FR3132174A1 - Pile à combustible avec mesure d’impédance embarquée - Google Patents

Abstract

Pile à combustible avec mesure d’impédance embarquée Cette pile à combustible (10) comprend un empilement (11) de plaques bipolaires (12) dans une direction d’empilement (L), chaque plaque bipolaire (12) étant elle-même formée par deux plaques monopolaires (12’, 12’’) superposées comprenant une plaque anode (12’) et une plaque cathode (12’’). Deux plaques bipolaires (12) consécutives forment entre elles une cellule (14). La pile à combustible (10) comprend en outre deux plaques terminales (16), de part et d’autre de l’empilement (11) et une pluralité de modules de mesure (20) reliés aux plaques bipolaires (12). Chaque module de mesure (20) comprend au moins un circuit imprimé (22) comportant un calculateur propre à déterminer des caractéristiques de diagnostic et de pronostic de l’empilement (11) de plaques bipolaires (12). Les modules de mesure (20) sont au moins configurés pour mesurer une impédance de la pile (10) lorsque la pile (10) est en fonctionnement. Figure pour l'abrégé : Figure 1

Description

Pile à combustible avec mesure d’impédance embarquée

La présente invention concerne une pile à combustible.

Les piles à combustible sont utilisées comme source d’énergie dans diverses applications, notamment dans les véhicules électriques. Dans les piles à combustible du type à électrolyte à membrane polymère (PEFC), de l'hydrogène est fourni à l'anode de la pile à combustible et de l'oxygène est fourni comme oxydant à la cathode. Les piles à combustible à membrane polymère (PEFC) comprennent un assemblage membrane-électrode (MEA pour membrane electrode assembly) comprenant une membrane électrolytique en polymère solide échangeuse de protons et non conductrice de l'électricité, ayant le catalyseur anodique sur l'une de ses faces et le catalyseur cathodique sur sa face opposée. Un assemblage membrane-électrode (MEA) est pris en sandwich entre une paire d'éléments électriquement conducteurs, appelés plaques bipolaires, moyennant des couches de diffusion de gaz, réalisées par exemple en tissu de carbone. Les plaques bipolaires sont généralement rigides et thermiquement conductrices. Elles servent principalement de collecteurs de courant pour l'anode et la cathode et contiennent des canaux pourvus d’ouvertures appropriées pour répartir les réactifs gazeux de la pile à combustible sur les surfaces des catalyseurs d'anode et de cathode respectifs et pour éliminer l'eau produite à l'électrode.

Une pile à combustible est alimentée par un carburant qui est de l'hydrogène qui est fourni à l'anode et par un comburant qui est de l'oxygène ou de l’air qui est fourni à la cathode.

On connaît par exemple de US 9 997 792 une pile à combustible comprenant un empilement de cellules, reliées à un calculateur au moyen d’une nappe de câbles connectée à chacune des cellules par des languettes de connexion, les câbles étant maintenus par un harnais afin de presser les câbles contre les languettes de connexion.

Cependant, les mesures réalisées avec ce type d’agencement sont peu fiables et la pile présente un encombrement important, de plus les câbles ont tendance à s’endommager du fait des contraintes mécaniques telles que les vibrations ou la dilatation engendrées lors du fonctionnement de la pile, et en réduisent par conséquent la durée de vie.

Il existe donc un besoin pour améliorer la fiabilité des mesures, réduire l’encombrement de la pile à combustible et améliorer sa durée de vie.

A cet effet, la présente invention a pour objet une pile à combustible comprenant un empilement de plaques bipolaires dans une direction d’empilement, chaque plaque bipolaire étant elle-même formée par deux plaques monopolaires superposées comprenant une plaque anode et une plaque cathode, deux plaques bipolaires consécutives formant entre elles une cellule, la pile à combustible comprenant en outre deux plaques terminales, de part et d’autre de l’empilement, et une pluralité de modules de mesure reliés aux plaques bipolaires. Chaque module de mesure comprend au moins un circuit imprimé comportant un calculateur propre à déterminer des caractéristiques de diagnostic et de pronostic de l’empilement de plaques bipolaires. Les modules de mesure sont au moins configurés pour mesurer une impédance de la pile lorsque la pile est en fonctionnement.

La pile à combustible peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible :

- chaque module de mesure est branché à l’empilement de plaques bipolaires au moyen de broches aptes à être insérées dans des poches formées dans les plaques bipolaires, chaque module de mesure comprenant une pluralité de broches alignées et une broche supplémentaire configurées pour réaliser une mesure d’impédance quatre fils par paquets du nombre de cellules recouvertes par un module de mesure ;

- les broches alignées sont configurées par deux pour mesurer une tension de deux cellules consécutives disposées entre lesdites deux broches et la broche supplémentaire de chaque module de mesure est configurée pour injecter un courant sinusoïdal dans la poche dans laquelle elle est reçue ;

- le courant sinusoïdal présente une fréquence comprise entre 500 Hz et 2 kHz ;

- chaque module de mesure est configuré pour injecter un courant sinusoïdal dont la fréquence est fixée indépendamment des autres modules ;

- chaque module de mesure est configuré pour isoler une composante d’une tension de réponse induite sur l’empilement de plaques bipolaires par le courant sinusoïdal, cette composante ayant une fréquence identique à celle du courant sinusoïdal injecté, et pour calculer l’impédance de la pile à combustible comme le rapport entre l’amplitude de la composante de tension isolée sur l’amplitude du courant sinusoïdal injecté.

La présente invention a également pour objet un véhicule comprenant au moins une pile à combustible telle que décrite ci-dessus.

La présente invention a également pour objet un procédé d’utilisation d’une pile à combustible telle que décrite ci-dessus, ce procédé comprenant une étape de mesure de l’impédance de la pile en fonctionnement par les modules de mesure.

Le procédé d’utilisation peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible :

- chaque module de mesure est branché à l’empilement de plaques bipolaires au moyen de broches insérées dans des poches formées dans les plaques bipolaires, chaque module de mesure comprenant une pluralité de broches alignées et une broche supplémentaire configurées pour réaliser une mesure d’impédance quatre fils par paquets du nombre de cellules recouvertes par un module de mesure, dans lequel les broches alignées sont configurées par deux pour mesurer une tension de deux cellules consécutives disposées entre lesdites deux broches et dans lequel la broche supplémentaire de chaque module est configurée pour injecter un courant sinusoïdal dans la poche dans laquelle elle est reçue ;

- l’impédance mesurée est comprise entre 5 mΩ et 20 mΩ pour vingt cellules.

L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins sur lesquels :

- la représente une vue schématique en perspective de face et de côté d’une pile à combustible selon un mode de réalisation de l’invention ;

- la représente une vue schématique en perspective d’arrière de la pile à combustible de la ;

- la représente une vue schématique de l’empilement de plaques bipolaires de la pile à combustible de la ;

- la représente une vue schématique d’un premier côté transversal d’une coque de module de mesure de la pile à combustible de la ;

- la représente une vue schématique d’un deuxième côté transversal d’une coque de module de mesure de la pile à combustible de la ;

- la représente une vue schématique de dessus de la pile à combustible de la dans laquelle les coques des modules ont été retirées ;

- la représente une vue schématique de dessus de la pile à combustible de la dans laquelle les coques des modules ont été retirées, selon une variante de la ;

- la représente une vue schématique de la connexion entre les modules et les cellules de l’empilement de plaques bipolaires de la pile à combustible de la ;

- la représente une vue schématique d’une broche d’un module de mesure de la pile à combustible de la ; et

- la représente une vue schématique d’un premier côté transversal d’un support pivot de la pile à combustible de la .

Sur les figures 1 et 2, on a représenté une pile à combustible 10 formée par un empilement 11 de plaques bipolaires 12.

Chaque plaque bipolaire 12 est formée par deux plaques monopolaires 12’, 12’’ superposées comprenant une plaque anode 12’ et une plaque cathode 12’’, visibles sur la .

En particulier, la pile 10 comporte une pluralité de cellules 14 réalisées sous forme d’un empilement de plaques bipolaires 12, une cellule 14 étant formée entre deux plaques bipolaires 12 consécutives. Un empilement 11 est ainsi constitué de plusieurs cellules 14 individuelles reliées en série.

La pile à combustible 10 est par exemple destinée à être utilisée dans un véhicule à moteur.

Les plaques bipolaires 12 sont empilées dans une direction d’empilement.

Dans la suite de la description, la direction d’empilement est définie comme étant la direction longitudinale L.

Les plaques bipolaires 12 sont prises en sandwich entre deux plaques terminales 16.

Les plaques terminales 16 sont par exemple réalisées en aluminium.

Des circuits fluidiques externes (non représentés) sont reliés à la pile 10 au niveau des plaques terminales 16 et les gaz réactifs sont distribués aux assemblages membrane électrode à la surface des plaques bipolaires 12 via des canaux gravés sur celles-ci.

Afin de mesurer les caractéristiques électriques des cellules 14, des modules 20 de mesure sont connectés à l’empilement 11 de plaques bipolaires 12.

Chaque module 20 permet de monitorer l’état de l’empilement 11 afin d’adapter le contrôle commande du système de pile à combustible 10.

Chaque module 20 comprend au moins un circuit imprimé 22, en particulier trois circuits imprimés 22, comportant un calculateur propre à déterminer des caractéristiques de diagnostic et de pronostic de l’empilement 11 de plaques bipolaires 12, visible sur les figures 6 et 7 détaillées plus loin.

Par exemple, les caractéristiques comprennent un état de santé de l’empilement 11 de plaques bipolaires 12, la localisation d’une cellule 14 dans l’empilement de plaques bipolaires 12, la tension, l’impédance, l’alimentation des cellules 14 de la pile à combustible 10.

Les modules 20 sont recouverts chacun d’une coque 26 destinées à recouvrir les circuits imprimés 22 et à les protéger.

Les coques 26 présentent de multiples fonctionnalités, qui vont être détaillées ci-après.

Les coques 26 des modules 20 sont notamment des détrompeurs.

Les modules 20 sont ainsi configurés pour être assemblés les uns aux autres sans erreur possible.

Par exemple, comme représenté sur la , chaque coque 26 est pourvue sur un premier côté transversal 28 d’un organe de fixation mâle 30 complémentaire d’un organe de fixation femelle 32 formé dans un deuxième côté transversal 34 de la coque 26 opposé au premier côté 28, visible sur la . Ainsi, les coques 26 peuvent être assemblées les unes aux autres sans risque d’erreur.

Par exemple, l’organe de fixation mâle 30 est un ergot et l’organe de fixation femelle 32 est une rainure en arc de cercle permettant à l’ergot de pivoter dans la rainure.

En outre, les modules 20 sont configurés pour être assemblés aux plaques bipolaires 12 sans erreur possible.

Les coques 26 protègent les circuits imprimés 22 des modules 20.

De préférence, les coques 26 de l’ensemble des modules 20 sont identiques.

Les modules 20 sont assemblés entre eux et à l’empilement 11 de plaques bipolaires 12 notamment au moyen d’un cadre mécanique 40.

De retour aux figures 1 et 2, le cadre mécanique 40 comprend avantageusement un rail de fixation 42, un axe pivot 44 et deux supports pivot 46, 48.

Chaque support pivot 46, 48 est disposé de sorte à être en contact avec une plaque terminale 16 et un module 20 lorsqu’il est installé.

Les supports pivot 46, 48 s’étendent principalement suivant une direction transversale T perpendiculaire à la direction longitudinale L.

Chaque support pivot 46, 48 présente une grande dimension D, définie suivant la direction transversale T, inférieure à une largeur maximale W de la plaque terminale 16 respective définie suivant la direction transversale T.

De préférence, chaque support pivot 46, 48 présente une grande dimension D comprise entre 70 % et 80 % d’une largeur maximale W de la plaque terminale 16 respective.

Chaque support pivot 46, 48 présente une petite dimension d, définie suivant la direction longitudinale L, sensiblement égale à une épaisseur E de la plaque terminale 16 respective définie suivant la direction longitudinale L.

Avantageusement, chacune des deux plaques terminales 16 est pourvue d’au moins un orifice de réception de moyens 52 de fixation d’un support pivot 46, 48 à la plaque terminale 16 respective.

Par exemple, les moyens 52 de fixation sont des vis.

Selon cet exemple, l’au moins un orifice 50 de réception est taraudé.

Chaque support pivot 46, 48 présente au moins un orifice 54 traversant de passage des moyens 52 de fixation à la plaque terminale 16 respective. L’au moins un orifice 54 traversant de passage de moyens 52 de fixation est configuré pour être placé en regard de l’au moins un orifice 50 de réception ménagé dans la plaque terminale 16 respective.

En particulier, chaque support pivot 46, 48 est fixé à l’une des deux plaques terminales 16 au moyen de deux vis 52. Chaque vis 52 est par exemple une vis bombée six lobes internes de diamètre 6 mm et de longueur 16 mm, ayant une résistance classe 8.8 et étant réalisée en acier et en zinc.

Le rail de fixation 42 s’étend d’un support pivot 46, 48 à l’autre dans la direction longitudinale L.

Avantageusement, le rail de fixation 42 est pourvue d’orifices 55 de passage de moyens 56 de fixation de chaque support pivot 46, 48 au rail de fixation 42.

Chaque support pivot 46, 48 présente au moins un orifice 54’ traversant de passage des moyens 56 de fixation au rail de fixation 42.

Par exemple, les moyens 56 de fixation sont des vis.

En particulier, chaque support pivot 46, 48 est fixé au rail de fixation 42 au moyen d’une vis 56. La vis 56 est par exemple une vis bombée six lobes internes de diamètre 6 mm et de longueur 16 mm, ayant une résistance classe 8.8 et étant réalisée en acier et en zinc.

Avantageusement, les orifices 55 de passage de moyens 56 de fixation du rail de fixation 42 sont oblongs.

Les orifices 55 oblongs engendrent un léger jeu du rail de fixation 42 sur les supports pivot 46, 48 dans la direction longitudinale L et améliorent ainsi la résistance des modules aux vibrations et aux dilatations occasionnées pendant la durée de vie de la pile à combustible 10.

Avantageusement, comme visible sur la , chaque support pivot 46, 48 est pourvu sur un côté transversal 57 destiné à être en contact avec un module 20 d’un organe de fixation mâle 59, respectivement femelle, complémentaire de l’organe de fixation femelle 32, respectivement mâle 30, formé dans un côté transversal 28, 34 de la coque 26 de chaque module 20. Ainsi, les coques 26 peuvent être assemblées aux supports pivot 46, 48 sans risque d’erreur.

Par exemple, l’organe de fixation mâle 59 est un ergot et l’organe de fixation femelle 61 est une rainure en arc de cercle permettant à l’ergot de pivoter dans la rainure.

L’axe pivot 44 s’étend entre deux extrémités longitudinales 60, 62.

L’axe pivot 44 s’étend parallèlement au rail de fixation 42.

Chaque extrémité longitudinale 60, 62 de l’axe pivot 44 est maintenue par un support pivot 46, 48 respectif.

A cet effet, le support pivot 46, 48 présente par exemple deux orifices 64 traversants cylindriques alignés de réception de l’axe pivot 44.

L’axe pivot 44 présente de préférence une gorge configurée pour être située entre les deux orifices 64 traversants de réception de l’axe pivot 44 lorsque l’axe pivot 44 est engagé dans le support pivot 46, 48 respectif.

Chaque support pivot 46, 48 présente avantageusement en outre une languette 66 placée entre les deux orifices 64 traversants de réception de l’axe pivot 44.

L’axe pivot 44 est verrouillé en position au niveau de la languette 66. Lorsque l’empilement 11 se compresse ou se dilate, le support pivot 46 se déplace en translation le long de l’axe pivot 44.

Les supports pivot 46, 48 maintiennent mécaniquement l’ensemble du système formé par l’axe pivot 44 et le rail de fixation 42.

Les coques 26 des modules 20 sont fixées au rail de fixation 42 par exemple au moyen d’une patte 70 comprenant une dent de verrouillage 71.

La patte 70 s’étend avantageusement suivant une direction d’élévation Z perpendiculaire à la direction longitudinale L et à la direction transversale T.

Les coques 26 des modules 20 sont fixées à l’axe pivot 44 par exemple au moyen d’une rainure 72 cylindrique complémentaire de l’axe pivot 44. La rainure 72 présente par exemple un contour strié. En variante, la rainure 72 présente par exemple un contour plein.

Lorsque la coque 26 d’un module 20 est fixée à l’axe pivot 44 mais non au rail de fixation 42, la coque 26 est mobile en rotation autour d’un axe A formé par l’axe pivot 44.

Les coques 26 de modules 20 lorsqu’elles sont assemblées entre elles au moyen de l’organe de fixation mâle 30 et de l’organe de fixation femelle 32, au rail de fixation 42 et à l’axe pivot 44, sont ainsi verrouillées en translation dans les directions transversale T et d’élévation Z, et en rotation.

Un léger jeu est autorisé dans la direction longitudinale L pour limiter l’usure due aux vibrations et à la dilatation.

Selon l’exemple représenté sur la , chaque module 20 comprend trois circuits imprimés 22. Un circuit imprimé 22 s’étend principalement suivant la direction transversale T et deux circuits imprimés 22 s’étendent principalement suivant la direction d’élévation Z.

Les trois circuits imprimés 22 sont reliés électriquement entre eux par des nappes 75 de câbles, par exemple deux nappes 75 entre le circuit imprimé 22 s’étendant principalement suivant la direction transversale T et l’un des deux circuits imprimés 22 s’étendant principalement suivant la direction d’élévation Z, et une nappe 75 entre les deux circuits imprimés 22 s’étendant principalement suivant la direction d’élévation Z.

Afin de connecter électriquement les modules 20 entre eux, et d’assurer la continuité des mesures des caractéristiques électriques des cellules 14, chaque module 20 est connecté à une barrette 76 de connexion inter modules 20.

Selon l’exemple de la , la barrette 76 se présente sous forme de deux demi-barrettes disposées de part et d’autre d’un plan P transversal médian du module 20. La barrette 76 s’étend principalement suivant la direction transversale T.

De préférence, la barrette 76 est disposée au voisinage de la patte 70 de fixation de la coque 26 au rail de fixation 42.

La barrette 76 comporte une pluralité de broches 78 de connexion de la barrette 76 à l’au moins un circuit imprimé 22 du module 20.

Les broches 78 sont orientées suivant la direction d’élévation Z.

Les broches 78 permettent de connecter mécaniquement et électriquement la barrette 76 et le module 20.

La barrette 76 comporte en outre des ressorts à lame 80 placés de part et d’autre de la barrette 76 suivant la direction transversale T.

La barrette 76 compte par exemple sept paires de ressorts à lame 80.

Les ressorts à lame 80 sont bombés.

La barrette 76 est assemblée au module 20 de sorte que les broches 78 de la barrette 76 soient situées entre la barrette 76 et les circuits imprimés 22.

De cette façon, lorsque la barrette 76 est assemblée à un module 20, les ressorts à lame 80 font saillie de chaque côté transversal 28, 34 de la coque 26 du module 20.

Les ressorts à lame 80 des coques 26 de deux modules 20 voisins compensent la compression et la dilatation pouvant se produire pendant la durée de vie de la pile 10, et par conséquent assurent un contact mécanique et électrique entre les barrettes 76 des deux coques 26, et par conséquent entre deux modules 20 voisins à tout moment.

La barrette 76 permet d’assurer une continuité dans la mesure des caractéristiques électriques des cellules et de créer une ligne de connexion pour lier tous les modules 20 par une ligne d’alimentation et un bus de communication, et ce sans l’utilisation de câbles entre les modules 20.

En variante, comme cela est visible sur la , les trois circuits imprimés 22 sont reliés électriquement entre eux par des contacts 75’, par exemple une pluralité de contacts 75’ entre le circuit imprimé 22 s’étendant principalement suivant la direction transversale T et l’un des deux circuits imprimés 22 s’étendant principalement suivant la direction d’élévation Z, et une pluralité de contacts 75’ entre le circuit imprimé 22 s’étendant principalement suivant la direction transversale T et l’autre des deux circuits imprimés 22 s’étendant principalement suivant la direction d’élévation Z. Selon cette variante, la barrette 76 se présente sous la même forme que dans la variante de la .

Avantageusement, les cellules 14 sont agencées par paquets de vingt cellules 14.

Vingt cellules 14 nécessitent vingt-et-une plaques bipolaires 12.

Pour ce faire, vingt-et-une plaques bipolaires 12 sont empilées et deux plaques bipolaires 12 consécutives délimitent entre elles une cellule 14.

Deux plaques monopolaires 12’, 12’’ successives sont avantageusement disposées dos à dos et forment entre elles au moins une poche 84 à une extrémité 85 de la plaque bipolaire 12 selon la direction d’élévation Z.

Chaque poche 84 est configurée pour recevoir une broche 90 d’un module 20 de mesure des caractéristiques électriques des cellules 14.

De préférence, deux plaques bipolaires 12 successives sont empilées tête bêche, comme visible sur la , de sorte que seule l’au moins une poche 84 d’une plaque bipolaire 12 sur deux affleure au voisinage des modules 20.

Selon l’exemple représenté, chaque plaque bipolaire 12 forme exactement deux poches 84 de réception d’une broche 90 chacune.

La deuxième poche 84 permet de faire de la mesure quatre fils par groupe de vingt cellules 14. Elle est utilisée pour la mesure d’impédance.

En particulier, chaque poche 84 est conformée pour coopérer avec ladite broche 90.

Pour chaque poche 84, les deux plaques bipolaires 12 successives délimitent une paroi 92 circonférentielle de la poche 84 lorsqu’elles sont au contact l’une de l’autre.

De préférence, chaque poche 84 présente une extrémité ouverte 94 où la paroi 92 circonférentielle a une forme conique.

Une telle forme a l’avantage de guider la broche 90 d’un module 20 à l’intérieur de ladite poche 84.

Avantageusement, la paroi 92 circonférentielle de chaque poche 84 présente un estampage 93 de sorte à former un passage de section réduite pour une broche 90.

L’estampage 93 joue un rôle dans la rigidification de la poche 84, et permet d’assurer le contact électrique à l’intérieur de la poche 84 entre la broche 90 et la poche 84.

L’estampage 93 a également une fonction de blocage en profondeur de la broche 90 lorsqu’elle est insérée dans la poche 84, et permet d’éviter un perçage de ladite poche 84.

Chaque module 20 comporte avantageusement dix broches 90 alignées configurées pour connecter dix poches 84 de dix plaques bipolaires 12 audit module 20, et une broche supplémentaire 95 configurée pour connecter la deuxième poche 84 de l’une des dix plaques bipolaires 12, comme visible sur la .

Les dix broches 90 alignées permettent de mesurer entre deux broches 90 consécutives la tension de deux cellules 14 consécutives.

La broche supplémentaire 95 est disposée sensiblement parallèlement à l’alignement de broches 90 et de préférence à une extrémité longitudinale du module 20.

La broche supplémentaire 95 est configurée pour injecter du courant dans la poche 84 dans laquelle elle est reçue, et permet ainsi de réaliser une mesure d’impédance sur vingt cellules 14. Ainsi, chaque module 20 est apte à mesurer une impédance toutes les vingt cellules 14.

Chaque broche 90, 95 du module est avantageusement étudiée pour favoriser un contact électrique efficace et durable dans le temps entre le module 20 et chaque plaque bipolaire 12, comme visible sur la .

A cet effet, chaque broche 90, 95 du module 20 présente une forme telle que la broche 90, 95 exerce deux forces opposées sur la paroi 92 circonférentielle de la poche 84 une fois la broche 90 insérée dans la poche 84.

Les broches 90, 95 d’un module 20 sont de préférence identiques.

Cela facilite la conception du module.

Chaque broche 90, 95 s’étend principalement suivant une première direction, en particulier la direction d’élévation Z, et présente sur une portion 96 une incision 97 suivant ladite première direction séparant ladite portion 96 en deux sous-portions 98 de part et d’autre de l’incision 97.

Chaque sous-portion 98 présente un renflement 100 dans une deuxième direction, en particulier la direction longitudinale L, la deuxième direction étant sensiblement perpendiculaire à la première direction. Les renflements 100 des deux sous-portions 98 s’étendent dans un sens opposé.

Ainsi, la broche 90 95 est bombée au niveau des sous-portions 98, la rendant à la fois rigide et légèrement élastique. La connexion d’une broche 90 dans une poche 84 nécessite de la rentrer en force. Cela garantit un contact électrique solide et durable entre la broche 90 et la poche 84 respective, et par conséquent avec les deux plaques monopolaires 12’, 12’’ formant la poche 84.

Le contact électrique est notamment assuré indépendamment de la dilatation ou des vibrations qui peuvent se produire pendant la durée de vie de la pile à combustible 10, grâce à l’effet de ressort induit par les formes spécifiques des poches 84 et des broches 90.

Selon des variantes, les broches 90, 95 de chaque module 20 présentent une forme différente, en particulier toute forme techniquement envisageable pour connecter chaque module 20 aux cellules 14.

Lorsque les modules 20 sont connectés aux cellules 14, il reste au moins une poche 84, formée par une plaque bipolaire 12 à une extrémité longitudinale 104 de l’empilement 11 de cellules 14, non connectée à un module 20. Cette plaque bipolaire 12 est dite dernière plaque bipolaire 12.

A cet effet, de retour à la , l’un des supports pivot 46 présente un emplacement 106 de fixation d’un composant supplémentaire 108 de contact avec la dernière plaque bipolaire 12.

Le composant supplémentaire 108 présente au moins une broche 110 destinée à être reçue dans une poche 84 formée par la plaque bipolaire 12.

En particulier, le composant supplémentaire 108 présente deux broches 110.

De la même façon que pour les modules 20, chaque broche 110 du composant supplémentaire 108 présente une forme telle que la broche 110 exerce deux forces opposées sur la paroi circonférentielle de la poche 84 une fois la broche 110 insérée dans la poche 84.

Les deux broches 110 du composant supplémentaire 108 sont de préférence identiques.

Chaque broche 110 s’étend principalement suivant une première direction, en particulier la direction d’élévation Z, et présente sur une portion 112 une incision 114 suivant ladite première direction séparant ladite portion en deux sous-portions 116 de part et d’autre de l’incision 114.

Chaque sous-portion 112 présente un renflement 118 dans une deuxième direction, la deuxième direction étant sensiblement perpendiculaire à la première direction.

Les renflements 118 des deux sous-portions 116 s’étendent dans un sens opposé.

Ainsi, la broche 110 est bombée au niveau des sous-portions 116, la rendant à la fois rigide et légèrement élastique. La connexion d’une broche 110 dans une poche 84 nécessite de la rentrer en force. Cela garantit un contact électrique solide et durable entre la broche 110 et la poche 84 respective, et par conséquent avec les deux plaques monopolaires 12’, 12’’ formant la poche 84.

En outre, le composant supplémentaire 108 présente au moins un contact métallique 120, en particulier deux contacts métalliques 120, permettant la connexion avec le module 20 voisin.

En outre, le support pivot 46 portant le composant supplémentaire 108 présente au moins un contact métallique 121, en particulier cinq contacts métalliques 120, permettant la connexion avec le module 20 voisin.

En particulier, les contacts métalliques 120, 121 sont destinés à entrer en contact avec les ressorts à lame 80 de la barrette 76 associée audit module 20 voisin.

Cela permet de transmettre le potentiel électrique de la dernière plaque bipolaire 12 au calculateur du module 20 voisin. Ainsi, toutes les cellules 14 de la pile à combustible 10 sont connectées à un module 20 afin de pouvoir mesurer leurs caractéristiques électriques.

Avantageusement, le support pivot 46 portant le composant supplémentaire 108 comprend en outre un connecteur 122 de liaison de l’empilement 11 de plaques bipolaires 12 à une carte mère. Le connecteur 122 ne nécessite pas de câbles.

Le cadre mécanique 40 maintient l’ensemble du système formé par les modules 20, l’axe pivot 44, le rail de fixation 42 et les supports pivot 46, 48 et permet la dilatation des modules 20.

La coque 26 de chaque module 20 permet de placer le circuit imprimé 22 très proche de l’empilement 11 tout en protégeant celui-ci des agressions extérieures.

La qualité des mesures effectuées par les modules 20 est améliorée, permettant des mesures modulaires d'impédance multifréquence, comme cela sera détaillé plus loin.

Un procédé d’installation de modules 20 de mesure sur une pile à combustible 10 selon l’invention va maintenant être décrit.

Un premier module 20 est assemblé au cadre mécanique 40 au voisinage de l’un des supports pivot 46.

En particulier, la coque 26 du premier module 20 est fixée à l’axe pivot 44 par exemple au moyen de la rainure 72 cylindrique de la coque 26 complémentaire de l’axe pivot 44.

La coque 26 du premier module 20 est mobile en rotation autour d’un axe A formé par l’axe pivot 44.

La coque 26 du premier module est avantageusement fixée au rail de fixation 42 au moyen de la patte 70, en coinçant le rail de fixation 42 dans la patte 70.

Le premier module 20 est assemblé à l’un des supports pivot 46.

En particulier, l’organe de fixation mâle 59 du support pivot 46 est connecté à l’organe de fixation femelle 32 du premier module 20, ou l’organe de fixation mâle 30 du premier module 20 est connecté à l’organe de fixation femelle du support pivot 46 selon la disposition des organes mâles et femelles sur chaque module 20 et le support pivot 46.

Selon l’exemple représenté, l’organe de fixation mâle 30 est un ergot et l’organe de fixation femelle 32 est une rainure en arc de cercle, et l’ergot 30 pivote dans la rainure 32.

Au moins l’un des ressorts à lame 80 de la barrette 76 situé du côté transversal 28 orienté vers le support pivot 46 entre avantageusement en contact avec l’au moins un contact métallique 120 du composant supplémentaire 108 de contact avec la dernière plaque bipolaire 12 et l’au moins un contact métallique 121 du support pivot 46.

Le contact de la coque 26 du premier module 20 avec l’au moins un contact métallique 120, 121 engendre une compression des ressorts à lame 80 de la barrette 76.

En outre, chaque broche 90 du premier module 20 est reçue dans une poche 84 formée par deux plaques monopolaires 12’, 12’’ consécutives de l’empilement 11 de la pile à combustible 10.

En particulier, les dix broches 90 alignées du premier module 20 sont reçues dans dix poches 84 de dix plaques bipolaires 12, et la broche supplémentaire 95 est reçue dans la deuxième poche 84 de l’une des plaques bipolaires 12.

Les dix broches 90 alignées du premier module 20 permettent de mesurer entre deux broches 90 consécutives la tension de deux cellules 14 consécutives.

La fixation préalable du premier module 20 au support pivot 46 et au cadre mécanique 40 assure que les broches 90 du premier module 20 sont reçues dans les poches 84 correspondantes.

A cet effet, chaque broche 90 du premier module 20 est de préférence rentrée en force dans la poche 84 respective.

La forme de chaque poche 84 guide avantageusement chaque broche 90 du premier module 20 à l’intérieur de ladite poche 84.

La forme de chaque broche 90 du premier module 20 favorise un contact électrique efficace et durable dans le temps entre le premier module 20 et chaque plaque bipolaire 12.

Un tel agencement garantit un contact électrique solide et durable entre la broche 90 et la poche 84 respective, et par conséquent avec les deux plaques monopolaires 12’, 12’’ formant la poche 84.

Le contact électrique est notamment assuré indépendamment de la dilatation ou des vibrations qui peuvent se produire pendant la durée de vie de la pile à combustible 10, grâce à l’effet de ressort induit par les formes spécifiques des poches 84 et des broches 90.

Lorsque le premier module 20 est connecté aux cellules 14 respectives, l’au moins une poche 84 formée par les deux plaques monopolaires 12’, 12’’ les plus proches du support pivot 46 voisin du premier module 20 ne reçoit pas de broche 90 du premier module 20.

A cet effet, l’au moins une broche 110 du composant supplémentaire 108 de contact avec la dernière plaque bipolaire 12 est reçue dans ladite poche 84.

Il est ainsi possible de mesurer la tension des deux cellules 14 consécutives les plus proches du support pivot 46 voisin du premier module 20.

En particulier, les deux broches 110 du composant supplémentaire 108 de contact avec la dernière plaque bipolaire 12 sont reçues dans les deux poches 84 formées par la plaque bipolaire 12 la plus proche du support pivot 46 voisin du premier module 20.

De la même façon que pour le premier module 20, chaque broche 110 du composant supplémentaire 108 de contact avec la dernière plaque bipolaire 12 est de préférence rentrée en force dans la poche 84 respective.

La forme de chaque poche 84 guide avantageusement chaque broche 110 du composant supplémentaire 108 de contact avec la dernière plaque bipolaire 12 à l’intérieur de ladite poche 84.

La forme de chaque broche 110 du composant supplémentaire 108 de contact avec la dernière plaque bipolaire 12 favorise un contact électrique efficace et durable dans le temps entre le composant supplémentaire 108 et la plaque bipolaire 12.

Un tel agencement garantit un contact électrique solide et durable entre la broche 110 et la poche 84 respective, et par conséquent avec les deux plaques monopolaires 12’, 12’’ formant la poche 84.

Le contact électrique est notamment assuré indépendamment de la dilatation ou des vibrations qui peuvent se produire pendant la durée de vie de la pile à combustible 10, grâce à l’effet de ressort induit par les formes spécifiques des poches 108 et des broches 110.

Le procédé d’installation de modules de mesure 20 comprend l’assemblage d’un deuxième module 20 au premier module 20 et à des poches 84 formées par des plaques bipolaires 12 de la pile à combustible 10.

En particulier, le deuxième module 20 est fixé à l’axe pivot 44 et au rail de fixation 42 du cadre mécanique 40 de la même manière que le premier module 20.

En outre, l’organe de fixation mâle 30 du premier module 20 est connecté à l’organe de fixation femelle 32 du deuxième module 20, ou l’organe de fixation mâle 30 du deuxième module 20 est connecté à l’organe de fixation femelle 32 du premier module 20 selon la disposition des organes mâles et femelles sur chaque module 20.

Selon l’exemple représenté, l’organe de fixation mâle 30 est un ergot et l’organe de fixation femelle 32 est une rainure en arc de cercle, et l’ergot 30 pivote dans la rainure 32.

Les coques 26 de modules 20 lorsqu’elles sont assemblées entre elles au moyen de l’organe de fixation mâle 30 et de l’organe de fixation femelle 32, au rail de fixation 42 et à l’axe pivot 44, sont ainsi verrouillées en translation dans les directions transversale T et d’élévation Z, et en rotation.

L’assemblage des coques 26 des modules 20 entre elles permet l’automatisation du procédé ainsi qu’une économie de temps pour l’insertion des modules 20 sur l’empilement de plaques bipolaires 12.

Le premier module 20 et le deuxième module 20 sont connectés électriquement entre eux.

En particulier, la barrette 76 du deuxième module 20 est assemblée à la barrette 76 du premier module 20.

Pour ce faire, au moins l’un des ressorts à lame 80 de la barrette 76 du deuxième module 20 situé du côté transversal 34 orienté vers le premier module 20 entre avantageusement en contact avec l’au moins un des ressorts à lame 80 de la barrette 76 du premier module 20.

Le contact de la coque 26 du premier module 20 avec la coque 26 du deuxième module 20 engendre une compression des ressorts à lame 80 de chacune des barrettes 76.

En outre, chaque broche 90 du deuxième module 20 est reçue dans une poche formée par deux plaques monopolaires 12’, 12’’ de la pile à combustible 10.

En particulier, les dix broches 90 alignées du deuxième module 20 sont reçues dans dix poches 84 de dix plaques bipolaires 12, et la broche supplémentaire 95 est reçue dans la deuxième poche 84 de l’une des plaques bipolaires 12.

Il est ainsi possible de mesurer la tension des deux cellules 14 consécutives délimitées entre le premier module 20 et le deuxième module 20.

La fixation préalable du deuxième module 20 au premier module 20 et au cadre mécanique 40 assure que les broches 90 du deuxième module 20 sont reçues dans les poches 84 correspondantes.

A cet effet, chaque broche 90 du deuxième module 20 est de préférence rentrée en force dans la poche 84 respective.

La forme de chaque poche 84 guide avantageusement chaque broche 90 du deuxième module 20 à l’intérieur de ladite poche 84.

La forme de chaque broche 90 du deuxième module 20 favorise un contact électrique efficace et durable dans le temps entre le deuxième module 20 et chaque plaque bipolaire 12.

Un tel agencement garantit un contact électrique solide et durable entre la broche 90 et la poche 84 respective, et par conséquent avec les plaques monopolaires 12’, 12’’formant la poche 84.

Le contact électrique est notamment assuré indépendamment de la dilatation ou des vibrations qui peuvent se produire pendant la durée de vie de la pile à combustible 10, grâce à l’effet de ressort induit par les formes spécifiques des poches 84 et des broches 90.

Ainsi les calculateurs compris dans les modules 20 sont branchés directement aux cellules 14, sans besoin de câbles.

L’exemple représenté comprend deux modules 20, cependant la pile à combustible 10 n’est pas limitée à deux modules mais peut en comprendre davantage, par exemple dix modules 20 pour connecter deux-cent cellules 14.

Pour installer les modules suivants le cas échéant, le procédé détaillé ci-dessus d’installation du deuxième module 20 est répété le nombre de fois nécessaire.

Grâce au procédé selon l’invention, le montage est simple, aucun câble n’est utilisé pour connecter les modules 20 aux cellules 14 et les modules 20 entre eux. Il permet également avantageusement de ne pas utiliser de câbles pour connecter les modules 20 avec une carte mère.

Ainsi, la qualité des mesures est améliorée, permettant une analyse plus poussée par la suite.

Une fois installés, les modules 20 sont propres à déterminer des caractéristiques de diagnostic et de pronostic de l’empilement 11 de plaques bipolaires 12 grâce au calculateur qu’ils comprennent.

Par exemple, les caractéristiques comprennent un état de santé de l’empilement 11 de plaques bipolaires 12, la localisation d’une cellule 14 dans l’empilement de plaques bipolaires 12, la tension, l’impédance, l’alimentation des cellules 14 de la pile à combustible 10.

Les dix broches 90 alignées de chaque module 20, ainsi que le cas échéant la broche 110 du composant supplémentaire 108 de contact alignée avec les broches 90 des modules 20, permettent de mesurer entre deux broches 90, 110 consécutives la tension de deux cellules 14 consécutives.

La broche supplémentaire 95 de chaque module 20, ainsi que le cas échéant du composant supplémentaire 108 de contact, est configurée pour injecter un courant sinusoïdal dans la poche 84 dans laquelle elle est reçue, et permet ainsi de réaliser une mesure d’impédance sur le nombre de cellules 14 que chaque module 20 recouvre, en particulier vingt cellules 14 dans l’exemple représenté, quand la pile 10 est en fonctionnement.

En fonctionnement, la pile 10 présente un courant de sortie d’une valeur pouvant aller jusqu’à 500A, selon la technologie de l’empilement.

Le courant sinusoïdal injecté présente une fréquence comprise entre 500 Hz et 2 kHz.

Ce courant sinusoïdal injecté sur l’empilement 11 induit une réponse en tension de l’ordre de quelques mV. Cette tension est mesurable par un convertisseur analogique/numérique équipé d’un étage d’amplification.

Au sein du signal de tension mesuré, le module de mesure 20 isole la composante de tension ayant la même fréquence que le courant sinusoïdal injecté. L’impédance est alors calculée dans un module de mesure 20 comme le rapport de l’amplitude de cette composante de tension sur l’amplitude du courant sinusoïdal injecté.

Une valeur d’impédance est typiquement calculée toutes les secondes.

Chaque module 20 injecte un courant indépendamment des autres modules 20, ainsi la fréquence des courants injectés peut varier d’un module 20 à l’autre.

L’impédance mesurée est comprise entre 5 mΩ et 20 mΩ pour vingt cellules 14, de préférence environ 10 mΩ pour vingt cellules 14.

Une telle valeur est avantageusement faible, et une telle configuration permet des mesures modulaires d'impédance multifréquence, au lieu de réaliser une unique mesure d’impédance sur l’ensemble de l’empilement 11 de plaques bipolaires. La fiabilité est donc améliorée.

Grâce au procédé selon l’invention, le montage est simple, aucun câble n’est utilisé pour connecter les modules 20 aux cellules 14 et les modules 20 entre eux. Il permet également avantageusement de ne pas utiliser de câbles pour connecter les modules 20 avec une carte mère.

Ainsi, la qualité des mesures est améliorée, permettant une analyse plus poussée par la suite.

Claims (10)

1. Pile à combustible (10) comprenant un empilement (11) de plaques bipolaires (12) dans une direction d’empilement (L), chaque plaque bipolaire (12) étant elle-même formée par deux plaques monopolaires (12’, 12’’) superposées comprenant une plaque anode (12’) et une plaque cathode (12’’), deux plaques bipolaires (12) consécutives formant entre elles une cellule (14), la pile à combustible (10) comprenant en outre deux plaques terminales (16), de part et d’autre de l’empilement (11), et une pluralité de modules de mesure (20) reliés aux plaques bipolaires (12), chaque module de mesure (20) comprenant au moins un circuit imprimé (22) comportant un calculateur propre à déterminer des caractéristiques de diagnostic et de pronostic de l’empilement (11) de plaques bipolaires (12), dans laquelle les modules de mesure (20) sont au moins configurés pour mesurer une impédance de la pile (10) lorsque la pile (10) est en fonctionnement.
2. Pile à combustible (10) selon la revendication 1, dans laquelle chaque module de mesure (20) est branché à l’empilement (11) de plaques bipolaires (12) au moyen de broches (90) aptes à être insérées dans des poches (84) formées dans les plaques bipolaires (12), chaque module de mesure (20) comprenant une pluralité de broches (90) alignées et une broche supplémentaire (95) configurées pour réaliser une mesure d’impédance quatre fils par paquets du nombre de cellules (14) recouvertes par un module de mesure (20).
3. Pile à combustible (10) selon la revendication 2, dans laquelle les broches (90) alignées sont configurées par deux pour mesurer une tension de deux cellules (14) consécutives disposées entre lesdites deux broches (90) et la broche supplémentaire (95) de chaque module de mesure (20) est configurée pour injecter un courant sinusoïdal dans la poche (84) dans laquelle elle est reçue.
4. Pile à combustible (10) selon la revendication 3, dans laquelle le courant sinusoïdal présente une fréquence comprise entre 500 Hz et 2 kHz.
5. Pile à combustible (10) selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle chaque module de mesure (20) est configuré pour injecter un courant sinusoïdal dont la fréquence est fixée indépendamment des autres modules (20).
6. Pile à combustible (10) selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, dans laquelle chaque module de mesure (20) est configuré pour isoler une composante d’une tension de réponse induite sur l’empilement (11) de plaques bipolaires (12) par le courant sinusoïdal, cette composante ayant une fréquence identique à celle du courant sinusoïdal injecté, et pour calculer l’impédance de la pile à combustible (10) comme le rapport entre l’amplitude de la composante de tension isolée sur l’amplitude du courant sinusoïdal injecté.
7. Véhicule comprenant au moins une pile à combustible (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6.
8. Procédé d’utilisation d’une pile à combustible (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant une étape de mesure de l’impédance de la pile (10) en fonctionnement par les modules de mesure (20).
9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel chaque module de mesure (20) est branché à l’empilement (11) de plaques bipolaires (12) au moyen de broches (90, 95) insérées dans des poches (84) formées dans les plaques bipolaires (12), chaque module de mesure (20) comprenant une pluralité de broches (90) alignées et une broche supplémentaire (95) configurées pour réaliser une mesure d’impédance quatre fils par paquets du nombre de cellules (14) recouvertes par un module de mesure (20), dans lequel les broches (90) alignées sont configurées par deux pour mesurer une tension de deux cellules (14) consécutives disposées entre lesdites deux broches (90) et dans lequel la broche supplémentaire (95) de chaque module (20) est configurée pour injecter un courant sinusoïdal dans la poche (84) dans laquelle elle est reçue.
10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans lequel l’étape de mesure de l’impédance de la pile (10) en fonctionnement par les modules de mesure (20) consiste à mesurer une impédance comprise entre 5 mΩ et 20 mΩ pour vingt cellules (14).