FR3028097B1 - FUEL CELL HAVING AN IMPROVED COOLING SYSTEM - Google Patents

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Abstract

Pile à combustible comprenant un empilement de plaques bipolaires (1, 2) superposées, et des membranes (3) échangeuses de protons disposées entre deux plaques successives, la pile à combustible comprenant un système de refroidissement, caractérisée en ce que le système de refroidissement comprend deux circuits disjoints d'écoulement de fluide caloporteur (4, 5) aménagés dans la pile à combustible, chaque plaque bipolaire (1, 2) étant reliée à l'un ou l'autre desdits circuits d'écoulement de fluide caloporteur (4, 5), définissant ainsi - un premier type de plaques bipolaires (1), reliées chacune au premier circuit d'écoulement de fluide caloporteur (4), - un second type de plaques bipolaires (2), reliées chacune au second circuit d'écoulement de fluide caloporteur (5), lesdits circuits d'écoulement de fluide caloporteur (4, 5) définissant des flux de fluide caloporteur ayant des sens d'écoulement distincts.Fuel cell comprising a stack of superimposed bipolar plates (1, 2) and proton exchange membranes (3) arranged between two successive plates, the fuel cell comprising a cooling system, characterized in that the cooling system comprises two disrupted coolant flow circuits (4, 5) in the fuel cell, each bipolar plate (1, 2) being connected to one or the other of said coolant flow circuits (4, 5), thereby defining - a first type of bipolar plates (1), each connected to the first coolant flow circuit (4), - a second type of bipolar plates (2), each connected to the second flow circuit coolant fluid (5), said coolant flow circuits (4, 5) defining coolant flows having distinct flow directions.

Description

DOMAINE TECHNIQUE GENERALGENERAL TECHNICAL FIELD

La présente invention concerne le domaine des piles à combustible, et vise plus particulièrement les piles à combustibles destinées à des applications dans le domaine de l'aéronautique.The present invention relates to the field of fuel cells, and more particularly to fuel cells for applications in the field of aeronautics.

ETAT DE L'ARTSTATE OF THE ART

Les piles à combustible dites à haute température dégagent une chaleur importante, devant être évacuée lors du fonctionnement afin de garantir un bon fonctionnement dans des conditions nominales.High temperature fuel cells emit a significant amount of heat that must be removed during operation to ensure proper operation under nominal conditions.

Les solutions actuelles consistent essentiellement en un refroidissement au moyen d'un flux de fluide caloporteur perpendiculaire à l'écoulement des réactifs, ou à un flux de fluide caloporteur présentant une forme de type serpentin.Current solutions consist essentially of cooling by means of a heat transfer fluid flow perpendicular to the flow of the reagents, or a stream of coolant having a serpentine-like shape.

Ces solutions conduisent cependant à la formation d'un gradient de température dans la pile à combustible le long des plaques formant l'empilement de la pile à combustible, ce qui génère des contraintes thermomécaniques sur la surfaces des plaques, et nuit donc au fonctionnement des piles à combustibles tout en affectant leur durée de vie.These solutions, however, lead to the formation of a temperature gradient in the fuel cell along the plates forming the stack of the fuel cell, which generates thermomechanical stresses on the surfaces of the plates, and thus adversely affects the operation of the fuel cells while affecting their life.

PRESENTATION DE L'INVENTIONPRESENTATION OF THE INVENTION

La présente invention vise ainsi à remédier au moins partiellement à ces problématiques, et propose une pile à combustible comprenant un empilement de plaques bipolaires superposées, et des membranes échangeuses de protons disposées entre deux plaques successives, caractérisée en ce que les plaques bipolaires sont configurées de manière à définir deux circuits disjoints d'écoulement de fluide caloporteur dans la pile à combustible, chaque plaque bipolaire étant reliée à l'un ou l'autre desdits circuits d'écoulement de fluide caloporteur, définissant ainsi - un premier type de plaques bipolaires, reliées chacune au premier circuit d'écoulement de fluide caloporteur, - un second type de plaques bipolaires, reliées chacune au second circuit d'écoulement de fluide caloporteur, lesdits circuits d'écoulement de fluide caloporteur (4, 5) définissant des flux de fluide caloporteur ayant des sens d'écoulement distincts.The present invention thus aims at remedying at least partially these problems, and proposes a fuel cell comprising a stack of superimposed bipolar plates, and proton exchange membranes arranged between two successive plates, characterized in that the bipolar plates are configured from in order to define two disjoint heat transfer fluid circuits in the fuel cell, each bipolar plate being connected to one or the other of said heat transfer fluid flow circuits, thus defining - a first type of bipolar plates, each connected to the first coolant flow circuit; - a second type of bipolar plates, each connected to the second coolant flow circuit, said coolant flow circuits (4, 5) defining fluid flows. coolant having distinct flow directions.

Les premier et second types de plaques bipolaires sont avantageusement configurés de manière à ce que l'écoulement de fluide caloporteur dans deux plaques bipolaires successives soit réalisé selon deux directions opposées. L'empilement est par exemple réalisé selon une direction longitudinale de la pile à combustible, l'empilement présentant une première et une seconde extrémités opposées selon une direction transversale de la pile à combustible, perpendiculaire à la direction longitudinale, les plaques bipolaires étant configurées de manière à ce que l'écoulement de fluide caloporteur dans les plaques bipolaires du premier type soit de la première vers la seconde extrémité de l'empilement, et à ce que l'écoulement de fluide caloporteur dans les plaques bipolaires du second type soit de la seconde vers la première extrémité de l'empilement.The first and second types of bipolar plates are advantageously configured so that the coolant flow in two successive bipolar plates is made in two opposite directions. The stack is for example made in a longitudinal direction of the fuel cell, the stack having first and second opposite ends in a transverse direction of the fuel cell, perpendicular to the longitudinal direction, the bipolar plates being configured from in such a way that the coolant flow in the bipolar plates of the first type is from the first to the second end of the stack, and that the coolant flow in the bipolar plates of the second type is second towards the first end of the stack.

Les plaques bipolaires comprennent typiquement chacune des canaux définissant deux circuits d'écoulement distincts de fluide caloporteur, chaque plaque bipolaire ayant un unique desdits conduits relié au premier circuit d'écoulement de fluide caloporteur ou au circuit d'écoulement de fluide caloporteur.The bipolar plates typically comprise each of the channels defining two separate coolant flow circuits, each bipolar plate having a single one of said conduits connected to the first coolant flow circuit or the coolant flow circuit.

La pile à combustible est typiquement de type pile à combustible à membrane échangeuse de protons.The fuel cell is typically of the proton exchange membrane fuel cell type.

PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels : - La figure 1 est un schéma de principe représentant la structure d'une pile à combustible selon un aspect de l'invention ; - La figure 2 illustre schématiquement un empilement de pile à combustible selon un aspect de l'invention.PRESENTATION OF THE FIGURES Other features, objects and advantages of the invention will emerge from the description which follows, which is purely illustrative and nonlimiting, and which should be read with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. schematic diagram showing the structure of a fuel cell according to one aspect of the invention; - Figure 2 schematically illustrates a fuel cell stack according to one aspect of the invention.

Sur l'ensemble des figures, les éléments en commun sont repérés par des références numériques identiques.In all the figures, the elements in common are identified by identical reference numerals.

DESCRIPTION DETAILLEEDETAILED DESCRIPTION

La figure 1 est un schéma de principe représentant la structure d'une pile à combustible selon un aspect de l'invention.Fig. 1 is a block diagram showing the structure of a fuel cell according to one aspect of the invention.

On représente schématiquement sur cette figure deux plaques bipolaires 1 et 2, formant par exemple une anode et une cathode d'une pile à combustible, entre lesquelles est disposée une membrane échangeuse de protons 3, communément désignée sous la terminologie anglaise « Proton Exchange Membrane » ou « PEM ». L'ensemble ainsi formé présente un fonctionnement bien connu de l'Homme de l'art de pile à combustible à membrane échangeuse de protons, dans laquelle les deux plaques bipolaires 1 et 2 réalisent un échange de protons au travers de la membrane 3, de manière à générer un courant électrique.This figure shows schematically two bipolar plates 1 and 2, forming for example an anode and a cathode of a fuel cell, between which is disposed a proton exchange membrane 3, commonly referred to as "Proton Exchange Membrane" or "PEM". The assembly thus formed has an operation well known to those skilled in the art of proton exchange membrane fuel cell, in which the two bipolar plates 1 and 2 perform a proton exchange through the membrane 3, to generate an electric current.

Le fonctionnement d'une telle pile à combustible est bien connu de l'Homme du métier, et ne sera pas décrit plus en détail ici.The operation of such a fuel cell is well known to those skilled in the art, and will not be described in more detail here.

La pile à combustible ainsi formée est munie d'un système de refroidissement, pour capter et évacuer les calories générées notamment par la réaction exothermique au niveau de la membrane 3 lors du fonctionnement de la pile à combustible.The fuel cell thus formed is provided with a cooling system, for capturing and evacuating the calories generated in particular by the exothermic reaction at the membrane 3 during operation of the fuel cell.

Comme représenté sur la figure 1, le système de refroidissement de la pile à combustible comprend deux circuits d'écoulement de fluide caloporteur disjoints 4 et 5, reliés respectivement aux plaques bipolaires 1 et 2.As shown in FIG. 1, the fuel cell cooling system comprises two disjoint heat transfer fluid circuits 4 and 5, respectively connected to the bipolar plates 1 and 2.

Les deux plaques bipolaires 1 et 2 sont donc refroidies par des circuits d'écoulement de fluide caloporteur 4 et 5 distincts et disjoints.The two bipolar plates 1 and 2 are thus cooled by heat transfer fluid flow circuits 4 and 5 separate and disjoint.

Ces circuits d'écoulement de fluide caloporteur 4 et 5 comprennent typiquement des dissipateurs thermiques, de manière à évacuer les calories captées par le fluide caloporteur lors de son passage dans les plaques bipolaires 1 et 2. Dans le mode de réalisation représenté, on représente des échangeurs thermiques, respectivement 41 et 51 pour les circuits d'écoulement de fluide caloporteur 4 et 5.These heat transfer fluid flow circuits 4 and 5 typically comprise heat sinks, so as to evacuate the heat captured by the heat transfer fluid during its passage in the bipolar plates 1 and 2. In the embodiment shown, there are shown heat exchangers, respectively 41 and 51 for the coolant flow circuits 4 and 5.

La pile à combustible comprend ainsi deux circuits d'écoulement disjoints de fluide caloporteur 4 et 5, permettant ainsi de définir deux circuits de refroidissement pour la pile à combustible. Une telle structure offre ainsi des possibilités multiples pour le refroidissement de la pile à combustible, notamment un refroidissement croisé tel que présenté ci-après, contrairement aux structures conventionnelles qui sont limitées quant aux possibilités de circuit de refroidissement.The fuel cell thus comprises two disjoint flow circuits of heat transfer fluid 4 and 5, thus defining two cooling circuits for the fuel cell. Such a structure thus offers multiple possibilities for the cooling of the fuel cell, including cross-cooling as presented below, in contrast to conventional structures which are limited in terms of the cooling circuit possibilities.

On représente sur la figure 1 le sens d'écoulement de fluide dans les circuits d'écoulement de fluide caloporteur 4 et 5.FIG. 1 shows the direction of fluid flow in the coolant flow circuits 4 and 5.

On définit de manière arbitraire une extrémité proximale et une extrémité distale de l'empilement formé des deux plaques bipolaires 1 et 2 et de la membrane 3.An arbitrary proximal end and a distal end of the stack formed of the two bipolar plates 1 and 2 and the membrane 3 are arbitrarily defined.

On définit ainsi une extrémité proximale 11 de la première plaque bipolaire 1, et une extrémité distale 12 de la première plaque bipolaire 1.Thus, a proximal end 11 of the first bipolar plate 1 and a distal end 12 of the first bipolar plate 1 are defined.

De même, on définit une extrémité proximale 21 de la seconde plaque bipolaire 2, et une extrémité distale 22 de la seconde plaque bipolaire 2. Les extrémités proximales 11 et 21 des deux plaques bipolaires 1 et 2 sont superposées dans l'empilement, de même que les extrémités distales 12 et 22 des deux plaques bipolaires 1 et 2 sont superposées dans l'empilement.Likewise, a proximal end 21 of the second bipolar plate 2 and a distal end 22 of the second bipolar plate 2 are defined. The proximal ends 11 and 21 of the two bipolar plates 1 and 2 are superimposed in the stack, likewise that the distal ends 12 and 22 of the two bipolar plates 1 and 2 are superimposed in the stack.

Les circuits d'écoulement de fluide caloporteur 4 et 5 sont avantageusement configurés de manière à s'écouler dans des directions opposées. Par opposées, on entend que le sens d'écoulement du fluide dans ces deux circuits d'écoulement de fluide caloporteur 4 et 5 est tel qu'un premier desdits circuits d'écoulement de fluide caloporteur définit une circulation de fluide caloporteur allant généralement d'une première extrémité de l'empilement à une seconde extrémité de l'empilement, tandis qu'un second desdits circuits d'écoulement de fluide caloporteur définit une circulation de fluide caloporteur allant généralement d'une seconde extrémité de l'empilement à une première extrémité de l'empilement.The heat transfer fluid flow circuits 4 and 5 are advantageously configured to flow in opposite directions. By opposite, it is meant that the flow direction of the fluid in these two coolant flow circuits 4 and 5 is such that a first of said heat transfer fluid flow circuits defines a circulation of heat transfer fluid generally ranging from a first end of the stack at a second end of the stack, while a second of said heat transfer fluid flow circuits defines a coolant flow generally from a second end of the stack to a first end stacking.

Dans la représentation schématique de la figure 1, le circuit d'écoulement de fluide caloporteur 4 de la plaque bipolaire 1 établit une circulation de fluide caloporteur de l'extrémité proximale 11 vers l'extrémité distale 12 de la plaque bipolaire 1. Le fluide caloporteur est donc refroidi en arrivant par l'extrémité proximale 11, et ressort chargé en calories par l'extrémité distale 12. A l'inverse, le circuit d'écoulement de fluide caloporteur 5 de la plaque bipolaire 2 établit une circulation de fluide caloporteur de l'extrémité distale 22 vers l'extrémité proximale 21 de la plaque bipolaire 2. Le fluide caloporteur est donc refroidi en arrivant par l'extrémité distale 22, et ressort chargé en calories par l'extrémité proximale 21.In the schematic representation of FIG. 1, the heat transfer fluid flow circuit 4 of the bipolar plate 1 establishes a circulation of heat transfer fluid from the proximal end 11 towards the distal end 12 of the bipolar plate 1. The heat transfer fluid is cooled by arriving at the proximal end 11, and calorie loaded spring by the distal end 12. In contrast, the coolant flow circuit 5 of the bipolar plate 2 establishes a heat transfer fluid circulation of the distal end 22 towards the proximal end 21 of the bipolar plate 2. The coolant is cooled by arriving at the distal end 22, and calorically loaded spring by the proximal end 21.

Il y a donc un flux croisé de fluides caloporteurs des circuits d'écoulements de fluide caloporteur disjoints 4 et 5 ; les deux circuits d'écoulements de fluide caloporteur 4 et 5 réalisent une admission en fluide caloporteur dans les plaques bipolaires 1 et 2 selon des extrémités opposées de ces plaques bipolaires 1 et 2.There is therefore a cross flow of heat transfer fluids of the disjoint heat transfer fluid circuits 4 and 5; the two heat transfer fluid flow circuits 4 and 5 provide a heat transfer fluid inlet in the bipolar plates 1 and 2 at opposite ends of these bipolar plates 1 and 2.

Ainsi, l'empilement formé par les plaques bipolaires 1 et 2 et la membrane 3 est refroidi par deux extrémités opposées, et non pas par une unique extrémité comme dans les systèmes conventionnels.Thus, the stack formed by the bipolar plates 1 and 2 and the membrane 3 is cooled by two opposite ends, and not by a single end as in conventional systems.

Ce système de refroidissement de la pile à combustible est avantageux en ce qu'il évite la formation d'un gradient de température le long de la pile à combustible.This fuel cell cooling system is advantageous in that it avoids the formation of a temperature gradient along the fuel cell.

En effet, les circuits d'écoulements de fluide caloporteur 4 et 5 se croisent ; il y a donc un équilibrage de température moyenne entre l'extrémité proximale et l'extrémité distale de l'empilement, et non pas une augmentation progressive de la température comme cela aurait été le cas avec des circuits non croisés.Indeed, the coolant flow circuits 4 and 5 intersect; there is therefore an average temperature balance between the proximal end and the distal end of the stack, and not a gradual increase in temperature as would have been the case with uncrossed circuits.

En effet, à proximité de l'extrémité proximale de l'empilement, le fluide caloporteur du premier circuit de circulation 4 est encore refroidi et non chargé en calories, alors qu'au contraire, le fluide caloporteur du second circuit de circulation 5 est lui chargé en calories après avoir traversé toute la plaque bipolaire 5. A l'inverse, à proximité de l'extrémité distale de l'empilement, le fluide caloporteur du premier circuit de circulation 4 est chargé en calories après avoir traversé toute la plaque bipolaire 1, alors qu'au contraire, le fluide caloporteur du second circuit de circulation 5 est lui refroidi.Indeed, near the proximal end of the stack, the heat transfer fluid of the first circulation circuit 4 is still cooled and not loaded with calories, whereas, on the contrary, the heat transfer fluid of the second circulation circuit 5 is charged in calories after having passed through the entire bipolar plate 5. On the other hand, near the distal end of the stack, the coolant of the first circulation circuit 4 is loaded with calories after passing through the entire bipolar plate 1 whereas, on the other hand, the coolant of the second circulation circuit 5 is cooled.

Entre l'extrémité proximale et l'extrémité distale de l'empilement, l'évolution de la température du fluide caloporteur est inversement proportionnelle entre le fluide caloporteur du premier circuit de circulation 4 et le fluide caloporteur du second circuit de circulation 5.Between the proximal end and the distal end of the stack, the change in the temperature of the heat transfer fluid is inversely proportional between the heat transfer fluid of the first circulation circuit 4 and the heat transfer fluid of the second circulation circuit 5.

Les flux thermiques entre le premier circuit de circulation 4 et le second circuit de circulation 5 de fluide caloporteur sont donc croisés, ce qui équilibre la température sur la surface de la pile à combustible et évite ainsi la formation de points chauds et de contraintes thermomécaniques sur la surface des plaques bipolaires 1 et 2.The heat flows between the first circulation circuit 4 and the second heat transfer fluid circulation circuit 5 are therefore crossed, which balances the temperature on the surface of the fuel cell and thus prevents the formation of hot spots and thermomechanical stresses on the fuel cell. the surface of bipolar plates 1 and 2.

Les circuits de circulation de fluide caloporteur 4 et 5 peuvent présenter plusieurs motifs que les plaques bipolaires 1 et 2. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, on a représenté des circuits en serpentin sur les plaques bipolaires 1 et 2. On comprend bien que d'autres motifs peuvent être utilisés, dès lors qu'ils permettent une circulation de fluide caloporteur sur les surfaces des plaques bipolaires 1 et 2 à refroidir.The coolant circulation circuits 4 and 5 may have several patterns that the bipolar plates 1 and 2. In the embodiment shown in Figure 1, there is shown serpentine circuits on the bipolar plates 1 and 2. It is understood although other reasons may be used, since they allow a circulation of coolant on the surfaces of the bipolar plates 1 and 2 to cool.

Plus généralement, l'invention définit deux circuits de refroidissement croisés aménagés dans les plaques bipolaires 2 et 3 d'une pile à combustible définissant des flux de fluide caloporteur ayant des sens d'écoulement distincts.More generally, the invention defines two crossed cooling circuits arranged in the bipolar plates 2 and 3 of a fuel cell defining heat transfer fluid flows having distinct flow directions.

On peut par exemple avoir des flux selon deux directions parallèles mais de sens contraires, comme illustré sur les figures, ou par exemple des flux selon deux directions perpendiculaires.One can for example have flows in two parallel directions but in opposite directions, as illustrated in the figures, or for example flows in two perpendicular directions.

Comme indiqué précédemment, avoir ainsi des flux de fluide caloporteur ayant des sens d'écoulement distincts au sein de la pile à combustible permet d'éviter ou à tout le moins d'atténuer fortement la formation d'un gradient de température le long des plaques bipolaires.As indicated above, thus having heat transfer fluid streams having distinct flow directions within the fuel cell makes it possible to avoid or at least greatly attenuate the formation of a temperature gradient along the plates. bipolar.

La figure 2 est une vue partiellement éclatée d'un empilement 10 de pile à combustible, comprenant une pluralité de plaques bipolaires et de membranes 3 échangeuses de protons et présentant un système de refroidissement tel que défini précédemment. L'empilement est formé de plaques bipolaires et de membranes échangeuses, disposées de manière alternée, et comprend en outre des plaques d'extrémité 6 de part et d'autre de l'empilement. L'empilement est en outre équipé d'un système de refroidissement comprenant deux circuits d'écoulement de fluide caloporteur 4 et 5 aménagés dans les plaques bipolaires 1 et 2, comme décrit précédemment.FIG. 2 is a partially exploded view of a fuel cell stack comprising a plurality of bipolar plates and proton exchange membranes and having a cooling system as hereinbefore defined. The stack consists of bipolar plates and exchange membranes, arranged alternately, and further comprises end plates 6 on either side of the stack. The stack is further equipped with a cooling system comprising two coolant flow circuits 4 and 5 arranged in the bipolar plates 1 and 2, as previously described.

On définit deux ensembles de plaques bipolaires, selon qu'elles sont reliées au premier circuit d'écoulement de fluide caloporteur 4 ou au second circuit d'écoulement de fluide caloporteur 5.Two sets of bipolar plates are defined, depending on whether they are connected to the first coolant flow circuit 4 or to the second heat transfer fluid flow circuit 5.

On définit ainsi : - un premier type de plaques bipolaires, que l'on désigne par la référence numérique 1, reliées chacune au premier circuit d'écoulement de fluide caloporteur 4, - un second type de plaques bipolaires, que l'on désigne par la référence numérique 2, reliées chacune au second circuit d'écoulement de fluide caloporteur 5.The following are defined: a first type of bipolar plates, designated by the reference numeral 1, each connected to the first coolant flow circuit 4, a second type of bipolar plates, which is designated by 2, each connected to the second coolant flow circuit 5.

Les plaques du premier et du second type 1 et 2 sont disposées de manière alternée dans l'empilement. L'empilement est ainsi agencé comme suit : - Plaque bipolaire du premier type 1 ; - Membrane 3 échangeuse de protons; - Plaque bipolaire du second type 2 ; - Membrane 3 échangeuse de protons; - Plaque bipolaire du premier type 1 ; - Membrane 3 échangeuse de protons; - Plaque bipolaire du second type 2 ; - Membrane 3 échangeuse de protons;The plates of the first and second types 1 and 2 are arranged alternately in the stack. The stack is thus arranged as follows: - Bipolar plate of the first type 1; Proton exchange membrane; - Bipolar plate of the second type 2; Proton exchange membrane; - Bipolar plate of the first type 1; Proton exchange membrane; - Bipolar plate of the second type 2; Proton exchange membrane;

Comme déjà expliqué en référence à la figure 1, l'empilement 10 comprend deux circuits d'écoulement disjoints de fluide caloporteur 4 et 5 définis par des conduits aménagés sur les plaques bipolaires 1 et 2, permettant ainsi de définir plusieurs structures de circuit de refroidissement pour la pile à combustible grâce à ces deux circuits d'écoulement disjoints de fluide caloporteur 4 et 5 intégrés dans la structure de la pile à combustible.As already explained with reference to FIG. 1, the stack 10 comprises two disjoint heat transfer fluid flow circuits 4 and 5 defined by ducts arranged on the bipolar plates 1 and 2, thus making it possible to define several cooling circuit structures. for the fuel cell by virtue of these two disjoint heat transfer fluid flow circuits 4 and 5 integrated into the structure of the fuel cell.

De plus, comme déjà expliqué en référence à la figure 1, les deux circuits d'écoulement de fluide caloporteur 4 et 5 du système de refroidissement sont avantageusement configurés de manière à réaliser un écoulement croisé de fluide caloporteur. Les directions générales d'écoulement du fluide caloporteur sur les plaques bipolaires du premier et du second type 1 et 2 sont représentées schématiquement par des flèches sur la figure 2.In addition, as already explained with reference to FIG. 1, the two heat transfer fluid flow circuits 4 and 5 of the cooling system are advantageously configured so as to produce a cross flow of heat transfer fluid. The general flow directions of the heat transfer fluid on the bipolar plates of the first and second types 1 and 2 are shown schematically by arrows in FIG.

Ainsi, en définissant une extrémité proximale et une extrémité distale de l'empilement, et par conséquent une extrémité proximale 11 et une extrémité distale 12 des plaques bipolaires du premier type 1, et une extrémité proximale 21 et une extrémité distale 22 des plaques bipolaires du second type 2, l'écoulement du fluide caloporteur du premier circuit d'écoulement de fluide caloporteur 4 va sensiblement de l'extrémité proximale 11 vers l'extrémité distale 12 de l'empilement, tandis que l'écoulement du fluide caloporteur du second circuit d'écoulement de fluide caloporteur 5 va sensiblement de l'extrémité distale 22 vers l'extrémité proximale 21 de l'empilement. L'empilement présente donc une succession de flux croisés de fluide caloporteur.Thus, by defining a proximal end and a distal end of the stack, and therefore a proximal end 11 and a distal end 12 of the first type 1 bipolar plates, and a proximal end 21 and a distal end 22 of the bipolar plates of the first type 1, second type 2, the flow of the coolant of the first heat transfer fluid flow circuit 4 is substantially from the proximal end 11 to the distal end 12 of the stack, while the flow of heat transfer fluid of the second circuit heat transfer fluid flow 5 is substantially from the distal end 22 to the proximal end 21 of the stack. The stack therefore has a succession of cross flows of heat transfer fluid.

Comme déjà expliqué en référence à la figure 1, ces flux croisés successifs de fluide caloporteur entraînent une répartition sensiblement uniforme de la température des différentes plaques bipolaires 1 et 2 de l'empilement, et non pas un gradient de température d'une extrémité à une autre de l'empilement. Les plaques bipolaires sont en effet refroidies par des extrémités opposées, et les flux croisés de fluide caloporteur répartissent la chaleur en surface des plaques, au lieu de créer un gradient de température sur la longueur des plaques bipolaires 1 et 2.As already explained with reference to FIG. 1, these successive cross flows of heat transfer fluid cause a substantially uniform distribution of the temperature of the different bipolar plates 1 and 2 of the stack, and not a temperature gradient from one end to one other of the stacking. The bipolar plates are indeed cooled by opposite ends, and the heat transfer fluid cross flows distribute the heat on the surface of the plates, instead of creating a temperature gradient along the length of the bipolar plates 1 and 2.

Plus généralement, comme indiqué précédemment, avoir des flux de fluide caloporteur ayant des sens d'écoulement distincts au sein de la pile à combustible permet d'éviter ou à tout le moins d'atténuer fortement la formation d'un gradient de température le long des plaques bipolaires.More generally, as indicated previously, having heat transfer fluid streams having distinct flow directions within the fuel cell makes it possible to avoid or at least greatly attenuate the formation of a temperature gradient along the fuel cell. bipolar plates.

Dans le mode de réalisation représenté, les plaques bipolaires du premier et du second type 1 et 2 ont des architectures similaires, et présentent chacune six orifices formant deux ensembles de conduits sur la surface de la plaque, chaque ensemble de conduit présentant typiquement une entrée et deux sorties de fluide, et définissant une circulation de fluide allant sensiblement d'une extrémité à une autre de la plaque bipolaire considérée.In the embodiment shown, the bipolar plates of the first and second type 1 and 2 have similar architectures, and each have six orifices forming two sets of conduits on the surface of the plate, each set of ducts typically having an inlet and two fluid outlets, and defining a fluid flow substantially from one end to another of the bipolar plate in question.

Pour chaque plaque bipolaire, un seul de ces ensembles de conduits est relié à l'un ou l'autre des circuits d'écoulement de fluide caloporteur 4 ou 5 aménagés dans les plaques bipolaires 1 et 2 de la pile à combustible, selon que la plaque bipolaire est du premier ou du second type 1 ou 2.For each bipolar plate, only one of these sets of conduits is connected to one or the other of the coolant flow circuits 4 or 5 arranged in the bipolar plates 1 and 2 of the fuel cell, depending on whether the bipolar plate is first or second type 1 or 2.

Une telle structure similaire pour les différentes plaques bipolaires 1 et 2 et pour les membranes 3 est avantageuse notamment en termes de fabrication et d'assemblage.Such a similar structure for the different bipolar plates 1 and 2 and for the membranes 3 is particularly advantageous in terms of manufacture and assembly.

Claims (5)

Revendicationsclaims 1. Pile à combustible comprenant un empilement de plaques bipolaires (1, 2) superposées, et des membranes (3) échangeuses de protons disposées entre deux plaques bipolaires successives, caractérisée en ce que les plaques bipolaires (1, 2) sont configurées de manière à définir deux circuits disjoints d'écoulement de fluide caloporteur (4, 5) dans la pile à combustible, chaque plaque bipolaire (1, 2) étant reliée à l'un ou l'autre desdits circuits d'écoulement de fluide caloporteur (4, 5), définissant ainsi - un premier type de plaques bipolaires (1), reliées chacune au premier circuit d'écoulement de fluide caloporteur (4), - un second type de plaques bipolaires (2), reliées chacune au second circuit d'écoulement de fluide caloporteur (5), lesdits circuits d'écoulement de fluide caloporteur (4, 5) définissant des flux de fluide caloporteur ayant des sens d'écoulement distincts.A fuel cell comprising a stack of superimposed bipolar plates (1, 2) and proton exchange membranes (3) arranged between two successive bipolar plates, characterized in that the bipolar plates (1, 2) are configured defining two disordered heat transfer fluid flow circuits (4, 5) in the fuel cell, each bipolar plate (1, 2) being connected to one or the other of said coolant flow circuits (4); , 5), thereby defining - a first type of bipolar plates (1), each connected to the first coolant flow circuit (4), - a second type of bipolar plates (2), each connected to the second circuit of heat transfer fluid flow (5), said coolant flow circuits (4, 5) defining coolant flows having distinct flow directions. 2. Pile à combustible selon la revendication 1, dans laquelle les premier et second types de plaques bipolaires (1, 2) étant configurés de manière à ce que l'écoulement de fluide caloporteur dans deux plaques bipolaires successives soit réalisé selon deux directions opposées.The fuel cell of claim 1, wherein the first and second types of bipolar plates (1, 2) are configured such that the coolant flow in two successive bipolar plates is made in two opposite directions. 3. Pile à combustible selon la revendication 2, dans laquelle l'empilement est réalisé selon une direction longitudinale de la pile à combustible, l'empilement présentant une première et une seconde extrémités opposées selon une direction transversale de la pile à combustible, perpendiculaire à la direction longitudinale, les plaques bipolaires (1, 2) étant configurées de manière à ce que l'écoulement de fluide caloporteur dans les plaques bipolaires du premier type (1) soit de la première vers la seconde extrémité de l'empilement, et à ce que l'écoulement de fluide caloporteur dans les plaques bipolaires du second type (2) soit de la seconde vers la première extrémité de l'empilement.The fuel cell of claim 2, wherein the stack is made in a longitudinal direction of the fuel cell, the stack having first and second opposite ends in a transverse direction of the fuel cell, perpendicular to the fuel cell. the longitudinal direction, the bipolar plates (1, 2) being configured so that the coolant flow in the bipolar plates of the first type (1) is from the first to the second end of the stack, and the coolant flow in the bipolar plates of the second type (2) is from the second to the first end of the stack. 4. Pile à combustible selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle les plaques bipolaires (1, 2) comprennent chacune des canaux définissant deux circuits d'écoulement distincts de fluide caloporteur, chaque plaque bipolaire (1, 2) ayant un unique desdits conduits relié au premier circuit d'écoulement de fluide caloporteur (4) ou au circuit d'écoulement de fluide caloporteur (5).4. Fuel cell according to one of claims 1 to 3, wherein the bipolar plates (1, 2) each comprise channels defining two separate heat transfer fluid flow circuits, each bipolar plate (1, 2) having a one of said conduits connected to the first coolant flow circuit (4) or the coolant flow circuit (5). 5. Pile à combustible selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle la pile à combustible est de type pile à combustible à membrane échangeuse de protons.5. Fuel cell according to one of claims 1 to 4, wherein the fuel cell is of the proton exchange membrane fuel cell type.
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US4574112A (en) * 1983-12-23 1986-03-04 United Technologies Corporation Cooling system for electrochemical fuel cell
JP3499090B2 (en) * 1996-08-07 2004-02-23 本田技研工業株式会社 Fuel cell
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