FR2913819A1 - Plaque de pile a combustible, empilage de cellules de pile a combustible et pile a combustible correspondante - Google Patents
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Abstract
Plaque de pile à combustible destinée à être associée à un ensemble électrochimique (2) pour former une cellule élémentaire de pile à combustible, la plaque (1) comportant une face dite extérieure (11) pourvue d'ailettes (3, 4, 5) destinées à coopérer avec les ailettes (3, 4, 5) de la face extérieure d'une plaque (1) de pile à combustible d'une cellule adjacente pour former des canaux de guidage pour un gaz de refroidissement, la plaque (1) comportant un côté d'entrée (E) et un côté de sortie (S) pour le gaz de refroidissement définissant une direction (D) de circulation de gaz de refroidissement entre deux plaques adjacentes, caractérisée en ce qu'au moins une partie des ailettes (3, 4, 5) sont disposées en diagonale, c'est-à-dire orientées selon une ou des directions présentant un angle non nul par rapport à la direction (D) de circulation.
Description
La présente invention concerne une plaque de pile à combustible, un
empilage de cellules de pile à combustible et une pile à combustible comprenant une telle plaque. L'invention concerne plus particulièrement une plaque de pile à combustible destinée à être associée à un ensemble électrochimique pour former une cellule élémentaire de pile à combustible, la plaque comportant une face dite extérieure pourvue d'ailettes destinées à coopérer avec les ailettes de la face extérieure d'une plaque de pile à combustible d'une cellule adjacente pour former des canaux de guidage pour un gaz de refroidissement, la plaque comportant un côté d'entrée et un côté de sortie pour le gaz de refroidissement définissant une direction de circulation de gaz de refroidissement entre deux plaques adjacentes. L'invention concerne également un empilage d'au moins deux cellules élémentaires de pile à combustible, les cellules adjacentes comprenant des plaques de pile à combustible dont les faces extérieures sont disposées en vis-à- vis et en contact. Les piles à combustible, notamment à membrane protonique (PEMFC), sont constituées d'un empilage ( Stack ) de cellules planes élémentaires. Chaque cellule élémentaire comprend un ensemble électrochimique (dont une membrane échangeuse de protons) qui est pris en sandwich entre deux plaques.
Les plaques polaires ou bipolaires sont constituées de graphite et/ou de matériau composite et/ou d'un alliage métallique. Des moyens de refroidissement sont ménagés dans l'espace entre deux cellules adjacentes, pour évacuer la chaleur produite par la réaction chimique. Il est connu de refroidir les cellules via par exemple un écoulement gazeux 25 d'air entraîné par un système ventilateur. Ce type de refroidissement par air est soumis à de nombreuses contraintes. Ainsi, le refroidissement de la cellule doit être le plus homogène possible pour refroidir efficacement toute la surface de toutes les membranes des cellules. Ceci est nécessaire pour éviter les points localement chauds susceptibles 30 d'endommager ou de réduire la durée de vie des membranes. Par ailleurs, le différentiel de température entre la cellule et l'air de refroidissement (généralement ambiant) est relativement limité, en particulier quand la température de l'air extérieur est élevée.
De plus, la puissance consacrée à la ventilation doit être la plus faible possible car la consommation énergétique associée est prise sur la production de la pile et donc diminue son rendement net. En outre, le système de refroidissement est sujet à des contraintes d'encombrement, de sécurité et de niveau sonore qui limitent d'autant les possibilités d'optimisation. Enfin, les cellules doivent de préférence pouvoir être retirée indépendamment les unes pour faciliter leur maintenance. Comme illustré schématiquement à la figure 1, les plaques formant électrode (en graphite, en composite ou autre), comportent classiquement sur leur face externe des ailettes 3 alignées parallèlement au flux d'air de refroidissement. Une fois empilées, les ailettes de deux plaques adjacentes viennent en contact pour former des canaux pour la circulation de l'air de ventilation (cf.; fig. 2). L'empilement de plusieurs cellules se présente généralement sous forme d'un bloc parallélépipédique (cf. fig.3), l'air de refroidissement devant être distribué de façon homogène entre tous les canaux, pour assurer un refroidissement homogène. En effet, les matériaux constitutifs des cellules étant peu conducteurs de la chaleur, il n'est pas possible de compter sur la conduction longitudinale ou transversale de la chaleur dans les matériaux pour estomper les différentiels de température importants.
Comme représenté, l'empilement est classiquement ventilé au moyen d'un ou plusieurs ventilateurs (soufflants ou aspirants). Ce type de dispositif connu présente cependant quelques inconvénients et notamment une distribution d'air peu homogène sur les canaux de l'empilement. En particulier, on constate une sous-alimentation en air de refroidissement dans les angles de l'empilement et dans les canaux masqués par le moyeu central du ventilateur. De plus, certaines parties de l'empilement sont au contraire sur-alimentées en air (notamment au niveau des parties directement exposées au refoulement du ventilateur). Par ailleurs, le coefficient d'échange thermique étant globalement constant dans l'empilement, la température de l'air de refroidissement augmente progressivement entre le côté d'entrée et le côté de sortie des canaux, ce qui engendre un gradient thermique dans la cellule selon la direction d'écoulement de l'entrée vers la sortie.
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, la plaque de pile à combustible selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce qu'au moins une partie des ailettes sont disposées en diagonale, c'est-à-dire orientées selon une ou des directions présentant un angle non nul par rapport à la direction (D) de circulation. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la concentration des ailettes en diagonale sur la face extérieure augmente de façon discontinue ou continue entre le côté d'entrée (E) et le côté de sortie (S) et selon la direction (D) de circulation, - l'augmentation de la concentration des ailettes en diagonale est réalisée par un accroissement du nombre et/ou de la taille des ailettes par unité de surface de la plaque. Un autre but de l'invention est de proposer un empilage d'au moins deux cellules élémentaires de pile à combustible, les cellules adjacentes comprenant des plaques de pile à combustible dont les faces extérieures sont disposées en vis-à-vis et en contact.
Selon l'invention, lesdites plaques sont conformes et les premières ailettes en diagonale d'une première plaque ont des directions distinctes et croisées par rapport aux secondes ailettes en diagonale d'une seconde plaque adjacente à la première plaque. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la concentration des ailettes en diagonale de chacune des deux plaques en contact augmente de façon discontinue ou continue entre le côté d'entrée et le côté de sortie selon la direction de circulation, - les ailettes en diagonale sont orientées selon des directions présentant un angle compris entre 1 degrés et 60 degrés par rapport à la direction de circulation, - les ailettes font saillie perpendiculairement de la face extérieure des plaques, - les ailettes en diagonale sont rectilignes et sont constituées chacune d'une paroi unique continue ou d'une pluralité de parois élémentaires discrètes et distinctes, - les ailettes en diagonale sont courbes et sont constituées chacune d'une paroi unique continue ou d'une pluralité de parois élémentaires discrètes et distinctes, - les plaques sont constituées de graphite et/ou de matériau composite et/ou d'un alliage métallique. Un autre but de l'invention est de proposer une pile à combustible, notamment du type à membrane échangeuse de protons comprenant un empilage de cellules élémentaires conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-après. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue de côté, schématique et éclatée (et selon la direction de circulation de l'air de refroidissement) d'une cellule de pile à combustible de l'art antérieur, - la figure 2 représente une vue de côté, schématique (et selon la même direction de circulation de l'air de refroidissement) de deux plaques accolées appartenant respectivement à deux cellules adjacentes (lesdites cellules n'étant pas représentées), - la figure 3 représente une vue de face d'un empilement de cellules refroidi par ventilateur d'une pile à combustible comprenant des plaques conformes aux figures 1 et 2, - la figure 4 représente une vue schématique de dessus de la face extérieure d'une plaque de pile face conforme à un premier exemple de réalisation de l'invention, - les figures 5 et 6 représentent des vues de dessus des faces extérieures de respectivement deux plaques conformes à un second exemple de réalisation de l'invention, - la figure 7 représente une vue de dessus de l'empilement (faces extérieures en contact) des deux plaques des figures 5 et 6, - la figure 8 représente les courbes d'évolution des températures d'une plaque et de l'air de refroidissement de long de la plaque selon la direction de circulation pour une plaque selon la figure 4, - la figure 9 représente les courbes d'évolution des températures d'une plaque et de l'air de refroidissement de long de la plaque selon la direction de circulation pour une plaque selon les figures 5 et 6. En se référant à présent à la figure 4, la plaque de pile à combustible selon l'invention comporte, sur sa face dite extérieure, des d'ailettes 3 disposées en diagonale, c'est-à-dire orientées selon des directions de préférence parallèles et présentant un angle non nul par rapport à la direction D de circulation de l'air de refroidissement. La direction D de l'air de refroidissement s'étend depuis le bord ou côté d'entrée E de la plaque jusque vers le bord ou côté de sortie S de la plaque. Dans l'exemple de réalisation représenté, la plaque 1 a une forme parallélépipédique, la direction D de circulation de l'air étant perpendiculaire aux bords définissant l'entrée E et la sortie S de la plaque. Dans l'exemple représenté à la figure 4, les ailettes 3 : -s'étendent sur toute la surface recouvrant la membrane électrochimique, -sont parallèles entre elles et sont donc inclinées d'un même angle (compris par exemple entre 1 et 60 degrés) par rapport à la direction D de circulation. Bien entendu, tout ou partie de ces caractéristiques peuvent être modifiées. Ainsi, les ailettes peuvent être présentes sur une partie seulement de la surface utile seulement et/ou peuvent avoir des angles d'inclinaison distincts (compris par exemple entre 1 et 60 degrés). De même, seulement certaines des ailettes peuvent être disposées en diagonale tandis que les autres ailettes peuvent être parallèles à la direction D de circulation. La plaque de la figure 5 présente également des ailettes en diagonale 3, 4 et 5 parallèles et ayant un angle d'inclinaison par rapport à la direction D de circulation compris entre 1 et 60 degrés.
La plaque 1 possède sur sa surface extérieure 11 un premier groupe d'ailettes 3 qui s'étendent selon toute la largeur de la plaque depuis le bord d'entrée E jusqu'au bord de sortie S. La plaque 1 possède également sur sa surface extérieure 11 un second groupe d'ailettes 4 parallèles qui s'étendent sur environ les 3/4 à 4/5 de la largeur de la plaque 1 jusqu'au bord de sortie S. Enfin, la plaque 1 possède un troisième groupe d'ailettes 5 parallèles qui s'étendent sur environ 1/3 à 1/4 de la largeur de la plaque jusqu'au bord de sortie S. Comme précédemment, tout ou partie de ces caractéristiques géométriques peuvent être modifiées (angles d'inclinaison distincts pour les ailettes de chaque groupe et/ou au sein d'un même groupe, certaines ailettes parallèles à la direction D de circulation, longueur des ailettes...). Les faces extérieures 11 des plaques 1 des figures 4 et 5 sont destinées à venir en contact avec les faces extérieures de plaques adjacentes respectives de forme conjuguée (de préférence symétrique), de façon à former un croisement des ailettes diagonales divergeant en direction du côté de sortie S. La figure 6 représente la plaque adjacente à la plaque de la figure 5 et la figure 7 leur empilement croisé. Cette structure est dite ondulé-croisé . La demanderesse a constaté que ce type d'architecture présente de nombreux avantages et notamment améliore la qualité de la distribution d'air de refroidissement ainsi que l'homogénéité de la température des plaques. La structure organisée en ondulé-croisé favorise l'établissement d'un profil de vitesse plat pour l'air, ceci même à partir d'une alimentation en air fortement hétérogène. Les structures selon l'invention interdisent tout "passage direct" du fluide entre l'entrée E et la sortie S et favorisent de multiples divisons et regroupements dans un écoulement qui suit les axes des ondulations ou croisements. La disposition selon l'invention corrige par ailleurs rapidement des effets de mauvaise distribution du gaz de refroidissement. De plus, le transfert de chaleur entre les plaques et l'air est amélioré par un haut niveau de turbulence de l'écoulement, cette turbulence étant maintenue sur toute la profondeur ou largeur de la cellule. Au contraire, les arrangements conventionnels se caractérisent par un transfert de chaleur efficace en entrée E mais qui diminue une fois l'écoulement stabilisé dans le canal. Dans la variante encore plus avantageuse des figures 5 à 7 il y a en plus une augmentation progressive du nombre d'ailettes (ou de la surface d'échange thermique) en direction de la sortie S. Ceci augmente le coefficient d'échange thermique dans la direction D d'écoulement D selon le sens des ondulations. Cette évolution du coefficient de transfert permet ainsi de réduire, voir d'annuler le gradient thermique dans la plaque entre l'entrée E et la sortie S de l'air de refroidissement. Les graphiques présentés aux figures 8 et 9 illustrent par comparaison l'effet d'un coefficient d'échange progressif (TP=température de la plaque; TA=température de l'air, L= longueur de la plaque et T C= température mesurée en degrés Celsius). Sur la figure 8, le coefficient d'échange est constant (correspondant à une géométrie de plaque conforme, par exemple, à la figure 4).
On constate que la température TA de l'air de refroidissement augmente linéairement ainsi que la température TP de la plaque. Sur la figure 9 (correspondant à une géométrie conforme aux figures 5 à 7, le coefficient d'échange est multiplié par 0,65 environ sur le premier tiers de la plaque et 0,75 sur le deuxième tiers (selon la direction D de circulation). Ces chiffres dépendent du flux de chaleur produit et du débit d'air de refroidissement. Il reste égal à 1 sur le troisième tiers. On constate alors que la température de la plaque TP est quasiment constante sur toute sa largeur. Un autre avantage de l'invention est la diminution de la perte de charge dans le système échangeur de chaleur, ceci pour une même température 20 maximale. Grâce à ces caractéristiques, la géométrie de plaque selon l'invention permet d'obtenir une température homogène dans toute la cellule Ou de mieux maîtriser le profil de température afin d'obtenir les meilleures conditions opératoires. 25 Un autre avantage particulièrement important de l'invention est la bonne rigidité conférée à un empilement de cellules ainsi que la bonne qualité des contacts thermiques et électriques entre les plaques adjacentes. En effet, dans la structure conventionnelle de la figure 2, il faut prévoir un vis-à-vis précis des ailettes de deux plaques en contact de façon à former un 30 canal satisfaisant ainsi qu'une continuité électrique de l'ensemble. Dans ce système conventionnel il est par ailleurs nécessaire de ménager un appui central (du type ailette "plus large"), pour éviter le risque d'emboîtement des ailettes d'une plaque dans les canaux de la plaque en vis-à-vis.
Dans la disposition selon l'invention (ailettes des deux plaques en vis-à-vis disposées selon des angles croisés), le risque d'emboîtement n'existe plus, les points de contact ne sont plus alignés mais répartis sur la surface entière ces nervures croisées donnent à l'empilement une fois serré une rigidité remarquable.
L'empilement présente ainsi une meilleure résistance à la flexion sous serrage, et une meilleure qualité des contacts électriques. L'invention permet donc l'amélioration du refroidissement des piles à combustibles, notamment du type à membrane échangeuse de proton (PEMFC) à plaques graphite ou composite ou autre, par l'utilisation de géométries de canaux de refroidissement du type "ondulé-croisé" progressives, simples ou avec forme en S dans la géométrie des ailettes des plaques (c'est-à-dire que les ailettes sont parallèle à l'axe d'écoulement D au niveau de l'entrée du fluide de refroidissement, de la sortie et des contacts. En revanche, les parties des ailettes comprises entre ces points sont inclinées par rapport à l'axe D. Cette géométrie permet de limiter les pertes de charges singulières à l'entrée et à la sortie des plaques et d'augmenter la surface de contact électrique entre les plaques sans modifier tous les avantages cités ci-dessus). L'invention permet la diminution, voir annulation, des gradients de température axiaux et transversaux dans les cellules ou du moins une meilleure maîtrise des gradients axiaux. L'invention permet également une diminution de la perte de charge de l'échangeur et donc de la consommation du ou des ventilateurs utilisés ainsi qu'une diminution du niveau sonore du système de refroidissement.
Claims (11)
1. Plaque de pile à combustible destinée à être associée à un ensemble électrochimique (2) pour former une cellule élémentaire de pile à combustible, la plaque (1) comportant une face dite extérieure (11) pourvue d'ailettes (3, 4, 5) destinées à coopérer avec les ailettes (3, 4, 5) de la face extérieure d'une plaque (1) de pile à combustible d'une cellule adjacente pour former des canaux de guidage pour un gaz de refroidissement, la plaque (1) comportant un côté d'entrée (E) et un côté de sortie (S) pour le gaz de refroidissement définissant une direction (D) de circulation de gaz de refroidissement entre deux plaques adjacentes, caractérisée en ce qu'au moins une partie des ailettes (3, 4, 5) sont disposées en diagonale, c'est-à-dire orientées selon une ou des directions présentant un angle non nul par rapport à la direction (D) de circulation.
2. Plaque selon la revendication 1, caractérisée en ce que la concentration des ailettes (3, 4, 5) en diagonale sur la face extérieure (11) augmente de façon discontinue ou continue entre le côté d'entrée (E) et le côté de sortie (S) et selon la direction (D) de circulation.
3. Plaque selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'augmentation de la concentration des ailettes (3, 4, 5) en diagonale est réalisée par un accroissement du nombre et/ou de la taille des ailettes par unité de surface de la plaque (1).
4. Empilage (10) d'au moins deux cellules élémentaires de pile à combustible, les cellules adjacentes comprenant des plaques (1) de pile à combustible dont les faces extérieures (11) sont disposées en vis-à-vis et en contact, caractérisé en ce que lesdites plaques (1) sont conformes à l'une quelconque des revendications précédentes et en ce que les premières ailettes (3, 4,
5) en diagonale d'une première plaque (1) ont des directions distinctes et croisées par rapport aux secondes ailettes (3, 4, 5) en diagonale d'une seconde plaque adjacente à la première plaque (1). 5. Empilage selon la revendication 4, caractérisée en ce que la concentration des ailettes (3, 4, 5) en diagonale de chacune des deuxplaques (1) en contact augmente de façon discontinue ou continue entre le côté d'entrée (E) et le côté de sortie (S) selon la direction (D) de circulation.
6. Empilage selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisée en ce que les ailettes (3, 4, 5) en diagonale sont orientées selon des directions présentant un angle compris entre 1 degré et 60 degrés par rapport à la direction (D) de circulation.
7. Empilage selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les ailettes (3, 4, 5) font saillie perpendiculairement de la face extérieure des plaques (1).
8. Empilage selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que les ailettes (3, 4, 5) en diagonale sont rectilignes et sont constituées chacune d'une paroi unique continue ou d'une pluralité de parois élémentaires discrètes et distinctes.
9. Empilage selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que les ailettes (3, 4, 5) en diagonale sont courbes et sont constituées chacune d'une paroi unique continue ou d'une pluralité de parois élémentaires discrètes et distinctes.
10. Empilage selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que les plaques sont constituées de graphite et/ou de matériau composite et/ou d'un alliage métallique.
11. Pile à combustible, notamment du type à membrane échangeuse de protons, caractérisée en ce qu'elle comprend un empilage de cellules élémentaires conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 10.
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