FR2977727A1 - Pile a combustible a circuit d'alimentation en fluide ameliore, et procede de fabrication d'une telle pile a combustible - Google Patents
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Abstract
Cette pile à combustible (10) comprend au moins deux empilements (12) de cellules électrochimiques (20) et un circuit d'alimentation (14) des empilements (12) en un fluide oxydant ou réducteur, le circuit d'alimentation (14) comprenant une branche (44) d'alimentation respective de chaque empilement (12) de manière que les empilements (12) sont alimentés en parallèle, chaque branche (44) comportant une portion amont (46) d'amenée de fluide dans l'empilement (12) et une branche aval (48) d'évacuation du fluide hors de l'empilement (12). Elle comprend au moins une branche (44) munie d'un élément ajusteur fixe (60) dans la portion amont (46) ou dans la portion aval (48) de la branche (44), l'élément ajusteur (60) induisant une perte de charge dans la portion amont (46), respectivement dans la portion aval, de la branche (44) différente de la perte de charge dans la portion amont (46), respectivement dans la portion aval, d'une autre branche (44), lors de l'écoulement du fluide dans ces branches (44).
Description
Pile à combustible à circuit d'alimentation en fluide amélioré, et procédé de fabrication d'une telle pile à combustible La présente invention concerne une pile à combustible, du type comprenant au moins deux empilements de cellules électrochimiques et un circuit d'alimentation des empilements en un fluide oxydant ou réducteur, le circuit d'alimentation comprenant une branche d'alimentation respective de chaque empilement de manière que les empilements sont alimentés en parallèle, chaque branche comportant une portion amont d'amenée de fluide dans l'empilement et une branche aval d'évacuation du fluide hors de l'empilement.
Une telle pile à combustible est destinée à produire de l'électricité à partir d'une réaction d'oxydoréduction entre les fluides oxydant et réducteur. De telles piles à combustible sont connues, par exemple du document WO 2010/043767. Cependant, les piles connues n'offrent pas entière satisfaction. En effet, il a été observé que, du fait des tolérances de fabrication en vigueur pour la fabrication des empilements de cellules électrochimiques, les empilements utilisés au sein d'une même pile présentent généralement des pertes de charge variables d'un empilement à l'autre. Cela se traduit par une vitesse d'écoulement des fluides oxydant et réducteur variable à travers les différents empilements. Il en résulte une perte de rendement de certains empilements. Un objectif de l'invention est de garantir une vitesse d'écoulement du fluide oxydant et/ou réducteur constante d'un empilement à l'autre. D'autres objectifs sont de fournir une solution fiable et peu onéreuse. A cet effet, l'invention a pour objet une pile à combustible du type précité, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une branche munie d'un élément ajusteur fixe dans la portion amont ou dans la portion aval de la branche, l'élément ajusteur induisant une perte de charge dans la portion amont, respectivement dans la portion aval, de la branche différente de la perte de charge dans la portion amont, respectivement dans la portion aval, d'une autre branche, lors de l'écoulement du fluide dans ces branches.
La pile à combustible selon l'invention peut également comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toute(s) combinaison(s) techniquement possible(s) : - l'élément ajusteur de la ou chaque branche est adapté pour que chaque perte de charge de branche, prise entre une extrémité amont et une extrémité aval d'une branche, soit égale à la perte de charge de branche de la ou chaque autre branche ; - l'élément ajusteur est rapporté sur la branche ; - l'élément ajusteur définit un étranglement à l'intérieur de la branche ; - l'élément ajusteur est une bague disposée à l'intérieur de la branche ; - l'élément ajusteur est formé par un resserrement de la branche ; - l'élément ajusteur est disposé dans la portion amont de la branche ; 5 - l'élément ajusteur est disposé en aval de la portion amont, à l'entrée de l'empilement ; - l'élément ajusteur est disposé dans la portion aval de la branche ; - l'élément ajusteur est disposé en amont de la portion aval, à la sortie de l'empilement. 10 L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une pile à combustible, comprenant les étapes suivantes : - fourniture d'une pluralité d'empilements de cellules électrochimiques, - mesure d'une perte de charge de fluide dans chaque empilement, - fourniture d'un circuit d'alimentation des empilements en fluide oxydant ou réducteur, le circuit d'alimentation comprenant une branche respective pour chaque empilement de manière que les empilements sont alimentés en parallèle, et - réalisation, en fonction de la perte de charge mesurée d'un empilement, d'un élément ajusteur fixe pour ajuster la perte de charge à l'intérieur de la branche du circuit d'alimentation associée audit empilement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : - la Figure 1 est une représentation schématique d'une pile à combustible selon l'invention, - la Figure 2 est une vue schématique en coupe d'une cellule électrochimique de la pile de la Figure 1, - la Figure 3 est une vue schématique en coupe d'une branche d'un circuit d'alimentation de la pile de la Figure 1, selon un plan marqué III-III sur la Figure 1, selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la Figure 4 est un diagramme en blocs illustrant un procédé selon l'invention, et - la Figure 5 est une vue similaire à la Figure 3, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. 15 20 25 30 La pile à combustible 10, représentée sur la Figure 1, comprend une pluralité d'empilements 12 de cellules électrochimiques et un circuit d'alimentation 14 des empilements 12 en un fluide oxydant. Dans la suite, les termes « amont », « aval », « entrée », et « sortie » sont à entendre par rapport au sens d'écoulement du fluide oxydant dans les empilements 12 et dans le circuit d'alimentation 14. Chaque empilement 12 comprend des cellules électrochimiques empilées les unes sur les autres. Une de ces cellules électrochimiques, référencée 20, est représentée sur la Figure 2.
Comme visible sur la Figure 2, la cellule 20 comprend un assemblage membrane- électrode 22 intercalé entre une plaque anodique 24 et une plaque cathodique 26. L'assemblage membrane-électrode 22 comprend une membrane 30 d'échange d'ions prise en sandwich entre une anode 32 et une cathode 34. La membrane 30 isole électriquement l'anode 32 de la cathode 34.
La membrane 30 est adaptée pour ne laisser que des ions chargés, de préférence des cations, la traverser. La membrane 30 est généralement une membrane d'échange de protons, adaptée pour ne laisser que des protons la traverser. La membrane 30 est typiquement en matériau polymère. L'anode 32 et la cathode 34 comprennent chacune un catalyseur, typiquement du platine ou un alliage de platine, pour faciliter la réaction. La plaque anodique 24 délimite un conduit anodique 36 pour la circulation d'un fluide réducteur le long de l'anode 32 et en contact avec celle-ci. Pour ce faire, la plaque 24 est munie d'au moins un canal ménagé dans la face de la plaque tournée vers l'assemblage membrane-électrode 24 et refermé par ledit assemblage membrane électrode 22. La plaque anodique 24 est formée d'un matériau conducteur électriquement, typiquement du graphite. Le fluide réducteur utilisé est typiquement un fluide comprenant des atomes d'hydrogène, comme par exemple du dihydrogène pur ou dilué par un autre gaz. La plaque cathodique 26 délimite un conduit cathodique 38 pour la circulation du fluide oxydant le long de la cathode 34 et en contact avec celle-ci. Pour ce faire, la plaque 26 est munie d'au moins un canal ménagé dans la face de la plaque tournée vers l'assemblage membrane-électrode 22 et refermé par ledit assemblage membrane-électrode 22. La plaque cathodique 26 est formée d'un matériau conducteur électriquement, typiquement du graphite. Le fluide oxydant utilisé est typiquement un fluide comprenant du dioxygène, comme par exemple du dioxygène pur ou de l'air.
La membrane 30 sépare les fluides oxydant et réducteur. Elle est disposée entre la plaque anodique 24 et la plaque cathodique 24 de la cellule 20 et isole celles-ci électriquement l'une de l'autre. C'est au niveau de l'anode 32 qu'a lieu l'oxydation du fluide réducteur et que les électrons et les protons sont générés. Les électrons transitent ensuite via la plaque anodique 24 vers la cathode 34 de la cellule 10, ou vers la cathode d'une autre cellule, pour participer à la réduction du fluide oxydant. Dans chaque empilement 12, la plaque anodique 24 de chaque cellule est en contact avec la plaque cathodique 26 de la cellule voisine, le conduit anodique 36 de chaque cellule est en communication fluidique avec le conduit anodique des autres cellules, et le conduit cathodique 38 de chaque cellule est en communication fluidique avec le conduit cathodique des autres cellules. Comme évoqué précédemment, les tolérances de fabrication font que la perte de charge du fluide oxydant dans les empilements 12, mesurée comme étant la différence de pression entre la pression de fluide oxydant à l'entrée d'un empilement 12 et la pression de fluide oxydant à la sortie de ce même empilement 12, varie d'un empilement 12 à l'autre. De retour à la Figure 1, le conduit d'alimentation 14 comprend une conduite amont 40 d'amenée de fluide, une conduite aval 42 d'évacuation de fluide, et une pluralité de branches 44 d'alimentation respective de chaque empilement 12, de manière que les empilements 12 sont alimentés en parallèle. En d'autres termes, chaque branche 44 est adaptée pour alimenter un unique empilement 12, et les branches 44 sont raccordées fluidiquement en parallèle les unes aux autres.
Chaque branche 44 s'étend d'une extrémité amont 44a à une extrémité aval 44b. Elle est raccordée fluidiquement par son extrémité amont 44a à la conduite amont 40, de sorte que les branches 44 sont alimentées à partir d'une conduite commune. Chaque branche 44 est également raccordée fluidiquement par son extrémité aval 44b à la conduite aval 42. Chaque pile à combustible 12 est intercalée entre l'extrémité amont 44a et l'extrémité aval 44b d'une branche 44. Chaque branche 44 comporte une portion amont 46 d'amenée de fluide à l'empilement 12 et une portion aval 48 d'évacuation du fluide hors de l'empilement 12. Chaque portion amont 46 est adaptée pour conduire le fluide oxydant destiné à alimenter les cellules d'un empilement 12 jusqu'à l'empilement 12. A cet effet, chaque portion amont 46 s'étend de l'extrémité amont 44a de la branche 44 jusqu'à une entrée de fluide 50 de l'empilement 12.
Chaque portion aval 48 est adaptée pour conduire l'eau produite par la réaction d'oxydoréduction dans un empilement 12, et éventuellement les résidus de fluide oxydant, hors de la pile à combustible 10. A cet effet, chaque portion aval 48 s'étend d'une sortie de fluide 52 de l'empilement 12 jusqu'à l'extrémité aval 44b de la branche 44.
Chaque branche 44 présente une perte de charge de branche, prise entre l'extrémité amont 44a et l'extrémité aval 44b de la branche 44. Cette perte de charge de branche est égale à la différence de pression entre une pression d'arrivée du fluide, mesurée au niveau de l'extrémité amont 44a, et une pression de sortie du fluide, mesurée au niveau de l'extrémité aval 44b. Chaque perte de charge de branche est donc la somme des pertes de charge de fluide à travers un empilement 12 et à travers la portion amont 46 et la portion aval 48 de la branche 44 associée à l'empilement 12. Comme visible sur la Figure 1, des branches 44 sont munies d'un élément ajusteur 60, destiné à ajuster la perte de charge de fluide à travers chacune desdites branches 44. Chaque élément ajusteur 60 est un élément fixe. Il est disposé dans la portion amont 46 d'une branche 44 et est adapté pour induire une perte de charge dans la portion amont 46 différente de la perte de charge de fluide dans la portions amont 46 d'au moins une autre branche 44, lors de l'écoulement du fluide dans ces branches. De préférence, l'élément ajusteur 60 est, comme représenté, disposé en aval de la portion amont 46, à l'entrée 50 de l'empilement 12.
En variante, chaque élément ajusteur 60 est disposé dans la portion aval 48 d'une branche 44 et est alors adapté pour induire une perte de charge dans la portion aval 48 différente de la perte de charge de fluide dans la portions aval 48 d'au moins une autre branche 44, lors de l'écoulement du fluide dans ces branches. L'élément ajusteur 60 est alors de préférence disposé en amont de la portion aval 48, à la sortie 52 de l'empilement 12. Chaque élément ajusteur 60 est adapté pour que la perte de charge de branche de la branche 44 sur laquelle il est rapporté soit égale à la perte de charge de branche de chaque autre branche 44. De cette façon, le débit de fluide à travers chaque empilement 12 est sensiblement égal au débit de fluide dans chaque autre empilement 12, ce qui permet d'optimiser le rendement de chaque empilement 12. Dans un premier mode de réalisation, présenté sur la Figure 3, l'élément ajusteur 60 est un élément rapporté. Comme visible sur cette Figure, l'élément ajusteur 60 définit alors un étranglement 62 à l'intérieur de la branche 44.
Dans l'exemple représenté, l'élément ajusteur 60 rapporté est une bague annulaire. Celle-ci présente un diamètre extérieur sensiblement égal au diamètre intérieur de la branche 44. Elle est fixée, typiquement soudée, le long de son bord extérieur périphérique 64, de préférence le long de l'intégralité de son bord extérieur périphérique 64, à la paroi 65 de la branche 44. La bague annulaire 60 définit en outre un orifice calibré 66, de diamètre strictement inférieur au diamètre intérieur de la branche 44. L'orifice calibré 66 constitue l'étranglement 62. En variante, chaque élément ajusteur 60 rapporté peut être constitué par tout autre élément adapté pour réduire localement la section de passage du fluide dans une branche 44. Un procédé 100 de fabrication de la pile à combustible 10 va maintenant être décrit, en regard de la Figure 4. Le procédé 100 comprend tout d'abord une première étape S00 de fourniture des empilements 12. Puis, dans une deuxième étape S02 de mesure des pertes de charge, une perte de charge de fluide à travers chaque empilement 12 est mesurée. Cette mesure se fait typiquement par injection d'un fluide, par exemple de l'air, dans les conduits cathodiques des cellules de chaque empilement 12, à une pression prédéterminée, et par mesure d'une pression en sortie de l'empilement 12, la perte de charge étant déterminée comme étant égale à la différence entre ces deux pressions. Le procédé 100 comprend en outre une troisième étape SO4 de fourniture du circuit d'alimentation 14, et une quatrième étape S06 d'installation des éléments ajusteurs 60. Lors de cette quatrième étape S06, aucun élément ajusteur 60 n'est installé dans la branche 44 associée à l'empilement 12 présentant la perte de charge la plus élevée, et un élément ajusteur 60 est rapporté sur chaque autre branche 44. Chaque élément ajusteur 60 est calibré en fonction de la perte de charge de l'empilement 12 associé à la branche 44 sur laquelle il est rapporté de façon à ce que, une fois raccordés les empilements 12, la perte de charge de branche de ladite branche 44 soit égale à la perte de charge de branche de chaque autre branche 44. Enfin, dans une cinquième étape S08 de raccordement fluidique, chaque empilement 12 est raccordé fluidiquement à une branche 44 du circuit d'alimentation 14.
Grâce à l'invention, le débit de fluide est mieux réparti entre les différents empilements, et le rendement de chaque empilement peut ainsi être optimisé. En outre, le fait d'utiliser un élément ajusteur fixe au lieu d'un dispositif de type vanne permet de réduire le coût de la pile. Cela permet également d'avoir une perte de charge dans la portion amont ou aval de la branche bien maîtrisée, obtenue simplement avec des moyens fixes fiables ne nécessitant pas de commande.
Enfin, le fait de recourir à un élément ajusteur rapporté facilite la fabrication de la pile à combustible. Dans l'exemple décrit ci-dessus, le circuit d'alimentation 14 est un circuit d'alimentation en fluide oxydant. En variante, le circuit d'alimentation 14 est un circuit d'alimentation des empilements 12 en fluide réducteur, destiné à alimenter les conduits anodiques des cellules de chaque empilement 12. Lors de la fabrication de la pile 10 est alors mesurée la perte de charge dans les conduits anodiques des cellules de chaque empilement 12. En variante, le circuit d'alimentation 14 est un circuit d'alimentation des empilements 12 en fluide de refroidissement, destiné à refroidir les cellules de chaque empilement 12. Lors de la fabrication de la pile 10 est alors mesurée la perte de charge dans les conduits de refroidissements des cellules de chaque empilement 12. En option, chacun des circuits d'alimentation des empilements 12 en fluide oxydant et en fluide réducteur de la pile 10 comprend des éléments ajusteurs 60 tels que définis ci-dessus, pour équilibrer les débits de fluide oxydant et réducteur entre les empilements 12. Lors de la fabrication de la pile 10 sont alors mesurées les pertes de charge dans les conduits anodiques et cathodiques des cellules de chaque empilement 12. Un deuxième mode de réalisation de la pile à combustible 10 est présenté sur la Figure 5. Dans ce deuxième mode de réalisation, l'élément ajusteur 60 n'est pas rapporté, mais est constitué par un resserrement 70 de la branche 44. En particulier, le resserrement 70 est constitué par un tronçon de la branche 44 dans lequel les parois 65 de la branche 44 sont conformées de telle façon que la section de passage de fluide à l'intérieur de la branche 44 est localement réduite.
Ce mode de réalisation permet de réduire le nombre de pièces nécessaire à la fabrication de la pile à combustible.
Claims (1)
- REVENDICATIONS1.- Pile à combustible (10) comprenant au moins deux empilements (12) de cellules électrochimiques (20) et un circuit d'alimentation (14) des empilements (12) en un fluide oxydant ou réducteur, le circuit d'alimentation (14) comprenant une branche (44) d'alimentation respective de chaque empilement (12) de manière que les empilements (12) sont alimentés en parallèle, chaque branche (44) comportant une portion amont (46) d'amenée de fluide dans l'empilement (12) et une branche aval (48) d'évacuation du fluide hors de l'empilement (12), caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une branche (44) munie d'un élément ajusteur fixe (60) dans la portion amont (46) ou dans la portion aval (48) de la branche (44), l'élément ajusteur (60) induisant une perte de charge dans la portion amont (46), respectivement dans la portion aval, de la branche (44) différente de la perte de charge dans la portion amont (46), respectivement dans la portion aval, d'une autre branche (44), lors de l'écoulement du fluide dans ces branches (44).2.- Pile à combustible (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément ajusteur (60) de la ou chaque branche (44) est adapté pour que chaque perte de charge de branche, prise entre une extrémité amont (44a) et une extrémité aval (44b) d'une branche (44), soit égale à la perte de charge de branche de la ou chaque autre branche (44).3.- Pile à combustible selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'élément ajusteur (60) est rapporté sur la branche (44).4.- Pile à combustible selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'élément ajusteur (60) définit un étranglement (62) à l'intérieur de la branche (44).5.- Pile à combustible (10) selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'élément ajusteur (60) est une bague disposée à l'intérieur de la branche (44).6.- Pile à combustible selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'élément ajusteur (60) est formé par un resserrement (70) de la branche (44).7.- Pile à combustible (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'élément ajusteur (60) est disposé dans la portion amont (46) de la branche (44).8.- Pile à combustible (10) selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'élément ajusteur (60) est disposé en aval de la portion amont (46), à l'entrée (50) de l'empilement (12).9.- Pile à combustible (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'élément ajusteur (60) est disposé dans la portion aval (48) de la branche (44).10.- Pile à combustible (10) selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'élément ajusteur (60) est disposé en amont de la portion aval (48), à la sortie (52) de l'empilement (12).11.- Procédé de fabrication d'une pile à combustible (10), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - fourniture d'une pluralité d'empilements (12) de cellules électrochimiques (20), - mesure d'une perte de charge de fluide dans chaque empilement (12), - fourniture d'un circuit d'alimentation (14) des empilements (12) en fluide oxydant ou réducteur, le circuit d'alimentation (14) comprenant une branche (44) respective pour chaque empilement (12) de manière que les empilements (12) sont alimentés en parallèle, et - réalisation, en fonction de la perte de charge mesurée d'un empilement (12), d'un élément ajusteur (60) fixe pour ajuster la perte de charge à l'intérieur de la branche (44) du circuit d'alimentation (14) associée audit empilement (12).15
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