"Pile à combustible comportant des plaques bipolaires métalliques"Fuel cell with metallic bipolar plates
embouties" L'invention concerne une pile à combustible, et notamment une pile à combustible utilisée comme source d'énergie électrique à bord d'un véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement une pile à combustible comportant des plaques bipolaires métalliques embouties. Une telle pile comporte un empilement successif selon une direction longitudinale d'au moins trois ensembles : io - un premier ensemble et un troisième ensemble dont chacun constitue une cellule unitaire de production d'énergie électrique, dite MEA (Membrane Electrode Assembly), comportant : - une plaque anodique agencée dans un plan is transversal ; -une plaque cathodique agencée parallèlement à la plaque anodique ; - une membrane électrolytique agencée entre les plaques anodique et cathodique ; 20 - un deuxième ensemble qui constitue une plaque bipolaire alimentant en réactifs la cellule MEA et/ou assurant le refroidissement de la pile, cette plaque bipolaire étant entre la plaque anodique de la première cellule MEA et la plaque cathodique de l'autre cellule MEA, la plaque bipolaire 25 comportant : - deux plaques métalliques embouties délimitant des conduits dans lesquels circule un gaz réactif et/ou un liquide de refroidissement. On utilise couramment des plaques bipolaires 30 massives, 30 représentées à la figure 1, fabriquées dans un matériau métallique comme l'acier, dans lesquelles on creuse des conduits de circulation des fluides par usinage ou autres procédés de gravure. 2 Des conduits d'alimentation anodique 15 en contact avec une plaque anodique 14 alimentent cette électrode en gaz réactif riche en dihydrogène. Des conduits d'alimentation cathodique 17 en contact avec une plaque cathodique 12 alimentent cette électrode en gaz réactif riche en dioxygène. Enfin des conduits interstitiels 21 sont traversés par un liquide de refroidissement évacuant la chaleur produite par la réaction de production d'énergie électrique. Comme on peut le voir sur la figure 1, les plaques io bipolaires 30 sont volumineuses et représentent donc une proportion importante de la masse totale de la pile à combustible 10. Pour résoudre ce problème, il est connu d'utiliser des plaques embouties 18, comme représentées à la figure 2. Les is plaques embouties 18 sont des feuilles métalliques, par exemple de l'acier inoxydable d'environ 0,1 mm d'épaisseur mises en forme par emboutissage et empilées deux à deux pour former une plaque bipolaire 30. Une plaque ainsi emboutie 18 représente donc une moitié 20 de plaque bipolaire 30. Une telle plaque emboutie 18 comporte des dents 19 délimitant des conduits différents. De la même manière, des conduits d'alimentation anodique 15 en contact avec une plaque anodique 14 alimentent cette électrode en gaz réactif riche en dihydrogène. Des conduits 25 d'alimentation cathodique 17 en contact avec une plaque cathodique 12 alimentent cette électrode en gaz réactif riche en dioxygène. Enfin des conduits interstitiels 21 sont traversés par un liquide de refroidissement évacuant la chaleur produite par la réaction de production d'énergie électrique. 30 Dans l'empilement, des bases 23 des dents 19 de la plaque emboutie 18, en contact avec une électrode anodique 14 ou cathodique 12, assurent la conduction électrique et le bon 3 passage des électrons entre les cellules MEA de production d'énergie 26. Les plaques embouties 18 sont accolées par leurs sommets 22 des dents 19 pour former une plaque bipolaire 30. The invention relates to a fuel cell, and in particular to a fuel cell used as a source of electrical energy on board a motor vehicle, and more particularly to a fuel cell comprising stamped metal bipolar plates. such a stack comprises a successive stack in a longitudinal direction of at least three sets: io - a first set and a third set each of which constitutes a unit cell for producing electrical energy, called MEA (Membrane Electrode Assembly), comprising: an anode plate arranged in a transverse plane; a cathode plate arranged parallel to the anode plate; an electrolytic membrane arranged between the anode and cathode plates; and a second assembly which constitutes a bipolar plate supplying the MEA cell with reagents. / or ensuring the cooling of the battery, this bipolar plate being between the the anode of the first MEA cell and the cathode plate of the other MEA cell, the bipolar plate 25 comprising: two stamped metal plates defining ducts in which a reactive gas and / or a cooling liquid circulates. Massive bipolar plates 30, shown in FIG. 1, made of a metallic material such as steel, are commonly used in which fluid flow conduits are hollowed out by machining or other etching processes. Anodic supply conduits 15 in contact with an anode plate 14 feed this electrode with a dihydrogen-rich reactive gas. Cathodic power supply conduits 17 in contact with a cathode plate 12 supply this electrode with oxygen-rich reactive gas. Finally, interstitial conduits 21 are traversed by a cooling liquid discharging the heat produced by the electric power generation reaction. As can be seen in FIG. 1, the bipolar plates 30 are bulky and thus represent a significant proportion of the total mass of the fuel cell 10. To solve this problem, it is known to use stamped plates 18, As shown in FIG. 2, the stamped plates 18 are metal foils, for example stainless steel about 0.1 mm thick, shaped by stamping and stacked in pairs to form a bipolar plate. A plate thus stamped 18 thus represents a half of bipolar plate 30. Such a stamped plate 18 has teeth 19 delimiting different ducts. In the same way, anode feed ducts 15 in contact with an anode plate 14 feed this electrode with a dihydrogen rich reactive gas. Cathodic power supply conduits 17 in contact with a cathode plate 12 supply this electrode with a dioxygen-rich reactive gas. Finally, interstitial conduits 21 are traversed by a cooling liquid discharging the heat produced by the electric power generation reaction. In the stack, bases 23 of the teeth 19 of the stamped plate 18, in contact with an anode electrode 14 or cathode 12, ensure the electrical conduction and the good passage of the electrons between the MEA cells for energy production. The stamped plates 18 are contiguous by their tops 22 of the teeth 19 to form a bipolar plate 30.
Les plaques bipolaires 30 et les cellules MEA 26 sont assemblées alternativement et comprimées selon une direction longitudinale pour former un empilement de pile à combustible 10. Si l'utilisation de plaques embouties 18 permet de diminuer la masse et le volume de l'empilement en conservant de très bons io résultats électriques pour de petits assemblages (deux à trois cellules MEA 26), il est difficile de l'appliquer à un empilement pour une pile à combustible 10 qui comporte généralement plusieurs centaines de cellules MEA 26 et autant de plaques bipolaires 30 de ce type. The bipolar plates 30 and the MEA cells 26 are alternately assembled and compressed in a longitudinal direction to form a fuel cell stack 10. If the use of stamped plates 18 makes it possible to reduce the mass and the volume of the stack by conserving very good electrical results for small assemblies (two to three MEA cells 26), it is difficult to apply it to a stack for a fuel cell which generally comprises several hundred MEA cells 26 and as many bipolar plates. of that type.
15 Une première difficulté réside dans l'homogénéité de l'empilement des différentes plaques embouties 18. En effet, cette configuration nécessite de faire coïncider très précisément les sommets 22 des dents 19, lors de l'assemblage par compression, afin d'assurer de résistances de contact minimales, ce qui est 20 difficilement réalisable au niveau d'un empilement où on peut compter plusieurs centaines de plaques embouties 18. Le contact électrique doit être parfait au sommet 22 pour chaque dent 19 car les cellules MEA 26 dans une telle pile 10 sont connectées électriquement en série, et le rendement global 25 de la pile 10 est proportionnel au rendement de la cellule MEA 26 le plus faible. Or, les plaques sont fortement sujettes à la déformation du fait de leur faible épaisseur. Par conséquent, même si le contact entre les dents 19 existe, comme sur la figure 2, il peut être de 30 mauvaise qualité et présenter des trous ou des bossages dus à l'emboutissage ce qui réduit fortement la circulation des électrons entre les plaques embouties 18 et par conséquent le rendement des cellules MEA 26 associées.A first difficulty lies in the homogeneity of the stack of the various stamped plates 18. In fact, this configuration requires very precisely coincide the tops 22 of the teeth 19, during the assembly by compression, to ensure minimal contact resistances, which is difficult to achieve at a stack where one can count several hundreds of stamped plates 18. The electrical contact must be perfect at the top 22 for each tooth 19 because the MEA cells 26 in such a stack 10 are electrically connected in series, and the overall efficiency of the cell 10 is proportional to the efficiency of the lowest cell MEA 26. However, the plates are highly subject to deformation because of their small thickness. Therefore, even if the contact between the teeth 19 exists, as in FIG. 2, it may be of poor quality and have holes or bosses due to stamping which greatly reduces the flow of electrons between the stamped plates. 18 and therefore the yield of associated MEA cells 26.
4 Un document antérieur, US 2004/0265667-Al décrit et représente un empilement de pile à combustible du type décrit précédemment et qui comporte à au moins une de ses extrémités une plaque interposée entre les plaques embouties pour mieux distribuer le refroidissement à tout l'empilement. Dans ce document, le reste de l'empilement est conservé comme dans l'état de la technique. Ce document propose une solution pour améliorer l'homogénéité du refroidissement mais pas d'amélioration pour l'homogénéité de la conductivité électrique io entre les cellules MEA. Dans le but de résoudre ce problème, la présente invention propose une pile à combustible du type décrit précédemment caractérisée en ce que la plaque bipolaire comporte une plaque conductrice intermédiaire agencée entre les deux plaques is embouties de manière à améliorer le contact électrique entre des zones en vis à vis des deux plaques embouties Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - l'épaisseur de la plaque conductrice intermédiaire est sensiblement égale à celles des plaques embouties de la plaque 20 bipolaire ; - la plaque conductrice intermédiaire est réalisée dans le même matériau que les plaques embouties ; - les zones en contact des plaques métalliques formant la plaque bipolaire sont assemblées par collage avec une colle 25 conductrice de manière à améliorer le contact électrique ; - les zones en contact des plaques métalliques formant la plaque bipolaire sont assemblées par soudage ou brasage de manière à améliorer le contact électrique ; - une plaque métallique conductrice comporte des orifices 30 répartis régulièrement entre des conduits interstitiels formés par les plaques embouties de manière à augmenter le volume des conduits interstitiels de circulation du liquide de refroidissement ; - la pile à combustible est composée de l'empilement selon une direction longitudinale de blocs unitaires comportant : une cellule MEA ; deux plaques embouties agencées de part et d'autre de la cellule MEA et une plaque conductrice intermédiaire s agencée sur l'une ou l'autre des deux plaques embouties et ces blocs unitaires sont assemblés les uns aux autres par soudage, brasage ou collage ; - la pile à combustible est composée de l'empilement selon une direction longitudinale de blocs unitaires comportant : une io cellule MEA ; une plaque bipolaire agencée d'un côté ou de l'autre de la cellule MEA de manière à pouvoir différencier la plaque anodique de la plaque cathodique dans la cellule MEA et ces blocs unitaires sont assemblés les uns aux autres par soudage, brasage ou collage.A previous document, US 2004/0265667-A1 describes and represents a fuel cell stack of the type described above and which comprises at least one of its ends a plate interposed between the stamped plates to better distribute the cooling to all the stack. In this document, the rest of the stack is kept as in the state of the art. This document proposes a solution for improving the homogeneity of the cooling but no improvement for the homogeneity of the electrical conductivity between the MEA cells. In order to solve this problem, the present invention proposes a fuel cell of the type described above characterized in that the bipolar plate comprises an intermediate conductive plate arranged between the two plates is stamped so as to improve the electrical contact between zones With respect to the two stamped plates According to other features of the invention: the thickness of the intermediate conductive plate is substantially equal to that of the stamped plates of the bipolar plate; the intermediate conductive plate is made of the same material as the stamped plates; the zones in contact with the metal plates forming the bipolar plate are assembled by bonding with a conductive adhesive so as to improve the electrical contact; the zones in contact with the metal plates forming the bipolar plate are assembled by welding or soldering so as to improve the electrical contact; a conductive metal plate includes orifices regularly distributed between interstitial ducts formed by the stamped plates so as to increase the volume of the interstitial conduits for circulation of the cooling liquid; the fuel cell is composed of the stack in a longitudinal direction of unit blocks comprising: a MEA cell; two stamped plates arranged on either side of the MEA cell and an intermediate conductive plate s arranged on one or other of the two stamped plates and these unit blocks are assembled to each other by welding, brazing or gluing; the fuel cell is composed of the stack in a longitudinal direction of unit blocks comprising: a MEA cell; a bipolar plate arranged on one side or the other of the MEA cell so as to be able to differentiate the anode plate from the cathode plate in the MEA cell and these unit blocks are assembled to each other by welding, brazing or gluing.
15 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente un empilement d'une pile à 20 combustible selon l'état de la technique ; - la figure 2 représente un autre empilement d'une pile à combustible selon l'état de la technique ; - la figure 3 représente un empilement d'une pile à combustible selon un premier mode de réalisation de l'invention ; 25 la figure 4 représente un empilement d'une pile à combustible selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. - les figures 5a et 5b illustrent en détails le contact entre les plaques avec et sans plaque conductrice intermédiaire. Dans la description qui va suivre des éléments identiques, 30 analogues ou similaires seront désignés par les mêmes chiffres de référence.Other features and advantages of the invention will appear on reading the detailed description which follows for the understanding of which reference will be made to the appended drawings in which: FIG. 1 represents a stack of a fuel cell according to the state of the art; FIG. 2 represents another stack of a fuel cell according to the state of the art; FIG. 3 represents a stack of a fuel cell according to a first embodiment of the invention; FIG. 4 shows a stack of a fuel cell according to a second embodiment of the invention. - Figures 5a and 5b illustrate in detail the contact between the plates with and without intermediate conductive plate. In the following description, identical, similar or similar elements will be designated by the same reference numerals.
6 Dans la description suivante, on utilisera la dénomination longitudinale, et transversale en référence au repère (L, T) représenté à la figure 1. On a représenté à la figure 3 un empilement pour une pile à combustible selon un premier mode de réalisation de l'invention. Une pile à combustible 10 se compose d'un empilement successif d'au moins trois ensembles selon une direction longitudinale. Le premier et le troisième ensemble constitue une cellule io de production d'énergie électrique ou MEA (pour Membrane Electrode Assembly) 26 qui comporte une plaque cathodique 12 agencée transversalement, une plaque anodique 14 agencée parallèlement à la plaque cathodique 12, entre lesquelles est interposée une membrane électrolytique 16.In the following description, use will be made of the longitudinal denomination and transversal with reference to the reference (L, T) shown in FIG. 1. FIG. 3 shows a stack for a fuel cell according to a first embodiment of FIG. the invention. A fuel cell 10 consists of a successive stack of at least three sets in a longitudinal direction. The first and third assemblies constitute an electric energy production cell (MEA) 26 which comprises a cathode plate 12 arranged transversely, an anode plate 14 arranged parallel to the cathode plate 12, between which is interposed an electrolytic membrane 16.
15 Le deuxième ensemble est une plaque bipolaire d'alimentation 30 agencée entre la plaque anodique 14 d'une première cellule MEA et la plaque cathodique 12 de la cellule MEA 26 suivante. Une plaque bipolaire 30 comporte deux plaques 20 métalliques 18 de faible épaisseur, environ 0,1 mm, embouties à des distances régulières, et entre lesquelles est interposée une plaque conductrice intermédiaire 20 plane et de même épaisseur que les plaques embouties 18. Plus précisément, les plaques embouties 18 comportent 25 des dents 19 ayant des sommets 22, en contact avec une plaque conductrice intermédiaire 20, et des bases 23, en contact avec une plaque anodique 14 ou cathodique 12. Les dents formées par emboutissage délimitent des conduits d'alimentation anodique 15, cathodique 17, et 30 interstitiels 21, pour la circulation des fluides réactifs et du liquide de refroidissement. Le deuxième ensemble est ainsi constitué de deux plaques embouties 18 entre lesquelles est interposée une plaque 7 conductrice intermédiaire 20, l'ensemble étant assemblé par compression. Un tel empilement permet de garantir un meilleur contact entre le sommet 22 des dents 19 et la plaque conductrice 20 comme illustré à la figure 3 et à la figure 5b. Un avantage certain de cette nouvelle structure est de limiter la résistance dite de contact au niveau d'une plaque bipolaire 30 ce qui se traduit par des chutes ohmiques moins importantes que dans le cas où les plaques embouties 18 sont io accolées directement les unes aux autres. Un autre avantage de cette structure est d'améliorer l'homogénéité des contacts pour un empilement de pile à combustible, comprenant généralement plusieurs centaines de cellules MEA 26.The second set is a bipolar feed plate 30 arranged between the anode plate 14 of a first MEA cell and the cathode plate 12 of the next MEA cell 26. A bipolar plate 30 comprises two metal plates 18 of small thickness, about 0.1 mm, stamped at regular distances, and between which is interposed a flat intermediate conductive plate 20 and of the same thickness as the stamped plates 18. More specifically, the stamped plates 18 comprise teeth 19 having peaks 22, in contact with an intermediate conductive plate 20, and bases 23, in contact with an anodic plate 14 or cathode 12. The teeth formed by stamping delimit feed ducts anodic 15, cathodic 17 and interstitial 21, for the circulation of the reactive fluids and the cooling liquid. The second assembly thus consists of two stamped plates 18 between which is interposed an intermediate conductive plate 20, the assembly being assembled by compression. Such a stack ensures a better contact between the top 22 of the teeth 19 and the conductive plate 20 as shown in Figure 3 and Figure 5b. A certain advantage of this new structure is to limit the so-called contact resistance at a bipolar plate 30, which results in smaller ohmic drops than in the case where the stamped plates 18 are directly contiguous to one another. . Another advantage of this structure is to improve the homogeneity of the contacts for a fuel cell stack, generally comprising several hundred MEA cells 26.
15 En effet, une force de compression appliquée longitudinalement aux extrémités de l'empilement est la seule force qui permet de réaliser concrètement l'assemblage mécanique d'une pile à combustible 10. En effet, comme le montrent les figures 5a et 5b, les 20 sommets 22 des dents 19 présentent un profil légèrement bombé du fait de leur réalisation par emboutissage. En comprimant les sommets 22 légèrement bombés des plaques embouties 18 contre la surface plane d'une plaque conductrice 20 (figure 5b), on assure un meilleur contact que si 25 on comprime l'un sur l'autre les sommets 22 de deux plaques embouties accolées (figure 5a). On s'affranchit ainsi des éventuels glissements d'un sommet bombé 22 par rapport à l'autre lors de la compression pouvant altérer la conductivité électrique de la pile à combustible 10.Indeed, a compressive force applied longitudinally to the ends of the stack is the only force that makes it possible to concretely form the mechanical assembly of a fuel cell 10. Indeed, as shown in FIGS. 5a and 5b, the 20 vertices 22 of the teeth 19 have a slightly curved profile because of their realization by stamping. By compressing the slightly domed vertices 22 of the stamped plates 18 against the flat surface of a conductive plate 20 (FIG. 5b), a better contact is provided than if the two apices 22 of two stamped plates are compressed one on the other. contiguous (Figure 5a). This avoids any slippage of a domed top 22 with respect to the other during compression which can alter the electrical conductivity of the fuel cell 10.
30 Cette configuration présente également l'avantage de limiter le processus de corrosion en milieu confiné favorisé par la structure de l'état de la technique illustré aux figures 2 et 5a. En effet, les éléments présents dans le milieu, les gaz réactifs et 8 notamment le dioxygène, peuvent facilement s'infiltrer entre les sommets bombés 22 accolés. Le phénomène de corrosion, une fois amorcé induit une réaction en chaîne qui fait rapidement chuter les performances de la pile à combustible 10 ainsi que sa durée de vie. Avantageusement par rapport aux empilements connus, le nouvel empilement permet d'améliorer le contact entre les plaques embouties 18 et de ce fait limiter la corrosion et augmenter la durée de vie globale d'une pile à combustible 10 io conçue selon l'invention. L'assemblage d'une telle pile 10 est facilité par la présente invention. En effet, grâce à ce nouvel empilement, on peut envisager de réaliser des blocs unitaires 36 indépendants comportant 15 chacun : - une cellule de production d'énergie ou MEA 26 ; - une plaque emboutie 18 de part et d'autres des électrodes 12 et 14 ; - et une plaque conductrice 20 d'un côté ou de l'autre 20 d'une des plaques embouties 18. Les plaques conductrices 20 et les plaques embouties 18, en plus d'être comprimées mécaniquement les unes sur les autres, sont fixées les unes par rapport aux autres par collage en utilisant des colles conductrices ou par soudage, brasure ou tout 25 autre moyen équivalent et n'altérant pas la conductivité des plaques bipolaires 30 conçues selon l'invention. Le fait d'avoir de petits blocs indépendants 36 facilite la maintenance d'une telle pile à combustible permettant ainsi de changer aisément un ou plusieurs blocs indépendants 36 sans 30 avoir à défaire totalement l'empilement. On peut aussi définir un autre bloc indépendant 38 comme suit : - une cellule de production d'énergie ou MEA 26 ; 9 et une plaque bipolaire 30 agencée d'un côté ou de l'autre de la cellule MEA 26. Avantageusement par rapport à la définition du bloc 36 précédent, ce bloc 38 permet de différencier facilement la cathode 12 de l'anode 14, et d'éviter ainsi une éventuelle erreur d'empilement qui engendrerait un court-circuit dans la pile à combustible 10. Selon une variante de l'invention représentée à la figure 4, une plaque conductrice 32 interposée entre les plaques io embouties 18 comporte des orifices 34 régulièrement répartis sur sa surface, entre les conduits interstitiels 21 où s'écoule le liquide de refroidissement de manière à augmenter le volume des conduits interstitiels 21 de circulation du liquide de refroidissement.This configuration also has the advantage of limiting the confined corrosion process favored by the structure of the state of the art illustrated in FIGS. 2 and 5a. Indeed, the elements present in the medium, the reactive gases and 8 in particular the oxygen, can easily infiltrate between the adjoining bulging vertices 22. The corrosion phenomenon, once initiated induces a chain reaction that rapidly reduces the performance of the fuel cell 10 and its life. Advantageously with respect to the known stacks, the new stack makes it possible to improve the contact between the stamped plates 18 and thereby limit corrosion and increase the overall service life of a fuel cell 10 designed according to the invention. The assembly of such a stack 10 is facilitated by the present invention. Indeed, thanks to this new stack, it is conceivable to produce independent unit blocks 36 each comprising: a power generation cell or MEA 26; a stamped plate 18 on both sides of the electrodes 12 and 14; and a conductive plate 20 on one side or the other 20 of one of the stamped plates 18. The conductive plates 20 and the stamped plates 18, in addition to being compressed mechanically on one another, are fixed on The adhesives are bonded to one another by adhesive bonding or by soldering, brazing or any other equivalent means and not affecting the conductivity of the bipolar plates 30 made in accordance with the invention. The fact of having small independent blocks 36 facilitates the maintenance of such a fuel cell thus making it easy to change one or more independent blocks 36 without having to completely undo the stack. One can also define another independent block 38 as follows: - a power generation cell or MEA 26; 9 and a bipolar plate 30 arranged on one side or the other of the MEA cell 26. Advantageously with respect to the definition of the block 36 above, this block 38 makes it easy to differentiate the cathode 12 from the anode 14, and thus to avoid a possible stacking error which would cause a short-circuit in the fuel cell 10. According to a variant of the invention shown in FIG. 4, a conductive plate 32 interposed between the stamped plates 18 has holes 34 regularly distributed on its surface, between the interstitial ducts 21 where the coolant flows so as to increase the volume of the interstitial conduits 21 for circulating the coolant.