FR3109473A1

FR3109473A1 - Plaque bipolaire de pile à combustible à circuit de fluide caloporteur perfectionné

Info

Publication number: FR3109473A1
Application number: FR2003970A
Authority: FR
Inventors: Denis SIRAC; Johan Andre; Camille Bouvier; Eric Claude; Didier ZAEPFFEL; Nicolas Jannin
Original assignee: Zotye New Energy Auto Co Ltd; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Zotye New Energy Auto Co Ltd; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2020-04-21
Filing date: 2020-04-21
Publication date: 2021-10-22

Abstract

Plaque bipolaire de pile à combustible à circuit de fluide caloporteur perfectionné La présente invention concerne une plaque bipolaire (11) de pile à combustible comprenant deux tôles (12a,12b) assemblées l’une sur l’autre et réalisées chacune en un matériau électriquement conducteur, chacune des tôles (12a,12b) comprenant des rainures (13a,13b) formées par emboutissage et s’étendant selon une direction sensiblement longitudinale et adaptées pour former des canaux de circulation de réactifs de part et d’autre des tôles (12a,12b) et des conduits (14) de circulation d’un fluide caloporteur entre les deux tôles (12a,12b) dans une zone dite active (15) de la plaque bipolaire (11), cette dernière comportant également une zone collectrice (16) et une zone dite de distribution (17) s’étendant entre la zone collectrice (16) et la zone active (15) ; ladite plaque bipolaire est remarquable en ce que la zone de distribution (17) comprend un plan médian constitué de deux plaques (18a,18b) métalliques s’étendant entre les deux tôles (12a,12b), i.e. entre la tôle (12a) dont la surface est en appui sur l’assemblage membrane électrodes, côté air, de la pile à combustible et entre la tôle (12b) dont la surface est en appui sur l’assemblage membrane électrodes, côté dihydrogène, de la pile à combustible, lesdites plaques (18a,18b) métalliques du plan médian délimitant un circuit de refroidissement (19) dans lequel circule le fluide caloporteur et fluidiquement connecté à la zone active (15). Figure 3

Description

Plaque bipolaire de pile à combustible à circuit de fluide caloporteur perfectionné

La présente invention concerne le domaine des piles à combustible et plus particulièrement une plaque bipolaire de pile à combustible.

Etat de la technique

Il est bien connu qu’une pile à combustible, permettant d’alimenter en énergie électrique tout dispositif tel que, par exemple, un ordinateur, un téléphone portable, ou un véhicule électrique, est un dispositif électrochimique qui permet de convertir l'énergie chimique en énergie électrique à partir d'un carburant, généralement l'hydrogène, et d'un comburant, l'oxygène ou un gaz contenant de l'oxygène tel que l'air, le seul produit de la réaction étant l'eau accompagnée d'un dégagement de chaleur et d'une production d'électricité.

Une pile à combustible est constituée d'un assemblage de cellules élémentaires. En référence à la figure 1, qui est une représentation schématique en perspective éclatée d’une pile à combustible, chaque cellule élémentaire 1 comporte un électrolyte conducteur protonique 2 s’étendant entre deux électrodes poreuses cathodique 3 et anodique 4, ledit électrolyte conducteur protonique 2 assurant le transfert protonique entre lesdites électrodes 3 et 4. A cet effet, l'électrolyte 2 consiste usuellement en une membrane 5 polymère échangeuse de protons d'épaisseur de quelques microns, la pile résultante étant une pile de type à membrane échangeuse de protons. L'ensemble constitué par l'électrolyte 2 et les deux électrodes 3,4 forme un assemblage membrane électrodes dit AME 5 qui s’étend entre deux plaques bipolaires 6 et 7 réalisées en un matériau électriquement conducteur. Les plaques bipolaires 6 et 7 assurent principalement la collecte des électrons, la distribution du comburant et du carburant dans les électrodes respectivement cathodique 3 et anodique 4 et l'évacuation des sous produits de réaction c'est-à-dire l'eau produite par la réaction électrochimique engendrée au sein de la pile et/ou les réactifs inconsommés.

Plus particulièrement, la distribution du comburant dans l'électrode cathodique 3 est effectuée par la présence de canaux de distribution en comburant réalisés sur la face de la plaque bipolaire 7 en contact avec cette électrode cathodique 3. De façon symétrique, des canaux de distribution en carburant 9 sont réalisés sur la face de la plaque bipolaire 6 en contact avec l'électrode anodique 4 permettant ainsi la distribution du carburant dans cette électrode 4.

Par ailleurs, la pile à combustible nécessite d'être refroidie pour garantir le maintien de sa température de fonctionnement. Un défaut de refroidissement se traduit par un échauffement intempestif d'une ou plusieurs régions de la pile pouvant conduire à une baisse du rendement de conversion, voire à une diminution de la durée de vie de la pile résultant d'un endommagement de l'assemblage membrane électrode.

Usuellement, les piles à combustible sont refroidies par la circulation d'un fluide caloporteur, tel que de l'eau pure ou de l'antigel par exemple, au coeur des plaques bipolaires 6 et 7 dans un circuit de refroidissement réalisé dans l'épaisseur des plaques bipolaires 6,7.

Pour qu’un circuit ne soit pas obstrué par les contre-formes de l’autre, en référence à la figure 2, l’acheminement des gaz et du fluide caloporteur entre les collecteurs et les canaux situés sous la surface active se fait usuellement par une succession de cavités 10 positionnées alternativement d’un côté ou de l’autre de chacune des deux tôles formant la plaque bipolaire 6,7. Cette solution entraine obligatoirement une prise en compte du design d’un circuit par rapport à l’autre et entraine généralement une circulation non optimale sur au moins un des deux circuits.

De telles plaques bipolaires de pile à combustible sont notamment décrites dans le modèle d’utilité chinois CN207781764.

Le document CN207781764 décrit une plaque bipolaire munie d'une entrée d'air en pont, qui comprend une zone dite active dont les faces sont en contact avec les électrodes respectivement cathodique et anodique, une zone dite étanche et une zone dite de distribution des flux d'air s’étendant entre la zone étanche et la zone active. La zone active est formée par l’assemblage d’une tôle d'anode et une tôle de cathode. Deux entrées d'air sont prévues entre la zone de distribution d'air et la zone d'étanchéité sur la plaque bipolaire, et le plus grand côté de chacune des entrées d'air est pourvue d'une pluralité de prises d'air parallèles et uniformément disposées les unes par rapport aux autres communiquant avec la zone de distribution de l'air, le canal d'admission d'air étant intégralement formé avec la plaque bipolaire.

Ce type de plaque bipolaire présente l’inconvénient de ne pas procurer une circulation optimale sur au moins un des deux circuits.

Divulgation de l’invention

L'un des buts de l'invention est donc de remédier à ces inconvénients en proposant une plaque bipolaire de pile à combustibl de conception simple et peu onéreuse, permettant une meilleure distribution des fluides en optimisant les pertes de charge et l’homogénéité des flux et permettant, in fine, de procurer une plus grande durée de vie des assemblages membranes électrodes (AME) ainsi qu’un meilleur rendement.

A cet effet, et conformément à l’invention, il est proposé une plaque bipolaire de pile à combustible comprenant deux tôles assemblées l’une sur l’autre et réalisées chacune en un matériau électriquement conducteur, chacune des tôles comprenant des rainures formées par emboutissage et s’étendant selon une direction sensiblement longitudinale et adaptées pour former des canaux de circulation de réactifs de part et d’autre des tôles et des conduits de circulation d’un fluide caloporteur entre les deux tôles dans une zone dite active de la plaque bipolaire, cette dernière comportant également une zone collectrice et une zone dite de distribution s’étendant entre la zone collectrice et la zone active ; ladite plaque bipolaire est remarquable en ce que la zone de distribution comprend un plan médian constitué de deux plaques métalliques s’étendant entre les deux tôles, i.e. entre la tôle dont la surface est en appui sur l’ assemblage membrane électrodes, côté air, de la pile à combustible et entre la tôle dont la surface est en appui sur l’ assemblage membrane électrodes, côté dihydrogène, de la pile à combustible, lesdites plaques métalliques du plan médian délimitant un circuit de refroidissement dans lequel circule le fluide caloporteur et fluidiquement connecté à la zone active.

On comprend bien que, contrairement aux plaques bipolaires de l’art antérieur où, du côté du refroidissement, ce sont les contre formes des chemins de la zone de distribution se trouvant entre la zone collectrice et la zone active qui permettent l'acheminement du liquide de refroidissement vers les contre formes des canaux gaz de la surface active, la plaque bipolaire suivant l’invention permet de laisser passer le gaz d’un côté et le liquide de refroidissement de l’autre. De cette manière, la plaque bipolaire suivant l’invention permet d’obtenir une meilleure distribution des fluides en optimisant les pertes de charge et l’homogénéité des flux, améliorant le rendement de la pile à combustible et la durée de vie des assemblages membranes électrodes (AME) de cette dernière.

Par ailleurs, afin de reprendre la force de serrage exercée sur l’empilement, chaque plaque du plan médian comporte des appuis mécaniques externes et des appuis mécaniques internes.

Lesdits appuis mécaniques internes d’une plaque du plan médian s’étendent au droit des appuis mécaniques internes de la seconde plaque du plan médian en prenant appui sur ces derniers.

De plus, lesdits appuis mécaniques externes d’une plaque du plan médian s’étendent au droit des appuis mécaniques externes de la seconde plaque du plan médian.

De préférence, les appuis externes de chaque plaque du plan médian sont disposés à espace régulier selon des rangées transversales et/ou les appuis internes de chaque plaque du plan médian sont disposés à espace régulier selon des rangées transversales.

Par ailleurs, les appuis externes et les appuis internes sont disposés en quinconce.

Selon un mode de réalisation, les appuis externes et les appuis internes présentent une forme tronconique et sont obtenus par embossage de chacune des plaques du plan médian en direction de la face externe et respectivement interne.

D’autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description qui va suivre de plusieurs variantes d’exécution, données à titre d’exemples non limitatifs, de la plaque bipolaire de pile à combustible conforme à l’invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

est une vue en perspective éclatée schématique d’une pile à combustible comprenant des plaques bipolaires de l’art antérieur,

est une vue en perspective partielle d’une plaque bipolaire de l’art antérieur,

est une vue en perspective déchirée partielle d’une plaque bipolaire suivant l’invention,

est une vue en perspective déchirée d’une partie de la plaque bipolaire suivant l’invention représentée sur la figure 3.

Mode de réalisation de l’invention

Dans la suite de la description du suivant l'invention, les mêmes références numériques désignent les mêmes éléments. Les différentes vues ne sont pas nécessairement tracées à l'échelle.

En référence aux figures 3 et 4, la plaque bipolaire 11 de pile à combustible suivant l’invention comprend deux tôles 12a,12b assemblées l’une sur l’autre et réalisées chacune en un matériau électriquement conducteur, chacune des tôles 12a,12b comprenant des rainures 13a,13b formées par emboutissage et s’étendant selon une direction sensiblement longitudinale et adaptées pour former des canaux de circulation de réactifs de part et d’autre des tôles et des conduits 14 de circulation d’un fluide caloporteur entre les deux tôles 12a,12b dans une zone dite active 15 de la plaque bipolaire 11. Ladite plaque bipolaire 11 comporte également une zone collectrice 16 et une zone dite de distribution 17 s’étendant entre la zone collectrice 16 et la zone active 15. Dans cet exemple de réalisation, la face supérieure de la tôle supérieure 12a prend appui sur l’assemblage membrane électrode, côté air, de la pile à combustible, non représentée sur les figures, et la face inférieure de la tôle inférieure 12b prend appui sur l’assemblage membrane électrode côté dihydrogène.

Par ailleurs, ladite zone de distribution 17 comprend un plan médian constitué de deux plaques métalliques 18a,18b s’étendant entre les deux tôles 12a,12b, i.e. entre la tôle supérieure 12a dont la surface est en appui sur l’assemblage membrane électrodes, côté air, de la pile à combustible et entre la tôle inférieure 12b dont la surface est en appui sur l’assemblage membrane électrodes, côté dihydrogène, de la pile à combustible, lesdites plaques métalliques 18a,18b du plan médian délimitant un circuit de refroidissement 19 dans lequel circule le fluide caloporteur et ledit circuit de refroidissement étant fluidiquement connecté aux conduits 14 de la zone active 15.

Afin d’assurer une reprise de la force de serrage exercée sur l’empilement de la pile à combustible, chaque plaque 18a,18b du plan médian comporte des appuis mécaniques externes 20 et des appuis mécaniques internes 21. Dans cet exemple particulier de réalisation, lesdits appuis mécaniques externes 20 et internes 21 présentent une forme sensiblement tronconique et sont obtenus par embossage de chacune des plaques 18a,18b du plan médian en direction de la face externe et respectivement interne.

Il est bien évident que les appuis mécaniques externes 20 et internes 21 pourront présenter une forme quelconque, chaque plaque 18a,18b comportant un nombre adapté d’appuis externes 20 et internes 21 appropriés pour résister à la force de serrage de l’empilement, et qu’ils pourront être obtenus d’une manière quelconque tels que par collage ou soudage de pièces sans pour autant sortir du cadre de l’invention.

Par ailleurs, les appuis mécaniques internes 21 de la plaque supérieure 18a s’étendent au droit des appuis mécaniques internes 21 de la plaque inférieure 18b du plan médian en prenant appui sur ces derniers. De plus, les appuis mécaniques externes 20 de la plaque supérieure 18a du plan médian s’étendent au droit des appuis mécaniques externes 20 de la plaque inférieure 18b du plan médian.

Dans cet exemple particulier de réalisation, les appuis externes 20 de chaque plaque 18a,18b du plan médian sont disposés à espaces réguliers selon des rangées transversales 22 et les appuis internes 21 de chaque plaque 18a,18b du plan médian sont disposés à espaces réguliers selon des rangées transversales 23. De plus, les appuis externes 20 et les appuis internes 21 sont disposés en quinconce.

Il va de soi que la forme, le nombre, les dimensions et la disposition des appuis externes 20 et des appuis internes pourront être modifiés afin d’améliorer encore la distribution des fluides en optimisant les pertes de charge et l’homogénéité des flux sans pour autant sortir du cadre de l’invention.

Enfin, il est bien évident que les exemples que l'on vient de donner ne sont que des illustrations particulières en aucun cas limitatives quant aux domaines d'application de l'invention.

Claims

Plaque bipolaire (11) de pile à combustible comprenant deux tôles (12a,12b) assemblées l’une sur l’autre et réalisées chacune en un matériau électriquement conducteur, chacune des tôles (12a,12b) comprenant des rainures (13a,13b) formées par emboutissage et s’étendant selon une direction sensiblement longitudinale et adaptées pour former des canaux de circulation de réactifs de part et d’autre des tôles (12a,12b) et des conduits (14) de circulation d’un fluide caloporteur entre les deux tôles (12a,12b) dans une zone dite active (15) de la plaque bipolaire (11), cette dernière comportant également une zone collectrice (16) et une zone dite de distribution (17) s’étendant entre la zone collectrice (16) et la zone active (15),caractériséen ce que la zone de distribution (17) comprend un plan médian constitué de deux plaques (18a,18b) métalliques s’étendant entre les deux tôles (12a,12b), i.e. entre la tôle (12a) dont la surface est en appui sur l’assemblage membrane électrodes, côté air, de la pile à combustible et entre la tôle (12b) dont la surface est en appui sur l’assemblage membrane électrodes, côté dihydrogène, de la pile à combustible, lesdites plaques (18a,18b) métalliques du plan médian délimitant un circuit de refroidissement (19) dans lequel circule le fluide caloporteur et fluidiquement connecté à la zone active (15).
Plaque bipolaire suivant la revendication 1caractériséen ce que chaque plaque (18a,18b) du plan médian comporte des appuis mécaniques externes (20) et des appuis mécaniques internes (21).
Plaque bipolaire suivant la revendication 2caractériséen ce que les appuis mécaniques internes (21) d’une plaque (18a) du plan médian s’étendent au droit des appuis mécaniques internes (21) de la seconde plaque (18b) du plan médian en prenant appui sur ces derniers.
Plaque bipolaire suivant l’une quelconques des revendications 2 ou 3caractériséen ce que les appuis mécaniques externes (20) d’une plaque (18a) du plan médian s’étendent au droit des appuis mécaniques externes (20) de la seconde plaque (18b) du plan médian.
Plaque bipolaire suivant l’une quelconque des revendications 2 à 4caractériséen ce que les appuis externes (20) de chaque plaque (18a,18b) du plan médian sont disposés à espace régulier selon des rangées transversales (22).
Plaque bipolaire suivant l’une quelconque des revendications 2 à 5caractériséen ce que les appuis internes (21) de chaque plaque (18a,18b) du plan médian sont disposés à espace régulier selon des rangées transversales (23).
Plaque bipolaire suivant les revendications 5 et 6caractériséen ce que les appuis externes (20) et les appuis internes (21) sont disposés en quinconce.
Plaque bipolaire suivant l’une quelconque des revendications 2 à 7caractériséen ce que les appuis externes (20) et les appuis internes (21) présentent une forme tronconique.
Plaque bipolaire suivant l’une quelconque des revendications 2 à 8caractériséen ce que les appuis externes (20) et les appuis internes (21) sont obtenus par embossage de chacune des plaques (18a,18b) du plan médian en direction de la face externe et respectivement interne.