La présente invention concerne les piles à combustible. L'invention concerne plus particulièrement une pile à combustible, notamment du type à membrane échangeuse de protons (« PEMFC »), comprenant un empilement de cellules élémentaires, l'empilement étant pris en sandwich entre deux plaques de serrage pour appliquer une pression de serrage déterminée sur l'empilement, au moins une extrémité de l'empilement comprenant une plaque collectrice de courant conductrice de l'électricité reliée électriquement aux cellules de l'empilement pour collecter la somme des courants électriques produits par les cellules, la pile comprenant au moins un bossage disposé entre une plaque de serrage et une extrémité de l'empilement pour augmenter localement la pression sur une surface déterminée de la section de l'empilement. Une technologie privilégiée aujourd'hui pour la fabrication des piles à combustible utilise des cellules de pile de forme carrée ou rectangulaire. Ainsi, les plaques et les membranes échangeuses de protons sont de forme générale carrée ou rectangulaire. Cette forme carrée ou rectangulaire permet notamment d'optimiser le coûteux matériau qui constitue la membrane de l'assemblage Membrane Electrodes (« AME » ou « MEA » en anglais). En effet, cette géométrie permet de minimiser les chutes de matière lors de son découpage. Lors de la réalisation de plaques de pile de « grande taille » (c'est-à-dire des plaques ayant une surface supérieure à quelques cm2), il peut se poser le problème de l'homogénéité de la compression des cellules formant l'empilement à l'échelle de la surface active de la membrane. En effet, bien souvent, la tenue mécanique d'une pile est assurée au moyen de plaques terminales rigides dites « de serrage » disposées de part et d'autre d'un empilement de cellule. Ces plaques de serrage sont généralement reliées entre elles par des tirants pour assurer un effort de compression déterminé de l'empilement de cellules. L'effort de serrage induit généralement une courbure de déformation des plaques terminales et donc une compression hétérogène des cellules de l'empilement. Ainsi, le centre de la cellule est souvent moins bien comprimé que la périphérie des cellules. Cette hétérogénéité dans le serrage des cellules peut également être causée par la structure périphérique des AME. En effet, les AME comportent généralement une surépaisseur périphérique et/ou une rigidité supérieure à la périphérie liée à la présence d'un renfort polymère périphérique (dénommé également « subgasket » ou « rim » en anglais). D'autres facteurs peuvent contribuer à modifier encore la répartition de l'effort sur les coeurs de pile, par exemple : - la planéité et le parallélisme des faces des différents éléments de l'empilement, - la présence d'éléments dissymétriques au niveau des cellules (par exemple des collecteurs de fluide...). The present invention relates to fuel cells. The invention relates more particularly to a fuel cell, in particular of the proton exchange membrane ("PEMFC") type, comprising a stack of elementary cells, the stack being sandwiched between two clamping plates to apply a clamping pressure. determined on the stack, at least one end of the stack comprising an electrically conductive current collecting plate electrically connected to the cells of the stack to collect the sum of the electric currents produced by the cells, the stack comprising at least a boss disposed between a clamping plate and an end of the stack for locally increasing the pressure on a given surface of the section of the stack. A preferred technology today for the manufacture of fuel cells uses square or rectangular cell cells. Thus, the plates and proton exchange membranes are generally square or rectangular in shape. This square or rectangular shape makes it possible in particular to optimize the expensive material which constitutes the membrane of the Membrane Electrodes assembly ("AME" or "MEA" in English). Indeed, this geometry makes it possible to minimize material falls during its cutting. When making "large" pile plates (that is, plates having an area greater than a few cm2), there may be the problem of the homogeneity of the compression of the cells forming the stacking at the scale of the active surface of the membrane. Indeed, very often, the mechanical strength of a battery is provided by means of rigid terminal plates called "clamping" arranged on either side of a cell stack. These clamping plates are generally interconnected by tie rods to ensure a determined compressive force of the stack of cells. The clamping force generally induces a curvature of deformation of the end plates and thus a heterogeneous compression of the cells of the stack. Thus, the center of the cell is often less well compressed than the periphery of the cells. This heterogeneity in cell clamping can also be caused by the peripheral structure of MEAs. Indeed, AMEs generally comprise a peripheral excess thickness and / or rigidity greater than the periphery related to the presence of a peripheral polymer reinforcement (also called "subgasket" or "rim" in English). Other factors may contribute to further modifying the distribution of the stress on the pile cores, for example: the flatness and parallelism of the faces of the different elements of the stack, the presence of asymmetrical elements at the level of cells (for example fluid collectors ...).
Une telle hétérogénéité de compression de l'empilement de cellules est défavorable non seulement à la performance des piles, mais aussi leur durée de vie. En effet, une zone insuffisamment comprimée présente une résistance de contact électrique augmentée par rapport à une zone plus comprimée. Une zone insuffisamment comprimée a donc un fonctionnement dégradé par des pertes ohmiques supérieures. Inversement, une zone de cellule qui serait relativement trop comprimée subit une dégradation mécanique accélérée. De plus, l'accès des gaz aux sites réactifs de la cellule est également dégradé. Ainsi, un serrage relativement homogène sur la surface active des cellules est généralement un objectif recherché. Such heterogeneous compression of the stack of cells is unfavorable not only to the performance of the batteries, but also their lifetime. Indeed, an insufficiently compressed area has an increased electrical contact resistance compared to a more compressed area. An insufficiently compressed zone therefore has degraded operation by higher ohmic losses. Conversely, a cell area that would be relatively too compressed undergoes accelerated mechanical degradation. In addition, the access of gases to the reactive sites of the cell is also degraded. Thus, a relatively homogeneous clamping on the active surface of the cells is generally a desired objective.
De nombreuses solutions très variées existent pour corriger l'hétérogénéité de l'effort de compression des cellules d'un empilement. Ces solutions connues génèrent généralement une difficulté de mise en oeuvre et un surcoût non négligeable par l'emploi de matériaux rigides (acier usiné...). De plus, ces solutions peuvent augmenter l'encombrement de la pile. Many very varied solutions exist to correct the heterogeneity of the compression effort of the cells of a stack. These known solutions generally generate a difficulty of implementation and a significant additional cost by the use of rigid materials (machined steel ...). In addition, these solutions can increase the size of the stack.
Le document WO2005/04/5982 décrit notamment un empilement de cellules dont les extrémités possèdent un système de compression sélective d'une zone déterminée des cellules. Dans un mode de réalisation, le système de compression sélective comprend deux paires de plaques de serrage, la face interne de la plaque de serrage externe comprenant une saillie venant appuyer sur la face extérieure de la plaque de serrage de la seconde paire. Dans un autre mode de réalisation, chaque extrémité de l'empilement comporte en série dans cet ordre (de l'extérieur vers l'intérieur de l'empilement) : une plaque de serrage extérieure, un joint, une plaque collectrice de courant et une seconde plaque de serrage. Le système de compression sélective comprend une vis qui est vissée au travers de la plaque de serrage extérieure et au travers du joint. L'extrémité de la vis vient appuyer contre la plaque collectrice de courant. La vis assure également la fonction de collecte du courant de la plaque collectrice au travers de la plaque de serrage qui est isolante. Cet agencement connu permet renforcer sélectivement la pression de serrage au centre des surfaces actives des cellules. Cependant, sa structure nécessite deux paires de plaques de serrage. De plus, pour obtenir un serrage efficace, les plaques de serrage externes doivent être relativement rigides pour compenser la flèche des plaques internes de serrage. Ceci augmente les coûts de l'agencement. De plus, l'utilisation d'une vis assurant une fonction collectrice de courant complique l'agencement de l'ensemble. Enfin, la stabilité de la position angulaire de la vis et l'influence de la pression de la vis au cours de cycles thermiques peuvent être difficiles à déterminer. The document WO2005 / 04/5982 notably describes a stack of cells whose ends have a system of selective compression of a determined area of the cells. In one embodiment, the selective compression system comprises two pairs of clamping plates, the inner face of the outer clamping plate comprising a projection pressing against the outer face of the clamping plate of the second pair. In another embodiment, each end of the stack comprises in series in this order (from the outside to the inside of the stack): an outer clamping plate, a seal, a current collector plate and a second clamping plate. The selective compression system comprises a screw which is screwed through the outer clamping plate and through the seal. The end of the screw presses against the current collector plate. The screw also performs the function of collecting the current of the header plate through the clamping plate which is insulating. This known arrangement makes it possible to selectively reinforce the clamping pressure at the center of the active surfaces of the cells. However, its structure requires two pairs of clamping plates. In addition, to achieve effective clamping, the outer clamping plates must be relatively stiff to compensate for the deflection of the internal clamping plates. This increases the costs of the arrangement. In addition, the use of a screw providing a current collecting function complicates the arrangement of the assembly. Finally, the stability of the angular position of the screw and the influence of the pressure of the screw during thermal cycles can be difficult to determine.
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 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 que le au moins un bossage est en matériau isolant de l'électricité et est situé entre une plaque de serrage et une plaque collectrice de courant, le au moins un bossage étant en contact direct avec la plaque collectrice de courant. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le au moins un bossage est formé par une excroissance d'une plaque de répartition d'effort en matériau isolant de l'électricité disposée entre une plaque de serrage et une plaque collectrice de courant, - la plaque de répartition d'effort est constituée de l'un au moins des matériaux suivants : un plastique, un polymère, un composite, une céramique, un métal, un alliage, - la plaque de répartition d'effort est solidaire d'une plaque de serrage, - la plaque de répartition d'effort est surmoulée sur une plaque de serrage, - la plaque de répartition d'effort est constituée par la plaque de serrage, - le au moins un bossage a une forme générale parallélépipédique ou cylindrique, - le au moins un bossage est solidaire d'une plaque de serrage, - la plaque comprend à chacune des deux extrémités de l'empilement au moins un bossage, le ou les bossages de chaque extrémité étant en matériau isolant de l'électricité et étant disposé entre une plaque de serrage et une plaque collectrice de courant, - chaque plaque de serrage est en matériau isolant électrique lesdites plaques de serrage étant réalisées par surmoulage de matière sur les plaques collectrices de courant, - au moins une des plaques de serrage comporte au moins un bossage, - le au moins un bossage est disposé dans une zone correspondant à la partie des cellules de l'empilement où, en fonction de la technique de serrage de la pile, la compression est relativement moindre, pour augmenter relativement la compression au niveau de ladite partie concernée desdites cellules de l'empilement (par exemple au niveau de la partie centrale des cellules), - les plaques de serrage sont composées de l'un au moins des matériaux parmi : du métal, de la céramique, un matériau composite, du plastique, - l'empilement comprend au moins une cellule comprenant une plaque monopolaire ou une plaque bipolaire pourvue d'au moins une surépaisseur localisée formant au moins un bossage destiné à augmenter localement la pression de serrage sur une surface déterminée de l'empilement. 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 de côté, schématique et partielle, illustrant une pile à combustible en configuration éclatée selon un exemple de réalisation de l'invention, - la figure 2 représente une vue agrandie d'un détail de la figure 1 illustrant l'agencement d'une extrémité de pile en position assemblée. En se référant à l'exemple de la figure 1, la pile à combustible, par exemple du type à membrane échangeuse de protons (« PEMFC »), comprend classiquement un empilement 1 de cellules 2 élémentaires. Par soucis de simplification, seule une cellule 2 est symbolisée schématiquement par des pointillés. Classiquement, chaque cellule peut comprendre un Assemblage Membrane Electrodes (AME) comprenant une membrane échangeuse de protons. L'AME 20 est pris en sandwich entre deux plaques 200 de pile à combustible (plaques bipolaires ou plaques monopolaires), cf. figure 2. Les deux extrémités de l'empilement 1 de cellules 2 sont prises en sandwich entre : - une paire de plaques 4 collectrices de courant, - une paire de plaques 15 de répartition d'effort décrites ci-après, et - une paire de plaque 3 de serrage. An object of the present invention is to overcome all or part of the disadvantages of the prior art noted above. For this purpose, the fuel cell according to the invention, moreover in conformity with the generic definition given in the preamble above, is essentially characterized in that the at least one boss is made of an insulating material for electricity and is located between a clamping plate and a current collecting plate, the at least one boss being in direct contact with the current collecting plate. Furthermore, embodiments of the invention may include one or more of the following features: the at least one boss is formed by an outgrowth of a stress distribution plate of electrically insulating material disposed between a clamping plate and a current collecting plate, the force distribution plate consists of at least one of the following materials: a plastic, a polymer, a composite, a ceramic, a metal, an alloy, - The force distribution plate is secured to a clamping plate, - the force distribution plate is overmolded on a clamping plate, - the force distribution plate is formed by the clamping plate, - the at least one boss has a generally parallelepipedal or cylindrical shape, - the at least one boss is secured to a clamping plate, - the plate comprises at each of the two ends of the stack at least one boss, the or b bones of each end being of electrically insulating material and being disposed between a clamping plate and a current collecting plate, - each clamping plate is made of electrically insulating material, said clamping plates being made by overmolding material on the plates current collectors, - at least one of the clamping plates comprises at least one boss, - the at least one boss is disposed in an area corresponding to the portion of the cells of the stack where, depending on the clamping technique of the stack, the compression is relatively less, to increase relatively the compression at said part concerned of said cells of the stack (for example at the central part of the cells), - the clamping plates are composed of one to least of the materials: metal, ceramic, a composite material, plastic, the stack comprises at least one cell comprising a monopolar or a bipolar plate provided with at least one localized excess thickness forming at least one boss intended to locally increase the clamping pressure on a determined surface of the stack. The invention may also relate to any alternative device or method comprising any combination of the above or below features. Other features and advantages will appear on reading the description below, with reference to the figures in which: - Figure 1 shows a side view, schematic and partial, illustrating a fuel cell exploded configuration according to an example Embodiment of the invention - Figure 2 is an enlarged view of a detail of Figure 1 illustrating the arrangement of a stack end in the assembled position. Referring to the example of FIG. 1, the fuel cell, for example of the proton exchange membrane ("PEMFC") type, conventionally comprises a stack 1 of elementary cells 2. For the sake of simplification, only a cell 2 is symbolized schematically by dotted lines. Conventionally, each cell may comprise an Electron Membrane Assembly (AME) comprising a proton exchange membrane. The AME 20 is sandwiched between two fuel cell plates 200 (bipolar plates or monopolar plates), cf. FIG. 2. The two ends of the stack 1 of cells 2 are sandwiched between: a pair of current collector plates, a pair of force distribution plates described below, and a pair clamping plate 3.
Les plaques 4 collectrices de courant sont situées aux extrémités de l'empilement 1, les plaques 15 de répartition d'effort étant disposées entre les plaques 4 collectrices de courant et les plaques 3 de serrage respectives. Classiquement, les plaques 4 collectrices de courant sont conductrices de l'électricité et sont reliées électriquement aux cellules 2 de l'empilement 1 pour collecter le courant électrique produit par l'empilement 1. Les deux plaques 3 de serrage encadrent l'ensemble et appliquent une pression de serrage déterminée sur l'ensemble. Par exemple, un système de tirants prévu à la périphérie des plaques 3 permet de comprimer l'ensemble selon la direction longitudinale de l'empilement 1. Par souci de simplification le système de serrage des plaques 3 est symbolisé schématiquement par des lignes pointillées parallèles à l'axe longitudinal de l'empilement 1. Les plaques 15 de répartition d'effort comportent, sur leur face interne (c'est-à-dire sur leur face tournée vers l'empilement 1), au moins un bossage 5 faisant saillie pour induire localement un effort de compression accru. Le bossage 5 est en matériau isolant de l'électricité et vient en contact direct avec la plaque 4 collectrice de courant (cf. figure 2). De préférence, le bossage 5 forme une surépaisseur solidaire de la plaque 15 de répartition d'effort. Avantageusement, la plaque 15 de répartition d'effort est en plastique et le bossage 5 est monobloc avec cette plaque 15. Selon la répartition d'effort à réaliser, un ou plusieurs bossages 5 peuvent être prévus. Le ou les bossages 5 ont une géométrie appropriée et un emplacement choisi en fonction de la répartition d'effort de compression nécessaire. La plaque 15 de répartition d'effort et le bossage 5 peuvent être constitués de polymère souple ou rigide. L'usage d'un matériau souple est préférable car il permet de limiter les contraintes dimensionnelles. De plus, au moins une isolation électrique doit de préférence être réalisée par rapport à la plaque collectrice de courant. Dans une variante de réalisation possible, le ou les bossages 5 ou la plaque 15 de répartition d'effort peuvent être rendus solidaires de la plaque 3 de serrage correspondante. Par exemple, les bossages 5 ou les plaques 15 de répartition d'effort peuvent être surmoulées sur les plaques 3 de serrage respectives. Ainsi, les fonctions de la plaque 3 de serrage et de la plaque 15 de répartition d'effort peuvent être assurées par une unique plaque de serrage en matériau isolant de l'électricité et comprenant, sur sa surface interne, un ou plusieurs bossages adaptés. Par exemple les bossages 5 et la plaque de serrage correspondante peuvent être constitués de céramique ou d'un matériau composite. La plaque considérée peut le cas échéant également assurer des passages de fluides (via des collecteurs internes). Ainsi, l'agencement selon l'invention est facile à mettre en forme et permet de reporter et de localiser un l'effort de serrage de façon peu coûteuse. The current collector plates 4 are located at the ends of the stack 1, the force distribution plates 15 being arranged between the current collecting plates 4 and the respective clamping plates 3. Conventionally, the current collector plates 4 are electrically conductive and are electrically connected to the cells 2 of the stack 1 to collect the electric current produced by the stack 1. The two clamping plates 3 frame the assembly and apply a determined clamping pressure on the assembly. For example, a tie rod system provided at the periphery of the plates 3 compresses the assembly in the longitudinal direction of the stack 1. For the sake of simplicity, the clamping system of the plates 3 is symbolized schematically by dotted lines parallel to the longitudinal axis of the stack 1. The plates 15 force distribution comprise, on their inner face (that is to say on their side facing the stack 1), at least one boss 5 protruding to locally induce an increased compression effort. The boss 5 is made of electrically insulating material and comes into direct contact with the current collector plate 4 (see FIG. Preferably, the boss 5 forms an integral thickening of the force distribution plate 15. Advantageously, the plate 15 force distribution is plastic and the boss 5 is integral with the plate 15. Depending on the distribution of effort to achieve, one or more bosses 5 may be provided. The boss or bosses 5 have a suitable geometry and a location chosen according to the necessary compression force distribution. The force distribution plate 15 and the boss 5 may consist of flexible or rigid polymer. The use of a flexible material is preferable because it makes it possible to limit the dimensional constraints. In addition, at least one electrical insulation should preferably be made with respect to the current collector plate. In an alternative embodiment possible, the bosses 5 or the distribution plate 15 force can be made integral with the corresponding clamping plate 3. For example, the bosses 5 or the force distribution plates 15 may be overmolded on the respective clamping plates 3. Thus, the functions of the clamping plate 3 and the force distribution plate 15 can be provided by a single clamping plate of electrically insulating material and comprising, on its inner surface, one or more adapted bosses. For example, the bosses 5 and the corresponding clamping plate may be made of ceramic or a composite material. The plate in question may optionally also provide fluid passages (via internal collectors). Thus, the arrangement according to the invention is easy to shape and allows to postpone and locate a clamping force inexpensively.
L'invention permet également de conserver les plaques de serrage existantes. L'invention peut le cas échéant s'appliquer à d'autres assemblages par empilement tels que des plaques terminales de piles à combustible de type PEFC, PAFC..., pour tout type de réactif (oxydants tels que l'air ou l'oxygène ; réducteurs tels que l'hydrogène ou d'autres combustibles...). The invention also makes it possible to preserve the existing clamping plates. The invention may optionally be applied to other assemblies by stacking such as terminal plates of fuel cells PEFC, PAFC ... type, for any type of reagent (oxidants such as air or water). oxygen, reducing agents such as hydrogen or other fuels ...).