FR3129532A1 - Cell of a fuel cell, fuel cell and method of manufacturing such a cell - Google Patents
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Abstract
Titre : Cellule d’une pile à combustible, pile à combustible et procédé de fabrication d’une telle cellule Cellule d’une pile à combustible, comprenant un électrolyte (2) placé entre deux électrodes (3, 4), deux plaques (5, 6), chaque plaque (5, 6) comprenant une pluralité de paires de dents (7, 8) délimitant entre elles un canal (9), une première couche de diffusion (12) pour un premier gaz (10), et une deuxième couche de diffusion (13) pour un deuxième gaz (11), la première couche de diffusion (12) comprenant une couche dite macroporeuse (14) en contact avec les dents (7, 8) de la première plaque (5) et une couche dite microporeuse (16) située entre la première électrode (3) et la couche macroporeuse (14), plusieurs rainures (20) étant formées sur une surface (21) de la couche microporeuse (16), ayant une largeur (L) comprise entre 80% et 120% d’une largeur (D) d’une dent (7, 8) ou d’un canal (9) d’une de la première plaque (5). Figure pour l’abrégé : Fig.1Title: Cell of a fuel cell, fuel cell and method of manufacturing such a cell Cell of a fuel cell, comprising an electrolyte (2) placed between two electrodes (3, 4), two plates (5 , 6), each plate (5, 6) comprising a plurality of pairs of teeth (7, 8) defining between them a channel (9), a first diffusion layer (12) for a first gas (10), and a second diffusion layer (13) for a second gas (11), the first diffusion layer (12) comprising a so-called macroporous layer (14) in contact with the teeth (7, 8) of the first plate (5) and a so-called microporous layer (16) located between the first electrode (3) and the macroporous layer (14), several grooves (20) being formed on a surface (21) of the microporous layer (16), having a width (L) comprised between 80% and 120% of a width (D) of a tooth (7, 8) or of a channel (9) of one of the first plate (5). Figure for abstract: Fig.1
Description
La présente invention concerne les piles à combustible, en particulier les cellules d’une pile à combustible.The present invention relates to fuel cells, in particular the cells of a fuel cell.
ETAT DE LA TECHNIQUESTATE OF THE ART
Lorsqu’une pile à combustible est en fonctionnement, elle génère de l’eau liquide qui peut empêcher l’accès des gaz réactifs jusqu’aux sites catalytiques, appelés électrodes. Ce phénomène est communément appelé « noyage ». Ce noyage se manifeste par une chute brutale de la tension par faute d’alimentation en gaz.When a fuel cell is in operation, it generates liquid water which can prevent the access of reactive gases to the catalytic sites, called electrodes. This phenomenon is commonly called “flooding”. This flooding is manifested by a sudden drop in voltage due to a lack of gas supply.
De manière générale, une pile à combustible comprend une ou plusieurs cellules. Une cellule comporte deux plaques polaires comprenant des dents délimitant un canal pour diffuser les gaz réactifs en direction des électrodes. En outre, la cellule comporte une couche de diffusion des gaz, appelée également GDL (Gaz Diffusion Layer, en langue anglaise, c’est-à-dire couche de diffusion des gaz). Certaines cellules ont une GDL comprenant une couche macroporeuse, appelée également substrat, et une couche microporeuse appelée MPL (Micro Porous Layer en langue anglaise, c’est-à-dire couche microporeuse). La couche MPL améliore les performances de la pile à combustible car elle permet à un front d’eau liquide d’être localisé à l’intérieur du substrat et permet ainsi d’éloigner l’eau générée du site catalytique correspondant au site actif de la cellule.Generally, a fuel cell comprises one or more cells. A cell comprises two pole plates comprising teeth defining a channel to diffuse the reactive gases in the direction of the electrodes. In addition, the cell comprises a gas diffusion layer, also called GDL (Gas Diffusion Layer, in English, that is to say gas diffusion layer). Some cells have a GDL comprising a macroporous layer, also called substrate, and a microporous layer called MPL (Micro Porous Layer in English, that is to say microporous layer). The MPL layer improves the performance of the fuel cell because it allows a liquid water front to be localized inside the substrate and thus makes it possible to move the generated water away from the catalytic site corresponding to the active site of the cell.
On peut citer la publication « Synchrotron radiography and tomography of water transport in perforated gas diffusion media (J. Haussmann et al. Journal of Power Sources 239 (2013) 611-622) », qui divulgue une perforation de la couche GDL - MPL avec des trous cylindriques. Les perforations sont perpendiculaires au plan des canaux de diffusion des gaz de la plaque polaire, c’est-à-dire que les perforations sont perpendiculaires à la surface d’interface entre la couche MPL et le substrat de la couche GDL. La publication divulgue également que si le diamètre des trous cylindriques est trop important ou trop faible, les perforations diminuent les performances de la pile et que les meilleures performances sont obtenues lorsque les trous cylindriques ont un diamètre de 60 µm.Mention may be made of the publication "Synchrotron radiography and tomography of water transport in perforated gas diffusion media (J. Haussmann et al. Journal of Power Sources 239 (2013) 611-622)", which discloses a perforation of the GDL - MPL layer with cylindrical holes. The perforations are perpendicular to the plane of the gas diffusion channels of the polar plate, i.e. the perforations are perpendicular to the interface surface between the MPL layer and the substrate of the GDL layer. The publication also discloses that if the diameter of the cylindrical holes is too large or too small, the perforations decrease the performance of the cell and that the best performance is obtained when the cylindrical holes have a diameter of 60 μm.
On peut également citer le brevet américain US 8,911,919, qui divulgue un procédé dans lequel on modifie la propriété hydrophile de GDL, en surface de la GDL et à l’interface entre la GDL et la plaque polaire. En particulier, le document divulgue que l’on rend hydrophile les zones de la GDL située en contact avec les dents de la plaque polaire et on reprend hydrophobe les zones de la GDL en regard des canaux de la plaque polaire.Mention may also be made of American patent US 8,911,919, which discloses a process in which the hydrophilic property of GDL is modified, at the surface of the GDL and at the interface between the GDL and the polar plate. In particular, the document discloses that the areas of the GDL located in contact with the teeth of the pole plate are made hydrophilic and the areas of the GDL opposite the channels of the pole plate are made hydrophobic.
On peut en outre citer la publication : « Ditch-structured microporous layers fabricated by nanosecond-pulse laser ablation for enhancing water transport in polymer electrolyte membrane fuel cells (Dong-Hyun Lee et al. Mater. Adv. 2020, 1, 254) », qui divulgue une réalisation de fines tranchées dans la MPL, à l’interface entre la MPL et l’électrode. En particulier, les fines tranchées sont réalisées perpendiculairement aux canaux de diffusion des gaz de la plaque polaire pour améliorer le rendement de la pile.We can also cite the publication: “Ditch-structured microporous layers fabricated by nanosecond-pulse laser ablation for enhancing water transport in polymer electrolyte membrane fuel cells (Dong-Hyun Lee et al. Mater. Adv. 2020, 1, 254)” , which discloses a realization of thin trenches in the MPL, at the interface between the MPL and the electrode. In particular, the thin trenches are made perpendicular to the gas diffusion channels of the pole plate to improve the efficiency of the cell.
En dépit de ces solutions, il existe donc un besoin pour améliorer le rendement d’une pile à combustible.Despite these solutions, there is therefore a need to improve the efficiency of a fuel cell.
RESUMESUMMARY
Un objet de l’invention consiste à pallier ces inconvénients, et plus particulièrement à fournir des moyens pour améliorer le rendement d’une pile à combustible, et plus particulièrement pour améliorer la production électrique d’une pile à combustible.An object of the invention consists in overcoming these drawbacks, and more particularly in providing means for improving the efficiency of a fuel cell, and more particularly for improving the electrical production of a fuel cell.
Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement.The other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from a review of the following description and the accompanying drawings.
Selon un aspect de l’invention, il est proposé une cellule d’une pile à combustible, comprenant un électrolyte placé entre une première et une deuxième électrodes, une première et une deuxième plaques, chacune des première et deuxième plaques comprenant une pluralité de paires de dents, chaque paire de dents délimitant entre elles un canal pour la circulation d’un gaz à destination des première et deuxième électrodes, la cellule comprenant également, une première couche de diffusion pour un premier gaz, la première couche de diffusion étant située entre la première électrode et la première plaque, et une deuxième couche de diffusion pour un deuxième gaz, la deuxième couche de diffusion étant située entre la deuxième électrode et la deuxième plaque, la première couche de diffusion comprenant une couche dite macroporeuse en contact avec les dents de la première plaque et une couche dite microporeuse située entre la première électrode et la couche macroporeuse, la couche macroporeuse présentant des pores d’une taille supérieure à celle des pores de la couche microporeuse, plusieurs rainures étant formées sur une surface de la couche microporeuse située en regard de la première électrode.According to one aspect of the invention, there is provided a cell of a fuel cell, comprising an electrolyte placed between a first and a second electrode, a first and a second plate, each of the first and second plates comprising a plurality of pairs of teeth, each pair of teeth delimiting between them a channel for the circulation of a gas intended for the first and second electrodes, the cell also comprising a first diffusion layer for a first gas, the first diffusion layer being located between the first electrode and the first plate, and a second diffusion layer for a second gas, the second diffusion layer being located between the second electrode and the second plate, the first diffusion layer comprising a so-called macroporous layer in contact with the teeth of the first plate and a so-called microporous layer located between the first electrode and the macroporous layer, the macroporous layer having pores of a size greater than that of the pores of the microporous layer, several grooves being formed on a surface of the microporous layer located opposite the first electrode.
Chaque rainure a une largeur comprise entre 80% et 120% d’une largeur d’une dent de la première plaque, ou comprise entre 80% et 120% d’une largeur d’un canal de la première plaque.Each groove has a width between 80% and 120% of a width of a tooth of the first plate, or between 80% and 120% of a width of a channel of the first plate.
Dans le cadre du développement de la présente invention, il s’est avéré que cette structure permet d’améliorer le rendement de la pile dans une mesure inattendue.As part of the development of the present invention, it has been found that this structure can improve the performance of the cell to an unexpected extent.
Une explication possible est qu’en diminuant l’épaisseur de la première couche de diffusion des gaz que doivent traverser les gaz pour atteindre le site catalytique, à savoir la première électrode, on améliore ainsi l’accès des gaz à la première électrode, ce qui améliore le rendement de la cellule. En outre, on diminue cette épaisseur sur une plus grande surface et on améliore l’accès à la première électrode pour une plus grande partie des gaz. On favorise donc le débit des gaz en direction de la première électrode pour un plus grand rendement de la cellule.A possible explanation is that by reducing the thickness of the first gas diffusion layer that the gases must cross to reach the catalytic site, namely the first electrode, the access of the gases to the first electrode is thus improved, this which improves cell performance. In addition, this thickness is reduced over a larger surface and access to the first electrode is improved for a greater part of the gases. The gas flow in the direction of the first electrode is therefore favored for greater efficiency of the cell.
Selon un autre aspect, il est proposé une pile à combustible comprenant au moins une cellule telle que définie ci-avant.According to another aspect, a fuel cell is proposed comprising at least one cell as defined above.
Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de fabrication d’une cellule d’une pile à combustible, comprenant une fourniture :
- d’un électrolyte placé entre une première et une deuxième électrodes, d’une première et d’une deuxième plaques, chacune des première et deuxième plaques comprenant une pluralité de paires de dents, chaque paire de dents délimitant entre elles un canal pour la circulation d’un gaz à destination des première et deuxième électrodes,
- d’une première couche de diffusion pour un premier gaz, la première couche de diffusion étant située entre la première électrode et la première plaque, et
- d’une deuxième couche de diffusion pour un deuxième gaz, la deuxième couche de diffusion étant située entre la deuxième électrode et la deuxième plaque,
- la première couche de diffusion comprenant une couche dite macroporeuse en contact avec les dents de la première plaque et une couche dite microporeuse située entre la première électrode et la couche macroporeuse, la couche macroporeuse présentant des pores d’une taille supérieure à celle des pores de la couche microporeuse,
- le procédé comprenant une formation de plusieurs rainures sur une surface de la couche microporeuse située en regard de la première électrode ;
- an electrolyte placed between a first and a second electrode, a first and a second plate, each of the first and second plates comprising a plurality of pairs of teeth, each pair of teeth defining between them a channel for circulation of a gas intended for the first and second electrodes,
- a first diffusion layer for a first gas, the first diffusion layer being located between the first electrode and the first plate, and
- a second diffusion layer for a second gas, the second diffusion layer being located between the second electrode and the second plate,
- the first diffusion layer comprising a so-called macroporous layer in contact with the teeth of the first plate and a so-called microporous layer located between the first electrode and the macroporous layer, the macroporous layer having pores of a size greater than that of the pores of the microporous layer,
- the method comprising forming several grooves on a surface of the microporous layer located facing the first electrode;
BREVE DESCRIPTION DES FIGURESBRIEF DESCRIPTION OF FIGURES
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes de réalisation et de mise en œuvre de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels :Other advantages and characteristics will emerge more clearly from the following description of embodiments and implementations of the invention given by way of non-limiting examples and represented in the appended drawings, in which:
Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier les épaisseurs des différentes couches formant la pile, ainsi que les largeurs et profondeurs des canaux et des dents ne sont pas représentatives de la réalité.The drawings are given by way of examples and do not limit the invention. They constitute schematic representations of principle intended to facilitate understanding of the invention and are not necessarily scaled to practical applications. In particular, the thicknesses of the various layers forming the stack, as well as the widths and depths of the channels and of the teeth are not representative of reality.
Claims (20)
- d’un électrolyte (2) placé entre une première et une deuxième électrodes (3, 4),
- d’une première et d’une deuxième plaques (5, 6), chacune des première et deuxième plaques (5, 6) comprenant une pluralité de paires de dents (7, 8), chaque paire de dents (7, 8) délimitant entre elles un canal (9) pour la circulation d’un gaz (10, 11) à destination des première et deuxième électrodes (3, 4),
- d’une première couche de diffusion (12) pour un premier gaz (10), la première couche de diffusion (12) étant située entre la première électrode (3) et la première plaque (5), et
- d’une deuxième couche de diffusion (13) pour un deuxième gaz (11), la deuxième couche de diffusion (13) étant située entre la deuxième électrode (4) et la deuxième plaque (6),
- la première couche de diffusion (12) comprenant une couche dite macroporeuse (14) en contact avec les dents (7, 8) de la première plaque (5) et une couche dite microporeuse (16) située entre la première électrode (3) et la couche macroporeuse (14), la couche macroporeuse (14) présentant des pores d’une taille supérieure à celle des pores de la couche microporeuse (16),
- le procédé comprenant une formation de plusieurs rainures (20) sur une surface (21) de la couche microporeuse (16) située en regard de la première électrode (3),
- an electrolyte (2) placed between a first and a second electrode (3, 4),
- of a first and a second plate (5, 6), each of the first and second plates (5, 6) comprising a plurality of pairs of teeth (7, 8), each pair of teeth (7, 8) delimiting between them a channel (9) for the circulation of a gas (10, 11) intended for the first and second electrodes (3, 4),
- a first diffusion layer (12) for a first gas (10), the first diffusion layer (12) being located between the first electrode (3) and the first plate (5), and
- a second diffusion layer (13) for a second gas (11), the second diffusion layer (13) being located between the second electrode (4) and the second plate (6),
- the first diffusion layer (12) comprising a so-called macroporous layer (14) in contact with the teeth (7, 8) of the first plate (5) and a so-called microporous layer (16) located between the first electrode (3) and the macroporous layer (14), the macroporous layer (14) having pores of a size greater than that of the pores of the microporous layer (16),
- the method comprising forming several grooves (20) on a surface (21) of the microporous layer (16) located facing the first electrode (3),
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