FR3104325A1 - Plaque intercalaire pour pile à combustible - Google Patents
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Abstract
Plaque intercalaire pour pile à combustible L’invention concerne une pile à combustible (P) comprenant empilées dans l’ordre : une première plaque terminale, une pluralité de plaques intermédiaires et une deuxième plaque terminale, chaque plaque intermédiaire comprenant au moins une lumière superposable avec au moins une lumière homologue de chacune des autres plaques intermédiaires de manière à former au moins une canalisation (2-7) traversant transversalement les plaques intermédiaires, comprenant encore au moins une plaque intercalaire (IC) apte à être intercalée entre deux plaques et comprenant au moins une lumière superposable avec au moins une lumière homologue de chacune des plaques intermédiaires, au moins une de ladite au moins une lumière étant équipée d’un clapet (16-21) apte à sélectivement ouvrir ou fermer ladite lumière afin de sélectivement ouvrir ou fermer la canalisation (2-7) correspondante. Figure pour l'abrégé : Figure 3
Description
L’invention concerne le domaine des piles à combustibles et plus particulièrement un moyen de sélectivement réduire une telle pile à combustible afin de configurer la capacité électrique de ladite pile à combustible afin de l’adapter à son profil d’utilisation.
Une pile à combustible permet, de manière connue, de produire de l’énergie électrique, en réalisant une réaction chimique. Pour cela des réactifs sont apportés, par exemple sous forme gazeuse. La réaction chimique est telle que des ions + circulent en direction d’une cathode. Aussi, si un circuit électrique est établi entre anode et cathode, des électrons e- circulent de l’anode vers la cathode afin de rétablir l’équilibre électrique.
Selon la réaction chimique mise en œuvre, il est possible de distinguer des piles à combustibles de différents types: pie à membrane échangeuse de protons PEMFC, SOFC, pile à combustible alcaline AFC, direct méthanol DMFC, pile à acide formique FAFC, etc. L’invention est applicable à tous ces types de piles à combustible.
Il est connu pour réaliser une cellule de pile à combustible de superposer une anode, avantageusement métallique, un assemblage membrane électrode, siège de la réaction chimique, et une cathode, avantageusement métallique, avantageusement sous forme de couches minces.
Une telle cellule ne produisant individuellement qu’une faible énergie électrique, il est encore connu de superposer plusieurs dizaines ou centaines de telles cellules dans un empilage. Chaque anode, respectivement cathode, d’une cellule est alors en contact électrique avec la cathode, respectivement anode, de la cellule suivante, respectivement précédente. Les cellules sont électriquement connectées en série. Le circuit électrique relie alors la première anode/cathode avec la dernière cathode/anode de l’empilage.
Une anode, respectivement cathode, respectivement assemblage membrane électrode, est intégrée dans une plaque anode, respectivement une plaque cathode, respectivement une plaque membrane. Une plaque comprend son élément : anode ou cathode ou assemblage membrane électrode, complété par des éléments d’assemblage, ainsi que des canalisations permettant l’amenée des réactifs ou la sortie des produits de réaction.
Ainsi, tous les types de plaque : anode, cathode, bipolaire (décrite plus loin) ou membrane, présentent une forme similaire ou du moins superposable afin de pouvoir être empilées. Toutes les plaques sont percées d’au moins une lumière superposée et en regard de manière à former au moins une canalisation transportant un premier réactif de manière à apporter ce premier réactif aux anodes et le cas échéant extraire un produit de réaction produit aux anodes. Toutes les plaques sont percées d’au moins une lumière superposée et en regard de manière à former au moins une canalisation transportant un deuxième réactif de manière à apporter ce deuxième réactif aux cathodes et le cas échéant extraire un produit de réaction produit aux cathodes. Toutes les plaques sont encore percées d’au moins une lumière superposée et en regard de manière à former au moins une canalisation dans laquelle circule un fluide de refroidissement permettant d’évacuer la chaleur importante produite par la réaction chimique.
Il est encore connu de pré assembler dos à dos une plaque anode et une plaque cathode, pour obtenir une plaque bipolaire. Une pile à combustible peut ensuite être assemblée en empilant périodiquement une plaque bipolaire et une plaque membrane. Si toutes les plaques bipolaires sont disposées dans le même sens, on retrouve bien la succession périodique : anode, assemblage membrane électrode, cathode, anode, etc… Seules les deux extrémités de la pile diffèrent en ce qu’elles comportent une unique anode ou cathode extrémale ainsi que des terminaux, permettant de connecter la pile à combustible aux différents flux de gaz réactifs et de fluide de refroidissement.
Telle qu’illustrée à la figure 1, une pile à combustible peut être réalisée en empilant dans l’ordre : un premier terminal T1, une plaque anode extrémale EA, une pluralité de plaques membranes ME, une plaque bipolaire BI étant intercalée entre chaque deux plaques membranes ME successives, une plaque cathode extrémale EK et un deuxième terminal T2.
Une telle pile à combustible présente une capacité égale la capacité de chaque cellule multipliée par le nombre de cellules. Il est possible de faire varier cette capacité en variant le nombre de cellules. Cependant, une fois une pile à combustible assemblée, cette capacité est constante.
Une pile à combustible utilisée en sous capacité, soit selon une trop faible puissance, se dégrade plus qu’en utilisation optimale, par oxydation. Une pile à combustible utilisée en sur capacité, soit selon une trop forte puissance, se dégrade plus qu’en utilisation optimale, par accélération de la réaction cinétique, avec une circulation de trop d’électrons et de protons et par corrosion. Idéalement une pile à combustible doit fonctionner à 10% de sa capacité.
Aussi, en fonction de la demande en énergie il est avantageux de faire varier la capacité de la pile à combustible. Selon un mode de réalisation de l’art antérieur, il est employé plusieurs piles à combustible de capacités différentes assorties de moyens de commutation pour utiliser l’une ou l’autre ou encore une combinaison de plusieurs piles à combustible. Ceci entraîne un surcoût important du fait de la multiplication des piles à combustible auquel s’ajoute le surcoût des moyens de commutation. Ce mode de réalisation s’accompagne de plus d’une augmentation importante et préjudiciable de la masse.
L’invention propose une alternative intéressante en ajoutant au sein d’une pile à combustible une plaque intercalaire permettant de sélectivement raccourcir fonctionnellement une pile à combustible afin d’en faire varier la capacité.
Pour cela, l’invention a pour objet une pile à combustible comprenant empilées dans l’ordre: une première plaque terminale, une pluralité de plaques intermédiaires et une deuxième plaque terminale, chaque plaque intermédiaire comprenant au moins une lumière superposable avec au moins une lumière homologue de chacune des autres plaques intermédiaires de manière à former au moins une canalisation traversant transversalement les plaques intermédiaires, comprenant encore au moins une plaque intercalaire apte à être intercalée entre deux plaques et comprenant au moins une lumière superposable avec au moins une lumière homologue de chacune des plaques intermédiaires, au moins une de ladite au moins une lumière étant équipée d’un clapet apte à sélectivement ouvrir ou fermer ladite lumière afin de sélectivement ouvrir ou fermer la canalisation correspondante.
Des caractéristiques ou des modes de réalisation particuliers, utilisables seuls ou en combinaison, sont :
- les lumières comprennent des lumières d’alimentation en réactif et les canalisations comprennent des canalisations correspondantes et une plaque intercalaire comprend au moins un clapet pour au moins une des lumières d’alimentation en réactif,
- une plaque intercalaire comprend un clapet pour chacune desdites lumières d’alimentation en réactif,
- les lumières comprennent encore des lumières de retour de réactif et les canalisations comprennent des canalisations correspondantes et une plaque intercalaire comprend un clapet pour chacune desdites lumières de retour de réactif,
- les lumières comprennent encore des lumières de circulation de liquide de refroidissement et les canalisations comprennent des canalisations correspondantes et une plaque intercalaire comprend un clapet pour chacune desdites lumières de liquide de refroidissement,
- un clapet comprend un volet plat,
- un clapet est commandable électriquement.
Dans un deuxième aspect de l’invention, un véhicule comprend au moins une telle pile à combustible.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite uniquement à titre d’exemple, et en référence aux figures en annexe dans lesquelles :
En référence à la figure 1, une pile à combustible P selon l’art antérieur comprend, empilées dans l’ordrede bas en haut : une première plaque terminale T1, une pluralité de plaques intermédiaires EA, ME, BI, EK et une deuxième plaque terminale T2. Les deux plaques terminales T1, T2 terminent la pile à combustible, assurent son assemblage et permettent son interface mécanique et électrique avec l’environnement. Une des deux plaques terminales, ici la plaque terminale supérieure T2 comprend des ports d’interface IO avec les réseaux: réactifs et liquide de refroidissement.
Tel qu’illustré à la figure 2, l’empilage entre les deux plaques terminales T1, T2, comprend une pluralité de plaques intermédiaires EA, ME, BI, EK. Une pile à combustible P est composée d’une succession périodique de cellules CE. Une cellule CE comprend une plaque anode MA, une plaque membrane ME siège de la réaction chimique et une plaque cathode MK.
Avantageusement, selon un mode de réalisation, une plaque cathode MK d’une cellule et une plaque anode MA d’une cellule suivante sont assemblées dos à dos en une plaque bipolaire BI. Ainsi l’empilage de la figure 1 montre une succession alternée de plaques bipolaires BI et de plaques membrane ME. Dans ce mode de réalisation, il convient de compléter les cellules CE d’extrémité au moyen d’une plaque extrémale cathode EK (en haut) et d’une plaque extrémale anode EA (en bas).
Comme plus particulièrement visible à la figure 2, chaque plaque intermédiaire EA, ME, BI, EK, ME, MA, MK comprend au moins une lumière 10-15 superposable avec au moins une lumière homologue 10-15 de chacune des autres plaques. Dans le mode de réalisation illustré, chacune des plaques comprend six lumières 10-15, respectivement superposées avec les mêmes lumières 10-15 présentes dans chacune des plaques intermédiaires.
La superposition de chacune des lumières 10-15, réalisée de manière étanche, forme une canalisation 2-7 traversant transversalement toutes les plaques intermédiaires EA, ME, BI, EK, MA, MK de la pile à combustible P.
Ainsi dans l’exemple illustré, la canalisation 2, formée par la superposition des lumières 10, permet une alimentation de la pile à combustible P en un premier réactif. La canalisation 3, formée par la superposition des lumières 11, permet un retour du trop-plein de premier réactif. La canalisation 4, formée par la superposition des lumières 12, permet une alimentation de la pile à combustible P en un deuxième réactif. La canalisation 5, formée par la superposition des lumières 13, permet un retour du trop-plein de deuxième réactif. La canalisation 6, formée par la superposition des lumières 14, permet une alimentation de la pile à combustible P en liquide de refroidissement. La canalisation 7, formée par la superposition des lumières 15, permet un retour du trop-plein de liquide de refroidissement.
Une telle pile à combustible P, une fois assemblée présente un nombre de plaques fixe et donc une capacité fixe.
Aussi, selon l’invention, tel qu’illustré à la figure 3, il est ajouté une plaque intercalaire IC entre deux plaques successives, soit entre deux plaques intermédiaires EA, ME, BI, EK successives ou entre une plaque terminale T1 et sa plaque voisine extrémale anode EA ou entre une plaque terminale T2 et sa plaque voisine extrémale cathode EK.
Une plaque intercalaire IC est apte à être intercalée entre deux plaques T1, EA, ME, BI, EK, T2 successive. A l’instar des autres plaques intermédiaires, une plaque intercalaire IC comprend au moins une lumière 10-15 superposable avec au moins une lumière homologue 10-15 de chacune des plaques intermédiaires EA, ME, BI, EK. Avantageusement une plaque intercalaire IC comprend toutes lesdites lumières 10-15. Une plaque intercalaire IC est encore telle qu’au moins une desdites au moins une lumière 10-15 est équipée d’un clapet 16-21. Ledit clapet 16-21 est apte à sélectivement ouvrir ou fermer ladite lumière 10-15. Ceci permet de sélectivement ouvrir ou fermer la canalisation 2-7 correspondante.
On entend par clapet un dispositif mécanique qui permet de s'opposer au passage d'un fluide dans un conduit.
Ainsi, en référence à la figure 3, une plaque intercalaire IC sépare l’empilage des plaques intermédiaires en un premier empilage E1 supérieur et un deuxième empilage E2 inférieur. Lorsqu’un clapet 16-21 est ouvert (passant), la canalisation correspondante 2-7 est ouverte ou circulante.
Si tous les clapets 16-21 sont ouverts, la pile à combustible P se comporte comme en l’absence de la plaque intercalaire IC. Les réactifs et liquides de refroidissement circulent dans la totalité des canalisations 2-7, toutes les cellules CE sont fonctionnelles et la pile à combustible P présente une capacité maximale ou 100%, sensiblement égale à celle obtenue en l’absence de plaque intercalaire IC.
Si au moins certains des clapets 16-21 sont fermés, l’alimentation des canalisations 2-7 se faisant par le haut, la partie basse E2, en dessous de la plaque intercalaire IC, va être moins ou pas alimentée. Ainsi si au moins le clapet 16 d’alimentation en premier réactif ou le clapet 18 d’alimentation en deuxième réactif sont fermés, les cellules CE de la partie basse E2 ne sont pas alimentées en réactif et ne vont donc pas fonctionner.
Il s’ensuit que la pile à combustible P est équivalente à une pile à combustible réduite à l’empilage s’arrêtant à la plaque intercalaire IC, soit un empilage E1. Si cet empilage comprend X% des cellules de l’empilage total E1 + E2, La pile à combustible P présente une capacité de X%.
Une plaque intercalaire IC, équipée de ses clapets 16-21 sélectivement commandables, permet ainsi de configurer la pile à combustible P pour prendre deux configurations: une configuration où la pile à combustible P présente une capacité de 100% ou une configuration où la pile à combustible P présente une capacité de X%, avec X un ratio de nombre de cellules CE dans l’empilage supérieur E1 rapporté au nombre total (E1 + E2) de cellules CE dans toute la pile à combustible P. Le ratio X est donc configurable par construction de la pile à combustible P par le positionnement relatif de la plaque intercalaire IC.
Pour rendre non fonctionnelle une cellule située en deçà d’une plaque intercalaire IC, soit dans l’empilage E2, il suffit d’interrompre, au moyen de la fermeture d’un clapet 16-21, au moins une canalisation 2-7 d’alimentation de l’un des réactifs, soit le clapet 16 obturant la canalisation 2 d’alimentation en premier réactif ou le clapet 18 obturant la canalisation 4 d’alimentation en deuxième réactif. Une plaque intercalaire IC peut ainsi comprendre uniquement un clapet 16 ou uniquement un clapet 18.
Avantageusement, il est préférable d’interrompre les circulations de tous les réactifs en obturant toutes les canalisations d’alimentation de tous les réactifs, soit en fermant tous les clapets 16, 18 d’alimentation.
Alternativement à une fermeture d’une canalisation d’alimentation en réactif, il est possible de fermer une canalisation de retour de réactif.
Théoriquement, si l’on interrompt une canalisation d’alimentation en réactif, il n’est pas nécessaire d’obturer la canalisation 3, 5 correspondante de retour de réactif. Une plaque intercalaire IC peut ainsi ne pas comprendre de clapet 17 et/ou de clapet 19.
Cependant, il est préférable d’interrompre simultanément une alimentation en réactif et un retour en réactif. Il est ainsi préférable de fermer au moins un des clapets 17, 19 afin d’obturer les lumières correspondantes 11, 13 et d’interrompre les circulations des canalisations 3, 5 correspondantes d’au moins un des retours de réactif et avantageusement les deux.
En ce qui concerne les lumières 14-15 des canalisations 6-7 véhiculant le liquide de refroidissement, il peut en être de même. Ainsi selon un premier mode de fonctionnement, l’un ou l’autre ou les deux clapets 20-21 peuvent être fermés en même temps que l’on ferme l’alimentation en réactif et/ou le retour. Ainsi la pile à combustible P est réduite à sa partie supérieur E1.
Cependant, l’échauffement d’une pile à combustible P est toujours important. Aussi il n’est pas forcément nécessaire de limiter ou d’interrompre la circulation de liquide de refroidissement. Ainsi même si la partie E2 située en dessous de la plaque intercalaire IC n’est pas fonctionnelle, du fait de l’interruption d’alimentation et/ou de retour d’au moins un réactif, il peut être préférable que la circulation de liquide de refroidissement s’effectue sur la totalité E1 + E2 de l’empilage. Ceci est avantageux en ce que les cellules CE non fonctionnelles ne chauffent pas et contribuent au contraire à la dissipation et au refroidissement. Aussi, selon ce mode de fonctionnement, une plaque intercalaire IC peut être dépourvue de clapet 20 ou de clapet 21 ou des deux clapets 20, 21.
La forme des clapets 16-21 peut être quelconque et même différente d’un clapet à l’autre. Cependant une forme préférée pour un clapet 16-21 est celle d’un volet plat. Une telle forme est avantageuse en ce qu’elle évite les zones mortes. De plus une telle forme est celle qui s’escamote le mieux en position ouverte, limitant les pertes de charge.
La commande des clapets 16-21 peut s’effectuer selon toute technologie. Selon une caractéristique avantageuse, en ce qu’elle simplifie la commande, un clapet 16-21 est commandable électriquement.
Dans la partie E2 de l’empilage qui peut être isolée du reste de la pile à combustible P, le confinement peut être préjudiciable en présence de certains composants, particulièrement liquides, tel que de l’eau. Aussi, il est avantageusement disposé au moins un moyen de purge 22, par exemple en bas de canalisation, avantageusement sélectivement obturable lorsqu’utilisé et ouvert lors d’une purge.
Tel que décrit précédemment et encore illustré à la figure 4, un clapet est avantageusement commandé individuellement. Ainsi, le clapet 20 est ouvert, tandis que le clapet 18 par exemple, est fermé.
Tel qu’illustré à la figure 5, une pile à combustible P peut être assemblée et construite avec plus d’une plaque intercalaire IC1, IC2. Ceci permet de combiner les avantages apportés par chacune des plaques intercalaires IC1, IC2. Ainsi en «fermant» au niveau de la première plaque intercalaire IC1, il est simulé une pile réduite au premier empilage E1, avec une capacité correspondante, disons X%. Au contraire en «ouvrant» au niveau de la première plaque intercalaire IC1 et en «fermant» au niveau de la deuxième plaque intercalaire IC2, il est simulé une pile étendue aux deux premiers empilages E1 + E2, avec une capacité correspondante, disons Y%, avec X < Y < 100. Si l’on «ouvre» les deux plaques intercalaires IC1, IC2, il est obtenu une pile complète comprenant les trois empilages E1 + E2 + E3, soit une capacité de 100%. Ceci offre une plus grande latitude de configuration, puisqu’il est possible d’obtenir 3 valeurs de capacité.
L’invention concerne encore un véhicule, comprenant au moins une pile à combustible P selon l’un des modes de réalisation précédemment décrits.
L’invention a été illustrée et décrite en détail dans les dessins et la description précédente. Celle-ci doit être considérée comme illustrative et donnée à titre d’exemple et non comme limitant l’invention à cette seule description. De nombreuses variantes de réalisation sont possibles.
Claims (8)
- Pile à combustible (P) comprenant empilées dans l’ordre: une première plaque terminale (T1), une pluralité de plaques intermédiaires (EA, ME, BI, EK) et une deuxième plaque terminale (T2), chaque plaque intermédiaire (EA, ME, BI, EK) comprenant au moins une lumière (10-15) superposable avec au moins une lumière homologue (10-15) de chacune des autres plaques intermédiaires (EA, ME, BI, EK) de manière à former au moins une canalisation (2-7) traversant transversalement les plaques intermédiaires (EA, ME, BI, EK), caractérisée en ce qu’elle comprend encore au moins une plaque intercalaire (IC) apte à être intercalée entre deux plaques (T1, EA, ME, BI, EK, T2) et comprenant au moins une lumière (10-15) superposable avec au moins une lumière homologue (10-15) de chacune des plaques intermédiaires (EA, ME, BI, EK), au moins une de ladite au moins une lumière (10-15) étant équipée d’un clapet (16-21) apte à sélectivement ouvrir ou fermer ladite lumière (10-15) afin de sélectivement ouvrir ou fermer la canalisation (2-7) correspondante.
- Pile à combustible (P) selon la revendication précédente, où les lumières (10-15) comprennent des lumières (10,12) d’alimentation en réactif et les canalisations (2-7) comprennent des canalisations (2, 4) correspondantes et où une plaque intercalaire (IC) comprend au moins un clapet (16, 18) pour au moins une des lumières (10, 12) d’alimentation en réactif.
- Pile à combustible (P) selon la revendication précédente, où une plaque intercalaire (IC) comprend un clapet (16, 18) pour chacune desdites lumières (10, 12) d’alimentation en réactif.
- Pile à combustible (P) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où les lumières (10-15) comprennent encore des lumières (11,13) de retour de réactif et les canalisations (2-7) comprennent des canalisations (3, 5) correspondantes et où une plaque intercalaire (IC) comprend un clapet (17, 19) pour chacune desdites lumières (11, 13) de retour de réactif.
- Pile à combustible (P) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où les lumières (10-15) comprennent encore des lumières (14-15) de circulation de liquide de refroidissement et les canalisations (2-7) comprennent des canalisations (6-7) correspondantes et où une plaque intercalaire (IC) comprend un clapet (20-21) pour chacune desdites lumières (14-15) de liquide de refroidissement.
- Pile à combustible (P) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où un clapet (16-21) comprend un volet plat.
- Pile à combustible (P) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où un clapet (16-21) est commandable électriquement.
- Véhicule, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une pile à combustible (P) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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| DE10029468A1 (de) * | 1999-06-23 | 2001-04-12 | Daihatsu Motor Co Ltd | Brennstoffzellensystem |
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2019
- 2019-12-09 FR FR1913966A patent/FR3104325B1/fr active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10029468A1 (de) * | 1999-06-23 | 2001-04-12 | Daihatsu Motor Co Ltd | Brennstoffzellensystem |
| EP2037526A1 (fr) * | 2006-05-08 | 2009-03-18 | Panasonic Corporation | Empilage de piles à combustible, système de piles à combustible et procédé de fonctionnement de système de piles à combustible |
| US20100266918A1 (en) * | 2009-04-16 | 2010-10-21 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Fuel cell stack and fuel cell system with plurality of generation modules |
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