FR2971091A1 - Plaque collectrice de courant pour pile a combustible, comportant des bords amincis - Google Patents

Abstract

Plaque collectrice de courant pour pile à combustible, comportant suivant l'axe d'empilement des cellules de cette pile, une épaisseur globalement constante d'un matériau électriquement conducteur, formant un plan qui vient à l'extrémité de cet empilement pour collecter le courant de la pile à combustible, caractérisée en ce que les bords (52) de cette plaque collectrice (50), sont amincis pour obtenir une épaisseur réduite.

Description

PLAQUE COLLECTRICE DE COURANT POUR PILE A COMBUSTIBLE, COMPORTANT DES BORDS AMINCIS

La présente invention concerne une plaque collectrice de courant pour pile à combustible génératrice d'électricité, elle concerne aussi une pile à combustible équipée de telles plaques collectrices, ainsi qu'un véhicule automobile et un groupe électrogène comprenant cette pile à combustible.

Les piles à combustible sont développées aujourd'hui en particulier pour équiper des véhicules en remplacement des moteurs thermiques, elles permettent en produisant de l'électricité utilisée par une machine électrique de traction, d'obtenir un meilleur rendement énergétique que celui des moteurs thermiques. Les piles à combustible comportent généralement un empilement de cellules élémentaires comprenant chacune deux électrodes séparées par un électrolyte, et des plaques conductrices qui apportent le carburant et le comburant aux électrodes par des canaux internes. Les réactions électrochimiques qui se réalisent au contact des électrodes génèrent un courant électrique, et produisent de l'eau tout en dégageant une énergie calorifique qui échauffe les différents composants.

Pour fonctionner correctement, les piles à combustible doivent se trouver à une certaine température, comprise suivant le type entre 20 et 800°C. La chaleur dégagée par le démarrage des réactions quand la pile est froide, sert d'abord à échauffer les cellules pour les amener à la température de fonctionnement souhaitée. Ensuite, un circuit de fluide caloporteur régule cette température. Un problème qui se pose dans le cas d'un démarrage de la pile à combustible comportant une température basse qui est inférieure à 0°C, est que l'eau produite par les réactions électrochimiques risque de geler tant que cette température se trouve en dessous de ce seuil de 0°C. La pile à combustible ne peut pas alors plus fonctionner correctement, et risque d'être détruite. L'empilement des cellules est généralement encadré de chaque côté, par une plaque collectrice de courant comportant une borne de connexion du courant, et par une plaque de serrage d'extrémité qui est rigide pour pouvoir serrer axialement l'empilement des cellules, en répartissant la pression sur la surface de ces cellules. Un isolant électrique peut être interposé entre ces deux plaques dans le cas où la plaque de serrage est conductrice, pour l'isoler de la plaque collectrice. On constate lors des démarrages à froid de la pile à combustible, que si les cellules centrales montent relativement vite en température, par auto-échauffement, les cellules de chaque extrémité montent nettement moins vite en température car la plaque collectrice qui est métallique, et comporte généralement une épaisseur pleine sensiblement constante, forme une masse thermique importante absorbant l'énergie calorifique générée par les réactions électrochimiques. On a donc lors des démarrages à froid de la pile à combustible, des températures peu homogènes, et un risque plus important de gel de l'eau produite aux extrémités de l'empilement des cellules.

La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure, et de proposer une plaque collectrice comportant une masse thermique réduite, qui permet une répartition de température avantageuse.

Elle propose à cet effet une plaque collectrice de courant pour pile à combustible, comportant suivant l'axe d'empilement des cellules de cette pile, une épaisseur globalement constante d'un matériau électriquement conducteur, formant un plan qui vient à l'extrémité de cet empilement pour collecter le courant de la pile à combustible, caractérisée en ce que des bords de cette plaque collectrice sont amincis pour obtenir une épaisseur réduite. Un avantage de cette plaque collectrice de courant, est que les bords amincis forment des évidements de matière réduisant sa capacité thermique, tout en conservant une surface en contact avec la dernière cellule qui reste continue, et peut maintenir l'homogénéité de la température de cette cellule. On entend par capacité thermique de la plaque la quantité de chaleur qui peut être stockée pour un 10 volume de plaque donné. La plaque collectrice selon l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Avantageusement, la plaque collectrice de courant 15 comporte une surface plane venant au contact de la dernière cellule, et des bords qui sont amincis du côté opposé à cette cellule. En particulier, les bords amincis peuvent comporter une pente constante. 20 Avantageusement, les bords amincis sont réalisés de manière symétrique, sur au moins deux côtés opposés entre eux. Suivant un mode de réalisation, la section transversale de la plaque collectrice forme sensiblement un 25 trapèze comprenant deux bases parallèles, dont le rapport de la petite base sur la grande est compris entre 0,2 et 0,8. Avantageusement, tous les bords de la plaque collectrice de courant sont amincis. En particulier, la plaque collectrice de courant peut 30 comporter une borne de connexion centrale formant un axe perpendiculaire à cette plaque. L'invention a aussi pour objet un procédé de dimensionnement des bords amincis d'une plaque collectrice réalisée comme décrit précédemment, 35 caractérisé en ce que pour une pile à combustible délivrant une densité de courant donnée, par exemple de 1A/cm', on maximise le volume de matière retiré de cette plaque en calculant une chute de tension maximale admissible, par exemple de 0,1 V, entre la borne de connexion de cette plaque, et un point quelconque de la plaque éloigné de cette borne. L'invention a aussi pour objet une pile à combustible disposant d'un empilement de cellules encadré de part et d'autre par une plaque collectrice de courant, ces plaques collectrices comportant l'une quelconque des caractéristiques précédentes. L'invention a de plus pour objet un véhicule électrique comprenant une pile à combustible délivrant un courant électrique utilisé pour la traction, et un groupe électrogène comprenant une pile à combustible délivrant un courant électrique, ces piles comprenant des plaques collectrices de courant comportant l'une quelconque des caractéristiques précédentes. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue d'une extrémité de l'empilement d'une pile à combustible ; - la figure 2 est une vue en perspective d'une 25 plaque collectrice selon l'art antérieur ; - la figure 3 est un graphique montrant sur une vue en coupe transversale de la plaque collectrice de la figure 2 équipée de sa plaque de serrage, la répartition de température lors d'un démarrage à froid ; 30 - la figure 4 est un autre graphique montrant cette répartition de température ; - la figure 5 est une vue en perspective d'une plaque collectrice selon l'invention ; - la figure 6 est un graphique montrant sur une vue 35 en coupe transversale la moitié supérieure de cette plaque collectrice équipée de sa plaque de serrage, la répartition de température lors d'un démarrage à froid ; et - la figure 7 est un autre graphique montrant cette répartition de température.

La figure 1 présente une extrémité de l'empilement d'une pile à combustible 2, comprenant une succession de cellules comportant chacune un ensemble 4 disposant de deux électrodes séparées par un électrolyte, encadré par des plaques conductrices dites « bipolaires » 6, qui conduisent le courant électrique d'une cellule à l'autre tout en apportant à ces cellules les réactifs nécessaires aux réactions électrochimiques. La dernière plaque conductrice 6 qui est monopolaire, reçoit une plaque collectrice d'extrémité 8 comportant une borne de connexion centrale 10 formant un axe perpendiculaire, qui est relié à un conducteur électrique extérieur pour transmettre le courant généré par la pile à combustible 2. La borne de connexion 10 traverse une plaque de serrage 12 isolante, épaisse et rigide, réalisée dans un matériau électriquement isolant comme une matière plastique, ou dans un métal recouvert d'un isolant, qui est soumise à un serrage axial pour serrer l'empilement des cellules. La figure 2 détaille la plaque collectrice 8 réalisée dans un métal électriquement conducteur, formant un plan continu sensiblement carré et d'épaisseur constante, comprenant la borne de connexion 10 formant un axe implanté au milieu de cette plaque. La plaque collectrice 8 collecte le courant électrique globalement sur l'ensemble de la surface de la dernière plaque monopolaire 6, pour le transmettre par sa borne de connexion 10. La figure 3 présente une coupe transversale complète de la plaque collectrice 8 équipée de sa plaque de serrage 12 réalisée en polymère, sur laquelle une simulation de répartition de température a été effectuée. La coupe complète comprend les bords de la plaque collectrice 8 pour tenir compte des effets de bord, ces bords étant refroidis par convection naturelle avec l'air ambiant se trouvant à une température de -20°C. La dernière cellule non représentée se trouvant sur le côté gauche de la plaque collectrice 8, est considérée comme étant une source de chaleur constante et homogène. La pile à combustible 2 vient de démarrer depuis 20 secondes, à partir d'une température de -20°C. On a tracé sur la coupe deux lignes d'isotempérature, une première ligne 30 à environ -10°C, et une deuxième ligne 32 à environ -18°C. On constate que l'on obtient des lignes d'isotempérature sensiblement parallèles à la plaque collectrice 8, et donc une température sensiblement constante sur l'ensemble de la surface de cette plaque collectrice, les effets de bord n'étant pas visibles avec l'échelle de ce dessin. La figure 4 représente d'une autre manière cette répartition de la température. Le graphique 40 comporte en abscisse la distance en mm mesurée sur le plan de contact de la plaque de connexion 8 avec la dernière cellule, suivant la coupe transversale, et en ordonnée la température de ce plan. On constate que l'on a d'une part une température très constante d'environ -5,07°C sur la partie centrale de la plaque collectrice 8, et d'autre part un effet de bord sur une distance 42 d'environ 20 mm, de chaque côté de cette plaque collectrice, où la température de la surface décroit de plus en plus vite en se rapprochant du bord, pour atteindre un écart maximum de 0,4°C.

On peut en déduire que l'on obtiendra par conduction thermique due au contact entre la plaque collectrice 8 et la dernière cellule qui lui est accolée, une répartition de température sensiblement similaire sur cette cellule, qui est de -5,07°C sur la majeure partie de la surface.

La figure 5 détaille une plaque collectrice 50 selon l'invention, comprenant d'un côté une surface plane venant au contact de la dernière cellule, et de l'autre côté dans son épaisseur qui est de 1 mm, deux bords opposés 52 qui sont amincis régulièrement et de manière symétrique, pour former une pente constante.

La section transversale de la plaque collectrice 50, forme un trapèze isocèle dont la grande base en contact avec la dernière cellule, a une longueur de 170 mm alors que la petite base a une longueur de 31 mm, ce qui fait un rapport de 5,5 entre ces deux bases.

La plaque collectrice 50 comporte aussi une borne de connexion centrale non représentée, qui est similaire à la borne de connexion 10 de la plaque collectrice 8 présentée dans l'art antérieur. On obtient ainsi une réduction de matière de la plaque collectrice 50 et donc de sa masse thermique, sans freiner de manière notable le passage du courant, d'autant plus qu'avec la borne de connexion centrale 10, l'intensité du courant circulant dans cette plaque, qui est collecté de manière uniforme sur la surface de la cellule, est faible dans les bords, et monte progressivement en se rapprochant du centre comprenant cette borne de connexion. La figure 6 présente une demi-coupe transversale de la plaque collectrice 50, équipée de sa plaque de serrage 12 réalisée en polymère, comprenant des bords plus épais qui se posent de manière ajustée sur les bords amincis 52 de cette plaque collectrice. La coupe est effectuée dans un plan transversal aux bords amincis 52, sur laquelle une simulation de répartition de température a été réalisée dans des conditions équivalentes à celles présentées ci-dessus.

La pile à combustible 2 vient de démarrer depuis 20 secondes, à partir d'une température initiale de -20°C. On a tracé sur la coupe deux lignes d'isotempérature, une première ligne 60 à environ -10°C, et une deuxième ligne 62 à environ -18°C.

On constate que la température est plus élevée au bord de la plaque collectrice 50, et décroit en allant du bord vers le centre de cette plaque. La figure 7 représente d'une autre manière sur le graphique 70, cette répartition de température sur le plan de contact de la plaque collectrice 50, avec la dernière cellule. Le graphique 70 comporte en abscisse la distance en mm mesurée sur le plan de contact de la plaque de connexion 8 avec la dernière cellule, suivant la coupe transversale, et en ordonnée la température de ce plan. On constate que la température décroit régulièrement suivant une pente sensiblement constante, en partant des bords où elle se trouve à 12°C, pour finir au centre où elle se trouve à -5°C.

Par rapport à l'art antérieur montrant une surface qui est globalement à -5,07°C, on constate un échauffement nettement plus rapide de la dernière cellule en contact avec la plaque collectrice 50, et en particulier des bords de cette cellule.

En variante, on peut réaliser différents types de bords amincis 52 sur la plaque collectrice 50. Avantageusement, les quatre bords encadrant la plaque collectrice 50, sont amincis pour garder les mêmes effets sur tous les bords.

Pour le profil des bords amincis 52 et la détermination de la pente formant l'amincissement, un compromis est à établir entre la réduction de la capacité thermique de la plaque collectrice 50, et l'augmentation de la résistance électrique de cette plaque, due au retrait du métal conducteur dans ces bords. En particulier, la section des bords amincis peut comporter une courbe variable, par exemple parabolique, concave ou convexe, à la place de la pente constante. De plus, le dessin de la plaque collectrice 50 sera 35 réalisé pour obtenir une tenue mécanique satisfaisante de l'ensemble.

En pratique, un compromis satisfaisant a été trouvé pour une pile à combustible délivrant une densité de courant de 1A/cm2, en réalisant des bords amincis 52 donnant pour la température nominale, comprise par exemple entre 20 et 80°C pour une pile à combustible à électrolyte solide polymère, et en particulier entre 60 et 80°C pour des applications véhicule, une chute de tension entre la borne de connexion 10 et un point quelconque éloigné de cette borne, qui est au maximum de 0,1V.

Dans ce cas, par exemple pour une pile à combustible délivrant une tension totale de 50V, la perte pour les deux plaques collectrices d'extrémité 50 sera au maximum de 0,2V pour les points les plus éloignés, ce qui représente moins de 0,4% de la tension totale.

Ce calcul peut se faire avantageusement avec un modèle numérique 3D basé sur la méthode des éléments finis (en utilisant par exemple des logiciels tels que Comsol Multiphysics ou FreeFem), qui simule la conduction électrique dans les matériaux avec des conditions stationnaires, en appliquant une condition aux limites de densité de courant de 1A/cm2 sur la face en contact avec la plaque monopolaire, et en appliquant une condition aux limites de OV sur la surface externe de la borne de connexion.

Pour cette simulation on réalise un maillage de la plaque collectrice 50 en faisant varier les bords 52, leur largeur notamment, pour maximiser le volume de matière retiré tout en limitant la chute de tension en tous points, par exemple à un plafond de 0,1V. Les exemples de bords amincis indiqués ci-dessus, notamment pour un trapèze comprenant deux bases parallèles, dont le rapport de la petite base sur la grande est compris entre 0,2 et 0,8, ont été réalisés avec cette méthode de simulation. La pile à combustible suivant l'invention peut servir 35 avantageusement pour un véhicule automobile, mais aussi pour toutes applications stationnaires comme un groupe électrogène, dans lesquelles on recherche une montée en température rapide.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1 - Plaque collectrice de courant pour pile à combustible (2), comportant suivant l'axe d'empilement des cellules de cette pile, une épaisseur globalement constante d'un matériau électriquement conducteur, formant un plan qui vient à l'extrémité de cet empilement pour collecter le courant de la pile à combustible, caractérisée en ce que des bords (52) de cette plaque collectrice (50), sont amincis pour obtenir une épaisseur réduite.
2. 2 - Plaque collectrice de courant suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte une surface plane venant au contact de la dernière cellule, et des bords (52) qui sont amincis du côté opposé à cette cellule.
3. 3 - Plaque collectrice de courant suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les bords amincis (52) comportent une pente constante.
4. 4 - Plaque collectrice de courant suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les bords amincis (52) sont réalisés de manière symétrique, sur au moins deux côtés opposés entre eux.
5. 5 - Plaque collectrice de courant suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la section transversale de la plaque collectrice (50), forme sensiblement un trapèze comprenant deux bases parallèles, dont le rapport de la petite base sur la grande est compris entre 0,2 et 0,8.
6. 6 - Plaque collectrice de courant suivant l'une 30 quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que tous ses bords (52) sont amincis.
7. 7 - Plaque collectrice de courant suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une borne de connexion (10) centrale 35 formant un axe perpendiculaire à cette plaque (50).
8. 8 - Procédé de dimensionnement des bords amincis (52) d'une plaque collectrice (50) réalisée suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour une pile à combustible (2) délivrant une densité de courant donnée, par exemple de 1A/cm2, on maximise le volume de matière retiré de cette plaque en calculant une chute de tension maximale admissible, par exemple de 0,1 V, entre la borne de connexion (10) de cette plaque, et un point quelconque de la plaque éloigné de cette borne.
9. 9 - Pile à combustible (2) comprenant un empilement de cellules encadré de part et d'autre par une plaque collectrice de courant (50), caractérisée en ce que ces plaques collectrices sont réalisées suivant l'une quelconque des revendications précédentes.
10. 10 - Véhicule électrique comprenant une pile à combustible (2) délivrant un courant électrique utilisé pour la traction, caractérisé en ce que cette pile à combustible pile comprend des plaques collectrices de courant (50), qui sont réalisées suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7.
11. 11 - Groupe électrogène comprenant une pile à combustible (2) délivrant un courant électrique, caractérisé en ce que cette pile à combustible comprend des plaques collectrices de courant (50), qui sont réalisées suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7.