FR3132175A1 - Pile à combustible présentant une connexion simplifiée entre plaques bipolaires et modules de mesure - Google Patents
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Abstract
Pile à combustible présentant une connexion simplifiée entre plaques bipolaires et modules de mesure
La pile (10) est formée par un empilement de plusieurs plaques bipolaires (12) dans une direction d’empilement (L), chaque plaque bipolaire (12) étant elle-même formée par deux plaques monopolaires (12’, 12’’), deux plaques bipolaires (12) consécutives délimitant entre elles une cellule (14), comprenant une pluralité de modules de mesure (18) des caractéristiques électriques des cellules (14), deux plaques monopolaires (12’, 12’’) successives formant ensemble au moins une poche (20) de réception chacune d’une broche (22) dudit module (18), chaque poche (20) étant conformée pour coopérer avec ladite broche (22), et chaque broche (22) du module (18) présentant une forme telle que la broche (22) exerce deux forces opposées sur une paroi (26) circonférentielle de la poche (20) une fois la broche (22) insérée dans la poche (20).
Figure pour l'abrégé : Figure 3
Description
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 peut comprendre une cellule unique ou une pluralité de cellules réalisées sous forme d’un empilement de plaques. Un empilement est ainsi constitué de plusieurs cellules individuelles reliées en série.
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.
Des piles à combustible connues formées par empilement de plusieurs cellules dans une direction d’empilement sont reliées à un module de détection de tension pour détecter une tension de pile au moyen de faisceaux maintenus par un harnais.
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.
On connaît également de WO 2007/085922 A1 une pile à combustible formée par empilement de plusieurs cellules dans une direction d'empilement, à laquelle un connecteur de détection de tension pour détecter une tension de pile est relié, comprenant des rainures en forme de canal ou des guides en saillie pour s'adapter avec et pour coulisser avec des guides en saillie ou des rainures en forme de canal formées dans le connecteur quand le connecteur est fixé à la pile à combustible.
Cependant, dans les assemblages connus de cellules et de modules, l’usure intervient au cours du temps, notamment du fait des contraintes mécaniques telles que les vibrations et la dilatation, et détériore le contact électrique entre les modules et les cellules. Le contact peut également être diminué lorsque les modules sont reliés aux cellules par des faisceaux.
Il existe donc un besoin pour une pile à combustible dans laquelle les contacts électriques entre modules et cellules sont davantage constants et persistent pendant la durée de vie de la pile.
A cet effet, la présente invention a pour objet une pile à combustible formée par un empilement de plusieurs 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 comprenant en outre deux plaques terminales de part et d’autre de l’empilement, une pluralité de modules de mesuredes caractéristiques électriques des cellules, chaque module comprenant un circuit imprimé comportant un calculateur propre à déterminer des caractéristiques de diagnostic et de pronostic de l’empilement de plaques bipolaires, dans laquelle deux plaques monopolaires successives forment ensemble au moins une poche de réception chacune d’une broche dudit module, chaque poche étant conformée pour coopérer avec ladite broche et présentant une paroi circonférentielle, et dans laquelle chaque broche du module présente une forme telle que la broche exerce deux forces opposées sur la paroi circonférentielle de la poche une fois la broche insérée dans la poche.
Suivant d’autres aspects avantageux de l’invention, la pile à combustible comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible :
- deux plaques monopolaires successives sont disposées dos à dos pour former l’au moins une poche ;
- chaque broche s’étend principalement suivant une première direction, et présente sur une portion une incision suivant ladite première direction séparant ladite portion en deux sous-portions de part et d’autre de l’incision, chaque sous-portion présentant un renflement dans une deuxième direction, la deuxième direction étant sensiblement perpendiculaire à la première direction ;
- chaque poche présente une extrémité ouverte où la paroi circonférentielle a une forme conique ;
- la paroi circonférentielle de chaque poche présente un estampage de sorte à former un passage de section réduite pour une broche ;
- deux plaques bipolaires successives sont empilées tête bêche de sorte que seule l’au moins une poche d’une plaque bipolaire sur deux affleure au voisinage des modules ;
- chaque plaque bipolaire forme exactement deux poches de réception d’une broche chacune ;
- chaque module comporte dix broches alignées configurées pour connecter dix poches de dix plaques bipolaires distinctes audit module, et une broche supplémentaire pour connecter la deuxième poche de l’une des dix plaques bipolaires audit module.
L’invention concerne également un véhicule comprenant au moins une pile à combustible selon l’invention.
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 de l’empilement de plaques bipolaires de la pile à combustible 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 ; et
- la représente une vue schématique d’une broche d’un module de mesure de la pile à combustible de la .
Sur la , 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 11 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.
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.
Afin de mesurer les caractéristiques électriques des cellules 14, des modules 18 de mesure des caractéristiques électriques des cellules 14 sont connectés à l’empilement 11 de plaques bipolaires 12.
Chaque module 18 comprend au moins un circuit imprimé, en particulier trois circuits imprimés comportant un calculateur propre à déterminer des caractéristiques de diagnostic et de pronostic de l’empilement 11 de plaques bipolaires 12.
Deux plaques monopolaires 12’, 12’’ successives sont avantageusement disposées dos à dos et forment entre elles au moins une poche 20 à une extrémité 21 de la plaque bipolaire 12 selon une direction d’élévation Z perpendiculaire à la direction d’empilement L.
Chaque poche 20 est configurée pour recevoir une broche 22 d’un module 18 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 20 d’une plaque bipolaire 12 sur deux affleure au voisinage des modules 18.
Selon l’exemple représenté, chaque plaque bipolaire 12 forme exactement deux poches 20 de réception d’une broche 22 chacune.
La deuxième poche 20 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 20 est conformée pour coopérer avec ladite broche 22.
Pour chaque poche 20, les deux plaques monopolaires 12’, 12’’ successives délimitent une paroi 26 circonférentielle de la poche 20 lorsqu’elles sont au contact l’une de l’autre.
De préférence, chaque poche 20 présente une extrémité ouverte 28 où la paroi 26 circonférentielle a une forme conique.
Une telle forme a l’avantage de guider la broche 22 d’un module 18 à l’intérieur de ladite poche 20.
Avantageusement, la paroi 26 circonférentielle de chaque poche 20 présente un estampage 30 de sorte à former un passage de section réduite pour une broche 22.
L’estampage 30 joue un rôle dans la rigidification de la poche 20, et permet d’assurer le contact électrique à l’intérieur de la poche 20 entre la broche 22 et la poche 20.
L’estampage 30 a également une fonction de blocage en profondeur de la broche 22 lorsqu’elle est insérée dans la poche 20, et permet d’éviter un perçage de ladite poche 20.
Chaque module 18 comporte avantageusement dix broches 22 alignées configurées pour connecter dix poches 20 audit module 18, soit vingt cellules 14, et une broche supplémentaire 25 pour connecter la deuxième poche 20 de l’une des vingt cellules 14, comme visible sur la .
Les dix broches 22 alignées permettent de mesurer entre deux broches 22 consécutives la tension de deux cellules 14 consécutives.
L’exemple représenté comprend deux modules 18, cependant la pile à combustible 10 n’est pas limitée à deux modules mais peut en comprendre davantage, par exemple dix modules 18 pour connecter deux-cent cellules 14.
La broche supplémentaire 25 est disposée sensiblement parallèlement à l’alignement de broches 20 et de préférence à une extrémité longitudinale du module 20.
La broche supplémentaire 25 est configurée pour injecter du courant dans la poche 20 dans laquelle elle est reçue, et permet ainsi de réaliser une mesure d’impédance sur vingt cellules 14.
Chaque broche 22, 25 du module 18 est également étudiée pour favoriser un contact électrique efficace et durable dans le temps entre le module 18 et chaque plaque bipolaire 12.
A cet effet, chaque broche 22, 25 du module 18 présente une forme telle que la broche 22, 25 exerce deux forces opposées sur la paroi 26 circonférentielle de la poche 20 une fois la broche 22, 25 insérée dans la poche 20.
Les broches 22, 25 d’un module 18 sont de préférence identiques.
Cela facilite la conception du module.
Comme cela est représenté sur la , chaque broche 22, 25 s’étend principalement suivant la direction d’élévation Z perpendiculaire à la direction d’empilement L, et présente sur une portion 34 une incision 36 suivant ladite première direction séparant ladite portion 34 en deux sous-portions 38 de part et d’autre de l’incision 36.
Chaque sous-portion 38 présente un renflement 40 dans une deuxième direction, en particulier la direction longitudinale L, la deuxième direction étant sensiblement perpendiculaire à la première direction. Les renflements 40 des deux sous-portions 38 s’étendent dans un sens opposé.
Ainsi, la broche 22, 25 est bombée au niveau des sous-portions 38, la rendant à la fois rigide et légèrement élastique. La connexion d’une broche 22, 25 dans une poche 20 nécessite de la rentrer en force. Cela garantit un contact électrique solide et durable entre la broche 22, 25 et la poche 22, 25 respective, et par conséquent avec les deux plaques monopolaires 12’, 12’’ formant la poche 20, et ce sans l’utilisation de câbles entre les poches 20 et les broches 22,25.
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 20 et des broches 22, 25.
Claims (9)
- Pile à combustible (10) formée par un empilement de plusieurs 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 (10) comprenant en outre deux plaques terminales (16) de part et d’autre de l’empilement (11), une pluralité de modules de mesure (18)des caractéristiques électriques des cellules (14), chaque module (18) comprenant un circuit imprimé comportant un calculateur propre à déterminer des caractéristiques de diagnostic et de pronostic de l’empilement (11) de plaques bipolaires (12), caractérisée en ce que deux plaques monopolaires (12’, 12’’) successives forment ensemble au moins une poche (20) de réception chacune d’une broche (22) dudit module (18), chaque poche (20) étant conformée pour coopérer avec ladite broche (22) et présentant une paroi (26) circonférentielle, et dans laquelle chaque broche (22) du module (18) présente une forme telle que la broche (22) exerce deux forces opposées sur la paroi (26) circonférentielle de la poche (20) une fois la broche (22) insérée dans la poche (20).
- Pile à combustible (10) selon la revendication 1, dans laquelle deux plaques monopolaires (12) successives sont disposées dos à dos pour former l’au moins une poche (20).
- Pile à combustible (10) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle chaque broche (22) s’étend principalement suivant une première direction (Z), et présente sur une portion (34) une incision (36) suivant ladite première direction (Z) séparant ladite portion (34) en deux sous-portions (38) de part et d’autre de l’incision (36), chaque sous-portion (38) présentant un renflement dans une deuxième direction (L), la deuxième direction (L) étant sensiblement perpendiculaire à la première direction (Z).
- Pile à combustible (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle chaque poche (20) présente une extrémité ouverte (28) où la paroi (26) circonférentielle a une forme conique.
- Pile à combustible (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la paroi (26) circonférentielle de chaque poche (20) présente un estampage (30) de sorte à former un passage de section réduite pour une broche (22).
- Pile à combustible (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle deux plaques bipolaires (12) successives sont empilées tête bêche de sorte que seule l’au moins une poche (20) d’une plaque bipolaire (12) sur deux affleure au voisinage des modules (18).
- Pile à combustible (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle chaque plaque bipolaire (12) forme exactement deux poches (20) de réception d’une broche (22) chacune.
- Pile à combustible (10) selon la revendication 7, dans laquelle chaque module (18) comporte dix broches (22) alignées configurées pour connecter dix poches (20) de dix plaques bipolaires (12) distinctes audit module (18), et une broche supplémentaire (25) pour connecter la deuxième poche (20) de l’une des dix plaques bipolaires (12) audit module (18).
- Véhicule comprenant au moins une pile à combustible (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
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