FR2977082A1 - Plaque conductrice bipolaire d'une pile a combustible, comportant un reseau de canaux - Google Patents

Abstract

Plaque conductrice bipolaire prévue pour être intercalée entre des cellules d'une pile à combustible, comportant un réseau de canaux de circulation d'un fluide caloporteur, comprenant des parties sensiblement parallèles (4) traversant la plaque bipolaire (24) suivant un axe longitudinal pour relier deux points d'alimentation (6) disposés chacun d'un côté de cette plaque, caractérisée en ce qu'elles comportent de plus au moins un canal complémentaire (20) reliant les deux points d'alimentation (6) entre eux, qui contourne par l'extérieur les parties parallèles (4) des canaux, et qui communique en différents endroits par des passages transversaux (22) avec la partie parallèle du canal le plus proche (26) de ce réseau.

Description

PLAQUE CONDUCTRICE BIPOLAIRE D'UNE PILE A COMBUSTIBLE, COMPORTANT UN RESEAU DE CANAUX

La présente invention concerne une plaque conductrice bipolaire comprenant un système de refroidissement par fluide caloporteur, pour une pile à combustible, elle concerne aussi une pile à combustible ainsi qu'un véhicule automobile équipé de ce type de plaque bipolaire. Les piles à combustible sont développées aujourd'hui en particulier pour équiper des véhicules en remplacement des moteurs thermiques, afin d'améliorer le rendement énergétique et de réduire les émissions de gaz polluants. Un type de pile à combustible connu comporte un empilement de cellules élémentaires comprenant deux électrodes séparées par un électrolyte, reliées entre elles par des plaques conductrices bipolaires collectant le courant électrique, qui comportent des conduits internes apportant aux électrodes les produits nécessaires à la réaction, et des canaux de circulation d'un fluide caloporteur. Les plaques bipolaires peuvent être fabriquées suivant différentes technologies, notamment par emboutissage d'une tôle, ou par usinage ou moulage d'un matériau composite ou de graphite. 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 60 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. Pour réguler la température des cellules, le fluide caloporteur mis en circulation par une pompe vient dans un réseau de canaux disposés sur les plaques bipolaires, pour au contact de ces cellules prélever des calories en se réchauffant. Les calories sont ensuite délivrées à un échangeur thermique qui refroidit le fluide, notamment par échange avec l'air ambiant.

Un système de refroidissement connu, présenté notamment par le document CA-A1-2602153, comporte sur chaque plaque bipolaire une entrée de fluide, ainsi que des nervures délimitant différents passages de fluides en surface de ces plaques, de manière à répartir la capacité de refroidissement sur toute la surface des cellules. Un autre type de réseau de canaux connu comporte une série de canaux parallèles traversant la plaque bipolaire d'un côté à l'autre suivant une direction longitudinale, qui sont régulièrement répartis dans la direction transversale pour couvrir uniformément une surface active de cette plaque.

Les extrémités des canaux parallèles son reliées de chaque côté de la plaque bipolaire, à un point commun d'alimentation assurant l'entrée ou la sortie du fluide caloporteur. Un problème qui se pose avec ce type de réseau de canaux, est que le fluide caloporteur s'écoule plus facilement dans les canaux centraux, ce qui entraîne un meilleur refroidissement de la partie centrale des cellules par rapport aux parties extérieures qui peuvent comporter une température plus élevée. Le rendement de la cellule est alors inégal en fonction des points de cette cellule, on n'obtient pas la meilleure puissance ni le meilleur rendement pour la pile à combustible. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure, en proposant des plaques bipolaires qui permettent d'obtenir de manière simple et économique une meilleure répartition de température.

Elle propose à cet effet une plaque conductrice bipolaire prévue pour être intercalée entre des cellules d'une pile à combustible, comportant un réseau de canaux de circulation d'un fluide caloporteur, comprenant des parties sensiblement parallèles traversant la plaque bipolaire suivant un axe longitudinal pour relier deux points d'alimentation disposés chacun d'un côté de cette plaque, caractérisée en ce qu'elle comporte de plus au moins un canal complémentaire reliant les deux points d'alimentation entre eux, qui contourne par l'extérieur les parties parallèles des canaux, et qui communique en différents endroits par des passages transversaux avec la partie parallèle du canal le plus proche de ce réseau. Un avantage de la plaque conductrice bipolaire selon l'invention, est que l'on peut par le canal complémentaire redistribuer ou prélever du fluide caloporteur en différents endroits du canal le plus proche, ce qui permet d'apporter un fluide plus froid à ces points du canal, et d'améliorer le refroidissement dans les parties latérales des cellules. La plaque conductrice bipolaire selon l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Avantageusement, les passages transversaux sont régulièrement répartis le long des parties parallèles des canaux. Avantageusement, la plaque conductrice bipolaire comporte latéralement de chaque côté, un canal complémentaire reliant les deux points d'alimentation. Avantageusement, la section des canaux complémentaires est supérieure à celle des parties parallèles des canaux. Avantageusement, la section des passages transversaux est inférieure à celle des parties parallèles des canaux.

Selon un mode de réalisation, les canaux complémentaires contournent par l'extérieur les différentes entrées ou sorties de fluides se trouvant sur la plaque bipolaire. La plaque conductrice bipolaire peut comporter une tôle emboutie, comprenant d'un côté une nervure recevant un joint d'étanchéité.

Avantageusement, le dos de la nervure forme un creux dans lequel se trouvent les canaux complémentaires. L'invention a aussi pour objet une pile à combustible disposant de plaques conductrices bipolaires intercalées entre des cellules, qui comportent l'une quelconque des caractéristiques précédentes.

L'invention a de plus pour objet un véhicule électrique comportant une pile à combustible de ce type, délivrant un courant électrique utilisé pour la traction.

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 un schéma d'une plaque bipolaire comportant un réseau de canaux selon l'art antérieur ; - la figure 2 est un schéma d'une plaque bipolaire comportant un réseau de canaux selon l'invention ; - la figure 3 présente un dessin d'une plaque bipolaire selon l'invention ; - la figure 4 présente une simulation de répartition de température sur une plaque bipolaire selon l'art antérieur ; et - la figure 5 présente une simulation de répartition de température sur une plaque bipolaire selon l'invention. La figure 1 présente une face d'une plaque bipolaire 2 allongée suivant un axe longitudinal, comprenant un réseau de canaux de circulation d'un fluide caloporteur, qui peut être réalisé par l'emboutissage d'une tôle, ou par l'usinage ou le moulage d'un matériau composite ou de graphite. Chaque petit côté de la plaque bipolaire 2 comporte un point d'alimentation 6 du fluide caloporteur, qui constitue une entrée ou une sortie reliée aux même point des autres plaques, pour alimenter en parallèle et de manière uniforme toutes les plaques bipolaires de la pile à combustible. En partant d'un des points d'alimentation 6, le réseau de canaux comporte d'abord volume de distribution de départ 8 comportant ou non un premier faisceau de canaux, puis une série de parties droites et parallèles 4 traversant la plaque bipolaire 2 suivant l'axe longitudinal, qui est régulièrement réparties transversalement, et enfin un volume de collecte d'arrivé 28 comportant ou non un dernier faisceau de canaux qui convergent vers le deuxième point d'alimentation 6. La plaque bipolaire 2 comporte aussi de chaque côté, une entrée ou sortie d'air 10 ainsi qu'une entrée ou sortie d'hydrogène 12, pour alimenter en produits réactifs par des canaux non représentés, la combustion dans la pile à combustible. On couvre ainsi par la série de parties parallèles 4 des canaux de fluide caloporteur, une surface active rectangulaire correspondant à la surface des cellules qui s'échauffe et produit du courant, et que l'on cherche à refroidir de manière sensiblement uniforme pour obtenir une répartition de température la plus constante possible sur cette surface active. La figure 2 présente sur une plaque bipolaire 24 un réseau de canaux similaire à celui présenté figure 1, comportant de plus sur chaque grand côté de la plaque un canal complémentaire 20 qui part d'un point d'alimentation 6, contourne par l'extérieur les entrées ou sorties d'air 10 ou d'hydrogène 12, et s'étend le long de ce grand côté parallèlement aux parties parallèles 4 des canaux, pour rejoindre de la même manière l'autre point d'alimentation 6.

Chaque canal complémentaire 20 comprenant une grande section, comporte dans sa partie droite longeant les parties parallèles 4 des canaux, une succession de passages transversaux 22 comprenant une petite section, qui sont régulièrement répartis le long de cette partie droite. Les passages transversaux 22 relient le canal complémentaire 20 au premier canal parallèle 26 transversalement à l'extérieur, qui est le plus proche, pour l'alimenter en différents points par un fluide caloporteur plus froid venant de ce canal complémentaire. On réalise ainsi une amélioration du refroidissement dans les zones latérales de la plaque bipolaire 24, et des cellules qui lui sont accolées.

De plus les deux canaux complémentaires 20 de grande section, constituent deux sections supplémentaires qui s'ajoutent à celles des autres canaux, ce qui permet de réduire la perte de charge entre l'entrée et la sortie 6 de fluide caloporteur. On peut ainsi prévoir une pompe de circulation du fluide caloporteur dans le circuit comprenant une puissance ainsi qu'une masse et un volume plus faible, ce qui peut permettre de réduire la consommation d'énergie de cette pompe. La figure 3 présente une plaque bipolaire 24 formée par une tôle emboutie, comprenant sur une face une nervure 30 faisant le tour de cette plaque, qui est réalisé par déformation de la tôle pour constituer en section transversale un petit bossage continu. La nervure 30 reçoit sur la partie supérieure du bossage, un joint d'étanchéité se trouvant en hauteur, qui est fortement appuyé sur la surface correspondante de la cellule.

Sur l'autre face de la plaque bipolaire 24, la nervure 30 forme un creux se trouvant dans le bossage, qui constitue avantageusement les canaux complémentaires 20. On réalise de cette manière simplement et de manière économique les canaux complémentaires 20, sans occuper d'espace supplémentaire sur la plaque bipolaire 24. Chaque canal complémentaire 20 comporte dans sa partie droite longeant les parties parallèles 4 des canaux, un grand nombre de passages transversaux 22 qui sont très proches les uns des autres. On notera que les parties parallèles 4 des canaux, comportent des légères ondulations. Les figures 4 et 5 représentent une modélisation des échanges thermiques sur respectivement une plaque bipolaire 2 selon le type présenté figure 1, et une plaque bipolaire 24 selon le type présenté figure 2 et 3. Le fluide caloporteur arrive par un point d'alimentation d'entrée 6a situé du côté gauche de la figure, et traverse la plaque bipolaire pour sortir par le point d'alimentation de sortie 6b situé du côté droit. La première courbe 40, 50 du côté de l'entré du fluide représente un premier niveau de température du fluide caloporteur identique pour les deux figures, la deuxième courbe 42, 52 située en aval de la première, représente un deuxième niveau de température plus élevé que le premier. On constate que pour la plaque bipolaire 2 suivant l'art antérieur, les courbes 40, 42 forment des paraboles, avec une température plus élevée sur les côtés de cette plaque par rapport au milieu. Par contre pour la plaque bipolaire 24 suivant l'invention, les courbes 50, 52 forment des droites sur une très grande partie de la largeur de cette plaque, avec une température plus froide sur les côtés de cette plaque. On obtient ainsi avec les canaux complémentaires 20, de manière simple et pour un coût similaire, un apport de fluide caloporteur sur les côtés de la plaque bipolaire 24 qui permet d'obtenir transversalement un front de température beaucoup plus régulier sur cette plaque, et donc sur les cellules productrices de courant électrique. Les performances des cellules ainsi que leur durée de vie, sont améliorées.

En variante, les plaques bipolaires fabriquées avec d'autres technologies comme l'usinage ou le moulage d'un matériau composite ou de graphite, peuvent de la même manière recevoir les canaux complémentaires 20.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1 - Plaque conductrice bipolaire prévue pour être intercalée entre des cellules d'une pile à combustible, comportant un réseau de canaux de circulation d'un fluide caloporteur, comprenant des parties sensiblement parallèles (4) traversant la plaque bipolaire (24) suivant un axe longitudinal pour relier deux points d'alimentation (6, 6a, 6b) disposés chacun d'un côté de cette plaque, caractérisée en ce qu'elle comporte de plus au moins un canal complémentaire (20) reliant les deux points d'alimentation (6, 6a, 6b) entre eux, qui contourne par l'extérieur les parties parallèles (4) des canaux, et qui communique en différents endroits par des passages transversaux (22) avec la partie parallèle du canal le plus proche (26) de ce réseau.
2. 2 - Plaque conductrice bipolaire suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les passages transversaux (22) sont régulièrement répartis le long des parties parallèles (4) des canaux.
3. 3 - Plaque conductrice bipolaire suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte latéralement de chaque côté, un canal complémentaire (20) reliant les deux points d'alimentation (6, 6a, 6b).
4. 4 - Plaque conductrice bipolaire suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la section des canaux complémentaires (24) est supérieure à celle des parties parallèles (4) des canaux.
5. 5 - Plaque conductrice bipolaire suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la section des passages transversaux (22) est inférieure à celle des parties parallèles (4) des canaux.
6. 6 - Plaque conductrice bipolaire suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les canaux complémentaires (20) contournent par l'extérieur les différentes entrées ou sorties de fluides (10, 12) se trouvant sur cette plaque.
7. 7 - Plaque conductrice bipolaire suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une tôle emboutie, comprenant d'un côté une nervure (30) recevant un joint d'étanchéité.
8. 8 - Plaque conductrice bipolaire suivant la revendication 7, caractérisée en ce que le dos de la nervure (30) forme un creux dans lequel se trouvent les canaux complémentaires (20).
9. 9 - Pile à combustible disposant de plaques conductrices bipolaires (24) intercalées entre des cellules, caractérisée en ce que ces plaques conductrices sont réalisées suivant l'une quelconque des revendications précédentes. - Véhicule électrique comprenant une pile à combustible délivrant un courant électrique utilisé pour la traction, caractérisé en ce que cette pile à 10 combustible est réalisée suivant la revendication 9.