AME MUNI D'UN RENFORT ET D'UN JOINT L'invention concerne les membranes échangeuses de protons (dites PEM pour Proton Exchange Membrane en langue anglaise), et en particulier la structure d'un assemblage membrane/électrodes muni de renforts et de joints périphériques. De tels assemblages membrane/électrodes sont notamment inclus dans des piles à combustible. Les piles à combustible sont envisagées comme système d'alimentation électrique pour des véhicules automobiles produits à grande échelle dans le futur, ainsi que pour un grand nombre d'applications. Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui convertit de l'énergie chimique directement en énergie électrique. Du dihydrogène est utilisé comme carburant de la pile à combustible. Le dihydrogène est oxydé et ionisé sur une électrode de la pile et du dioxygène de l'air est réduit sur une autre électrode de la pile. La réaction chimique produit de l'eau au niveau de la cathode, de l'oxygène étant réduit et réagissant avec les protons. Le grand avantage de la pile à combustible est d'éviter des rejets de composés polluants atmosphériques sur le lieu de génération d'électricité.The invention relates to proton exchange membranes (PEMs for Proton Exchange Membrane in English), and in particular to the structure of a membrane / electrode assembly provided with reinforcements and seals. peripheral devices. Such membrane / electrode assemblies are notably included in fuel cells. Fuel cells are envisaged as a power supply system for large scale motor vehicles in the future, as well as for a large number of applications. A fuel cell is an electrochemical device that converts chemical energy directly into electrical energy. Dihydrogen is used as fuel for the fuel cell. The dihydrogen is oxidized and ionized on one electrode of the cell and the oxygen of the air is reduced on another electrode of the cell. The chemical reaction produces water at the cathode, with oxygen being reduced and reacting with the protons. The great advantage of the fuel cell is that it avoids releases of atmospheric pollutants at the place of generation.
Les piles à combustible à membrane d'échange de protons, dites PEM, présentent des propriétés de compacité particulièrement intéressantes. Chaque cellule comprend une membrane électrolytique permettant seulement le passage de protons et non le passage des électrons. La membrane comprend une anode sur une première face et une cathode sur une deuxième face pour former un assemblage membrane/électrodes dit AME. Au niveau de l'anode, le dihydrogène est ionisé pour produire des protons traversant la membrane. Les électrons produits par cette réaction migrent vers une plaque d'écoulement, puis traversent un circuit électrique externe à la cellule pour former un courant électrique.Proton exchange membrane fuel cells, called PEM, have particularly advantageous compactness properties. Each cell comprises an electrolyte membrane allowing only the passage of protons and not the passage of electrons. The membrane comprises an anode on a first face and a cathode on a second face to form a membrane / electrode assembly called AME. At the anode, dihydrogen is ionized to produce protons crossing the membrane. The electrons produced by this reaction migrate to a flow plate and then pass through an electrical circuit external to the cell to form an electric current.
La pile à combustible peut comprendre plusieurs plaques d'écoulement, par exemple en métal, empilées les unes sur les autres. La membrane est disposée entre deux plaques d'écoulement. Les plaques d'écoulement peuvent comprendre des canaux et orifices pour guider les réactifs et les produits vers/depuis la membrane. Les plaques sont également électriquement conductrices pour former des collecteurs des électrons générés au niveau de l'anode. Des couches de diffusion gazeuse (pour Gaz Diffusion Layer en langue anglaise) sont interposées entre les électrodes et les plaques d'écoulement et sont en contact avec les plaques d'écoulement. ICG10796 FR Depot Texte.doc Les procédés d'assemblage de la pile à combustible, et en particulier les procédés de fabrication de l'AME, ont une importance déterminante sur les performances de la pile à combustible et sur sa durée de vie. Le document US2008/0105354 décrit un tel procédé d'assemblage 5 membrane/électrodes pour une pile à combustible. L'assemblage membrane/électrodes formé comporte des renforts. Chaque renfort entoure les électrodes. Les renforts sont formés à partir de films polymères et renforcent l'assemblage membrane/électrodes au niveau des arrivées de gaz et de liquide de refroidissement. Les renforts facilitent la manipulation de l'assemblage 10 membrane/électrodes pour éviter sa détérioration. Les renforts limitent également les variations dimensionnelles de la membrane en fonction de la température et de l'humidité. En pratique, les renforts se superposent à la périphérie des électrodes, afin de limiter le phénomène de perméation de gaz à l'origine d'une détérioration de l'assemblage membrane/électrodes. 15 Selon ce procédé, on réalise un renfort en formant une ouverture dans la partie médiane d'un film polymère. Le renfort comporte un adhésif sensible à la pression sur une face. On récupère un assemblage membrane/électrodes et l'on vient placer l'ouverture du renfort à l'aplomb d'une électrode. Le renfort recouvre la périphérie de cette électrode. Un pressage est ensuite réalisé pour solidariser 20 le renfort à la membrane et à la bordure de l'électrode, par l'intermédiaire de l'adhésif. Des découpes sont ensuite réalisées dans le renfort pour former les arrivées de gaz et de liquide. En pratique, on rapporte deux renforts. Deux films polymères viennent ainsi prendre en sandwich la bordure de la membrane. Chacun des films 25 comporte de l'adhésif sensible à la pression. L'adhésif de chaque film est mis en contact avec l'adhésif de l'autre film, avec une face de la bordure de la membrane, et avec la bordure d'une électrode. Des couches de diffusion gazeuse sont ensuite placées en contact avec la partie découverte des électrodes. Une opération de pressage à chaud est 30 fréquemment réalisée pour favoriser le contact entre une couche de diffusion gazeuse et son électrode. La périphérie de chaque couche de diffusion gazeuse recouvre au moins une partie d'un renfort respectif, afin de limiter le cisaillement direct de la membrane. Dans cette configuration, la bordure de la membrane ne s'étend pas 35 jusqu'à la bordure des renforts externes. En effet, on peut ainsi utiliser une membrane de surface plus réduite afin de réduire son coût sans affecter son efficacité. On limite en outre les risques de pollution de la zone active de la membrane par du liquide de refroidissement par capillarité depuis les ouvertures ménagées dans le renfort. Le liquide de refroidissement est fréquemment un 40 mélange d'eau et de glycol. ICG10796 FR Depot Texte.doc Selon d'autres conceptions connues, la membrane peut également s'étendre jusqu'à la périphérie des renforts, les conduits d'écoulement traversant alors la membrane. Selon d'autres conceptions, les renforts sont uniquement solidarisés par pressage à chaud à la membrane, sans faire appel à une couche d'adhésif. On s'aperçoit alors que le choix du renfort peut altérer le fonctionnement de la pile à combustible, le renfort pouvant polluer la membrane. La pollution de la membrane se manifeste par une dégradation notable des performances de la pile à combustible. Pour des renforts dépourvus d'adhésif, il est nécessaire d'utiliser des films polymères en matériau hydrophile. En effet, pour assurer une bonne liaison entre un renfort et la membrane et une adhésion mutuelle entre les renforts, un matériau hydrophile est indispensable pour éviter une délamination. Une telle délamination peut être à l'origine de fuites ou d'un soutien mécanique insuffisant de la membrane lors de ses manipulations.The fuel cell may comprise a plurality of flow plates, for example of metal, stacked one on top of the other. The membrane is disposed between two flow plates. The flow plates may include channels and orifices to guide reagents and products to / from the membrane. The plates are also electrically conductive to form collectors of electrons generated at the anode. Gaseous diffusion layers (for Gas Diffusion Layer in English) are interposed between the electrodes and the flow plates and are in contact with the flow plates. ICG10796 EN Depot Text.doc The fuel cell assembly processes, and in particular the manufacturing processes of the AME, are of crucial importance for fuel cell performance and service life. US2008 / 0105354 discloses such a membrane / electrode assembly method for a fuel cell. The membrane / electrode assembly formed comprises reinforcements. Each reinforcement surrounds the electrodes. The reinforcements are formed from polymeric films and reinforce the membrane / electrode assembly at the gas and coolant inlets. The reinforcements facilitate the manipulation of the membrane / electrode assembly to prevent its deterioration. The reinforcements also limit the dimensional variations of the membrane as a function of temperature and humidity. In practice, the reinforcements are superimposed on the periphery of the electrodes, in order to limit the gas permeation phenomenon at the origin of a deterioration of the membrane / electrode assembly. According to this method, a reinforcement is made by forming an opening in the middle portion of a polymer film. The reinforcement comprises a pressure-sensitive adhesive on one side. A membrane / electrode assembly is recovered and the opening of the reinforcement is placed directly above an electrode. The reinforcement covers the periphery of this electrode. Pressing is then performed to secure the reinforcement to the membrane and to the edge of the electrode, via the adhesive. Cutouts are then made in the reinforcement to form the gas and liquid inlets. In practice, two reinforcements are reported. Two polymer films thus sandwich the edge of the membrane. Each of the films comprises pressure-sensitive adhesive. The adhesive of each film is brought into contact with the adhesive of the other film, with one side of the edge of the membrane, and with the edge of an electrode. Gaseous diffusion layers are then placed in contact with the exposed portion of the electrodes. A hot pressing operation is frequently performed to promote contact between a gas diffusion layer and its electrode. The periphery of each gas diffusion layer covers at least a portion of a respective reinforcement, in order to limit the direct shear of the membrane. In this configuration, the edge of the membrane does not extend to the edge of the outer reinforcements. Indeed, it is possible to use a smaller surface membrane to reduce its cost without affecting its effectiveness. It also limits the risk of pollution of the active area of the membrane by capillary coolant from the openings in the reinforcement. The coolant is frequently a mixture of water and glycol. According to other known designs, the membrane can also extend to the periphery of the reinforcements, the flow ducts then passing through the membrane. According to other designs, the reinforcements are only secured by hot pressing to the membrane, without using a layer of adhesive. One then realizes that the choice of the reinforcement can alter the operation of the fuel cell, the reinforcement being able to pollute the membrane. The pollution of the membrane is manifested by a noticeable deterioration of the performance of the fuel cell. For reinforcements without adhesive, it is necessary to use polymer films of hydrophilic material. Indeed, to ensure a good connection between a reinforcement and the membrane and a mutual adhesion between the reinforcements, a hydrophilic material is essential to avoid delamination. Such delamination may cause leakage or insufficient mechanical support of the membrane during its handling.
La durée de vie d'une pile à combustible est essentiellement limitée par la dégradation de l'AME. Ainsi, les cellules de piles à combustibles peuvent être reconditionnées par démontage, retrait des AME détériorés et montage de nouveaux AME entre les plaques bipolaires récupérées. Afin d'assurer l'étanchéité entre un renfort et une plaque bipolaire, un joint est interposé entre ces composants à la périphérie de la couche de diffusion gazeuse. Lors du démontage des cellules, les joints restent partiellement ou intégralement solidaires du renfort, ce qui conduit le plus souvent à leur destruction lors du démontage. La difficulté et le coût du remplacement de l'AME sont alors sensiblement accrus.The life of a fuel cell is essentially limited by the degradation of the MEA. Thus, fuel cell cells can be reconditioned by disassembly, removal of damaged AMEs and assembly of new MEAs between recovered bipolar plates. In order to seal between a reinforcement and a bipolar plate, a seal is interposed between these components at the periphery of the gas diffusion layer. When disassembling the cells, the seals remain partially or integrally integral with the reinforcement, which leads most often to their destruction during disassembly. The difficulty and the cost of replacing the MEA are then substantially increased.
L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur une cellule électrochimique, comprenant : -une membrane échangeuse de protons ; -deux électrodes disposées de part et d'autre de la membrane ; -un premier renfort formé d'un film de Tefzel 200CLZ présentant une 30 ouverture médiane, ledit film comportant une face hydrophile solidarisée à la membrane et une face hydrophobe ; -un premier joint entourant l'ouverture médiane et disposé en contact avec la face hydrophobe dudit film. Selon une variante, la cellule comprend en outre un guide d'écoulement 35 disposé à l'aplomb de la membrane, le joint étant comprimé entre le guide d'écoulement et ledit renfort. Selon une autre variante, la membrane s'étend jusqu'à la périphérie dudit renfort. Selon encore une autre variante, la cellule comprend un deuxième renfort 40 formé d'un film de Tefzel 200CLZ présentant une ouverture médiane et comportant une face hydrophile solidarisée à la membrane et une face ICG10796 FR Depot Texte.doc hydrophobe, les renforts s'étendant latéralement au-delà de la membrane, les faces hydrophiles des films étant en contact et étant solidarisées. Selon une autre variante, la face hydrophile du premier renfort est en contact et solidarisée à une desdites électrodes.The invention aims to solve one or more of these disadvantages. The invention thus relates to an electrochemical cell, comprising: a proton exchange membrane; two electrodes arranged on either side of the membrane; a first reinforcement formed of a Tefzel 200CLZ film having a median opening, said film comprising a hydrophilic face secured to the membrane and a hydrophobic face; a first seal surrounding the central opening and disposed in contact with the hydrophobic face of said film. According to a variant, the cell further comprises a flow guide 35 disposed directly above the membrane, the seal being compressed between the flow guide and said reinforcement. According to another variant, the membrane extends to the periphery of said reinforcement. According to yet another variant, the cell comprises a second reinforcement 40 formed of a Tefzel film 200CLZ having a median opening and having a hydrophilic face secured to the membrane and a hydrophobic face, the reinforcements extending laterally beyond the membrane, the hydrophilic faces of the films being in contact and being secured. According to another variant, the hydrophilic face of the first reinforcement is in contact and secured to one of said electrodes.
Selon encore une variante, un conduit d'écoulement de liquide de refroidissement traverse le premier renfort. L'invention porte également sur une pile à combustible incluant une cellule électrochimique telle que définie ci-dessus. L'invention porte en outre sur un procédé de fabrication d'une cellule 10 électrochimique, comprenant les étapes de : -placement d'une face hydrophile d'un premier renfort contre une membrane échangeuse de protons, ledit premier renfort étant formé d'un film de Tefzel 200CLZ et comportant ladite face hydrophile et une face hydrophobe, ledit film comportant une ouverture médiane ; 15 -solidarisation de la face hydrophile à la membrane par pressage à chaud ; -placement d'un joint autour de l'ouverture médiane et en contact avec la face hydrophobe dudit film. Selon une variante, ledit pressage à chaud est réalisé à une pression 20 d'au moins 3 MPa et à une température d'au moins 120°C. Selon encore une variante, le procédé comprend en outre une étape de placement d'un guide d'écoulement à l'aplomb de la membrane et en contact avec ledit joint. 25 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : -la figure 1 est une représentation schématique en perspective d'un empilement de cellules dans une pile à combustible ; 30 -la figure 2 est une vue en coupe schématique d'une cellule de pile à combustible selon un premier mode de réalisation de l'invention ; -la figure 3 est une vue en coupe schématique d'une cellule de pile à combustible selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; -la figure 4 est un diagramme comparatif des performances d'une cellule 35 selon l'invention et d'une cellule selon l'état de la technique. L'invention propose une cellule électrochimique, par exemple pour pile à combustible, incluant un renfort formé d'un film de Tefzel 200 CLZ présentant une face hydrophile et une face hydrophobe. La face hydrophile est solidarisée 40 à la membrane et la face hydrophobe est en contact avec un joint disposé à la périphérie d'une couche de diffusion gazeuse. ICG10796 FR Depot Texte.doc Les inventeurs ont constaté qu'un tel renfort répondait à plusieurs contraintes de conception parfois contradictoires : -permettre l'adhésion à la membrane ; -permettre une adhésion mutuelle des renforts par pressage à chaud ; -éviter l'adhésion avec un joint périphérique ; -éviter de contaminer la membrane de l'AME. La figure 1 est une vue en perspective éclatée schématique d'un 10 empilement de cellules 1 d'une pile à combustible 2. La pile à combustible 2 comprend plusieurs cellules 1 superposées. Les cellules 1 sont du type à membrane échangeuse de protons ou membrane à électrolyte polymère. La pile à combustible 2 comprend une source de carburant 120 alimentant en dihydrogène une entrée de chaque cellule 1. La pile à 15 combustible 1 comprend également une source d'air 122 alimentant une entrée de chaque cellule en air, contenant de l'oxygène utilisé comme oxydant. Chaque cellule 1 comprend également des canaux d'échappement non illustrés. Chaque cellule 1 peut également présenter un circuit de refroidissement (illustré à la figure 2). 20 Chaque cellule 1 comprend un assemblage membrane/électrodes 110. La pile à combustible 2 illustrée comprend notamment des assemblages membrane/électrodes ou AME 110. Un assemblage membrane/électrodes 110 comprend un électrolyte 113, une cathode (non illustrée à la figure 1) et une anode 111 placées de part et d'autre de l'électrolyte et fixées sur cet électrolyte 25 113. Entre chaque couple d'AME adjacents, un couple de guides d'écoulement est disposé. Les guides d'écoulement de chaque couple sont solidaires pour former une plaque bipolaire 103. Chaque guide d'écoulement est par exemple formé d'une feuille métallique, usuellement en acier inoxydable. Une plaque 30 bipolaire 103 comprend ainsi une feuille métallique 102 orientée vers une cathode d'une AME 110 et une feuille métallique 101 orientée vers une anode d'une autre AME 110. Les feuilles métalliques 101 et 102 comportent des surfaces en relief définissant des canaux d'écoulement. Les feuilles métalliques 101 et 102 sont solidarisées par des soudures 104. 35 De façon connue en soi, durant le fonctionnement de la cellule 1, de l'air s'écoule entre l'AME et la feuille métallique 102, et du dihydrogène s'écoule entre l'AME et la feuille métallique 101. Au niveau de l'anode 111, le dihydrogène est ionisé pour produire des protons qui traversent l'AME. Les électrons produits par cette réaction sont collectés par la feuille métallique 102. 40 Les électrons produits sont ensuite appliqués sur une charge électrique connectée à la pile à combustible 2 pour former un courant électrique. Au ICG10796 FR Depot Texte.doc niveau de la cathode 112, de l'oxygène est réduit et réagit avec les protons pour former de l'eau. Les réactions au niveau de l'anode et de la cathode sont régies comme suit : 1 , 211 ± -t au niveau de l'anode ; I Te + ± 02 21120 au niveau de la cathode. Durant son fonctionnement, une cellule de la pile à combustible génère usuellement une tension continue entre l'anode et la cathode de l'ordre de 1V. Le matériau catalyseur utilisé à l'anode ou à la cathode est 10 avantageusement du platine, pour ses excellentes performances catalytiques. La figure 2 est une vue en coupe schématique d'un premier mode de réalisation d'une cellule 1 illustrée à la figure 1. La couche d'électrolyte 113 forme une membrane semi-perméable permettant une conduction protonique 15 tout en étant imperméable aux gaz présents dans la cellule. La membrane 113 empêche également un passage des électrons entre l'anode 111 et la cathode 112. La cellule 1 comporte en outre des renforts 131 et 132 disposés à la périphérie respectivement de l'anode 111 et de la cathode 112. Les renforts 131 20 et 132 se superposent à la périphérie des électrodes avec un débordement sur la membrane 113, afin de limiter le phénomène de perméation de gaz à l'origine d'une détérioration de l'assemblage membrane/électrodes. Les renforts 131 et 132 s'étendent latéralement au-delà de la membrane 113. Les renforts 131 et 132 sont en contact et solidarisés par cette partie s'étendant latéralement au- 25 delà de la membrane 113. Un conduit 124 d'écoulement de liquide de refroidissement est notamment formé à travers les renforts 131 et 132 et à travers les feuilles métalliques 101 et 102. Le conduit 124 est formé latéralement par rapport à l'AME, évitant les risques de diffusion par capillarité du liquide de 30 refroidissement dans la membrane 113. Les renforts 131 et 132 facilitent également la manipulation de l'assemblage membrane/électrodes pour éviter sa détérioration. Les renforts 131 et 132 limitent également les variations dimensionnelles de la membrane 113 en fonction de la température et de l'humidité. 35 Chaque cellule présente une couche de diffusion de gaz 21 disposée entre l'anode 111 et la feuille métallique 101. Chaque cellule présente par ailleurs une couche de diffusion de gaz 22 disposée entre la cathode 112 et la feuille métallique 102. Des joints 23 sont disposés entre la feuille métallique 101 et le renfort 131 d'une part, et entre la feuille métallique 102 et le renfort 132 40 d'autre part. Les joints 23 sont disposés à la périphérie des couches de diffusion ICG10796 FR Depot Texte.doc gazeuse 21 et 22. Les joints 23 entourent donc les ouvertures médianes des renforts 131 et 132. Les renforts 131 et 132 sont formés de films commercialisés sous la référence Tefzel 200 CLZ par la société Dupont de Nemours. De tels films 5 incluent un matériau ETFE dont une face a subi un traitement spécifique pour la rendre hydrophile, le matériau étant en lui-même hydrophobe. Ces films comportent chacun une face hydrophile et une face hydrophobe. Les faces hydrophobes des films sont en contact avec les joints 23. Ainsi, lors d'un démontage de la cellule 1, les joints 23 se séparent aisément des films sans se 10 détériorer. La face hydrophile du renfort 131 est en contact et solidarisée avec la face hydrophile du renfort 132. La face hydrophile du renfort 131 est en contact et solidarisée avec la membrane 113. La face hydrophile du renfort 132 est en contact et solidarisée avec la membrane 113. L'utilisation de tels films pour les renforts 131 et 132 permet une adhésion 15 satisfaisante à la membrane 113 et une adhésion mutuelle lors de la mise en oeuvre d'une étape de pressage à chaud. Par des tests, ces films ont été les seuls identifiés qui présentent des propriétés satisfaisantes d'adhésion sur une face et de non adhésion sur l'autre face, sans pour autant contaminer la membrane de l'AME. La figure 4 des résultats de tests comparatifs, établissant 20 que la cellule 1 munie de tels renforts (courbe en trait plein) présente des performances identiques à une cellule dépourvue de renforts (courbe en trait discontinu). Ces résultats prouvent l'absence de pollution de la membrane 113 par les renforts avec les films utilisés. Les films utilisés n'étant initialement pas prévus pour une application dans une cellule 1, leur absence de pollution de la 25 membrane 113 n'a pu être déterminée que de façon empirique. La fixation de tels renforts 131 et 132 sur la membrane 113 inclut le positionnement des renforts 131 et 132 de part et d'autre de la membrane 113. La membrane 113 est positionnée pour apparaître au niveau des orifices 30 médians des renforts 131 et 132. On réalise avantageusement une étape de pressage à chaud pour une solidarisation mutuelle des renforts 131 et 132 et pour une solidarisation de ces renforts à la membrane 113. La solidarisation entre les renforts 131 et 132 garantit l'absence de contact entre la membrane 113 et le liquide de refroidissement du conduit 124. La solidarisation entre les 35 renforts 131 et 132 garantit également l'absence de fuite des gaz traversant les couches de diffusion gazeuses. Avec une température de fusion cristalline Tm de 270°C, le polymère ETFE des films des renforts 131 et 132 est suffisamment stable pour subir un pressage à chaud à 140°C sous une pression de 4MPa sans générer de retrait. ICG10796 FR Depot Texte.doc Après plusieurs centaines d'heures de tests à des températures de fonctionnement au moins égales à 80°C, les cellules 1 ont été démontées sans adhésion entre les renforts 131, 132 et les joints 23.According to another variant, a coolant flow conduit passes through the first reinforcement. The invention also relates to a fuel cell including an electrochemical cell as defined above. The invention furthermore relates to a method for manufacturing an electrochemical cell, comprising the steps of: placing a hydrophilic face of a first reinforcement against a proton exchange membrane, said first reinforcement being formed of a Tefzel film 200CLZ and having said hydrophilic face and a hydrophobic face, said film having a median aperture; -Solidarization of the hydrophilic side to the membrane by hot pressing; placing a seal around the median opening and in contact with the hydrophobic face of said film. According to one variant, said hot pressing is carried out at a pressure of at least 3 MPa and at a temperature of at least 120 ° C. According to another variant, the method further comprises a step of placing a flow guide directly above the membrane and in contact with said seal. Other features and advantages of the invention will emerge clearly from the description which is given below, by way of indication and in no way limiting, with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a diagrammatic representation in perspective a stack of cells in a fuel cell; FIG. 2 is a schematic sectional view of a fuel cell cell according to a first embodiment of the invention; FIG 3 is a schematic sectional view of a fuel cell cell according to a second embodiment of the invention; FIG. 4 is a comparative diagram of the performances of a cell 35 according to the invention and of a cell according to the state of the art. The invention proposes an electrochemical cell, for example for a fuel cell, including a reinforcement formed of a Tefzel 200 CLZ film having a hydrophilic face and a hydrophobic face. The hydrophilic face is secured to the membrane and the hydrophobic face is in contact with a seal disposed on the periphery of a gaseous diffusion layer. The inventors have found that such a reinforcement responds to several sometimes contradictory design constraints: allow adhesion to the membrane; to allow mutual adhesion of the reinforcements by hot pressing; avoid adhesion with a peripheral seal; - avoid contaminating the membrane of the AME. Figure 1 is a schematic exploded perspective view of a cell stack 1 of a fuel cell 2. The fuel cell 2 comprises a plurality of superposed cells 1. The cells 1 are of the proton exchange membrane or polymer electrolyte membrane type. The fuel cell 2 comprises a fuel source 120 supplying hydrogen to an inlet of each cell 1. The fuel cell 1 also includes an air source 122 supplying an inlet of each cell with air containing oxygen used. as an oxidizer. Each cell 1 also includes exhaust channels not shown. Each cell 1 may also have a cooling circuit (shown in FIG. 2). Each cell 1 comprises a membrane / electrode assembly 110. The illustrated fuel cell 2 comprises in particular membrane / electrode or AME 110 assemblies. A membrane / electrode assembly 110 comprises an electrolyte 113, a cathode (not shown in FIG. 1). and an anode 111 placed on either side of the electrolyte and fixed on this electrolyte 113. Between each pair of adjacent MEAs, a pair of flow guides is arranged. The flow guides of each pair are integral to form a bipolar plate 103. Each flow guide is for example formed of a metal sheet, usually made of stainless steel. A bipolar plate 103 thus comprises a metal foil 102 facing a cathode of an MEA 110 and a metal foil 101 facing an anode of another MEA 110. The foils 101 and 102 have raised surfaces defining channels. flow. The metal sheets 101 and 102 are secured by welds 104. In a manner known per se, during the operation of the cell 1, air flows between the AME and the metal foil 102, and dihydrogen flows between the MEA and the foil 101. At the anode 111, the dihydrogen is ionized to produce protons that cross the MEA. The electrons produced by this reaction are collected by the metal foil 102. The electrons produced are then applied to an electrical charge connected to the fuel cell 2 to form an electric current. At the level of the cathode 112, oxygen is reduced and reacts with the protons to form water. The reactions at the anode and the cathode are governed as follows: 1, 211 ± -t at the anode; I Te + ± 02 21120 at the cathode. During its operation, a cell of the fuel cell usually generates a DC voltage between the anode and the cathode of the order of 1V. The catalyst material used at the anode or cathode is preferably platinum for its excellent catalytic performance. FIG. 2 is a schematic sectional view of a first embodiment of a cell 1 illustrated in FIG. 1. The electrolyte layer 113 forms a semi-permeable membrane allowing proton conduction while being impervious to gases. present in the cell. The membrane 113 also prevents a passage of electrons between the anode 111 and the cathode 112. The cell 1 further comprises reinforcements 131 and 132 disposed at the periphery respectively of the anode 111 and the cathode 112. The reinforcements 131 20 and 132 are superimposed on the periphery of the electrodes with an overflow on the membrane 113, in order to limit the gas permeation phenomenon at the origin of a deterioration of the membrane / electrode assembly. The reinforcements 131 and 132 extend laterally beyond the diaphragm 113. The reinforcements 131 and 132 are in contact and secured by this portion extending laterally beyond the diaphragm 113. coolant is formed especially through the reinforcements 131 and 132 and through the metal sheets 101 and 102. The duct 124 is formed laterally with respect to the MEA, avoiding the risk of capillary diffusion of the cooling liquid in the 113. The reinforcements 131 and 132 also facilitate the manipulation of the membrane / electrode assembly to prevent its deterioration. The reinforcements 131 and 132 also limit the dimensional variations of the membrane 113 as a function of temperature and humidity. Each cell has a gas diffusion layer 21 disposed between the anode 111 and the metal foil 101. Each cell further has a gas diffusion layer 22 disposed between the cathode 112 and the foil 102. Seals 23 are disposed between the metal sheet 101 and the reinforcement 131 on the one hand, and between the metal sheet 102 and the reinforcement 132 40 on the other hand. The seals 23 are disposed at the periphery of the diffusion layers ICG10796 EN Depot Text.doc gas 21 and 22. The seals 23 thus surround the middle openings of the reinforcements 131 and 132. The reinforcements 131 and 132 are formed of films marketed under the reference Tefzel 200 CLZ by the company Dupont de Nemours. Such films include an ETFE material, one side of which has undergone a specific treatment to render it hydrophilic, the material being in itself hydrophobic. These films each comprise a hydrophilic face and a hydrophobic face. The hydrophobic faces of the films are in contact with the seals 23. Thus, during disassembly of the cell 1, the seals 23 easily separate from the films without deteriorating. The hydrophilic face of the reinforcement 131 is in contact and secured to the hydrophilic face of the reinforcement 132. The hydrophilic face of the reinforcement 131 is in contact and secured to the membrane 113. The hydrophilic face of the reinforcement 132 is in contact and secured to the membrane 113 The use of such films for the reinforcements 131 and 132 allows satisfactory adhesion to the membrane 113 and mutual adhesion during the implementation of a hot pressing step. By tests, these films were the only ones identified which have satisfactory properties of adhesion on one side and non-adhesion on the other side, without contaminating the membrane of the MEA. Figure 4 of the comparative test results, establishing that the cell 1 provided with such reinforcements (solid line curve) has the same performance as a cell without reinforcements (curve dashed). These results prove the absence of pollution of the membrane 113 by the reinforcements with the films used. Since the films used were not initially intended for application in a cell 1, their absence of pollution of the membrane 113 could only be determined empirically. The fixing of such reinforcements 131 and 132 on the membrane 113 includes the positioning of the reinforcements 131 and 132 on either side of the membrane 113. The membrane 113 is positioned to appear at the middle orifices 30 of the reinforcements 131 and 132. Advantageously, a hot pressing step is carried out for mutual joining of the reinforcements 131 and 132 and for a joining of these reinforcements to the membrane 113. The joining between the reinforcements 131 and 132 ensures the absence of contact between the membrane 113 and the The cooling liquid of the duct 124. The joining between the reinforcements 131 and 132 also guarantees the absence of leakage of the gases passing through the gas diffusion layers. With a crystal melting temperature Tm of 270 ° C, the ETFE polymer of the reinforcing films 131 and 132 is sufficiently stable to undergo hot pressing at 140 ° C under a pressure of 4 MPa without generating shrinkage. ICG10796 EN Depot Text.doc After several hundred hours of testing at operating temperatures of at least 80 ° C, cells 1 were disassembled without adhesion between reinforcements 131, 132 and seals 23.
Les films choisis pour les renforts 131 et 132 ont permis de remplir un certain nombre d'exigences fixées au préalable : -une face hydrophobe présentant une énergie de surface inférieure à 30mN/m, de préférence inférieure à 25mN/m, et si possible inférieure à 20mN/m ; -une face hydrophile présentant une énergie de surface au moins égale à 50mN/m, de préférence supérieure à 65mN/m, et si possible supérieure à 80mN/m ; -une température de fusion cristalline au moins égale à 190°C, de préférence supérieure à 210°C, et si possible au moins égale à 220°C ; -une épaisseur comprise entre 20 et 75 pm ; -une rugosité inférieure à 511m, si possible inférieure à 111m ; -un matériau chimiquement inerte. La figure 3 est une vue en coupe schématique d'un deuxième mode de réalisation d'une cellule 1 illustrée à la figure 1. Dans ce mode de réalisation, la membrane 113 s'étend jusqu'à la périphérie des renforts 131 et 132. Les renforts 131 et 132 sont donc essentiellement en contact avec la membrane 113. Les renforts 131 et 132 sont solidarisés à la membrane 113. Le conduit 124 d'écoulement de liquide de refroidissement est ménagé à 25 travers les renforts 131 et 132, à travers la membrane 113 et à travers les feuilles métalliques 101 et 102. On utilise pour ce mode de réalisation des renforts 131 et 132 également formés de films commercialisés sous la référence Tefzel 200 CLZ. Comme pour le mode de réalisation précédant, le procédé d'assemblage des renforts sur la 30 membrane met avantageusement en oeuvre un pressage à chaud de ces films, entre lesquels on dispose la membrane 113 au préalable. ICG10796 FR Depot Texte.docThe films chosen for the reinforcements 131 and 132 made it possible to fulfill a certain number of previously fixed requirements: a hydrophobic face having a surface energy of less than 30 mN / m, preferably less than 25 mN / m, and if possible lower at 20mN / m; a hydrophilic face having a surface energy of at least 50 mN / m, preferably greater than 65 mN / m, and if possible greater than 80 mN / m; a crystalline melting temperature of at least 190 ° C, preferably greater than 210 ° C, and if possible at least 220 ° C; a thickness of between 20 and 75 μm; a roughness of less than 511m, if possible less than 111m; a chemically inert material. Figure 3 is a schematic sectional view of a second embodiment of a cell 1 shown in Figure 1. In this embodiment, the membrane 113 extends to the periphery of the reinforcements 131 and 132. The reinforcements 131 and 132 are therefore essentially in contact with the membrane 113. The reinforcements 131 and 132 are secured to the diaphragm 113. The coolant flow conduit 124 is formed through the reinforcements 131 and 132, through the membrane 113 and through the metal sheets 101 and 102. For this embodiment are used reinforcements 131 and 132 also formed of films sold under the reference Tefzel 200 CLZ. As for the preceding embodiment, the method of assembling the reinforcements on the membrane advantageously involves a hot pressing of these films, between which the membrane 113 is arranged beforehand. ICG10796 EN Depot Text.doc