FR2892236A1 - Plaque d'extremite pour pile a combustible, integrant des elements de gestion d'un ou de plusieurs fluides. - Google Patents

Abstract

Plaque d'extrémité (B) pour pile à combustible, la plaque d'extrémité comportant un bloc structurel (B1) comportant une face intérieure (B10) destinée à être mise en appui contre ledit empilage et une face extérieure complémentaire (B11), la face intérieure comportant au moins deux orifices (P5h et P7h) destinés à l'alimentation d'un circuit situé dans la pile pour un gaz, caractérisée en ce qu'elle comporte une première chambre (P1h) permettant l'agencement suivant :● la chambre (P1h) est délimitée par une ou des parois (P10h) du bloc structurel (B1);● la chambre (P1h) s'étend entre lesdits deux orifices (P5h et P7h) de la face intérieure ;● la chambre (P1h) est associée à une canalisation d'alimentation débouchant sur une face extérieure (B11) et aboutissant sur une paroi de la chambre (P1 h),● un corps de recirculation (E6h) est monté à l'intérieur de la chambre (P1h), positionné là où aboutit la canalisation d'alimentation, monté de façon étanche sur la paroi de la chambre pour séparer la chambre (P1h) en une partie d'alimentation (P11h) en gaz aboutissant à l'un des orifices et une partie de recirculation du gaz (P12h) aboutissant à l'autre des orifices, le corps de recirculation comportant un élément de mélange permettant de mélanger le gaz neuf provenant de la canalisation d'alimentation et le gaz provenant de la partie de recirculation et permettant d'acheminer le mélange vers l'autre orifice.

Description

DOMAINE DE L'INVENTION

La présente invention concerne les piles à combustible. Plus particulièrement, elle 5 concerne les circuits d'alimentation en gaz et en liquide de refroidissement d'une pile à combustible. ETAT DE LA TECHNIQUE 10 On sait qu'il faut alimenter la pile à combustible en hydrogène et en air ou en oxygène pur, et qu'il faut en général la refroidir compte tenu des densités de puissance recherchées, c'est-à-dire la faire traverser par un fluide caloporteur comme de l'eau. En outre, il faut contrôler certains paramètres importants de la gestion des gaz, comme 15 leur pression, leur température, leur humidité, le taux de re-circulation de ces gaz. Cela requiert une installation de gestion des gaz assez complexe et volumineuse, en général aussi volumineuse que la pile elle-même.

Une pile à combustible comporte un empilage de plaques bipolaires et de membranes 20 échangeuses d'ions disposées en alternance. L'empilage est enserré entre deux plaques d'extrémité. Les canalisations d'alimentation et de retour pour les fluides sont en général disposées parallèlement à la direction d'empilage et aboutissent aux plaques d'extrémité ou à l'une d'entre elles, où elles rejoignent des canalisations branchant l'empilage à ladite installation de gestion des gaz. 25 L'objectif de l'invention est de réduire l'encombrement de ladite installation de gestion des fluides, afin d'en faciliter l'implantation par exemple dans un véhicule.

Un autre objectif de l'invention est de concevoir une installation de gestion des gaz 30 simple, dont la fabrication industrielle se prête bien à l'automatisation afin, entre autres avantages, de réduire les coûts de fabrication industrielle.

Afin de conférer à la pile à combustible une parfaite étanchéité et une conduction électrique uniformément répartie, l'empilage est comprimé par des tirants parallèles à 35 la direction d'empilage et ancrés de part et d'autre aux plaques d'extrémités. Celles-ci -2- doivent donc être robustes et conférer une pression suffisante et de préférence homogène sur toute la section des plaques bipolaires et membranes échangeuses d'ion. Les plaques d'extrémités doivent également supporter la pression des gaz présents dans le système. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION Partant de l'observation que les plaques d'extrémité sont nécessairement assez 10 épaisses, l'idée à la base de l'invention est d'intégrer auxdites plaques d'extrémité ou à l'une des deux une fonction de gestion des fluides. Il s'agit donc de loger tout ou partie des éléments nécessaires à la gestion des fluides dans les plaques d'extrémité, ou même dans l'une des deux seulement, au besoin en en augmentant encore l'épaisseur, ce qui ne peut être préjudiciable à la fonction mécanique de la ou des 15 plaques d'extrémité.

Cette solution offre des avantages importants en terme d'encombrement, de gain de poids, de fiabilité et même de coûts de fabrication. En outre, elle permet aisément la réalisation d'une interface entre pile à combustible et véhicule sur lequel est implanté la 20 pile à l'aide de raccords auto obturants pour les gaz et fluides, et de connecteurs électriques enfichables. Avantageusement, les connecteurs électriques et les raccords peuvent être agencés de sorte que la pile, à laquelle est intégrée l'installation de gestion des gaz, puisse être aisément installée et retirée du véhicule, afin de faciliter l'entretien, la réparation ou le remplacement de la pile à combustible. 25 L'invention se rapporte à une pile à combustible comportant un empilage de plaques bipolaires et de membranes échangeuses d'ions disposées en alternance, l'empilage étant enserré entre deux plaques d'extrémité, l'empilage comportant des canalisations d'alimentation et de retour pour les fluides nécessaires au fonctionnement de la pile, 30 lesdits fluides comprenant au moins un gaz combustible, les canalisations communiquant avec une installation de gestion des fluides comportant des éléments pour contrôler certains paramètres de fonctionnement, des éléments pour recycler les gaz non consommés par la pile et des éléments pour éliminer l'eau produite par la pile, ladite installation comportant des raccordements pour alimenter la pile en gaz, dans5 -3- laquelle l'installation de gestion des fluides est intégrée au moins en partie à l'intérieur de l'une des plaques d'extrémité.

On entend par installation de gestion des fluides des éléments jouant un rôle actif dans la gestion des fluides. Ainsi, sont intégrés ou montés sur une plaque d'extrémité au moins certains des éléments comme par exemple ceux utilisés pour contrôler certains paramètres de fonctionnement. Il s'agit par exemple de pompes ou d'électrovannes de régulation du débit d'un gaz. Il est tout spécialement avantageux de monter dans ou d'intégrer sur l'une des plaques d'extrémité des éléments pour recycler les gaz non consommés par la pile. Il s'agit par exemple d'un dispositif à effet Venturi permettant, au moyen d'un débit de gaz neuf, d'aspirer le gaz sortant de la pile et à le faire recirculer dans celle-ci. De préférence, des éléments pour éliminer l'eau produite par la pile sont montés sur ou intégrés dans l'une des plaques d'extrémité.

Les éléments évoqués ci-dessus font partie d'un système de gestion de l'un des gaz. On peut associer les éléments de gestion d'un des gaz à l'une des plaques d'extrémité et associer les éléments de gestion de l'autre des gaz à l'autre des plaques d'extrémité ou l'on peut associer tous ces éléments à une seule des plaques d'extrémité comme dans l'exemple illustrant l'invention et décrit en détails ci-dessous. On peut même associer à une seule et même plaque d'extrémité non seulement les éléments de gestion des gaz mais en outre on peut très avantageusement lui associer les éléments de gestion d'un fluide caloporteur. Bien entendu, on peut répartir entre les deux plaques d'extrémité les éléments de gestion des fluides. On peut aussi répartir entre les deux plaques d'extrémité des éléments de gestion des gaz et des éléments de gestion d'un fluide caloporteur.

Comme on va le montrer dans l'exemple ci-dessous, il est possible de monter sur ou d'intégrer dans les plaques d'extrémité, même dans une seule de celles-ci, la totalité des éléments de l'installation de gestion de tous les fluides, gaz et liquide de refroidissement. Bien entendu, il est déjà très avantageux de n'intégrer ou monter qu'une partie, de préférence la majorité des éléments de l'installation de gestion des fluides dans l'une des plaques d'extrémité ou dans les deux. -4- L'invention propose une plaque d'extrémité adaptée pour intégrer et/ou supporter des éléments de gestion d'un ou de plusieurs fluides utilisés par une pile à combustible. On peut appeler une telle plaque une plaque ù système .

Selon l'invention, une plaque d'extrémité pour pile à combustible, la plaque d'extrémité comportant un bloc structurel comportant une face intérieure destinée à être mise en appui contre ledit empilage et une face extérieure complémentaire, la face intérieure comportant au moins deux orifices destinés à l'alimentation d'un circuit situé dans la pile pour l'un des gaz, est caractérisée en ce qu'elle comporte une première chambre permettant l'agencement suivant : • la chambre est délimitée par les parois du bloc structurel ; • la chambre s'étend entre lesdits deux orifices de la face intérieure ; • la chambre est associée à une canalisation d'alimentation débouchant sur une face extérieure et aboutissant sur une paroi de la chambre ; • un corps de recirculation est monté à l'intérieur de la chambre, positionné et monté là où aboutit la canalisation d'alimentation, de façon étanche sur la paroi de la chambre pour séparer la chambre en une partie d'alimentation en gaz aboutissant à l'un des orifices et une partie de recirculation du gaz aboutissant à l'autre des orifices, le corps de recirculation comportant un élément de mélange permettant de mélanger le gaz neuf provenant de la canalisation d'alimentation et le gaz provenant de la partie de recirculation et permettant d'acheminer le mélange vers l'autre orifice.

Une telle plaque d'extrémité est ainsi configurée pour un circuit de gaz. Bien entendu, l'invention s'étend aussi à une plaque d'extrémité configurée pour comporter les éléments de gestion des deux gaz (hydrogène et oxygène par exemple), c'est-à-dire une plaque comportant deux configurations semblables à ce qui est décrit ci-dessus.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES La présente invention sera mieux comprise grâce à la description détaillée d'un mode de réalisation et de quelques variantes, illustrés avec les figures jointes dans lesquelles :35 -5- La figure 1 est un schéma de principe d'un système comportant une pile à combustible et l'installation de gestion des gaz associée ; La figure 2 est une vue schématique de côte d'une pile à combustible selon l'invention ; La figure 3 est une vue de la pile à combustible selon la direction X à la figure 2 ; La figure 4 est une vue de dessus de la pile à combustible de la figure 2 ; La figure 5 est une perspective montrant la pile à combustible selon l'invention proche d'un support de réception associé à un véhicule, mais non connectée à celui-ci ; La figure 6 est une autre perspective de la plaque d'extrémité de la figure 5, montrant le côté destiné à être plaqué contre l'empilage de cellules élémentaires ; Les figures 7A, 7B, 7C et 7D montrent un bloc structurel permettant la réalisation de la plaque d'extrémité de la figure 6 ; La figure 8 est une vue de dessus de la plaque d'extrémité de la figure 5 ; La figure 9 est une coupe selon I-I à la figure 8 ; La figure 10 est une vue de face de la plaque d'extrémité de la figure 5 ; La figure 11 est une coupe selon III-Ill à la figure 10 ; La figure 12 est une coupe selon II-Il à la figure 10 ; La figure 13 est une coupe selon IV-IV à la figure 8 ; Les figures 14, 15 et 16 montrent schématiquement une variante avec pompe de circulation du fluide caloporteur et thermostat intégrés à une plaque d'extrémité, les moyens de gestion des gaz étant intégrés à l'autre des plaques d'extrémité. DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES DE L'INVENTION 25 Avant de débuter la description détaillée, l'attention du lecteur est attirée sur une convention de notation pour les repères aux figures. Les références débutant par la lettre P désignent un perçage, une canalisation, un alésage cylindrique, un trou ou un orifice sur une plaque d'extrémité. Prenons l'exemple d'un orifice par lequel un 30 fluide entre dans une pile à combustible. On le désigne par P7 de façon générique, c'est-à-dire indistinctement quel que soit le fluide considéré. On termine la référence par la lettre o pour viser plus spécifiquement le gaz oxygène ou l'air, par la lettre h pour viser plus spécifiquement le gaz hydrogène et par la lettre w pour viser plus spécifiquement le fluide caloporteur. Les références débutant par la lettre A 35 visent l'empilage de cellules élémentaires de la pile à combustible (communément -6- désigné par stack ). Les références débutant par la lettre C désignent un connecteur, électrique, pour gaz ou pour fluide caloporteur. Les références débutant par la lettre E désignent un élément appartenant au système de gestion d'un des fluides. Si une référence débutant par E n'est pas terminée par l'une des lettres h , o ou w , c'est que l'élément en question est unique, c'est-à-dire n'est pas dédié à un seul des fluides utilisés.

Sur le schéma de principe de la figure 1, on voit une pile à combustible FC comportant un empilage A de cellules élémentaires dont on voit un orifice d'entrée A7h et un orifice de sortie A5h d'un circuit d'hydrogène, un orifice d'entrée A7w et un orifice de sortie A5w d'un circuit d'eau utilisée comme fluide caloporteur et un orifice d'entrée A7o et un orifice de sortie A5o d'un circuit d'oxygène. On voit au bas de la figure tous les raccordements des gaz et d'eau, schématisés autour d'une ligne en pointillés.

On ne reviendra pas sur le fonctionnement d'une pile à combustible, supposé connu par le lecteur. Dans le présent mémoire, l'expression pile à combustible désigne un système comportant un empilage de cellules électrochimiques élémentaires et les éléments de gestion des fluides associés. Observons encore que l'exemple décrit ici porte sur une pile à combustible alimentée en oxygène pur. Dans le cas d'une pile à combustible alimentée en air ambiant comprimé, le circuit de gestion d'air comporterait, par rapport au circuit de gestion d'oxygène, quelques adaptations tout à fait compatibles avec la conception intégrée proposée par l'invention. Par exemple, le compresseur d'air pourrait ou non être intégré, de même que les moyens de contrôle de l'humidification de l'air.

La description suivante s'attache à montrer une topologie permettant d'intégrer à une plaque d'extrémité les éléments de gestion des fluides utilisés par une pile à combustible. Les éléments fonctionnels de l'installation de gestion du circuit d'hydrogène sont les suivants (voir figure 1) : un condenseur Gh, un dispositif à effet Venturi Vh, un clapet anti retour E5h, un régulateur électrique de pression E2h, une pompe E8h, un capteur de pression E3h, une soupape de surpression d'alimentation E1 h, une soupape de surpression E9h régnant dans la pile à combustible et une électrovanne de purge El Oh. Les éléments de l'installation de gestion du circuit d'eau sont les suivants : un désioniseur D et un purgeur automatique E16. Les éléments de l'installation de gestion du circuit d'oxygène sont les suivants : un condenseur Go, un -7- Venturi Vo, un clapet anti-retour E5o, un régulateur électrique de pression E2o, une pompe E8o, un capteur de pression E3o, une soupape de surpression d'alimentation E10, une soupape Ego de surpression régnant dans la pile à combustible, une électrovanne de purge El 0o et un flotteur E17 pour la régulation du niveau d'eau produite par le fonctionnement de la pile à combustible.

A la figure 2, on voit l'empilage A de cellules élémentaires de la pile à combustible. Rappelons simplement que les cellules élémentaires de l'empilage A comportent chacune une anode et une cathode séparées par une membrane échangeuse d'ions, le tout formant l'assemblage électrodes et membrane connu sous l'abréviation MEA (pour Membrane Electrode Assembly). Cet empilement est serré entre deux plaques d'extrémité B et b. Le serrage assure l'étanchéité du système, ainsi que le bon contact électrique entre les éléments. La figure 3 montre la plaque d'extrémité B et on reconnaît les orifices d'alimentation P7h, P7w et P7o et de recirculation P5h, P5w et P5o des circuits de gaz et d'eau agencés à l'intérieur même de la pile à combustible. L'orifice d'alimentation P7h du circuit d'hydrogène est monté sur l'orifice d'entrée A7h d'entrée d'hydrogène de l'empilement A de cellules ; l'orifice de recirculation P5h du circuit d'hydrogène est monté sur l'orifice de sortie A5h d'hydrogène non consommé hors de l'empilage A de cellules élémentaires ; l'orifice d'alimentation P7w du circuit d'eau de refroidissement est monté sur l'orifice d'entrée A7w d'eau dans l'empilage A de cellules élémentaires : l'orifice de recirculation P5w du circuit d'eau est monté sur l'orifice de sortie A5w d'eau de l'empilage A de cellules élémentaires ; enfin, l'orifice d'alimentation P7o du circuit d'oxygène est monté sur l'orifice d'entrée A7o d'oxygène de l'empilage A de cellules élémentaires et l'orifice de recirculation P5o du circuit d'oxygène est monté sur l'orifice de sortie A5o d'oxygène non consommé hors de l'empilement A de cellules.

Selon la présente invention, le système de gestion des gaz et de l'eau de refroidissement est contenu dans la plaque d'extrémité B. La plaque d'extrémité B comporte un bloc structurel B1 d'épaisseur suffisante pour que l'on puisse y disposer trois chambres principales P1 w, P1 h et Pl o, visibles en particulier aux figures 4 et 7C. Avantageusement, une chambre P1 est disposée sensiblement parallèlement à la face intérieure B10. De préférence, elle est sensiblement droite et de préférence encore, elle est de forme cylindrique, avantageusement circulaire. Les figures 7 permettent de bien faire comprendre un mode de réalisation non limitatif de la présente invention. On -8- peut partir d'un bloc de matière sensiblement parallélépipédique et procéder par usinage. Les figures 7 montrent l'allure de la plaque d'extrémité B lorsque les perçages requis ont été réalisés, et avant d'avoir monté les éléments nécessaires à la constitution des systèmes de gestion des fluides. Pour ne pas obscurcir la suite de la description avec des détails inutiles, on n'aborde pas la totalité des opérations d'usinage et de montage requises pour réaliser une plaque système fonctionnelle. On s'attache à expliquer le principe de conception de l'intégration d'un ou des systèmes de gestion à une plaque d'extrémité et les détails précis, qui dépendent d'ailleurs du schéma précis du ou des systèmes de gestion des fluides, peuvent bien entendu varier. On peut partir d'un bloc filé qui comporte déjà tous les perçages parallèles à la direction selon laquelle le matériau constitutif, par exemple de l'aluminium, a été filé. On pourrait aussi réaliser un bloc par fonderie. Quels que soient les procédés, avantageusement, on cherche à réaliser trois chambres principales P1 w, P1 h et Pl o qui forment des cavités parallèles (voir en particulier la figure 3) à l'intérieur desquelles on va monter des éléments et auxquelles on va raccorder des canalisations et éléments permettant de construire les trois systèmes de gestion respectivement pour un circuit d'hydrogène, un circuit d'eau de refroidissement et un circuit d'oxygène.

A la figure 6, on voit la face intérieure B10 de la plaque d'extrémité 13 selon l'invention, destinée à être mise en appui contre ledit empilage. Cette face intérieure comporte deux orifices P7h et P5h destinés à l'alimentation d'un circuit d'hydrogène parcourant l'empilage A de cellules électrochimiques élémentaires , deux orifices P7o et P5o destinés à l'alimentation d'un circuit d'oxygène et deux orifices P7w et P5w destinés à l'alimentation d'un circuit de fluide caloporteur. L'ensemble de la face extérieure B11, qui est libre de tout contact avec l'empilage A de cellules électrochimiques élémentaires, permet de monter plusieurs des éléments nécessaires à la constitution des systèmes de gestion des fluides qui sont montés, comme on l'aperçoit à la même figure 6 et surtout à la figure 5.

La figure 5 montre une pile à combustible FC selon l'invention et le support S sur lequel elle est montée par un mouvement de rapprochement relatif (voir double flèche F1) qui permet tout à la fois d'établir les différentes connexions de fluides (connections électriques, connexion des gaz et connexion du fluide caloporteur) et de la positionner mécaniquement.35 -9- Détaillons les différents circuits de fluide intégrés à la plaque d'extrémité B. Circuit d'eau de refroidissement (voir essentiellement la figure 9) La chambre P1w est délimitée dans sa partie supérieure par un bouchon E12w monté sur une face extérieure B11. Un purgeur E16 est installé sur le bouchon E12w pour évacuer l'éventuelle présence de gaz dans l'eau. Une platine El 1w est montée à l'extrémité inférieure de la chambre P1w. Cette platine El 1w reçoit deux raccords auto- obturant C1w et C2w et elle forme un bouchon obturant la chambre IP1w à l'une de ses extrémités.

La platine El 1w comporte une chambre interne P60w communiquant avec l'orifice P5w et avec le raccord C2w. Elle reçoit par ailleurs un tube P61w dont la paroi est pleine sur la hauteur de la chambre interne P60w et comporte de multiples orifices P62w sur une partie s'étendant sensiblement sur toute la longueur de la chambre P1w. Le volume de la chambre P1w à l'extérieur du tube P61w peut recevoir des cristaux d'une composition chimique appropriée pour former le désioniseur D. La chambre P1w forme une nourrice qui communique d'un côté avec l'orifice P7w et de l'autre côté avec le raccord C1w.

L'eau rentre dans la plaque d'extrémité B par le connecteur C1w à la figure 9, traverse un déioniseur D et rentre dans la pile par l'orifice P7w. Comme l'extrémité supérieure du tube P61w n'est pas occultée, tout le débit ne passe pas au travers des cristaux.

Cela permet d'avoir une toute petite perte de charge. L'observation expérimentale montre que la désionisation est suffisante. En variante, on peut adopter une disposition ressemblant à un filtre, ce qui obligerait la totalité de débit à traverser le désioniseur. Après être passé dans les plaques bipolaires, l'eau revient dans la plaque d'extrémité B par l'orifice P5w, et quitte le système de gestion des fluides par le connecteur C2w à la figure 9. Remarquons que le connecteur C2w est représenté ouvert alors que le connecteur C1w est représenté fermé pour bien montrer leur opération mais, en pratique, ces connecteurs sont ouverts ensemble lorsque la pile à combustible est montée pour être fonctionnelle par exemple dans un véhicule ou ils sont fermés ensemble lorsque la pile à combustible est démontée.35 - 10- Remarquons encore que, et ceci est un avantage de la présente invention, lors de son passage par le système, l'eau maintient la totalité de la plaque-système B en température.

De préférence, la platine d'extrémité selon l'invention comporte, outre la chambre P1w formant nourrice d'alimentation en fluide caloporteur, une première (P1 h) et une deuxième (Pl o) chambres permettant un agencement de systèmes de gestion pour l'hydrogène et pour l'oxygène comme expliqué ci-dessous (voir par exemple la figure 4).

Circuit de gaz hydrogène (voir essentiellement la figure 11) La chambre P1 h s'étend entre les orifices P5h et P7h disposés sur la face intérieure B10 du bloc structurel B1. La chambre P1 h est délimitée dans sa partie supérieure par un bouchon E12h monté sur une face extérieure B11. Un capteur de pression E3h est installé sur le bouchon E12h. La chambre P1 h est délimitée dans sa partie inférieure par un réceptacle de collecte d'eau E7h, monté sur la partie inférieure de la face extérieure B11 du bloc structurel B1.

Un connecteur Cl h est installé sur la partie inférieure de la face extérieure B11 (figure 5). Ce connecteur Cl h est monté sur un perçage formant ladite canalisation d'alimentation P2h d'alimentation de la pile en gaz hydrogène (voir aussi la figure 7C û vue de dessus du bloc structurel B1û pour repérer les différents perçages dont la canalisation d'alimentation P2h). La canalisation d'alimentation P2h est reliée à un autre perçage formant une canalisation auxiliaire P3h débouchant sur un orifice de purge, ladite canalisation auxiliaire étant disposée sensiblement parallèlement à la canalisation d'alimentation, et connectée à celle-ci au moins par un clapet de surpression E1 h (figure 5). La canalisation auxiliaire P3h est ensuite reliée à l'extérieur du véhicule via le connecteur C2h (figure 5, figure 6). Un tube plongeur de purge E27 (figure 11) est installé dans le réceptacle d'eau E7h et est relié à une électrovanne de purge El Oh (figures 5 et 6) qui communique avec la canalisation auxiliaire P3h, via un perçage de purge P8h perpendiculaire à la canalisation auxiliaire P3h.35 -11- La canalisation d'alimentation P2h aboutit sur la paroi Pl Oh de la chambre P1 h (figure 13) via un passage P4h percé perpendiculairement à la canalisation d'alimentation P2h.

Un corps de recirculation E6h est positionné à l'intérieur de la chambre P1 h de façon étanche sur la paroi Pl Oh et à hauteur du passage P4h. Le corps E6h sépare la chambre P1 h en une partie d'alimentation P12h en gaz aboutissant à l'orifice P7h et une partie P11 h de recirculation du gaz aboutissant à l'orifice P5h. Pour une meilleure compréhension de la constitution du corps de recirculation E6, le lecteur est invité à se reporter à la figure 13 qui montre, en coupe par un plan perpendiculaire au plan de la figure 11, le corps de recirculation E6o utilisé dans la chambre P10 du circuit d'oxygène. Les corps E6h et E6o et les dispositifs et moyens qu'ils contiennent sont identiques. Chaque corps de recirculation E6 comporte une première cavité E61, une deuxième cavité E62 et une troisième cavité E63. La deuxième cavité E62 communique avec le passage P4 (voir P4o à la figure 13, le passage P4 pour l'hydrogène n'étant pas visible à la figure 11) d'une part et avec un trou E64 (voir E64o à la figure 13, l'équivalent pour le circuit d'hydrogène n'étant pas visible à la figure 11) communiquant avec l'électrovanne E2h (figures 5, 10 et 11) régulatrice de pression.

Un clapet anti retour E5 est monté sur le corps de recirculation E6 entre la partie P11 (recirculation) de la chambre P1 et la première cavité E61. Un perçage P6 fait communiquer la première cavité E61 et troisième cavité E63. Par ailleurs, une pompe de recirculation E8h (figures 5 et 10) est montée sur le bloc structurel B1 de façon à ce que son côté aspiration communique avec la partie P11 de la chambre P1 h et son côté refoulement communique avec la première cavité E61. A titre purement illustratif, on peut utiliser aussi bien du côté oxygène que du côté hydrogène une pompe à membrane. Avantageusement, un seul moteur électrique E14 entraîne simultanément les deux pompes à membranes E8h et E8o: L'électrovanne E2 communique (vers le haut sur les figures 11 et 13, c'est-à-dire en aval par rapport à la circulation du gaz) avec un évidement aboutissant à un convergeant-divergeant formant dispositif à effet Venturi V. La cavité E63 communique avec la zone extérieure au convergeant. -12- L'hydrogène gazeux arrive par le connecteur Cl h et traverse la canalisation d'alimentation P2h de la pile en gaz hydrogène où il est réchauffé au contact de la plaque d'extrémité maintenue à la température de fonctionnement de la pile à combustible. Le gaz est acheminé par la canalisation d'alimentation P2h vers le corps de recirculation E6h. Le gaz parvient (sous une pression régulée par la vanne E2h) dans la cavité E62. On fixe une consigne de pression pour la partie supérieure P12h de la chambre P1 h. Il s'agit en fait de la pression désirable à l'entrée de l'empilage A de cellules élémentaires.

Le gaz recirculé est constitué par l'excédent de gaz non consommé qui ressort de la pile par l'orifice P5h (figure 11). Arrivé dans la partie P11 de la chambre P1 h, l'eau liquide éventuellement présente dans le gaz tombe par gravité dans le réceptacle E7h. Les éventuels résidus d'eau sont évacués à l'extérieur du système en actionnant l'électrovanne El Oh par exemple à intervalles réguliers. Le gaz recirculé passe par le clapet anti retour E5h pour accéder à la cavité E61, d'où il peut passer librement dans la cavité E63. Le dispositif à effet Venturi V forme le moyen permettant de mélanger le gaz neuf présent dans la cavité E62 et le gaz recirculé présent dans la cavité E63 et permettant d'acheminer le mélange dans la partie P12 de la chambre P1 puis vers l'orifice P7h.

A faible puissance, la recirculation du gaz par l'effet Venturi n'est plus suffisante, et la pompe de recirculation E8h est mise en fonction. Elle aspire le gaz dans la partie P11 h de la chambre P1 h, et le refoule dans la cavité E61 de la chambre P1 h. Dans ces conditions, le clapet anti retour E5h est fermé.

Ainsi, en partant du bas vers le haut, on peut distinguer plusieurs étagesdans la chambre P1 h : un premier étage en dessous de l'orifice P5h, un deuxième étage entre l'orifice P5h et le corps de recirculation, un troisième étage qui correspond à la deuxième cavité E62, un quatrième étage qui correspond à la troisième cavité E63 et un cinquième étage entre le corps de recirculation et l'orifice P7h. Un capteur de pression E3h (figure 5) est monté sur le bloc structurel pour relever la pression régnant dans ce 5ème étage. -13- On vient de décrire comment on peut intégrer à une plaque d'extrémité le système de gestion de l'hydrogène alimentant une pile à combustible. De préférence, la plaque d'extrémité B comporte une deuxième chambre P1 permettant un agencement semblable à l'agencement de la première chambre P1 h, le circuit de gaz associé à l'une (P1 h) des chambres étant le circuit d'hydrogène et le circuit de gaz associé à la deuxième P10 des chambres étant le circuit d'oxygène (ici de l'oxygène pur). Circuit de gaz oxygène (voir essentiellement les figures 12 et 13) Le système oxygène est identique au système hydrogène, sauf les points suivants :

a. les purges se font directement à l'atmosphère via l'électrovanne El 0o (figure 5). Pour cela, le haut du perçage P3o est muni d'un filtre E20 laissant sortir librement 15 l'oxygène. Un bouchon E15 sépare le haut et le bas du perçage P3o. Le bas du perçage P3o est utilisé pour évacuer l'eau du réceptacle E7o.

b. coté cathode (oxygène), il y a une production importante d'eau sous forme liquide. Cette eau sortant de la pile tombe par gravité au fond d'un réceptacle E7o. Un 20 flotteur E17 commande l'ouverture E18 de l'entrée du tube plongeur E19. Ce tube plongeur E19 est relié au percement P90 puis au perçage P3o. De là, l'eau est acheminée via le connecteur C2o à l'extérieur du système. 25 Partie électrique (voir essentiellement la figure 5)

Les fonctions du système sont contrôlées de manière électrique. Pour cela, on peut avantageusement installer sur la plaque d'extrémité selon l'invention un module 30 électronique E25 de gestion de la pile à combustible. De préférence, la plaque d'extrémité selon l'invention supporte également un connecteur multibroche C4 pour relier à l'extérieur le module électronique de gestion E25. L'unité de contrôle E25 est placée sur le haut du bloc structurel B1. Elle reçoit les informations des différents capteurs (liste non exhaustive : capteurs de pression E3h et E3o, mesure de courant 35 E21, détecteur de taux d'hydrogène E26,...). L'unité de contrôle recueille ces10 -14- informations et agit sur les différents organes (bobines des régulateurs de pression E2h et E2o, électrovannes de purge El Oh et ElOo, moteur de pompe E14, contacteur de sécurité E22. De préférence, la plaque d'extrémité selon l'invention comporte en outre deux connecteurs électriques C3 de puissance destinés au courant délivré par la pile à combustible. Enfin, selon un mode de réalisation préféré, l'ensemble des connecteurs électriques et raccords d'alimentation en gaz ou en fluide caloporteur sont agencés de façon à pouvoir être accouplés par un seul mouvement linéaire de rapprochement relatif entre ladite plaque et un support S destiné à la recevoir (voir figure 5).

La figure 14 illustre une variante de réalisation de l'invention dans laquelle aussi bien la plaque d'extrémité B' que la plaque d'extrémité b' comportent des éléments de gestion des fluides utilisés par la pile. Par exemple, la gestion du fluide caloporteur est intégrée à l'une des plaques d'extrémité et la gestion des gaz est intégrée à l'autre des plaques d'extrémité. Cela peut faciliter l'implantation d'un thermostat E29w et d'une pompe de circulation E30w du fluide caloporteur comme illustré aux figures 15 et 16. La figure 15 schématise la configuration du thermostat E29w lorsque la pile doit être refroidie. Le fluide caloporteur ayant traversé l'empilage A est renvoyé à l'extérieur vers un radiateur. La figure 16 schématise la configuration du thermostat E29w lorsque la pile est froide. Le fluide caloporteur ayant traversé l'empilage est directement repris par la pompe pour circuler en circuit fermé seulement à l'intérieur de l'empilage afin de rendre homogène son échauffement progressif.

En conclusion, soulignons que l'intérêt de l'invention réside notamment dans la suppression de nombreux raccords, connexions, joints ou soudures, sources de non fiabilité outre les coûts de réalisation industrielle que cela entraîne. Le schéma du ou des systèmes de gestion du ou des fluides n'est pas en soi abordé par la présente invention. Selon le déposant, le principe de réalisation d'une plaque système compacte exposé ici semble compatible avec de nombreux schémas de système de gestion de fluide, sinon tous, quitte à ce que certains éléments ne soient pas intégrés ou montés sur une telle plaque d'extrémité. L'invention facilite aussi le remplacement de l'empilage de cellules électrochimiques en récupérant la ou les plaques d'extrémité, par exemple en prévoyant un raccordement par un système à montage rapide capable de développer une pression de contact suffisante entre empilage et plaque d'extrémité -15- comme par exemple un système à genouillère. Une plaque système selon l'invention pourrait aussi être adaptée pour connecter et être insérée entre deux empilages de cellules élémentaires.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Plaque d'extrémité (B) pour pile à combustible, la plaque d'extrémité comportant un bloc structurel (B1) comportant une face intérieure (B10) destinée à être mise en appui contre ledit empilage et une face extérieure complémentaire (B11), la face intérieure comportant au moins deux orifices (P5 et P7) destinés à l'alimentation d'un circuit situé dans la pile pour un gaz, caractérisée en ce qu'elle comporte une première chambre (P1) permettant l'agencement suivant : • la chambre (P1) est délimitée par une ou des parois (P10) du bloc structurel (B1 ), • la chambre (P1) s'étend entre lesdits deux orifices (P5 et P7) de la face 15 intérieure ; • la chambre (P1) est associée à une canalisation d'alimentation (P2) débouchant sur une face extérieure (B11) et aboutissant sur une paroi de la chambre (P1), • un corps de recirculation (E6) est monté à l'intérieur de la chambre (P1), 20 positionné là où aboutit la canalisation d'alimentation, monté de façon étanche sur la paroi de la chambre pour séparer la chambre (P1) en une partie d'alimentation (P11) en gaz aboutissant à l'un des orifices et une partie de recirculation du gaz (P12) aboutissant à l'autre des orifices, le corps de recirculation comportant un élément de mélange permettant de mélanger le gaz 25 neuf provenant de la canalisation d'alimentation et le gaz provenant de la partie de recirculation et permettant d'acheminer le mélange vers l'autre orifice.

2. Plaque d'extrémité selon la revendication 1 dans laquelle la chambre (P1) est disposée sensiblement parallèlement à la face intérieure (B10).

3. Plaque d'extrémité selon la revendication 2 dans laquelle la chambre (P1) est délimitée par au moins un bouchon (E12) monté sur la face extérieure. 30-17-

4. Plaque d'extrémité selon la revendication 1, dans laquelle la chambre P1 est délimitée, à son extrémité opposée au corps de recirculation, par un réceptacle (E7) de collecte d'eau, et comporte un tube plongeur de purge (27) installé dans le réceptacle d'eau E7h et relié à une l'électrovanne de purge (10h).

5. Plaque d'extrémité selon l'une des revendications 1 à 4, comportant une canalisation auxiliaire (P3) débouchant sur un orifice de purge, ladite canalisation auxiliaire étant disposée sensiblement parallèlement à la canalisation d'alimentation, et connectée à celle-ci au moins via un clapet de surpression (El h). 10

6. Plaque d'extrémité selon l'une des revendications 1 à 5, comportant une deuxième chambre permettant un agencement semblable à l'agencement de la première chambre, le circuit de gaz associé à l'une (P1 h) des chambres étant le circuit de gaz hydrogène et le circuit de gaz associé à l'autre (P1 o) des chambres étant le 15 circuit d'air ou d'oxygène.

7. Plaque d'extrémité selon l'une des revendications 1 à 6, comportant une chambre (P1w) formant nourrice d'alimentation en fluide caloporteur, permettant l'agencement suivant : 20 • la chambre formant nourrice est délimitée par une ou des parois du bloc structurel ; • la chambre formant nourrice s'étend entre lesdits deux orifices ; • une platine (El 1w) est positionné et montée à l'intérieur de la chambre formant nourrice, de façon étanche sur la paroi de la chambre, et comporte des moyens 25 pour assurer la circulation du fluide caloporteur sélectivement vers lesdits orifices. 10. Plaque d'extrémité selon la revendication 7 dans laquelle la chambre (P1w) est délimitée par au moins un bouchon (E12w) monté sur la face extérieure. 11. Plaque d'extrémité selon l'une des revendications 7 ou 8, dans laquelle la platine (El 1w) forme un bouchon obturant la chambre (P1w) à l'une de ses extrémités. 30-18- 10. Plaque d'extrémité selon l'une des revendications 7 à 9, dans laquelle la platine (E11 w) comporte une chambre interne (P60w) communiquant avec l'orifice (P5w) et avec un raccord (C2w). 11. Plaque d'extrémité selon la revendication 10, dans laquelle un tube (E61 w) dont la paroi comporte de multiples orifices est monté sur la platine (E11 w) et s'étend sensiblement sur toute la longueur de ladite chambre formant nourrice. 12. Plaque d'extrémité selon l'une des revendications 1 à 11, comportant en outre deux connecteurs électriques de puissance (C3) destinés au courant délivré par la pile à combustible. 13. Plaque d'extrémité selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisée en ce l'ensemble des connecteurs électriques et raccord d'alimentation en gaz ou en fluide caloporteur sont agencés de façon à pouvoir être accouplées par un seul mouvement linéaire de rapprochement relatif entre ladite plaque et un support destiné à la recevoir.