procédés connus et qui conduise à des plaques bipolaires qui n'aient pas les inconvénients liés à la rigidité des plaques bipolaires connues de l'art antérieur, à savoir les difficultés qu'il y a à assurer des étanchéités au contact entre deux plaques bipolaires adjacentes. The object of the present invention is to provide a means for manufacturing a bipolar ion exchange membrane type fuel cell plate which can be continuously manufactured much cheaper than known methods and which leads to bipolar plates which are It does not have the drawbacks related to the rigidity of the bipolar plates known from the prior art, namely the difficulties of ensuring sealing in contact between two adjacent bipolar plates.

A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une plaque bipolaire pour pile à combustible du type à membrane échangeuse d'ions, caractérisé en ce que: - on dispose une membrane polymère comprenant au moins deux couches en polymère ayant des températures de fusion différentes, sur un support rigide comportant une pluralité de trous, - on dispose sur la membrane polymère une couche d'un matériau fibreux conducteur d'électricité, - par un procédé d'aiguilletage, on fait passer des fibres du matériau fibreux à travers la membrane polymère, et on effectue un chauffage à une température intermédiaire entre les deux températures de fusion des polymères, de façon à assurer l'étanchéité de la membrane polymère aux points traversés par les fibres en remplissant les interstices correspondants par du polymère ayant la plus faible température de fusion. For this purpose, the subject of the invention is a method for manufacturing a bipolar plate for an ion exchange membrane type fuel cell, characterized in that: a polymer membrane is provided comprising at least two polymer layers; having different melting temperatures, on a rigid support having a plurality of holes, - a layer of an electrically conductive fibrous material is provided on the polymer membrane, - by a needling process, fibers of the fibrous material through the polymer membrane, and heating is carried out at an intermediate temperature between the two melting temperatures of the polymers, so as to seal the polymer membrane at the points through which the fibers pass by filling the corresponding interstices with polymer having the lowest melting temperature.

De préférence, la membrane polymère comporte une pluralité de couches en polymère, et elle incorpore des canaux pour la circulation d'un fluide de refroidissement. Preferably, the polymer membrane has a plurality of polymer layers, and incorporates channels for the circulation of a cooling fluid.

L'invention concerne également une plaque bipolaire pour pile à combustible de type à membrane échangeuse d'ions constituée de deux couches de matériau poreux conducteur d'électricité séparées par une membrane étanche traversée par des fibres conductrices d'électricité. La mem- brane étanche est constituée d'au moins une couche en un premier polymère, et l'étanchéité aux points auxquels la membrane étanche est traversée par des fibres est assurée par un joint en un deuxième polymère dont la température de fusion est inférieure à celle du premier polymère. The invention also relates to a bipolar plate for ion exchange membrane type fuel cell comprising two layers of electrically conductive porous material separated by a sealed membrane traversed by electrically conductive fibers. The waterproof membrane consists of at least one layer made of a first polymer, and the sealing at the points at which the impermeable membrane is traversed by fibers is provided by a seal made of a second polymer whose melting point is less than that of the first polymer.

De préférence, la membrane étanche est constituée d'une pluralité de couches en polymère, et peut incorporer un réseau de circulation de fluide de refroidissement. Preferably, the waterproof membrane consists of a plurality of polymer layers, and may incorporate a cooling fluid circulation network.

L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise mais non limitative en regard des figures annexées dans lesquelles: - la figure 1 représente un procédé de fabrication d'un élément de plaque bipolaire pour pile à combustible, - la figure 2A représente de façon schématique une vue agrandie de fibres conductrices d'électricité traversant une membrane étanche dans une plaque bipolaire de pile à combustible à un stade intermédiaire de la fabrication, - la figure 2B représente une vue agrandie schématique des fibres conductrices d'électricité traversant une membrane étanche d'une plaque bipolaire d'une pile à combustible au stade final de la fabrication, - la figure 3 est une vue en coupe schématique d'une plaque bipolaire pour pile à combustible obtenue par le procédé de la figure 1. The invention will now be described in a more precise but nonlimiting manner with reference to the appended figures in which: FIG. 1 represents a method of manufacturing a bipolar plate element for a fuel cell, FIG. schematically an enlarged view of electrically conductive fibers passing through a sealed membrane in a bipolar fuel cell plate at an intermediate stage of manufacture; FIG. 2B is a schematic enlarged view of the electrically conductive fibers passing through a sealed membrane; a bipolar plate of a fuel cell at the final stage of manufacture; FIG. 3 is a schematic sectional view of a bipolar fuel cell plate obtained by the method of FIG.

La plaque bipolaire pour pile à combustible selon l'invention est une plaque bipolaire constituée de deux couches de matériau fibreux 13, 14 séparées par une membrane étanche 3 traversée par des fibres conductrices d'électricité 10. Cette plaque bipolaire est fabriquée par un procédé d'aiguilletage utilisé par exemple pour fabriquer des tissus non tissés ou pour fabriquer des moquettes. Selon ce procédé, on dispose sur une plaque support 1 percée d'une pluralité de trous 2 une membrane étanche en polymère 3 constituée d'une première couche 4 d'un premier polymère ayant une pre- mière température de fusion TI et d'une deuxième couche 5 d'un deuxième polymère ayant une deuxième température de fusion T2, la température de fusion T2 du deuxième polymère étant sensiblement inférieure à la température de fusion du premier polymère TI. Sur cette membrane étanche 3 on dispose un lit 6 de matériau fibreux constitué par exemple de fibres de car- bone ou bien de fibres métalliques ou d'autres fibres conductrices d'électricité. Au-dessus de cet empilage, on dispose un plateau 7 comportant une pluralité d'aiguilles 8 disposées en regard des trous 2 de la plaque support 1. Par un mouvement alternatif du haut vers le bas du plateau porte-aiguilles 7, on perce des trous dans la membrane polymère 3 et on entraîne à travers ces trous des fibres qui proviennent de la couche de fibres 6. On obtient ainsi, comme représenté en agrandi à la figure 2A, une membrane polymère 3 comportant des trous 9 dans lesquels passent des fibres 10. On constate qu'à ce stade les trous sont généralement plus larges que les fibres si bien que, dans ces zones de passage de la fibre à travers la membrane étanche, l'étanchéité n'est pas assurée. Afin d'assurer l'étanchéité aux points de pas-sage des fibres à travers la membrane polymère 3, on soumet l'ensemble obtenu à un traitement de recuit à un chauffage à une température T corn- prise entre la température de fusion T, de la première couche de polymère et la température de fusion T2 de la deuxième couche de polymère. Sous l'effet de ce réchauffage à une température comprise entre les deux températures de fusion, la couche polymère 4 dont la température de fusion est la plus élevée reste solide, tandis que la couche de polymère 5 dont la température de fusion est la plus basse et inférieure à la température de réchauffage, se liquéfie. En se liquéfiant, la couche polymère liquéfiée qui est dis-posée à la partie supérieure, sous l'effet de la gravitation et par des effets de tension superficielle, est attirée à l'intérieur des trous 9 qu'elle vient combler pour former des bouchons 11 qui, après solidification, assurent une parfaite étanchéité de la membrane 3 aux points de passage des fibres conductrices d'électricité 10. The bipolar plate for fuel cell according to the invention is a bipolar plate consisting of two layers of fibrous material 13, 14 separated by a sealed membrane 3 traversed by electrically conductive fibers 10. This bipolar plate is manufactured by a method of needling used for example for making nonwoven fabrics or for making carpets. According to this method, there is disposed on a support plate 1 pierced with a plurality of holes 2 a sealed polymer membrane 3 consisting of a first layer 4 of a first polymer having a first melting temperature TI and a second layer 5 of a second polymer having a second melting temperature T2, the melting temperature T2 of the second polymer being substantially less than the melting temperature of the first polymer TI. On this waterproof membrane 3 there is a bed 6 of fibrous material consisting for example of carbon fibers or metal fibers or other electrically conductive fibers. Above this stack, there is a plate 7 having a plurality of needles 8 arranged opposite the holes 2 of the support plate 1. By a reciprocating movement from the top to the bottom of the needle plate 7, are pierced by holes in the polymer membrane 3 and leads through these holes fibers that come from the fiber layer 6. Thus, as shown enlarged in Figure 2A, a polymer membrane 3 having holes 9 in which pass fibers 10. It is noted that at this stage the holes are generally wider than the fibers so that in these areas of passage of the fiber through the waterproof membrane, sealing is not assured. In order to ensure the sealing at the points of passage of the fibers through the polymer membrane 3, the assembly obtained at an annealing treatment is subjected to heating at a temperature T between the melting temperature T, of the first polymer layer and the melting temperature T2 of the second polymer layer. Under the effect of this heating at a temperature between the two melting temperatures, the polymer layer 4 whose highest melting temperature remains solid, while the polymer layer 5 whose melting temperature is the lowest and below the reheating temperature, liquefies. By liquefying, the liquefied polymer layer which is placed at the top, under the effect of gravitation and by surface tension effects, is attracted inside the holes 9 which it fills to form plugs 11 which, after solidification, ensure perfect sealing of the membrane 3 at the passage points of the electrically conductive fibers 10.

On obtient ainsi une plaque bipolaire telle que représentée en coupe schématiquement à la figure 1 et qui est constituée de deux couches de matériau fibreux 13 et 14 séparées par une membrane étanche 3 traversée par des fibres conductrices d'électricité 10 qui sont telles qu'aux points de traversée 15 de la membrane polymère étanche 3 par les fibres conductrices d'électricité 10, l'étanchéité est assurée par un bouchon constitué d'un polymère ayant une température de fusion plus faible que la température de fusion du polymère dont est constituée la membrane étanche 3. A bipolar plate is thus obtained as shown diagrammatically in FIG. 1 and consists of two layers of fibrous material 13 and 14 separated by a sealed membrane 3 traversed by electrically conductive fibers 10 which are such that Through the penetration of the sealed polymer membrane 3 by the electrically conductive fibers 10, the sealing is ensured by a plug made of a polymer having a melting point which is lower than the melting point of the polymer of which the waterproof membrane 3.

La plaque bipolaire 12 qu'on obtient ainsi a l'avantage d'être souple et donc de pouvoir s'adapter parfaitement dans des empilements sans poser de problème d'étanchéité notamment dans les joints périphériques. The bipolar plate 12 obtained in this way has the advantage of being flexible and therefore of being able to fit perfectly in stacks without posing a sealing problem, particularly in the peripheral joints.

Elle a l'avantage également de pouvoir être fabriquée à l'aide d'un procédé continu. En effet, par le procédé qui vient d'être décrit, on peut fa-briquer des nappes entières de plaques bipolaires dans lesquelles il suffit après de découper des éléments correspondant à la taille des plaques bipo- laires que l'on veut incorporer dans une pile à combustible particulière. It also has the advantage of being able to be manufactured using a continuous process. In fact, by the process just described, it is possible to make entire plies of bipolar plates in which it is sufficient after cutting out elements corresponding to the size of the bipolar plates which it is desired to incorporate into a particular fuel cell.

La plaque bipolaire telle qu'on vient de la décrire est une plaque bipolaire dans laquelle la membrane polymère est constituée de deux couches de polymère ayant des températures de fusion différentes. Mais on peut utiliser des membranes étanches constituées de plus de trois couches de po- lymère voire plus, pourvu simplement que soient utilisés deux polymères, un polymère à température de fusion élevée et un polymère à température de fusion plus basse. The bipolar plate as just described is a bipolar plate in which the polymer membrane consists of two polymer layers having different melting temperatures. However, sealed membranes made of more than three or more polymer layers can be used provided only two polymers, a high melting polymer and a lower melting polymer are used.

En outre, lorsque la membrane étanche 3 comporte une pluralité de couches, il est possible d'insérer à l'intérieur un réseau de circulation d'un fluide de refroidissement constitué par exemple de tubes en matériau polymère. In addition, when the waterproof membrane 3 comprises a plurality of layers, it is possible to insert inside a circulation network of a cooling fluid consisting for example of polymer material tubes.

On notera que dans le procédé tel qu'il vient d'être décrit, on a décrit simplement la fabrication d'une première couche de la plaque bipolaire. L'homme du métier comprendra que, une fois que l'on a réalisé l'opération d'aiguilletage pour fixer la première couche de polymère sur la membrane étanche et faire traverser cette membrane étanche par des fibres conductrices, on peut disposer une deuxième couche de matériau fibreux sur la deuxième face de la demi-plaque bipolaire obtenue à la suite de l'opération d'aiguilletage et on peut éventuellement effectuer une deuxième opération d'aiguilletage en retournant la feuille obtenue. It will be appreciated that in the method as just described, the manufacture of a first layer of the bipolar plate has been described simply. Those skilled in the art will understand that, once the needling operation has been carried out to fix the first polymer layer on the impermeable membrane and make this conductive membrane pass through this impermeable membrane, a second layer can be arranged. of fibrous material on the second side of the bipolar half-plate obtained following the needling operation and it may optionally perform a second needling operation by returning the sheet obtained.

Claims

1. A method for manufacturing a bipolar plate for an ion exchange membrane type fuel cell, characterized in that: - a polymer membrane (3) is provided comprising at least two layers (4, 5) in a polymer having different melting temperatures, on a rigid support having a plurality of holes, - is provided on the polymer membrane a layer (6) of an electrically conductive fibrous material, by a needling process, is made passing fibrous material fibers (10) through the polymer membrane, and heating at an intermediate temperature between the two melting temperatures of the polymers, so as to seal the polymer membrane (3). ) at the points traversed by the fibers by filling the corresponding interstices (9) with the polymer having the lowest melting temperature.

2. Method according to claim 1, characterized in that the polymer membrane comprises a plurality of polymer layers, and in that it incorporates channels for the circulation of a cooling fluid-ment.

Bipolar plate for an ion-exchange membrane-type fuel cell, characterized in that it consists of two layers (13, 14) of electrically conductive porous material, separated by a sealed membrane (3). by electrically conductive fibers (10), in that the impervious membrane consists of at least one layer (4) made of a first polymer, and that the imperviousness at the points (15) to which the impermeable membrane is traversed by fibers, is provided by a seal (11) of a second polymer whose melting temperature is lower than that of the first polymer.

4. Bipolar plate according to claim 3, characterized in that the waterproof membrane consists of a plurality of polymer layers, and in that it incorporates a cooling fluid circulation network-ment.