FR2960704A1 - Plaque de pile a combustible, pile comportant une telle plaque et son utilisation - Google Patents

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Abstract

Plaque de pile à combustible, notamment pour pile à combustible de type à membrane échangeuse de protons (« PEM »), comprenant une face (1) réactive destinée à acheminer un gaz comburant ou un gaz carburant vers un Assemblage Membrane Electrodes, la face réactive comprenant une zone (2) dite « active » comprenant des arêtes (3) en saillie délimitant des canaux formant un circuit de circulation de gaz entre une entrée (4) de gaz et une sortie (6) de gaz, la plaque (1) comprenant au moins un canal (5) d'alimentation en gaz supplémentaire ayant une extrémité aval débouchant directement dans le circuit de circulation, caractérisée en ce que le canal (5) supplémentaire est formé sur la face active de la plaque (1), ledit canal (5) supplémentaire comportant une portion amont formée par une rainure dans la plaque située en dehors de la zone (2) active et une portion aval située dans la zone active (2) , ladite portion aval étant réalisée par une ou des ouvertures (13) dans des arêtes (3).

Description

La présente invention concerne une plaque de pile à combustible, une pile comportant une telle plaque et son utilisation. L'invention concerne plus particulièrement une plaque de pile à combustible, notamment pour pile à combustible de type à membrane échangeuse de protons (« PEM »), comprenant une face réactive destinée à acheminer un gaz comburant ou un gaz carburant vers un Assemblage Membrane Electrodes, la face réactive comprenant une zone dite « active » comprenant des arêtes en saillie délimitant des canaux formant un circuit de circulation de gaz entre une entrée de gaz et une sortie de gaz, la plaque comprenant au moins un canal d'alimentation en gaz supplémentaire ayant une extrémité aval débouchant directement dans le circuit de circulation. La durée de vie des piles à combustible est aujourd'hui limitée par les matériaux de la membrane constituant l'électrolyte solide indispensable au fonctionnement de la pile. La membrane qui compose l'Assemblage Membrane Electrodes (« MEA »= « Membrane Electrode Assembly ») assure en effet : - la séparation étanche entre les gaz entre d'une part le côté anode (par exemple de l'hydrogène gazeux) et, d'autre part, le côté cathode (par exemple de l'air), et - la conduction ionique nécessaire aux réactions électrochimiques 20 d'oxydoréduction. La demanderesse a constaté que la dégradation des membranes de pile à combustible est en général localisée dans certaines zones de la membrane. La nécessité de remplacer une cellule de pile peut être provoquée par une baisse de performance (par exemple une tension trop basse voire négative) ou, 25 comme c'est très souvent le cas, en raison d'une fuite d'hydrogène à travers la membrane. Ces fuites sont généralement localisées au niveau de la zone correspondant à l'entrée de l'hydrogène et à la sortie de l'air des cellules. Ces problèmes peuvent s'expliquer par une dégradation du catalyseur de la 30 membrane soumis à une forte humidité relative. Ceci peut en effet augmenter la production de peroxyde, et donc une accélération de la dégradation du matériau de membrane.
La gestion du taux d'humidité à l'échelle d'une cellule est critique (notamment pour une pile de type « PEMFC »). Un compromis doit être trouvé entre un trop grand assèchement de la membrane au niveau de la ou des entrée(s) de gaz et une trop grande humidité au niveau des électrodes au niveau de la ou des sortie(s) de gaz. Pour résoudre ce problème plusieurs solutions ont été proposées. Une solution décrite dans le document US 6589678B1 consiste à réaliser une inversion périodique du flux de gaz dans la cellule. Ceci augmente cependant la complexité des embases de fluides des piles correspondantes.
Le document WO03005472A1 décrit une re-circulation de l'hydrogène pour alimenter la pile avec de l'hydrogène déjà humidifié, pour accroître la teneur en eau en entrée de cellule du côté hydrogène. Cette solution induit cependant un fonctionnement complexe (nécessité de prévoir des électrovannes de recirculation...).
Le document WO03001621A2 décrit une plaque de pile à combustible comprenant un ou plusieurs canaux d'alimentation supplémentaires qui viennent injecter du fluide réactif directement dans le circuit de distribution de la plaque. Cette solution améliore la distribution d'humidité dans la zone active (cf. figure 2 dudit document).
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. Un but de la présente invention est en particulier d'améliorer la solution proposée dans le document WO03001621A2. A cette fin, la plaque selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce que le canal supplémentaire est formé sur la face active de la plaque, ledit canal supplémentaire comportant une portion amont formée par une rainure dans la plaque située en dehors de la zone active et une portion aval située dans la zone active, ladite portion aval étant réalisée par une ou des ouvertures dans des arêtes.
Selon l'invention, le ou les canaux qui assurent une augmentation de débit localisé dans le circuit de circulation de la zone active acheminent le fluide jusqu'au point d'injection en circulant en regard d'une zone inactive de l'AME.
Ceci permet d'apporter localement au circuit un fluide qui n'a pas encore interagi dans la zone active. De préférence, la face réactive de la plaque est une face cathodique destinée à guider de l'air gazeux. L'arrangement selon l'invention permet ainsi d'apporter au circuit, dans sa partie aval, de l'air intact, de même nature que celui qui alimente l'entrée du circuit au niveau de l'entrée de gaz (c'est-à-dire un gaz riche en oxygène et non chargé d'eau produite par la pile). De plus, selon l'agencement, le ou les canaux supplémentaires sont intégrés dans la plaque en dehors de la zone active de cette dernière sans pour autant nécessiter de prévoir un moyen d'étanchéité supplémentaire. En effet, le fait de prévoir un canal formé au moins en partie par une rainure autour de la zone active permet d'utiliser les systèmes d'étanchéité déjà existants. Par exemple, au moins une partie du ou des canaux supplémentaires sont situés dans la zone de la plaque destinée à recevoir en appui étanche un élément de renfort (dénommé aussi en anglais « rim » ou « subgasket ») telle qu'une bande de polymère qui vient entourer la zone active. Cette bande de renfort peut être solidaire d'une feuille d'étanchéité distincte ou peut être solidaire de la membrane. De même, la périphérie de la membrane ou de l'AME peut assurer elle-même cette fonction d'étanchéité. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la portion amont du canal supplémentaire fait le tour d'au moins une partie de la zone active, - la portion aval du canal supplémentaire croise une pluralité de canaux via des ouvertures dans les arêtes respectives, - la portion aval du canal supplémentaire est inclinée par rapport aux axes des canaux et en ce que la portion aval du canal supplémentaire est inclinée en direction de la sortie de gaz, - l'extrémité amont du au moins un canal supplémentaire est raccordée à l'entrée de gaz, et - la plaque comprend plusieurs canaux supplémentaires.
L'invention concerne également une cellule de pile à combustible comprenant un ensemble membrane électrodes comprenant une membrane échangeuse de protons, une ou des pièces de renfort et/ou d'étanchéité, l'ensemble membrane électrodes et la ou les pièces de renfort et d'étanchéité étant pris en sandwich entre deux plaques de pile, la ou les pièces de renfort formant une barrière d'étanchéité autour de la zone active d'au moins une plaque, au moins une des plaques étant conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-après, et en ce qu'au moins une partie de la portion amont du au moins un canal supplémentaire est située à l'aplomb de la ou des pièces de renfort et d'étanchéité. Selon une autre particularité, la ou les pièces de renfort et/ou d'étanchéité sont formées par une portion de l'ensemble membrane électrodes et/ou par une pièce distincte ou solidaire de l'ensemble membrane électrodes.
L'invention concerne également une pile à combustible comprenant au moins une telle cellule. Selon une autre particularité possible, la au moins une plaque munie d'au moins un canal supplémentaire est une plaque cathodique. L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. 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 en perspective, schématique et partielle, illustrant un exemple de plaque de pile selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 représente une vue en perspective, schématique et partielle, illustrant un exemple de plaque de pile selon un second mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 représente une vue en coupe transversale et partielle de la plaque de la figure 1 selon la ligne AA, - la figure 4 représente de façon schématique, sur un même graphique, la variation de l'humidité le long du circuit de circulation de gaz pour une plaque cathodique de type (PEM) selon l'art antérieur et selon l'invention, - la figure 5 représente une vue en perspective, schématique et partielle, illustrant un exemple de structure éclatée de cellule de pile à combustible selon l'invention, - la figure 6 représente de façon schématique, sur un même graphique, la variation de la pression partielle d'oxygène (PO2) le long du circuit de circulation de gaz pour une plaque cathodique de type (PEM) selon l'art antérieur et selon l'invention. La plaque 1 de pile à combustible illustrée à la figure 1 comprend une face dite réactive destinée à acheminer un gaz comburant tel que de l'air contre un Assemblage Membrane Electrodes (« MEA »). La face réactive comprend classiquement à cet effet une zone 2 dite « active » comprenant des arêtes 3 en saillie délimitant des canaux formant un circuit de circulation de gaz entre une entrée 4 de gaz et une sortie 6 de gaz. Par soucis de simplification, le circuit et les arêtes 3 sont simplifiés à la figure 1. L'autre face de la plaque 1 peut comporter, par exemple, des nervures 9 destinées à coopérer avec des nervures d'une plaque adjacente pour former des canaux de circulation d'un fluide de refroidissement tel que de l'air. Selon l'invention, la plaque 1 comprend un canal 5 d'alimentation en gaz supplémentaire ayant une extrémité amont en liaison avec l'entrée 4 d'air et une extrémité aval débouchant directement dans le circuit des canaux. De préférence, le canal 5 supplémentaire débouche dans la moitié aval du circuit de circulation (avant la sortie 6). De cette façon, une partie du flux d'air d'entrée, riche en oxygène et contenant peu d'eau (par rapport au gaz de sortie appauvri en oxygène et saturé en eau), est injecté au niveau d'un ou plusieurs autres points de la cellule, plus particulièrement vers la sortie du gaz. Ce canal 5 supplémentaire est formé sur la face réactive de la plaque 1. Par exemple, le canal 5 supplémentaire comporte une portion amont formée par une rainure dans la plaque située en dehors de la zone 2 active. La portion amont du canal 5 supplémentaire fait par exemple le tour d'au moins une partie de la zone 2 active. La portion amont de ce canal 5 supplémentaire se raccorde à une portion aval qui entre dans la zone active 2 et alimente un ou des canaux 3 dont la direction est représentée par des lignes et flèches (pouvant représenter une arête, un canal, ou un ensemble d'arêtes et canaux alternés). La portion aval du canal 5 supplémentaire est réalisée de préférence par une ou des ouvertures 13 ou découpes dans les arêtes 3. Comme visible sur la figure 3, les arêtes 3 délimitant les canaux peuvent comporter des creux localisés permettant au gaz véhiculé par le canal 5 supplémentaire de se déverser dans un ou plusieurs canaux 2 du circuit de circulation de la zone active 2. Par exemple, ces ouvertures 13 ou découpes sont obtenues lors du moulage de la plaque 1 et/ou par usinage. Par exemple, au niveau des ouvertures 13 ou découpes, la hauteur des arêtes est réduite à zéro par rapport à la surface de la plaque. La largeur des ouvertures 13 peut être comprise entre un 0,1 millimètre et quelques millimètres, de préférence entre 0,4 et l mm (cette largeur pourra être choisie en fonction de la perte de charge du circuit principal et de la fraction de sur-débit désirée). La portion aval du canal 5 supplémentaire est de préférence inclinée par rapport aux canaux du circuit principal de distribution. De préférence également, la portion aval du canal 5 supplémentaire est inclinée en direction de la sortie 6 de gaz. Dans l'exemple de la figure 1, la portion aval du canal 5 supplémentaire est inclinée vers l'intérieur de la zone 2 active. Dans le mode de réalisation de la figure 2, la portion aval du canal 5 supplémentaire est inclinée de façon à déboucher dans un virage du circuit principal 3 dans la zone 2 active. La figure 5 illustre de façon schématique un exemple de cellule de pile à combustible comprenant un ensemble membrane électrodes 8 comprenant une membrane échangeuse de protons et des pièces 7 de renfort (et d'étanchéité) qui sont prises en sandwich entre deux plaques 1. Les pièces 7 de renfort et d'étanchéité comportent une bande de renfort destinée à former une barrière d'étanchéité autour de la zone 2 réactive des plaques. Les pièces 7 de renfort et d'étanchéité peuvent êtres distinctes de la membrane 8 (AME) ou solidaires de cette dernière.
De préférence, le canal 5 supplémentaire situé hors de la zone 2 active est placé sous ce renfort 7. C'est-à-dire que la rainure formant la partie amont de ce canal 5 supplémentaire est obturée par la pièce 7 de renfort et d'étanchéité périphérique. Classiquement, cette pièce 7 de renfort et d'étanchéité peut être formée de polymère.
La figure 4 illustre, sur un même graphique, le taux d'humidité cp estimé le long (longueur L) du circuit de circulation selon : - un dispositif de l'art antérieur sans canal d'alimentation supplémentaire (courbe discontinue), - un dispositif de l'art antérieur conforme au document WO03001621 (courbe avec croix) avec deux canaux d'alimentation en gaz supplémentaires produisant deux pics d'humidité aux deux points d'injection respectifs, et - selon l'agencement selon l'invention (courbe avec triangles) également 5 avec deux canaux d'alimentation en gaz supplémentaires produisant deux pics d'humidité aux deux mêmes points d'injection du circuit. La figure 6 illustre, sur un même graphique, le profil estimé de la pression partielle d'oxygène PO2 le long (longueur L) du circuit de circulation pour la configuration de la figure 4 avec : 10 - un dispositif de l'art antérieur sans canal d'alimentation supplémentaire (courbe discontinue), - un dispositif de l'art antérieur conforme au document WO03001621 (courbe avec croix) avec deux canaux d'alimentation en gaz supplémentaires produisant deux pics d'oxygène aux deux points d'injection respectifs, et 15 - selon l'agencement selon l'invention (courbe avec triangles) également avec deux canaux d'alimentation en gaz supplémentaires produisant deux pics d'humidité aux deux mêmes points d'injection du circuit. Selon l'invention, le canal 5 d'alimentation supplémentaire parvient jusqu'au(x) point(s) d'injection en circulant dans une zone inactive de la plaque (par 20 exemple sous le renfort 7). L'allure de la courbe d'humidité (figure 4) selon l'invention est sensiblement la même que selon l'agencement du document WO03001621. Cependant, l'invention doit permettre d'augmenter les niveaux d'humidité. Il en est de même pour le taux d'oxygène (cf. figure 6). 25 La structure selon l'invention permet d'augmenter les niveaux d'humidité, notamment par rapport à un canal d'alimentation supplémentaire qui transiterait dans la zone 2 active de la plaque 1. L'invention permet également de mieux contrôler la perte de charge du circuit fluide en dimensionnant le canal de sur-débit 5 par rapport aux pertes de charges du circuit principal 3 de façon à injecter la 30 portion de débit souhaitée sur une large plage de courant. Le ou les canaux 5 d'alimentation supplémentaires peuvent en effet être dimensionnés et orientés (éventuellement incurvés) pour empêcher tout effet de « contre-pression » dans le circuit bloquant de l'eau sur la partie amont de la cellule. Au contraire, le ou les canaux 5 d'alimentation supplémentaires peuvent générer un effet Venturi pour mieux évacuer du circuit l'eau sous forme liquide et le gaz appauvri en oxygène. Bien entendu, les architectures illustrées aux figures ne sont pas limitatives.
Ainsi, plusieurs canaux supplémentaires peuvent être prévus. De même, il est possible d'envisager d'alimenter avec un débit additionnel un ou plusieurs canaux du circuit de la zone active de cellule, par exemple selon la quantité d'eau liquide attendue et la pression partielle d'oxygène locale. L'invention peut s'appliquer à des plaques bipolaires ou à des plaques monopolaires pour des piles de type PEMFC (à membrane échangeuse de protons). Bien entendu, l'invention peut également s'appliquer à d'autres types de plaques et de piles (par exemple PAFC...) où une distribution homogène de certaines espèces, réactives ou non, est souhaitée. L'invention peut ainsi s'appliquer pour différents oxydants tel que l'air, l'oxygène... et différents réducteurs tels que l'hydrogène ou autres combustibles..., et autres espèces participant indirectement aux réactions (eau ou autre électrolyte...).

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Plaque de pile à combustible, notamment pour pile à combustible de type à membrane échangeuse de protons (« PEM »), comprenant une face (1) réactive destinée à acheminer un gaz comburant ou un gaz carburant vers un Assemblage Membrane Electrodes, la face réactive comprenant une zone (2) dite « active » comprenant des arêtes (3) en saillie délimitant des canaux formant un circuit de circulation de gaz entre une entrée (4) de gaz et une sortie (6) de gaz, la plaque (1) comprenant au moins un canal (5) d'alimentation en gaz supplémentaire ayant une extrémité aval débouchant directement dans le circuit de circulation, caractérisée en ce que le canal (5) supplémentaire est formé sur la face active de la plaque (1), ledit canal (5) supplémentaire comportant une portion amont formée par une rainure dans la plaque située en dehors de la zone (2) active et une portion aval située dans la zone active (2) , ladite portion aval étant réalisée par une ou des ouvertures (13) dans des arêtes (3).
  2. 2. Plaque selon la revendication 1, caractérisée en ce que la portion amont du canal (5) supplémentaire fait le tour d'au moins une partie de la zone (2) active.
  3. 3. Plaque selon la revendication 1, caractérisée en ce que la portion aval du canal (5) supplémentaire croise une pluralité de canaux via des ouvertures (13) dans les arêtes (3) respectives.
  4. 4. Plaque selon la revendication 3, caractérisée en ce que la portion aval du canal (5) supplémentaire est inclinée par rapport aux axes des canaux et en ce que la portion aval du canal (5) supplémentaire est inclinée en direction de la sortie (6) de gaz.
  5. 5. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'extrémité amont du au moins un canal (5) supplémentaire est raccordée à l'entrée (4) de gaz.
  6. 6. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend plusieurs canaux (5) supplémentaires.
  7. 7. Cellule de pile à combustible comprenant un ensemble membrane électrodes (8) comprenant une membrane échangeuse de protons, une ou des pièces (7) de renfort et/ou d'étanchéité, l'ensemble membrane électrodes (8) et laou les pièces (7) de renfort et d'étanchéité étant pris en sandwich entre deux plaques (1) de pile, la ou les pièces (7) de renfort formant une barrière d'étanchéité autour de la zone (2) active d'au moins une plaque (1), caractérisée en ce qu'au moins une des plaques (1) est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6 et en ce qu'au moins une partie de la portion amont du au moins un canal (5) supplémentaire est située à l'aplomb de la ou des pièces (7) de renfort et d'étanchéité.
  8. 8. Cellule selon la revendication 7, caractérisée en ce que la ou les pièces (7) de renfort et/ou d'étanchéité sont formées par une portion de l'ensemble membrane électrodes (8) et/ou par une pièce distincte ou solidaire de l'ensemble membrane électrodes (8).
  9. 9. Pile à combustible comprenant au moins une cellule conforme à la revendication 7 ou 8.
  10. 10. Utilisation d'une pile conforme à la revendication 9, dans laquelle la au moins une plaque (1) munie d'au moins un canal (5) supplémentaire est une plaque cathodique.
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