FR3059473A1 - FUEL CELL WITH INTEGRATED COOLING CIRCUIT AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME - Google Patents

FUEL CELL WITH INTEGRATED COOLING CIRCUIT AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME Download PDF

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Cedric De Vaulx
Veronique Monnet
Kamel Azzouz
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Valeo Systemes Thermiques SAS
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Valeo Systemes Thermiques SAS
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Abstract

La présente invention concerne une pile à combustible (1) comportant un empilement de cellules (A) empilées les unes sur les autres, chaque cellule (A) comportant en superposition : ° une première plaque bipolaire (2a), ° une anode (3 a), ° un électrolyte (4), ° une cathode (3b), et ° une deuxième plaque bipolaire (2b), les premières (2a) et deuxièmes (2b) plaques bipolaires comportant des orifices (20) sur leur périphérie dans lesquels passent des conduits (10) de fluide caloporteur conducteurs thermiquement et isolés électriquement.The present invention relates to a fuel cell (1) having a stack of cells (A) stacked on each other, each cell (A) having in superposition: ° a first bipolar plate (2a), ° an anode (3a ), An electrolyte (4), a cathode (3b), and a second bipolar plate (2b), the first (2a) and second (2b) bipolar plates having orifices (20) on their periphery in which pass thermally conductive and electrically insulated heat transfer fluid conduits (10).

Description

© N° de publication : 3 059 473 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction) (© N° d’enregistrement national : 16 61511 ® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE© Publication number: 3,059,473 (to be used only for reproduction orders) (© National registration number: 16 61511 ® FRENCH REPUBLIC

INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLENATIONAL INSTITUTE OF INDUSTRIAL PROPERTY

COURBEVOIE © Int Cl8 : H 01 M 8/0258 (2017.01), H 01 M 8/2475COURBEVOIE © Int Cl 8 : H 01 M 8/0258 (2017.01), H 01 M 8/2475

DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1A1 PATENT APPLICATION

©) Date de dépôt : 25.11.16. ©) Date of filing: 25.11.16. © Demandeur(s) : VALEO SYSTEMES THERMIQUES © Applicant (s): VALEO THERMAL SYSTEMS (© Priorité : (© Priority: Société par actions simplifiée — FR. Simplified joint stock company - FR. @ Inventeur(s) : DE VAULX CEDRIC, MONNET VERO- @ Inventor (s): DE VAULX CEDRIC, MONNET VERO- NIQUE et AZZOUZ KAMEL. NIQUE and AZZOUZ KAMEL. (47) Date de mise à la disposition du public de la (47) Date of public availability of the demande : 01.06.18 Bulletin 18/22. request: 01.06.18 Bulletin 18/22. ©) Liste des documents cités dans le rapport de ©) List of documents cited in the report recherche préliminaire : Se reporter à la fin du preliminary research: Refer to end of présent fascicule present booklet (© Références à d’autres documents nationaux (© References to other national documents ® Titulaire(s) : VALEO SYSTEMES THERMIQUES ® Holder (s): VALEO THERMAL SYSTEMS apparentés : related: Société par actions simplifiée. Joint stock company. ©) Demande(s) d’extension : ©) Extension request (s): © Mandataire(s) : VALEO SYSTEMES THERMIQUES. © Agent (s): VALEO THERMAL SYSTEMS.

(54J pile A COMBUSTIBLE A CIRCUIT DE REFROIDISSEMENT INTEGRE ET PROCEDE DE FABRICATION ASSOCIE.(54J FUEL CELL WITH INTEGRATED COOLING CIRCUIT AND MANUFACTURING METHOD THEREOF.

FR 3 059 473 - A1 _ La présente invention concerne une pile à combustible (1 ) comportant un empilement de cellules (A) empilées les unes sur les autres, chaque cellule (A) comportant en superposition:FR 3 059 473 - A1 _ The present invention relates to a fuel cell (1) comprising a stack of cells (A) stacked on top of each other, each cell (A) comprising in superposition:

0 une première plaque bipolaire (2a), 0 une anode (3 a), 0 un électrolyte (4), 0 une cathode (3b), et0 une deuxième plaque bipolaire (2b), les premières (2a) et deuxièmes (2b) plaques bipolaires comportant des orifices (20) sur leur périphérie dans lesquels passent des conduits (10) de fluide caloporteur conducteurs thermiquement et isolés électriquement. 0 a first bipolar plate (2a), 0 an anode (3 a), 0 an electrolyte (4), 0 a cathode (3b), and 0 a second bipolar plate (2b), the first (2a) and second (2b ) bipolar plates having orifices (20) on their periphery in which pass conduits (10) of thermally conductive and electrically insulated coolant.

Pile à combustible à circuit de refroidissement intégré et procédé de fabrication associéFuel cell with integrated cooling circuit and method of manufacturing the same

L'invention concerne une pile à combustible en particulier pour véhicule automobile. Plus particulièrement, elle concerne une pile à combustible comportant un circuit de refroidissement intégré ainsi que son procédé de fabrication.The invention relates to a fuel cell in particular for a motor vehicle. More particularly, it relates to a fuel cell comprising an integrated cooling circuit as well as its manufacturing process.

Comme le montre la figure 1, une pile à combustible 1 comporte un empilement de cellules A dans lesquels se produit une réaction électrochimique entre du dihydrogène et du dioxygène gazeux. L’empilement de cellules A est généralement compressé et maintenu entre deux plaques de serrage 7 au moyen de tirants 70.As shown in FIG. 1, a fuel cell 1 comprises a stack of cells A in which an electrochemical reaction takes place between dihydrogen and gaseous oxygen. The stack of cells A is generally compressed and held between two clamping plates 7 by means of tie rods 70.

Comme le montre la figure 2, chaque cellule A comporte une anode 3 a et une cathode 3b entre lesquelles est placé un électrolyte 4, par exemple une membrane à échange de proton. Au niveau de l’anode 3a et de la cathode 3b est également disposé un catalyseur afin d’accélérer la réaction chimique. Au niveau de l’anode 3a est disposée une première plaque bipolaire 2a comportant des canaux de circulation 22a qui permettent la circulation du dihydrogène. Au niveau de la cathode 3b est disposée une deuxième plaque bipolaire 2b comportant des canaux de circulation 22b qui permettent la circulation du dioxygène et l’évacuation de l’eau résultant de la réaction électrochimique.As shown in Figure 2, each cell A has an anode 3a and a cathode 3b between which is placed an electrolyte 4, for example a proton exchange membrane. At the anode 3a and at the cathode 3b is also arranged a catalyst in order to accelerate the chemical reaction. At the anode 3a is disposed a first bipolar plate 2a having circulation channels 22a which allow the circulation of dihydrogen. At the cathode 3b is disposed a second bipolar plate 2b comprising circulation channels 22b which allow the circulation of the oxygen and the evacuation of the water resulting from the electrochemical reaction.

La réaction électrochimique au sein des cellules A est exothermique et il est donc nécessaire de refroidir ces cellules A. Pour cela, un fluide caloporteur passe entre les cellules A par exemple au moyen de plaques de refroidissement 5 comportant des conduites 50 de circulation d’un fluide caloporteur disposées entre les plaques bipolaires 2a, 2b de deux cellules A contiguës.The electrochemical reaction within cells A is exothermic and it is therefore necessary to cool these cells A. For this, a heat transfer fluid passes between cells A for example by means of cooling plates 5 comprising pipes 50 for circulation of a heat transfer fluid arranged between the bipolar plates 2a, 2b of two contiguous cells A.

Cependant, ce type de refroidissement n’est pas totalement satisfaisant car il nécessite l’utilisation d’un fluide caloporteur non conducteur, d’une extrême pureté et exempt d’ions afin de diminuer les risques de court-circuit. Ainsi, il est nécessaire de constamment filtrer le fluide caloporteur afin d’éliminer les éventuels enrichissements en ions du fluide caloporteur par exemple lors de son passage dans un échangeur de chaleur ou une pompe. Cela engendre une complexité et un coût important pour fabriquer la pile à combustible 1.However, this type of cooling is not entirely satisfactory because it requires the use of a non-conductive heat transfer fluid, of extreme purity and free of ions in order to reduce the risks of short circuit. Thus, it is necessary to constantly filter the heat transfer fluid in order to eliminate any ion enrichment of the heat transfer fluid, for example during its passage through a heat exchanger or a pump. This generates complexity and a significant cost for manufacturing the fuel cell 1.

Un des buts de la présente invention est donc de remédier au moins partiellement aux inconvénients de l'art antérieur et de proposer une pile à combustible améliorée ainsi que son procédé de fabrication.One of the aims of the present invention is therefore to at least partially remedy the drawbacks of the prior art and to propose an improved fuel cell as well as its manufacturing process.

La présente invention concerne donc une pile à combustible comportant un empilement de cellules empilées les unes sur les autres, chaque cellule comportant en superposition :The present invention therefore relates to a fuel cell comprising a stack of cells stacked on top of each other, each cell comprising in superposition:

° une première plaque bipolaire, ° une anode, ° un électrolyte, ° une cathode, et ° une deuxième plaque bipolaire, les premières et deuxièmes plaques bipolaires comportant des orifices sur leur périphérie dans lesquels passent des conduits de fluide caloporteur conducteurs thermiquement et isolés électriquement.° a first bipolar plate, ° an anode, ° an electrolyte, ° a cathode, and ° a second bipolar plate, the first and second bipolar plates having orifices on their periphery through which pass heat-conducting and electrically insulated heat transfer fluid conduits .

La présence de ces conduits de fluide caloporteur sur la périphérie des plaques bipolaires permet aux plaques bipolaires de directement transférer la chaleur issue de la réaction électrochimique au fluide caloporteur afin de refroidir les cellules ou inversement d’apporter de la chaleur aux cellules si l’on a besoin de les réchauffer. Il est donc ainsi possible de refroidir ou réchauffer les cellules sans passer par un circuit de gestion thermique complexe passant entre les cellules et nécessitant un fluide caloporteur non conducteur et très pur. Il est possible ainsi d’utiliser un fluide caloporteur classique ce qui réduit les coûts de production et d’utilisation de la pile à combustible.The presence of these heat transfer fluid conduits on the periphery of the bipolar plates allows the bipolar plates to directly transfer the heat resulting from the electrochemical reaction to the heat transfer fluid in order to cool the cells or conversely to bring heat to the cells if one needs to warm them up. It is thus possible to cool or heat the cells without going through a complex thermal management circuit passing between the cells and requiring a non-conductive and very pure heat transfer fluid. It is thus possible to use a conventional heat transfer fluid which reduces the production and use costs of the fuel cell.

Selon un aspect de l’invention, les conduits de fluide caloporteur sont des tubes en aluminium ou alliage d’aluminium, lesdits conduits de fluide caloporteur étant anodisés sur leur surface extérieure.According to one aspect of the invention, the heat transfer fluid conduits are tubes of aluminum or aluminum alloy, said heat transfer fluid conduits being anodized on their outer surface.

Selon un autre aspect de l’invention, les premières et deuxièmes plaques bipolaires sont réalisées en aluminium ou alliage d’aluminium.According to another aspect of the invention, the first and second bipolar plates are made of aluminum or aluminum alloy.

Selon un autre aspect de l’invention, les conduits de fluide caloporteur sont maintenus dans les orifices par une fixation mécanique liée à une expansion desdits conduits de fluide caloporteur.According to another aspect of the invention, the heat transfer fluid conduits are held in the orifices by a mechanical fastening linked to an expansion of said heat transfer fluid conduits.

Selon un autre aspect de l’invention, dans l’empilement de cellules, la deuxième plaque bipolaire d’une première cellule est confondue avec la première plaque bipolaire d’une deuxième cellule contiguë.According to another aspect of the invention, in the stack of cells, the second bipolar plate of a first cell is merged with the first bipolar plate of a second contiguous cell.

Selon un autre aspect de l’invention, la pile à combustible comporte entre chaque cellule une plaque conductrice thermiquement, ladite plaque conductrice thermiquement comportant des orifices sur sa périphérie dans lesquels passent également les conduits de fluide caloporteur.According to another aspect of the invention, the fuel cell comprises between each cell a thermally conductive plate, said thermally conductive plate having orifices on its periphery through which also pass the heat transfer fluid conduits.

Selon un autre aspect de l’invention, les plaques conductrices thermiquement sont réalisées en aluminium ou alliage d’aluminium.According to another aspect of the invention, the thermally conductive plates are made of aluminum or aluminum alloy.

Selon un autre aspect de l’invention, pile à combustible comporte de part et d’autre de l’empilement de cellules un collecteur de fluide caloporteur dans lequel débouchent les conduits de fluide caloporteur.According to another aspect of the invention, a fuel cell comprises, on either side of the stack of cells, a coolant collector into which the coolant conduits open.

Selon un autre aspect de l’invention, les collecteurs comportent une plaque collectrice, ladite plaque collectrice comportant des orifices dans lesquels passent les conduits de fluide caloporteur, les extrémités des conduits de fluide caloporteur étant évasées à l’aplomb desdits orifices.According to another aspect of the invention, the collectors comprise a collecting plate, said collecting plate comprising orifices through which the heat transfer fluid conduits pass, the ends of the heat transfer fluid conduits being flared at the base of said orifices.

Selon un autre aspect de l’invention, les ouvertures des plaques collectrices comportent des joints d’étanchéité compressibles.According to another aspect of the invention, the openings of the collector plates include compressible seals.

Selon un autre aspect de l’invention, la pile à combustible comporte de part et d’autre de l’empilement de cellules un collecteur de courant comportant des orifices dans lesquels passent les conduits de fluide caloporteur.According to another aspect of the invention, the fuel cell comprises, on either side of the stack of cells, a current collector comprising orifices through which the heat transfer fluid conduits pass.

La présente invention concerne également un procédé de fabrication d’une pile à combustible telle que décrite précédemment, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :The present invention also relates to a method of manufacturing a fuel cell as described above, said method comprising the following steps:

° empilement des cellules de sorte que les conduits de fluide caloporteur soient insérés dans les orifices, ° compression de l’empilement de cellule, ° expansion des conduits de fluide caloporteur.° stacking of the cells so that the heat transfer fluid conduits are inserted into the orifices, ° compression of the cell stack, ° expansion of the heat transfer fluid conduits.

Selon un aspect du procédé selon l’invention, le procédé de fabrication comporte une étape supplémentaire de mise en place d’un collecteur de part et d’autre de l’empilement de cellules.According to one aspect of the method according to the invention, the manufacturing method comprises an additional step of setting up a collector on either side of the stack of cells.

Selon un autre aspect du procédé selon l’invention, l’étape supplémentaire de mise en place d’un collecteur comporte :According to another aspect of the method according to the invention, the additional step of setting up a collector comprises:

° une première sous-étape de mise en place de plaques collectrices, ° une deuxième étape d’évasement des extrémités des conduits de fluide caloporteur, ° une troisième étape de mise en place de couvercles.° a first sub-step of fitting collector plates, ° a second step of flaring the ends of the heat-transfer fluid conduits, ° a third step of fitting covers.

Selon un autre aspect du procédé selon l’invention,la première sous-étape de mise en place de plaques collectrices est réalisée avant l’étape d’expansion des conduits de fluide caloporteur.According to another aspect of the method according to the invention, the first sub-step of installing collector plates is carried out before the step of expanding the heat transfer fluid conduits.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels :Other characteristics and advantages of the invention will appear more clearly on reading the following description, given by way of illustrative and nonlimiting example, and of the appended drawings among which:

• la figure 1 montre une représentation schématique d’une pile à combustible de l’art antérieur, • la figure 2 montre une représentation schématique d’un empilement de cellules de l’art antérieur, • la figure 3 montre une représentation schématique en coupe transversale d’un empilement de cellules selon un premier mode de réalisation de l’invention, • la figure 4 montre une représentation schématique d’une face interne d’une plaque bipolaire, • la figure 5 montre une représentation schématique en coupe transversale d’un empilement de cellules selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, • la figure 6 montre une représentation schématique en coupe transversale d’un empilement de cellules selon un troisième mode de réalisation de l’invention, • la figure 7 montre une représentation schématique en coupe longitudinale d’une pile à combustible selon l’invention.• Figure 1 shows a schematic representation of a fuel cell of the prior art, • Figure 2 shows a schematic representation of a stack of cells of the prior art, • Figure 3 shows a schematic representation in section transverse of a stack of cells according to a first embodiment of the invention, • Figure 4 shows a schematic representation of an internal face of a bipolar plate, • Figure 5 shows a schematic representation in cross section of a stack of cells according to a second embodiment of the invention, • Figure 6 shows a schematic representation in cross section of a stack of cells according to a third embodiment of the invention, • Figure 7 shows a representation schematic in longitudinal section of a fuel cell according to the invention.

Les éléments identiques sur les différentes figures, portent les mêmes références.Identical elements in the different figures have the same references.

Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées pour fournir d'autres réalisations.The following embodiments are examples. Although the description refers to one or more embodiments, this does not necessarily mean that each reference relates to the same embodiment, or that the characteristics apply only to a single embodiment. Simple features of different embodiments can also be combined to provide other embodiments.

Dans la présente description, on peut indexer certains éléments ou paramètres, comme par exemple premier élément ou deuxième élément ainsi que premier paramètre et second paramètre ou encore premier critère et deuxième critère etc. Dans ce cas, il s’agit d’un simple indexage pour différencier et dénommer des éléments ou paramètres ou critères proches mais non identiques. Cette indexation n’implique pas une priorité d’un élément, paramètre ou critère par rapport à un autre et on peut aisément interchanger de telles dénominations sans sortir du cadre de la présente description. Cette indexation n’implique pas non plus un ordre dans le temps par exemple pour apprécier tels ou tels critères.In the present description, it is possible to index certain elements or parameters, such as for example first element or second element as well as first parameter and second parameter or even first criterion and second criterion etc. In this case, it is a simple indexing to differentiate and name elements or parameters or criteria that are similar but not identical. This indexing does not imply a priority of an element, parameter or criterion over another and one can easily interchange such names without departing from the scope of this description. This indexing does not imply an order in time for example to assess such or such criteria.

Comme le montre la figure 3, la pile à combustible 1 selon l’invention comporte un empilement de cellules A empilées les unes sur les autres. Chaque cellule A comporte en superposition :As shown in Figure 3, the fuel cell 1 according to the invention comprises a stack of cells A stacked on top of each other. Each cell A has in superposition:

• une première plaque bipolaire 2a, • une anode 3 a, • un électrolyte 4, par exemple une membrane à échange de proton, • une cathode 3b, et • une deuxième plaque bipolaire 2b.• a first bipolar plate 2a, • an anode 3a, • an electrolyte 4, for example a proton exchange membrane, • a cathode 3b, and • a second bipolar plate 2b.

Dans la présente description, on parle de première plaque bipolaire 2a comme étant la plaque bipolaire en relation avec l’anode 3a et permettant l’apport de dihydrogène au niveau de ladite anode 3 a au moyen de canaux de circulationIn the present description, the first bipolar plate 2a is spoken of as being the bipolar plate in relation to the anode 3a and allowing the supply of dihydrogen at the level of said anode 3a by means of circulation channels.

22a. De même, on parle de deuxième plaque bipolaire 2b comme étant la plaque bipolaire en relation avec la cathode 3b et permettant l’apport de dioxygène au niveau de ladite cathode 3b au moyen de canaux de circulation 22b. Structurellement, la première 2a et la deuxième 2b plaques bipolaires sont de préférence identiques et disposées en miroir symétriquement par rapport au plan formé par l’anode 3a, l’électrolyte 4 et la cathode 3b.22a. Similarly, we speak of a second bipolar plate 2b as being the bipolar plate in relation to the cathode 3b and allowing the supply of oxygen at the level of said cathode 3b by means of circulation channels 22b. Structurally, the first 2a and the second 2b bipolar plates are preferably identical and arranged in a mirror symmetrically with respect to the plane formed by the anode 3a, the electrolyte 4 and the cathode 3b.

Afin d’assurer l’étanchéité des cellules A, des joints compressibles 24 sont de préférence disposés entre les première 2a et deuxième 2b plaques bipolaires et les électrodes 3a, 3b auxquelles elles font face.In order to ensure the tightness of the cells A, compressible seals 24 are preferably arranged between the first 2a and second 2b bipolar plates and the electrodes 3a, 3b to which they face.

Les premières 2a et deuxièmes 2b plaques bipolaires comportent des orifices 20 sur leur périphérie dans lesquels passent des conduits 10 de fluide caloporteur conducteurs thermiquement et isolés électriquement. Le fait que ces conduits 10 de fluide caloporteur soient isolés électriquement permet d’éviter les courts circuits entre les cellules A.The first 2a and second 2b bipolar plates have orifices 20 on their periphery through which pass conduits 10 of thermally conductive and electrically insulated coolant. The fact that these heat transfer fluid conduits 10 are electrically insulated makes it possible to avoid short circuits between the cells A.

Les orifices 20 des plaques bipolaires 2a, 2b sont de préférence alignés de sorte qu’un conduit 10 de fluide caloporteur rectiligne puisse traverser un orifice 20 de l’ensemble des plaques bipolaires 2a, 2b.The orifices 20 of the bipolar plates 2a, 2b are preferably aligned so that a conduit 10 of rectilinear heat transfer fluid can pass through an orifice 20 of the assembly of the bipolar plates 2a, 2b.

Ces conduits 10 de fluide caloporteur sont de préférence des tubes réalisés en aluminium ou en alliage d’aluminium afin d’avoir une bonne conduction thermique. Dans le but d’isoler électriquement ces conduits 10 tout en conservant une bonne conduction thermique, les conduits 10 de fluide caloporteur en aluminium ou en alliage d’aluminium peuvent être anodisés sur leur surface extérieure notamment en contact avec les plaques bipolaires 2a, 2b. Cependant d’autres types d’isolation électrique peuvent être utilisés comme par exemple un film plastique d’isolation électrique.These heat transfer fluid conduits 10 are preferably tubes made of aluminum or aluminum alloy in order to have good thermal conduction. In order to electrically isolate these conduits 10 while retaining good thermal conduction, the conduits 10 of heat transfer fluid made of aluminum or aluminum alloy can be anodized on their outer surface in particular in contact with the bipolar plates 2a, 2b. However, other types of electrical insulation can be used, such as a plastic film for electrical insulation.

Les plaque bipolaires 2a, 2b sont également de préférence réalisées en aluminium ou alliage d’aluminium afin d’avoir une bonne conductivité thermique.The bipolar plates 2a, 2b are also preferably made of aluminum or aluminum alloy in order to have good thermal conductivity.

La présence de ces conduits 10 de fluide caloporteur sur la périphérie des plaques bipolaires 2a, 2b permet aux plaques bipolaires 2a, 2b de directement transférer la chaleur issue de la réaction électrochimique au fluide caloporteur afin de refroidir les cellules A ou inversement d’apporter de la chaleur aux cellules A si l’on a besoin de les réchauffer. Il est donc ainsi possible de refroidir ou réchauffer les cellules A sans passer par un circuit de gestion thermique complexe passant entre les cellules A et nécessitant un fluide caloporteur non conducteur et très pur. H est possible ainsi d’utiliser un fluide caloporteur classique ce qui réduit les coûts de production et d’utilisation de la pile à combustible 1.The presence of these heat transfer fluid conduits 10 on the periphery of the bipolar plates 2a, 2b allows the bipolar plates 2a, 2b to directly transfer the heat resulting from the electrochemical reaction to the heat transfer fluid in order to cool the cells A or conversely to provide heat to cells A if you need to heat them. It is thus possible to cool or heat the cells A without going through a complex thermal management circuit passing between the cells A and requiring a non-conductive and very pure heat transfer fluid. It is thus possible to use a conventional heat transfer fluid which reduces the production and use costs of the fuel cell 1.

De plus, les conduits 10 de fluide caloporteur sont maintenus dans les orifices 20 de préférence par une fixation mécanique liée à une expansion des conduits 10 de fluide caloporteur au sein des orifices 20. Cela permet de maintenir l’empilement de cellules A car les conduits 10 de fluide caloporteur passent par toutes les cellules A. Il n’est donc pas nécessaire d’utiliser des plaques de serrage 7 et des tirants 70 pour maintenir l’empilement de cellules A.In addition, the heat transfer fluid conduits 10 are held in the orifices 20 preferably by a mechanical fixing linked to an expansion of the heat transfer fluid conduits 10 within the orifices 20. This makes it possible to maintain the stack of cells A because the conduits 10 of heat transfer fluid pass through all the cells A. It is therefore not necessary to use clamping plates 7 and tie rods 70 to maintain the stack of cells A.

Selon un premier mode de réalisation illustré à la figure 3, chaque cellule A comporte une première plaque bipolaire 2a et une deuxième plaque bipolaire 2b propres et distinctes d’une cellule A à une autre. La deuxième plaque bipolaire 2b d’une cellule A est alors en contact avec la première plaque bipolaire 2a d’une cellule A contiguë.According to a first embodiment illustrated in FIG. 3, each cell A comprises a first bipolar plate 2a and a second bipolar plate 2b which are clean and distinct from one cell A to another. The second bipolar plate 2b of a cell A is then in contact with the first bipolar plate 2a of a contiguous cell.

La figure 4 montre une face interne 200 d’une plaque bipolaire 2a, 2b (également représentée sur la figure 3), c’est à dire la face en contact avec une électrode 3 a, 3b et qui comporte des canaux de circulation 22a, 22b. La plaque bipolaire 2a, 2b, comporte une conduite d’alimentation 26a et une conduite de refoulement 26b d’un premier gaz, du dihydrogène s’il s’agit d’une première plaque bipolaire 2a et du dioxygène s’il s’agit d’une deuxième plaque bipolaire 2b. Entre la conduite d’alimentation 26a et la conduite de refoulement 26b du premier gaz est disposé un circuit de canaux de circulation 22a, 22b sur la face interne 200 de la plaque bipolaire 2a, 2b afin de distribuer le premier gaz contre une des électrodes 3a, 3b. Les conduites d’alimentation 26a et conduites de refoulement 26b du premier gaz et le circuit de canaux de circulation 22a, 22b sont entourés de préférence par un joint 24 permettant l’étanchéité avec son électrode 3a, 3b associée.FIG. 4 shows an internal face 200 of a bipolar plate 2a, 2b (also shown in FIG. 3), that is to say the face in contact with an electrode 3a, 3b and which comprises circulation channels 22a, 22b. The bipolar plate 2a, 2b, comprises a supply line 26a and a discharge line 26b of a first gas, dihydrogen if it is a first bipolar plate 2a and dioxygen if it is a second bipolar plate 2b. Between the supply pipe 26a and the delivery pipe 26b of the first gas is disposed a circuit of circulation channels 22a, 22b on the internal face 200 of the bipolar plate 2a, 2b in order to distribute the first gas against one of the electrodes 3a , 3b. The supply pipes 26a and delivery pipes 26b of the first gas and the circulation channel circuit 22a, 22b are preferably surrounded by a seal 24 allowing sealing with its associated electrode 3a, 3b.

Les conduites d’alimentation 26a et les conduites de refoulement 26b sont traversantes et servent à l’alimentation en premier gaz des autres plaques bipolaires 2a, 2b de l’empilement de cellule A et à son refoulement.The supply lines 26a and the discharge lines 26b are through and are used to supply the first gas to the other bipolar plates 2a, 2b of the cell stack A and to discharge it.

La plaque bipolaire 2a, 2b comporte également une conduite d’alimentation 27a et une conduite de refoulement 27b d’un deuxième gaz, du dihydrogène s’il s’agit d’une deuxième plaque bipolaire 2b et du dioxygène s’il s’agit d’une première plaque bipolaire 2a. Un joint 24 permet également l’étanchéité autour de cette conduite d’alimentation 27a et de cette conduite de refoulement 27b. Les conduites d’alimentation 27a et les conduites de refoulement 27b sont traversantes et servent à l’alimentation en deuxième gaz des autres plaques bipolaires 2a, 2b de l’empilement de cellule A et à son refoulement.The bipolar plate 2a, 2b also comprises a supply line 27a and a discharge line 27b of a second gas, dihydrogen if it is a second bipolar plate 2b and dioxygen if it is of a first bipolar plate 2a. A seal 24 also allows sealing around this supply line 27a and this discharge line 27b. The supply lines 27a and the discharge lines 27b are through and serve to supply the second gas from the other bipolar plates 2a, 2b of the cell stack A and to its discharge.

Les orifices 20 dans lesquels passent les conduits 10 de fluide caloporteur sont de préférence disposés sur toute la périphérie de la plaque bipolaire 2a, 2b pour une circulation homogène de la chaleur. Cependant, il n’est pas exclu de l’invention, que la distribution des orifices 20 et des conduits 10 de fluide caloporteur soit différente selon les contraintes de place au sein d’un véhicule automobile. Ainsi, les orifices 20 et les conduits 10 de fluide caloporteur peuvent n’être disposés que sur un ou plusieurs côtés des plaque bipolaires 2a, 2b et donc de la pile à combustible 1.The orifices 20 through which the heat transfer fluid conduits 10 pass are preferably arranged over the entire periphery of the bipolar plate 2a, 2b for a uniform circulation of heat. However, it is not excluded from the invention, that the distribution of the orifices 20 and the conduits 10 of heat transfer fluid is different depending on the space constraints within a motor vehicle. Thus, the orifices 20 and the conduits 10 of heat transfer fluid can be arranged only on one or more sides of the bipolar plates 2a, 2b and therefore of the fuel cell 1.

Selon un deuxième mode de réalisation illustré à la figure 5, dans l’empilement de cellules A, la deuxième plaque bipolaire 2b d’une première cellule A’ est confondue avec la première plaque bipolaire 2a d’une deuxième cellule A” contiguë. Ainsi, entre deux cellules A, il n’y a pas deux plaques bipolaires 2a, 2b accolées l’une à l’autre mais une plaque bipolaire double 2c qui comporte des canaux de circulation 22a sur chacune de ses deux faces. Une première face de cette plaque bipolaire double 2c est alors au contact de l’anodeAccording to a second embodiment illustrated in FIG. 5, in the stack of cells A, the second bipolar plate 2b of a first cell A 'is merged with the first bipolar plate 2a of a second contiguous cell A'. Thus, between two cells A, there are not two bipolar plates 2a, 2b joined to each other but a double bipolar plate 2c which has circulation channels 22a on each of its two faces. A first face of this double bipolar plate 2c is then in contact with the anode

3a d’une première cellule A’ et sa deuxième face est au contact de la cathode 3b d’une deuxième cellule A” contiguë de la premier cellule A’.3a of a first cell A ’and its second face is in contact with the cathode 3b of a second cell A’ adjacent to the first cell A ’.

Sur la figure 5, seules deux cellules A’ et A” sont représentées mais il est bien entendu évident qu’une plaque bipolaire double 2c peut être utilisée pour des empilements d’un plus grand nombre de cellules A.In FIG. 5, only two cells A ’and A” are shown, but it is obviously obvious that a double bipolar plate 2c can be used for stacks of a greater number of cells A.

Selon un troisième mode de réalisation illustré à la figure 6, la pile à combustible 1 peut comporter entre chaque cellule A une plaque conductrice thermiquement 8. Cette plaque conductrice thermiquement 8 comporte des orifices 80 sur sa périphérie dans lesquels passent également les conduits 10 de fluide caloporteur. Cette plaque conductrice thermiquement 8 est de préférence réalisée dans un matériau ayant une très bonne conductivité thermique comme par exemple l’aluminium ou l’alliage d’aluminium. Cette plaque conductrice thermiquement 8 permet une meilleure gestion thermique des cellules A notamment lorsque les plaques bipolaires 2a, 2b, sont réalisées dans un matériau ayant une conductivité thermique réduite.According to a third embodiment illustrated in FIG. 6, the fuel cell 1 can comprise between each cell A a thermally conductive plate 8. This thermally conductive plate 8 has orifices 80 on its periphery in which also pass the fluid conduits 10 coolant. This thermally conductive plate 8 is preferably made of a material having a very good thermal conductivity such as for example aluminum or aluminum alloy. This thermally conductive plate 8 allows better thermal management of the cells A, in particular when the bipolar plates 2a, 2b, are made of a material having a reduced thermal conductivity.

La figure 7 montre une pile à combustible 1 dans son ensemble. De part et d’autre de l’empilement de cellule A, la pile à combustible 1 comporte un collecteur de courant 11. Ces collecteurs de courant 11 peuvent également comporter des orifices 110 traversés par les conduits 10 de fluide caloporteur.Figure 7 shows a fuel cell 1 as a whole. On either side of the cell stack A, the fuel cell 1 comprises a current collector 11. These current collectors 11 may also have orifices 110 through which the conduits 10 for heat transfer fluid pass.

La pile à combustible comporte également de part et d’autre de l’empilement de cellules A un collecteur 9 de fluide caloporteur dans lequel débouchent les conduits 10 de fluide caloporteur. Ces collecteurs 9 de fluide caloporteur permettent la distribution du fluide caloporteur aux conduits 10 et la collecte et l’évacuation du fluide caloporteur en provenance des conduits 10.The fuel cell also includes, on either side of the stack of cells A, a collector 9 of heat transfer fluid into which the conduits 10 of heat transfer fluid open. These heat transfer fluid collectors 9 allow the distribution of the heat transfer fluid to the conduits 10 and the collection and evacuation of the heat transfer fluid from the conduits 10.

Ces collecteurs 9 comportent notamment une plaque collectrice 91 et un couvercle 92 fixé de façon étanche à la plaque collectrice 91 et définissant une chambre 90. La plaque collectrice 91 comporte des orifices 910 dans lesquels passent les conduits 10 de fluide caloporteur. Afin de fixer les collecteur 9 à l’empilement de cellule A, les extrémités des conduits 10 de fluide caloporteur peuvent être évasées à l’aplomb des orifices 910 dans la chambre 90.These collectors 9 include in particular a collector plate 91 and a cover 92 fixed in leaktight manner to the collector plate 91 and defining a chamber 90. The collector plate 91 comprises orifices 910 through which the conduits 10 of heat transfer fluid pass. In order to fix the manifold 9 to the cell stack A, the ends of the heat transfer fluid conduits 10 can be flared directly above the orifices 910 in the chamber 90.

Afin d’assurer l’étanchéité entre les conduits 10 de fluide réfrigérant et la plaque collectrice 91, les ouvertures 910 peuvent comporter des joints d’étanchéité 93 compressibles.In order to ensure the seal between the coolant conduits 10 and the collector plate 91, the openings 910 may include compressible seals 93.

La présente invention concerne également un procédé de fabrication d’une pile à combustible 1 telle que décrite précédemment. Le procédé de fabrication comporte notamment les étapes suivantes :The present invention also relates to a method for manufacturing a fuel cell 1 as described above. The manufacturing process notably includes the following steps:

• empilement des cellules A de sorte que les conduits 10 de fluide caloporteur soient insérés dans les orifices 20, • compression de l’empilement de cellule A de sorte à comprimer les joints 24 entre les plaques bipolaires 2a, 2b et les électrodes 3a, 3b.• stack of cells A so that the heat transfer fluid conduits 10 are inserted into the orifices 20, • compression of the stack of cell A so as to compress the seals 24 between the bipolar plates 2a, 2b and the electrodes 3a, 3b .

• expansion des conduits 10 de fluide caloporteur.• expansion of the heat transfer fluid conduits 10.

Cette étape d’expansion des conduits 10 de fluide caloporteur peut être réalisée par le passage d’une olive dans les conduits 10. Cette étape d’expansion permet la fixation des conduits 10 aux plaques bipolaires 2a, 2, et permet également une bonne conductivité thermique entre ces plaques bipolaires 2a, 2b et les conduits 10. De plus cette expansion permet de maintenir les cellules A ensembles en compression et ainsi de conserver l’étanchéité.This expansion step of the heat transfer fluid conduits 10 can be carried out by passing an olive through the conduits 10. This expansion step allows the conduits 10 to be fixed to the bipolar plates 2a, 2, and also allows good conductivity. thermal between these bipolar plates 2a, 2b and the conduits 10. In addition, this expansion makes it possible to keep the cells A together in compression and thus to maintain the seal.

Le procédé de fabrication peut également comporter une étape supplémentaire de mise en place d’un collecteur 9 de part et d’autre de l’empilement de cellules A. Cette étape de mise en place des collecteur peut se diviser en deux sous étapes :The manufacturing process can also include an additional step of setting up a collector 9 on either side of the stack of cells A. This step of setting up the collector can be divided into two sub-steps:

• Une première sous-étape de mise en place des plaques collectrices 91.• A first sub-step of installing the collecting plates 91.

Cette sous étape peut notamment être réalisée avant l’étape d’expansion des conduits 10 de fluide caloporteur. L’expansion des conduits 10 permettant la compression des joints 93 compressibles pour assurer l’étanchéité.This sub-step can in particular be carried out before the step of expanding the conduits 10 of heat transfer fluid. The expansion of the conduits 10 allowing the compression of the compressible seals 93 to ensure sealing.

• Une deuxième étape d’évasement des extrémités des conduits 10 de fluide caloporteur afin de fixer les plaque collectrices 91.• A second step of flaring the ends of the conduits 10 of heat transfer fluid in order to fix the collecting plates 91.

• Une troisième étape de mise en place des couvercles 92.• A third step of fitting covers 92.

Ainsi, on voit bien que la pile à combustible selon rinvention, du fait que ce sont les plaques bipolaires 2a, 2b qui servent directement de pont thermique entre la réaction électrochimique et des conduits 10 de fluide caloporteur, permet rutilisation d’un fluide caloporteur standard qui ne nécessite pas d’être non conducteur électrique et n’ayant pas besoin d’être filtré constamment. De plus les conduits 10 permettent le maintien des cellules A entre elles ce qui permet de se passer de plaques de serrage 7 et de tirant 70. Le procédé de fabrication est également simple et ne nécessite pas rinstallation d’un circuit de gestion thermique compliqué entre les cellules A.Thus, it can be seen that the fuel cell according to the invention, owing to the fact that it is the bipolar plates 2a, 2b which serve directly as a thermal bridge between the electrochemical reaction and conduits 10 of heat transfer fluid, allows the reuse of a standard heat transfer fluid which does not need to be non-electrically conductive and does not need to be constantly filtered. In addition, the conduits 10 allow the cells A to be held together, which makes it possible to dispense with clamping plates 7 and tie rods 70. The manufacturing process is also simple and does not require the installation of a complicated thermal management circuit between A cells.

Claims (15)

RevendicationsClaims 1. Pile à combustible (1) comportant un empilement de cellules (A) empilées les unes sur les autres, chaque cellule (A) comportant en superposition :1. Fuel cell (1) comprising a stack of cells (A) stacked on top of each other, each cell (A) comprising in superposition: ° une première plaque bipolaire (2a), ° une anode (3 a), ° un électrolyte (4), ° une cathode (3b), et ° une deuxième plaque bipolaire (2b), caractérisée en ce que les premières (2a) et deuxièmes (2b) plaques bipolaires comportent des orifices (20) sur leur périphérie dans lesquels passent des conduits (10) de fluide caloporteur conducteurs thermiquement et isolés électriquement.° a first bipolar plate (2a), ° an anode (3 a), ° an electrolyte (4), ° a cathode (3b), and ° a second bipolar plate (2b), characterized in that the first (2a) and second (2b) bipolar plates have orifices (20) on their periphery through which pass conduits (10) of heat transfer fluid thermally conductive and electrically insulated. 2. Pile à combustible (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les conduits (10) de fluide caloporteur sont des tubes en aluminium ou alliage d’aluminium, lesdits conduits (10) de fluide caloporteur étant anodisés sur leur surface extérieure.2. Fuel cell (1) according to the preceding claim, characterized in that the conduits (10) of heat transfer fluid are tubes of aluminum or aluminum alloy, said conduits (10) of heat transfer fluid being anodized on their outer surface . 3. Pile à combustible (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les premières (2a) et deuxièmes (2b) plaques bipolaires sont réalisées en aluminium ou alliage d’aluminium.3. Fuel cell (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the first (2a) and second (2b) bipolar plates are made of aluminum or aluminum alloy. 4. Pile à combustible (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les conduits (10) de fluide caloporteur sont maintenus dans les orifices (20) par une fixation mécanique liée à une expansion desdits conduits (10) de fluide caloporteur.4. Fuel cell (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the conduits (10) of heat transfer fluid are held in the orifices (20) by a mechanical fixing linked to an expansion of said conduits (10) coolant. 5. Pile à combustible (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que dans l’empilement de cellules (A), la deuxième plaque bipolaire (2b) d’une première cellule (A’) est confondue avec la première plaque bipolaire (2a) d’une deuxième cellule (A”) contiguë.5. Fuel cell (1) according to one of the preceding claims, characterized in that in the stack of cells (A), the second bipolar plate (2b) of a first cell (A ') is coincident with the first bipolar plate (2a) of a second contiguous cell (A ”). 6. Pile à combustible (1) selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu’elle comporte entre chaque cellule (A) une plaque conductrice thermiquement (8), ladite plaque conductrice thermiquement (8) comportant des orifices (80) sur sa périphérie dans lesquels passent également les conduits (10) de fluide caloporteur.6. Fuel cell (1) according to one of claims 1 to 4, characterized in that it comprises between each cell (A) a thermally conductive plate (8), said thermally conductive plate (8) having orifices ( 80) on its periphery through which also pass the conduits (10) of heat transfer fluid. 7. Pile à combustible (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les plaques conductrices thermiquement (8) sont réalisées en aluminium ou alliage d’aluminium.7. Fuel cell (1) according to the preceding claim, characterized in that the thermally conductive plates (8) are made of aluminum or aluminum alloy. 8. Pile à combustible (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comporte de part et d’autre de l’empilement de cellules (A) un collecteur (9) de fluide caloporteur dans lequel débouchent les conduits (10) de fluide caloporteur.8. Fuel cell (1) according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises on either side of the stack of cells (A) a collector (9) of heat transfer fluid into which the heat transfer fluid conduits (10). 9. Pile à combustible (1) selon la revendication précédente caractérisée en ce que les collecteurs (9) comportent une plaque collectrice (91), ladite plaque collectrice (91) comportant des orifices (910) dans lesquels passent les conduits (10) de fluide caloporteur, les extrémités des conduits (10) de fluide caloporteur étant évasées à l’aplomb desdits orifices (910).9. Fuel cell (1) according to the preceding claim characterized in that the collectors (9) comprise a collecting plate (91), said collecting plate (91) comprising orifices (910) through which the conduits (10) pass. heat transfer fluid, the ends of the conduits (10) of heat transfer fluid being flared at the base of said orifices (910). 10. Pile à combustible (1) selon la revendication précédente caractérisée en ce que les ouvertures (910) des plaques collectrices (91) comportent des joints d’étanchéité (93) compressibles.10. Fuel cell (1) according to the preceding claim characterized in that the openings (910) of the collector plates (91) have compressible seals (93). 11. Pile à combustible (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comporte de part et d’autre de l’empilement de cellules (A) un collecteur de courant (11) comportant des orifices (110) dans lesquels passent les conduits (10) de fluide caloporteur.11. Fuel cell (1) according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises on either side of the stack of cells (A) a current collector (11) comprising orifices (110 ) through which the heat transfer fluid conduits (10) pass. 12. Procédé de fabrication d’une pile à combustible (1) selon l’une des revendications précédentes, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :12. Method for manufacturing a fuel cell (1) according to one of the preceding claims, said method comprising the following steps: ° empilement des cellules (A) de sorte que les conduits (10) de fluide caloporteur soient insérés dans les orifices (20), ° compression de l’empilement de cellule (A), ° expansion des conduits (10) de fluide caloporteur.° stack of cells (A) so that the conduits (10) of heat transfer fluid are inserted into the orifices (20), ° compression of the stack of cell (A), ° expansion of the conduits (10) of heat transfer fluid. 13. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comporte une étape supplémentaire de mise en place d’un collecteur (9) de part et d’autre de l’empilement de cellules (A).13. The manufacturing method according to the preceding claim, characterized in that it comprises an additional step of setting up a collector (9) on either side of the stack of cells (A). 14. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, caractérisé en que l’étape supplémentaire de mise en place d’un collecteur (9) comporte :14. Manufacturing method according to the preceding claim, characterized in that the additional step of setting up a collector (9) comprises: ° une première sous-étape de mise en place de plaques collectrices (91), ° une deuxième étape d’évasement des extrémités des conduits (10) de fluide caloporteur, ° une troisième étape de mise en place de couvercles (92).° a first sub-step of fitting collector plates (91), ° a second step of flaring the ends of the conduits (10) of heat transfer fluid, ° a third step of fitting covers (92). 15. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, caractérisé en que la première sous-étape de mise en place de plaques collectrices (91) est réalisée avant l’étape d’expansion des conduits (10) de fluide caloporteur.15. The manufacturing method according to the preceding claim, characterized in that the first sub-step of installing collector plates (91) is carried out before the step of expanding the conduits (10) of heat transfer fluid. 1/41/4 70 A70 A AAT
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