FR3132392A1

FR3132392A1 - Assemblage membrane-électrode de pile à combustible, procédé de fabrication d’un tel assemblage et pile à combustible comprenant au moins un tel assemblage

Info

Publication number: FR3132392A1
Application number: FR2211007A
Authority: FR
Inventors: Olivier Joye
Original assignee: Symbio SAS
Current assignee: Symbio SAS
Priority date: 2022-07-25
Filing date: 2022-10-24
Publication date: 2023-08-04
Also published as: FR3132394A3; FR3132394B3

Abstract

TITRE : Assemblage membrane-électrode de pile à combustible, procédé de fabrication d’un tel assemblage et pile à combustible comprenant au moins un tel assemblage Cet assemblage membrane-électrode (2) de pile à combustible comprend une membrane (22, 25), un cadre (30) supportant la membrane au moins une couche de diffusion (28) recouvrant la membrane et une partie du cadre. Le cadre comprend un premier demi-cadre (32) et un deuxième demi-cadre (34) supportant la membrane et disposé sur deux côtés opposés de la membrane. Au moins le deuxième demi-cadre est enduit, sur une surface (S34) en regard du premier demi-cadre, d’une couche de colle. Des premiers orifices (42) aménagés à travers le premier demi-cadre (32) sont disposés en regard de la couche de diffusion (28), selon une direction (A30) perpendiculaire à un plan principal de la membrane (π22). La couche de diffusion (28) est solidarisée au cadre (30) par une quantité (Q2) de colle qui s’étend à travers les premiers orifices (42) et qui provient de la colle enduite sur la surface en regard (S34) du deuxième demi-cadre (34). Figure pour l'abrégé : 3

Description

Assemblage membrane-électrode de pile à combustible, procédé de fabrication d’un tel assemblage et pile à combustible comprenant au moins un tel assemblage

La présente invention concerne un assemblage membrane-électrode de pile à combustible. L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un assemblage membrane-électrode de pile à combustible, ainsi qu’une pile à combustible comprenant au moins un tel assemblage membrane-électrode.

Dans le domaine des piles à combustible, il est connu d’insérer un empilement de cellules électrochimiques entre deux plaques terminales, situées de part et d’autre de cet empilement dans une direction d’empilement, et éventuellement de disposer cet empilement dans un carter. Les cellules électrochimiques sont formées par des assemblages membrane-électrode et des plaques bipolaires. Un assemblage membrane-électrode est parfois dénommé MEA, de l’Anglais « Membrane-Electrode Assembly », et comprend généralement une membrane de base, qui peut être revêtue sur l’une ou sur ses deux faces, d’une couche catalytique comprenant un catalyseur, ainsi qu’un cadre qui supporte cette membrane. Le cadre peut comporter des ouvertures qui, dans l’empilement, définissent des galeries d’écoulement de fluide au sein de l’empilement de cellules électrochimiques pour distribution et récupération de ces fluides dans les compartiments fluidiques correspondants de chaque cellule. Ce cadre est le plus souvent associé à au moins un joint, parfois dénommé « gasket », avec lequel il assure également une fonction d’étanchéité à l’écoulement des fluides au sein de l’empilement.

La membrane, lorsqu’elle est revêtue de couches comprenant un catalyseur, est parfois dénommée CCM, de l’Anglais « Catalyst Coated Membrane » et comprend dans ce cas trois couches à savoir, une membrane proprement dite, une couche catalytique côté anode et une couche catalytique côté cathode.

Dans l’empilement, un assemblage membrane-électrode est intercalé entre deux plaques bipolaires et délimite ainsi un compartiment anodique et un compartiment cathodique. De chaque côté, la membrane revêtue de catalyseur est recouverte par une couche de diffusion de gaz qui est donc reçue dans le compartiment anodique ou cathodique correspondant et favorise la mise en contact de la ou les espèces chimiques, présentes dans le compartiment anodique ou cathodique correspondant, avec la membrane. Chaque couche de diffusion de gaz a aussi un rôle de conduction des électrons. Ces couches de diffusion sont parfois dénommées GDL, de l’Anglais « Gas Diffusion Layer ».

Il est connu de fabriquer un assemblage membrane-électrode en rapportant la membrane revêtue de catalyseur sur le cadre, ce qui permet notamment de rigidifier cette membrane et d’en faciliter la manipulation. Ceci a lieu en collant de manière étanche la membrane sur le cadre.

Une fois cette opération réalisée, il est connu d’immobiliser, sur la membrane et le cadre préassemblés, la ou les couches de diffusion, lors d’une opération supplémentaire et au moyen d’une autre colle. Cette immobilisation est avantageuse pour que les couches de diffusion de gaz soient maintenues en place au moins lors de la constitution de l’empilement de cellules électrochimiques, parfois dénommée « stackage ». Cette opération supplémentaire prend du temps et nécessite l’application de colle sur la couche de diffusion ou sur le cadre. En pratique, ceci rallonge et surenchérit le coût de fabrication d’une pile à combustible.

Il est connu de WO-A-2018/055567 d’utiliser une grille pour la diffusion de colle au sein d’un assemblage membrane-électrode. Une couche de diffusion est rapportée et collée sur une partie de l’assemblage préconstitué.

Il est également connu de US-B-11056694 de réaliser un assemblage membrane-électrode sur une plaque bipolaire, avec une couche de diffusion montée bord à bord avec un cadre, la couche de diffusion étant soudée point par point sur une surface interne du cadre périphérique. Une telle opération requiert des manœuvres précises et prend du temps.

En outre, dans les matériels connus, la colle utilisée pour fixer la couche de diffusion sur le cadre risque de s’étaler par capillarité. Pour éviter qu’elle ne déborde de la couche de diffusion, au risque de polluer une cellule électrochimique, et/ou au risque de polluer le joint d’étanchéité, il est nécessaire de prévoir un recouvrement relativement large du cadre par la couche de diffusion. Ceci tend à réduire la surface utile de la membrane, sauf à élargir les dimensions transversales d’un empilement de cellules, ce qui augmente l’encombrement d’une pile à combustible comprenant un tel empilement.

C’est à ces inconvénients qu’entend plus particulièrement remédier l’invention en proposant un nouvel assemblage membrane-électrode pour une pile à combustible dont la fabrication peut être simplifiée et dont le prix de revient peut être diminué par rapport aux matériels antérieurs.

À cet effet, l’invention concerne un assemblage membrane-électrode de pile à combustible, cet assemblage comprenant une membrane, un cadre, supportant la membrane, et au moins une couche de diffusion recouvrant la membrane et une partie du cadre. Le cadre est bipartite et comprend un premier demi-cadre supportant la membrane et disposé sur un premier côté de la membrane, ainsi qu’un deuxième demi-cadre supportant la membrane et disposé sur un deuxième côté de la membrane. Au moins le deuxième demi-cadre est enduit, sur une surface en regard du premier demi-cadre, d’une couche de colle pour la solidarisation des demi-cadres.

Conformément à l’invention, des premiers orifices ménagés à travers le premier demi-cadre sont disposés en regard de la couche de diffusion, selon une direction perpendiculaire à un plan principal de la membrane. En outre, la couche de diffusion est solidarisée au cadre par une quantité de colle qui s’étend à travers les premiers orifices et qui provient de la colle enduite sur la surface en regard du deuxième demi-cadre.

Grace à l’invention, une colle enduite sur une surface du deuxième demi-cadre peut migrer à travers les premiers orifices ménagés à travers le premier demi-cadre, ce qui a pour conséquence de solidariser la couche de diffusion sur le côté du premier demi-cadre opposé au deuxième demi-cadre, sans avoir à utiliser une colle supplémentaire. La fabrication de l’assemblage membrane-électrode est ainsi simplifiée et son prix de revient est bien maitrisé.

Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l’invention, un tel assemblage membrane-électrode peut incorporer une ou plusieurs caractéristiques suivantes, prises selon toutes combinaisons techniquement admissibles :

- L’assemblage membrane-électrode comprend une première couche de diffusion disposée sur un premier côté de la membrane et qui recouvre partiellement le premier demi-cadre et une deuxième couche de diffusion disposée sur un deuxième côté de la membrane et qui recouvre partiellement le deuxième demi-cadre, alors que la deuxième couche de diffusion est solidarisée au cadre par une deuxième quantité de colle qui s’étend à travers des deuxièmes orifices aménagés à travers le deuxième demi-cadre et qui provient de la colle enduite sur la surface en regard du premier demi-cadre.

- Les premiers et deuxièmes orifices sont décalés les uns par rapport aux autres selon au moins une direction parallèle à un plan principal de la membrane, de sorte qu’il n’existe pas de superposition entre ces orifices.

- Chaque orifice aménagé à travers un demi-cadre présente une section dont l’aire est inférieure ou égale à 50 mm², de préférence à 20 mm², avec une forme préférentiellement circulaire, rectangulaire ou oblongue.

- Chaque orifice aménagé à travers un demi-cadre présente une section dont l’aire est supérieure ou égale à 5 mm², de préférence à 10 mm², avec une forme préférentiellement circulaire, rectangulaire ou oblongue.

- La colle est thermo-activable et à base de polymère thermoplastique, notamment de copolymère EVA.

- Une bande de recouvrement du cadre par la couche de diffusion présente une largeur comprise dans la gamme allant de 4 à 15 mmm, de préférence dans la gamme allant de 5 à 10 mm.

Selon un autre aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un assemblage membrane-électrode, notamment un assemblage membrane-électrode tel que mentionné ci-dessus. Ce procédé comprend une étape préalable d’enduction d’ une première surface d’au moins le deuxième demi-cadre avec une colle, une étape de solidarisation du cadre et de la membrane, par application de la première surface du deuxième demi-cadre, enduite de colle, contre une première surface du premier demi-cadre, et une étape de dépôt la couche de diffusion sur une deuxième surface du premier demi-cadre, opposée à la première surface de ce demi-cadre qui est en regard de la première surface du deuxième-demi cadre. Conformément à l’invention, ce procédé comprend une étape de solidarisation de la couche de diffusion et du cadre par adhésion de la colle, enduite sur la première surface du deuxième demi-cadre, sur une surface de la couche de diffusion, à travers des premiers orifices ménagés à travers le premier demi-cadre cadre, entre ses première et deuxième surfaces.

De façon avantageuse, ce procédé peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises selon toutes combinaisons techniquement admissibles :

- L’assemblage membrane-électrode comprend une première couche de diffusion, disposée sur le premier côté de la membrane et qui recouvre partiellement le premier demi-cadre, et une deuxième couche de diffusion, disposée sur le deuxième côté de la membrane et qui recouvre partiellement le deuxième demi-cadre. L’étape préalable est une étape d’enduction des premières surfaces des premier et deuxième demi-cadres avec une colle. Lors de l’étape de solidarisation, la première couche de diffusion est solidarisée au cadre par adhésion de la colle, enduite sur la première surface du deuxième demi-cadre, vers une surface de la première couche de diffusion, à travers des premiers orifices aménagés à travers le premier demi-cadre, entre ses première et deuxième surfaces, alors que la deuxième couche de diffusion est solidarisée au cadre par adhésion de la colle, enduite sur la première surface du premier demi-cadre, sur une surface de la deuxième couche de diffusion, à travers des premiers orifices aménagés à travers le deuxième demi-cadre, entre ses première et deuxième surfaces.

- L’adhésion de la colle, enduite sur la première surface, sur la surface de la couche de diffusion résulte de la migration de la colle, de la première surface vers la surface de la couche de diffusion

- L’étape de solidarisation comprend une sous-étape de pressage, une sous étape de chauffage et/ou une sous-étape de mise en vibration pour la migration de la colle à travers les orifices ménagés à travers le ou les demi-cadre.

- L’étape de solidarisation du cadre et de la membrane et l’étape de solidarisation de la couche de diffusion sur le demi-cadre correspondant, par adhésion de la colle enduite sur la première surface de l’autre demi-cadre, sont simultanées.

- L’étape de solidarisation de la couche de diffusion sur le demi-cadre correspondant, par adhésion de la colle, enduite sur la première surface de l’autre demi-cadre, est effectuée en soumettant cette colle à des ultrasons.

Selon un troisième aspect, l’invention concerne une pile à combustible qui comprend au moins un empilement de cellules électrochimiques formé par des assemblages membrane-électrode et des plaques bipolaires. Conformément à l’invention, l’un au moins des assemblages membrane-électrode est tel que mentionné ci-dessus ou fabriqué par le procédé mentionné ci-dessus et, de préférence, tous les assemblages membrane-électrode sont tels que mentionné ci-dessus ou fabriqués par le procédé mentionné ci-dessus.

L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages de celle-ci apparaitront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d’un mode de réalisation d’un assemblage membrane-électrode, d’un procédé et d’une pile à combustible conformes à son principe, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :

La est une vue en perspective partiellement éclatée d’un assemblage membrane-électrode conforme à l’invention et d’une plaque bipolaire, cet assemblage et cette plaque bipolaire appartenant à un empilement de cellules électrochimiques d’une pile à combustible ;
La est une vue de face de l’assemblage membrane-électrode représenté à la ;
La est une coupe longitudinale de l’assemblage, selon la ligne III-III à la ;
La est une vue en perspective éclatée de l’assemblage des figures 2 et 3 ; et
La est une coupe partielle de principe, dans le sens des flèches V à la , d’un empilement de cellules électrochimiques d’une pile à combustible selon l’invention, cet empilement n’étant pas en configuration éclatée, à la différence de ce qui est représenté à la .

Afin de bien montrer les caractéristiques de l’invention, les proportions ne sont pas forcément respectées entre les objets représentés sur les figures.

Un assemblage membrane-électrode 2 est représenté de façon partiellement éclatée à la , au-dessus d’une plaque bipolaire 4. Les éléments 2 et 4 appartiennent à un empilement 6 de cellules électrochimiques 60, cet empilement constituant une partie d’une pile à combustible 8 partiellement représentée à la .

On note A2 un axe longitudinal de l’assemblage membrane-électrode 2.

L’assemblage membrane-électrode 2 peut être dénommé MEA et comprend une membrane de base 22 qui, dans l’exemple qui va être décrit, est revêtue de catalyseur. Plus précisément, la membrane de base 22 est une membrane polymère échangeuse de protons. La membrane de base 22 est donc, dans l’exemple, revêtue, sur un premier côté orienté vers le haut aux figures 3 et 4, d’une première couche catalytique 23 formant cathode et, sur un deuxième côté opposé au premier côté et orienté vers le bas à la , d’une deuxième couche catalytique 24 formant anode. La membrane 22 et les couches catalytiques 23 et 24 forment ensemble une membrane revêtue de catalyseur, autrement dénommée CCM. Dans la suite de la présente description, cette membrane revêtue de catalyseur 25 est dénommée membrane CCM.

Ici, la membrane de base 22 est réalisée en matériau polymère, notamment du type NAFION™,et présente une épaisseur de l’ordre de 0,005 à 0,050 mm, de préférence 0,008 à 0,015 mm. Les couches actives 23 et 24 sont réalisées à partir d’une base de platine et présentent chacune une épaisseur de l’ordre de 0,001 à 0,010 mm, de préférence 0,002 à 0,005 mm.

L’épaisseur de la membrane CCM 25 est, de préférence, compris entre 0,010 et 0,050 mm, de préférence de l’ordre de 0,017 mm.

On note π22 un plan médian de la membrane de base 22, qui est également un plan médian de la membrane CCM 25. L’axe longitudinal A2 est inclus dans le plan médian π22.

La membrane CCM 25 est montée sur un cadre 30 constitué de deux demi-cadres 32 et 34 qui sont destinés à venir en appui plan l’un contre l’autre qui sont, par exemple, réalisés en film polymère, par exemple en poly(téréphtalate d'éthylène) ou PET ou en poly(naphtalate d'éthylène) ou PEN.

On note π30 un plan d’appui des deux demi-cadres 32 et 34 l’un contre l’autre. Le plan π30 est également un plan médian du cadre 30 et il inclut l’axe longitudinal A2. Les deux demi-cadres 32 et 34 sont configurés pour emprisonner entre eux un bord périphérique 22a de la membrane 22 lorsqu’ils sont en appui l’un contre l’autre suivant le plan π30. Dans cette configuration, les demi-cadres 32 et 34 forment une zone appelée aussi « chevauchement » entre la membrane 22 et les deux demi-cadres 32, 34, chevauchement qui, le long de chaque bord longitudinal ou chaque bord transversal du cadre, présente une largeur par exemple incluse dans la gamme allant de 1 à 5 mm, préférentiellement dans la gamme allant de 2 à 4 mm.

Le demi-cadre 32 est disposé sur un premier côté de la membrane CCM 25, dans l’exemple au-dessus de la membrane à la , alors que le demi-cadre 34 est disposé sur un deuxième côté de la membrane CCM 25, dans l’exemple au-dessous de la membrane à la . Ceci a pour effet d’immobiliser la membrane 22, c’est-à-dire en pratique la membrane CCM 25, en la pinçant entre les demi-cadres 32 et 34, au sein du cadre 30.

Avantageusement, l’épaisseur de chacun des demi-cadres 32 et 34 est comprise entre 0,020 et 0,030 mm, de préférence, de l’ordre de 0,025 mm.

Le cadre permet de rigidifier la membrane CCM 25 et de la maintenir en position au sein de l’empilement 60.

En pratique, les demi-cadres 32 et 34 sont collés l’un contre l’autre au niveau du plan d’appui π30, au moyen d’une colle.

On note S32 la surface du demi-cadre 32 tourné vers le demi-cadre 34. On note S34 la surface du demi-cadre 34 tourné vers le demi-cadre 32. En configuration montée du cadre 30 autour de la membrane 22, les surfaces S32 et S34 sont en contact l’une contre l’autre, alignées sur le plan π30 et collées l’une à l’autre au moyen de la colle.

Dans cette configuration, le plan médian π22 de la membrane 22 est également aligné sur le plan π30.

La colle utilisée pour assembler les demi-cadres 32 et 34 est de préférence une colle thermo-activable à base de polymère thermoplastique, par exemple une colle à base de copolymère EVA, telle que la colle commercialisée sous la référence AP12 par la société Addev Materials.

Avantageusement, l’épaisseur de la colle déposée sur la surface S32 ou S34 de chacun des cadres est comprise entre 0,01 à 0,02 mm, de préférence, de l’ordre de 0,013 mm.

Avantageusement, l’assemblage des deux demi-cadres 32 et 34, en emprisonnant les bords de la membrane 25, est effectué en activant la colle par application d’ultrasons. Typiquement, l’assemblage des deux demi-cadres 32 et 34 emprisonnant la membrane 25 est serré entre une sonotrode et une enclume, et les ultrasons transmis par la sonotrode aux deux demi-cadres 32 et 34 assurent l’activation de la colle, donc le collage des deux demi-cadres 32 et 34 entre eux et, dans la zone de chevauchement, le collage des deux demi-cadres 32 et 34 avec la membrane. De manière conventionnelle, l’application d’ultrasons peut est mise en œuvre notamment au moyen d’une sonotrode striée, telle que celles connues par exemple de US-B-10981245 ou de US-A-2013/213552. Typiquement, comme illustré dans US-A-2013/213552, le striage peut par exemple être formé de deux ou trois réseaux de gorges formées à la surface de la sonotrode, chaque réseau comportant des gorges parallèles entre elles selon une direction spécifique à chaque réseau. Les gorges des réseaux délimitent ainsi entre elles des picots en saillie qui sont les zones de contact privilégiées avec le cadre lors de l’application des ultrasons. On note que l’utilisation d’une sonotrode striée peut former, à la surface au moins du demi-cadre avec lequel la sonotrode est en contact, une texturation de la surface du demi-cadre qui est sensiblement l’image en inversé du striage de la sonotrode. Cette texturation peut présenter une profondeur inférieure à la profondeur du striage de la sonotrode. La sonotrode peut être striée sur toute sa surface en contact avec les deux demi-cadres 32 et 34, ou sur une partie seulement de sa surface. De préférence, l’intégralité de la surface des deux demi-cadres 32 et 34 est assemblée par ultrasons. Autrement dit la zone de collage des deux demi-cadres, qui correspond à la zone où sont appliqués les ultrasons, correspond alors à l’intégralité de la superficie du cadre 30. Dans la zone de chevauchement du cadre 30 avec la membrane 25, les ultrasons provoquent l’assemblage par collage de chacun des deux demi-cadres 32 et 34 sur la face correspondante de la membrane. De préférence, il est évité que la sonotrode vienne en contact avec la membrane 25 à l’intérieur de la fenêtre délimitée à l’intérieur de chaque demi-cadre, pour éviter de chauffer et de comprimer la membrane 25 dans sa partie réellement active qui sera exposée aux réactifs. La sonotrode mise en œuvre peut être en forme de cadre, permettant éventuellement l’assemblage complet du cadre 30 sur la membrane 25 en une seule opération. Alternativement, on peut prévoir la mise en œuvre d’une sonotrode ne couvrant qu’une partie de la zone de collage souhaitée, l’assemblage complet du cadre 30 sur la membrane 25 pouvant alors s’effectuer en plusieurs opérations successives. Alternativement, on peut prévoir la mise en œuvre de plusieurs sonotrodes ne couvrant chacune qu’une partie de la zone de collage, l’assemblage complet du cadre 30 sur la membrane 25 pouvant alors s’effectuer en une seule opération pour toutes les sonotrodes simultanément, ou en plusieurs opérations successives avec une ou plusieurs sonotrodes mises en œuvre à chaque opération.

Avantageusement, le cadre 30 définit des ouvertures 36 destinées à former des galeries de circulation et de distribution/collecte de fluide au sein de l’empilement 6, lorsque plusieurs cadres sont juxtaposés au sein de l’empilement 60, selon une direction perpendiculaire à leurs plans médians π30.

En variante, notamment dans le cas d’une pile à combustible dite avec « manifolds externes », le cadre est dépourvu d’ouvertures du type des ouvertures 36.

On note A30 un axe perpendiculaire au plan π30 et passant par le centre géométrique du cadre 30. L’axe A30 est perpendiculaire à la membrane de base 22, ainsi qu’à la membrane CCM 25, donc à leur plan médian π22.

Les ouvertures 36 sont constituées en alignant, selon des directions parallèles à l’axe A30, des ouvertures individuelles 36₂et 36₄formées respectivement dans les demi-cadres 32 et 34.

Au sein de l’empilement 6, les axes A30 des différents cadres 30 sont confondus et les cadres 30 sont orientés autour de cet axe de façon à ce que les ouvertures 36 constituent ensemble des galeries de circulation et de distribution/collecte de fluide, notamment d’hydrogène, d’air ou de fluide caloporteur, au sein de l’empilement 60.

La plaque bipolaire 4 est équipée d’ouvertures 46 de même géométrie que les ouvertures 36 et qui participent également à la définition de ces galeries.

La géométrie des ouvertures 36 aux figures 1, d’une part, et 2 et 3, d’autre part, est différente, compte-tenu du caractère schématique de ces figures. En pratique, cette géométrie résulte d’un choix de conception du cadre 30 et de la plaque bipolaire 4.

On note respectivement 32A et 32B les extrémités longitudinales du demi-cadre 32. On note respectivement 34A et 34B les extrémités longitudinales du demi-cadre 34.

On note respectivement A32 et A34 un axe longitudinal du demi-cadre 32 et un axe longitudinal du demi-cadre 34. En configuration montée de l’assemblage membrane-électrode 2, les axes A2, A32 et A34 sont parallèles et, de préférence quasi-confondus, à l’épaisseur près des demi-cadres.

On note respectivement P32 et P34 des points d’intersection entre les axes A30 et A32, d’une part, et entre les axes A30 et A34, d’autre part.

Les demi-cadres 32 et 34 définissent chacun une ouverture centrale 32C respectivement 34C qui les traverse de part en part et en regard desquels est disposée la membrane CCM 25 en configuration montée de cette membrane sur le cadre 30. Les ouvertures centrales des demi-cadres sont donc délimitées par des bords internes des demi-cadres. La réunion des ouvertures centrales 32C et 34C définit une ouverture centrale 30C du cadre 30, qui est obturée par la membrane CCM en configuration montée de l’assemblage membrane-électrode 2. Les demi-cadres 32 et 34, et donc le cadre 30 qu’ils constituent, présentent un contour fermé autour de l’ouverture centrale correspondante.

L’assemblage membrane-électrode 2 comprend également une première couche de diffusion de gaz 28et une deuxième couche de diffusion de gaz 29 qui ont pour fonction de favoriser les échanges entre la membrane CCM 25 et les fluides circulant entre les deux plaques bipolaires 4 d’une cellule électrochimique 60 à laquelle appartient cet assemblage membrane-électrode.

Les couches de diffusion 28 et 29 peuvent être dénommées GDL. Elles appartiennent également à l’assemblage membrane-électrode. Avantageusement, leur épaisseur est comprise entre 0,100 et 0,320 mm, de préférence de l’ordre de 0,250 mm.

En configuration montée de l’assemblage membrane-électrode 2, les couches de diffusion 28 et 29 recouvrent la membrane CCM 25 et une partie du cadre 30, au voisinage de l’ouverture centrale 30C.

On note respectivement S28 une surface de la couche de diffusion 28 tournée vers la membrane CCM 25 en configuration montée de l’assemblage membrane-électrode 2 et S29 une surface de la couche de diffusion 29 tournée vers la membrane CCM 25 en configuration montée de l’assemblage membrane-électrode 2. Les surfaces S28 et S29 se font face à travers l’ouverture centrale 30C et la membrane CCM 25.

Lors de la fabrication de l’empilement 6, les couches de diffusion 28 et 29 sont rapportées sur le cadre 30, de part et d’autre de la membrane CCM 25.

Pour permettre l’immobilisation des couches de diffusion 28 et 29 sur le cadre 30 équipé de la membrane CCM 25, chacun des demi-cadres 32 et 34 est équipé d’orifices 42, respectivement 44, qui sont disposés de part et d’autre de son ouverture 32C ou 34C, selon son axe longitudinal A32 ou A34, et qui sont destinés à être recouverts par l’une des couches de diffusion 28 ou 29 en configuration montée de l’assemblage membrane-électrode. En configuration montée de l’assemblage membrane-électrode, les orifices 42 et 44 sont disposés en regard des couches de diffusion 28 et 29, selon une direction parallèle à l’axe A30, c’est-à-dire selon une direction perpendiculaire aux plans π22 et π30.

Dans l’exemple, les orifices 42 et 44 ont la même géométrie, comme représenté sur les figures. Cependant, on pourrait prévoir qu’un ou plusieurs des orifices d’un demi-cadre ait une géométrie différente de celle des autres orifices de ce demi-cadre, et/ou prévoir que qu’un ou plusieurs des orifices d’un demi-cadre ait une géométrie différente de celle d’un ou plusieurs orifices de l’autre demi-cadre.

Le demi-cadre 32 comprend deux rangées de trois orifices 42 qui s’étendent respectivement à proximité des extrémités 32A et 32B du demi-cadre 32 et qui relient la surface S32 du demi-cadre 32 à une surface S’32 du demi-cadre 32 qui est opposée à la surface S32 et sur laquelle vient en appui la surface S28 de la couche de diffusion 28. Les orifices 42 traversent donc l’épaisseur du demi-cadre 32.

De la même façon, le demi-cadre 34 comprend deux rangées de trois orifices 44 qui s’étendent respectivement à proximité des extrémités 34A et 34B du demi-cadre 34 et qui relient la surface S34 du demi-cadre 34 à une surface S’34 du demi-cadre 34 qui est opposée à la surface S34 et sur laquelle vient en appui la surface S29 de la couche de diffusion 29. Les orifices 44 traversent donc l’épaisseur du demi-cadre 34.

On note 32D1 et 32D2 les bords transversaux de l’ouverture centrale 32C du demi-cadre 32, chaque bord transversal étant perpendiculaire à l’axe A32. On note 34D1 et 34D2 les bords transversaux de l’ouverture centrale 34C du demi-cadre 34, chaque bord transversal étant perpendiculaire à l’axe A34. Les bords transversaux 34D1 et 34D2 sont respectivement alignés avec les bords transversaux 32D1 et 32D2, selon une direction parallèle à l’axe A30, et constituent avec eux les bords transversaux 30D1 et 30D2 de l’ouverture centrale 30C.

On note 32E1 et 32E2 les bords longitudinaux de l’ouverture centrale 32C du demi-cadre 32, chaque bord longitudinal étant parallèle à l’axe A32. On note 34E1 et 34E2 les bords longitudinaux de l’ouverture centrale 34C du demi-cadre 34, chaque bord longitudinal étant parallèle à l’axe A34. Les bords longitudinaux 34E1 et 34E2 sont respectivement alignés avec les bords longitudinaux 32E1 et 32E2, selon une direction parallèle à l’axe A30, et constituent avec eux les bords longitudinaux 30E1 et 30E2 de l’ouverture centrale 30C.

On peut envisager différentes dispositions pour les orifices 42, 44. Dans l’exemple illustré, comme cela ressort des figures 2 et 4, les orifices 42 et 44 situés le long d’un même bord transversal 30D1 ou 30D2 sont décalés transversalement les uns par rapport aux autres dans le plan π30. Plus précisément, dans le plan π30 et le long de l’un des bords transversaux 30D1 et 30D2, les orifices 42 appartenant à l’un des demi-cadre 32 sont situés à des distances de l’axe A2 qui sont différentes des distances par rapport à cet axe auxquelles sont situés chacun des orifices 44 appartenant l’autre demi-cadre 34 et situés le long du même bord, ces distances étant mesurées dans le plan π30, perpendiculairement à l’axe A2.

Trois orifices 42 aménagés à travers le premier demi-cadre 32 sont répartis le long du premier bord transversal 32D1. Parmi ces trois orifices, un premier orifice 42₁₁est situé à proximité du premier bord longitudinal 32E1, un deuxième orifice 42₁₂est situé à proximité du deuxième bord longitudinal 32E2 et un troisième orifice 42₁₃est situé à mi-distance des orifices 42₁₁et 42₁₂, à proximité de l’axe A2. Trois autres orifices 42 aménagés également à travers le premier demi-cadre 32 sont répartis le long du deuxième bord transversal 32D2. Parmi ces trois orifices, un premier orifice 42₂ ₁est situé à proximité du deuxième bord longitudinal 32E2, un deuxième orifice 42₂ ₂est situé à proximité du premier bord longitudinal 32E1 et un troisième orifice 42₂ ₃est situé à mi-distance des orifices 42₂ ₁et 42₂ ₂, à proximité de l’axe A2.

Trois orifices 44 aménagés à travers le deuxième demi-cadre 34 sont répartis le long du premier bord transversal 34D1. Parmi ces trois orifices, un premier orifice 44₁₁est situé à proximité du premier bord longitudinal 34E1, un deuxième orifice 44₁₂est situé à proximité du deuxième bord longitudinal 34E2 et un troisième orifice 44₁₃est situé à mi-distance des orifices 44₁₁et 44₁₂, à proximité de l’axe A2. Trois autres orifices 44 aménagés également à travers le deuxième demi-cadre 34 sont répartis le long du deuxième bord transversal 34D2. Parmi ces trois orifices, un premier orifice 44₂ ₁est situé à proximité du deuxième bord longitudinal 34E2, un deuxième orifice 44₂ ₂est situé à proximité du premier bord longitudinal 34E1 et un troisième orifice 44₂ ₃est situé à mi-distance des orifices 44₂ ₁et 44₂ ₂, à proximité de l’axe A2.

La distance d₂₁₁entre le premier bord longitudinal 32E1 du demi-cadre 32 et l’orifice 42₁₁est strictement supérieur à la distance d₄₁₁entre le premier bord longitudinal 34E1 du demi-cadre 34 et l’orifice 44₁₁. En pratique la distance d₂₁₁est supérieure à la distance d₄₁₁ de plus de deux fois le rayon des orifices 42₁₁ et44₁ ₁, de sorte qu’il n’existe pas de superposition, selon une direction parallèle à l’axe A30, entre les orifices 42₁₁et 44₁₁qui sont voisins.

On numérote 42_ijet 44_ijles orifices 42 et 44, avec i un entier naturel compris entre 1 et 2 et j un entier naturel compris entre 1 et 3. L’indice i correspond au numéro du bord 30D1 ou 30D2 près duquel est situé un orifice, alors que l’indice j est le numéro d’ordre de cet orifice le long de ce bord.

Ici, les orifices 42 et 44 sont positionnés par paires, à savoir un orifice 42_ijvoisin d’un orifice 44_ij, avec les entiers naturels i et j qui ont la même valeur au sein d’une même paire d’orifices. En particulier, il n’existe pas de superposition, selon une direction parallèle à l’axe A30, entre les orifices 42 et 44 d’une même paire.

De façon générale, les orifices 42_ijet 44_ijsont décalés transversalement le long des bords transversaux des ouvertures 32C et 34C, c’est-à-dire selon une direction parallèle au plan principal π22 de la membrane 25 et perpendiculaire aux axes A2, A32 et A34, de telle sorte qu’il n’existe pas de superposition entre les orifices 42 et 44, selon une direction parallèle à l’axe A30.

Dans l’exemple des figures et de façon avantageuse, les orifices 42_1jsont disposés, le long du bord transversal 32D1, par rapport aux orifices 42_2jdisposés le long du bord transversal 32D2, de façon symétrique d’une droite imaginaire parallèle au bord transversal 32D1 et passant par le point P32. De même, les orifices 44_1jsont disposés, le long du bord transversal 34D1 de façon symétrique du point P34 par rapport aux orifices 44_2jdisposés le long du bord transversal 34D2.

Le long de chacun des bords transversaux 30D1 et 30D2, les orifices 42 et 44 constituent une rangée d’orifices et sont disposés de façon alternée. Un orifice 42 est disposé entre deux orifices 44, et inversement, sauf pour les deux orifices situés en bout de rangée, qui sont les plus proches des bords longitudinaux 30E1 et 30E2.

Dans l’exemple illustré, il n’y a pas de décalage longitudinal selon les axes A2, A32 et A34 entre les orifices 42, 44 qui sont situés le long d’un même bord transversal 30D1 ou 30D2. Ainsi, les orifices 42 appartenant à un premier demi-cadre 32 et situés le long d’un même bord transversal 30D1 ou 30D2 considéré sont alignés selon une droite perpendiculaire aux axes A2, A32 et A34, et les orifices 44 appartenant au deuxième demi-cadre 34 et situés le long du même bord transversal 30D1 ou 30D2 considéré sont alignés selon la même droite perpendiculaire aux axes A2, A32 et A34. Le fait d’avoir un tel décalage transversal sans décalage longitudinal entre les orifices des deux demi-cadres situés le long du même bord transversal 30D1 ou 30D2 permet de limiter la dimension parallèle aux axes A2, A32 et A34 de la zone permettant l’immobilisation des couches de diffusion 28 et 29 sur le cadre 30.

Cependant, dans certains cas, on peut prévoir d’autres configurations.

Ainsi, selon une première variante non représentée de l’invention, on peut prévoir que les orifices 42 appartenant à un premier demi-cadre 32 et situés le long d’un même bord transversal 30D1 ou 30D2 considéré soient alignés selon une première droite perpendiculaire aux axes A2, A32 et A34, et les orifices 44 appartenant au deuxième demi-cadre 34 et situés le long du même bord transversal 30D1 ou 30D2 considéré soit alignés selon une deuxième droite perpendiculaire aux axes A2, A32 et A34, décalée longitudinalement de la première droite. Dans ce cas, on peut alors envisager que les orifices 42 appartenant au premier demi-cadre 32 et les orifices 44 appartenant au deuxième demi-cadre 34 ne présentent pas de décalage transversal entre deux orifices 42, 44 d’une même paire, c’est-à-dire voisins mais appartenant à deux demi-cadres différents.

Selon une deuxième variante non représentée de l’invention, on peut envisager que les orifices 42 appartenant au premier demi-cadre 32 et les orifices 44 appartenant au deuxième demi-cadre 34 présentent, en plus du décalage longitudinal, un décalage transversal entre deux orifices 42, 44 d’une même paire.

Selon une troisième variante non représentée de l’invention, les orifices 42, 44 appartenant à un même demi-cadre 32 et situés le long d’un même bord transversal 30D1 ou 30D2 ne sont pas alignés selon une droite. Dans une telle variante, on peut prévoir que les orifices 42 appartenant au premier demi-cadre 32 et les orifices 44 appartenant au deuxième demi-cadre 34 soient disposés en quinconce.

On note S28 la surface de la couche de diffusion 28 tournée vers la membrane CCM 25. On note S29 la surface de la couche de diffusion 29 tournée vers la membrane CCM 25.

En configuration montée de l’assemblage membrane-électrode 2, chaque orifice 42 s’étend, à travers le demi-cadre 32, entre les surfaces S28 et S34, alors que chaque orifice 44 s’étend, à travers le demi-cadre 34, entre les surfaces S29 et S32.

On décrit ci-après un procédé de fabrication de l’assemblage membrane-électrode 2.

Lors d’une première étape préalable, les surfaces S32 et S34 sont enduites de colle. Cette étape préalable peut être effectuée sur le site de fabrication de l’assemblage membrane-électrode 2, juste avant les étapes suivantes ou de façon anticipée. En variante, cette étape préalable peut être effectuée sur un site distant, à partir duquel les demi-cadres enduits de colles sont acheminés sur le site de fabrication de l’assemblage membrane-électrode. L’opération d’enduction des surfaces S32 et S34 avec la colle peut donc être réalisée par un industriel différent de celui qui fabrique l’assemblage membrane-électrode.

Lors d’une deuxième étape, les deux demi-cadres 32 et 34 sont mis en appui par leurs surfaces S32 et S34 le long du plan π30, ce qui a pour effet de pincer le bord 22a de la membrane 22 et de solidariser le cadre 30 et la membrane 22, c’est-à-dire le cadre 30 et la membrane CCM 25. Le cadre 30 est constitué par l’adhérence des surfaces S32 et S34 grâce à la colle qui y est enduite.

Lors d’une troisième étape, les couches de diffusion 28 et 29 sont déposées sur le cadre 30, plus précisément sur les surfaces externes S’32 et S’34 des demi-cadres 32 et 34. Les dimensions de l’ouverture 30C et des couches de diffusion 28 et 29 sont choisies de telle sorte que, au terme de la troisième étape, les couches de diffusion recouvrent à la fois l’ouverture 30C, donc la membrane 25, et les orifices 42 et 44. Ainsi, chaque orifice 42 ou 44 est disposé, selon une direction parallèle à l’axe A30, en regard d’une des couches de diffusion.

On constitue ainsi une structure à sept couches, à savoir les trois couches 22, 23 et 24 de la membrane CCM 25, les deux demi-cadres 32 et 34 et les deux couches de diffusion 28 et 29. Cette structure multicouche est visible en coupe à la .

La structure multicouche est soumise à un effort de pression représenté par les flèches P à la , lors d’une sous-étape de pressage de cette structure multicouche qui fait partie d’une quatrième étape du procédé de l’invention. Concomitamment à la sous-étape de pressage, une sous-étape de chauffage peut être mise en œuvre, ce qui a notamment pour effet de fluidifier la colle présente sur les surfaces S32 et S34, cette colle ayant alors tendance à migrer vers les surfaces S28 et S29, respectivement à travers les orifices 42 et 44.

En complément ou en alternative à la sous-étape de chauffage, une sous étape d’application d’ultrasons à la colle présente dans la structure multicouche. Cette application d’ultrasons facilite la migration de la colle, des surfaces S32 et S34 vers les surfaces S28 et S29, au sein des orifices 42 et 44. Un tel pressage peut être localisé, par exemple localisé sur l’étendue des premiers et seconds orifices, ou peut être étendu à une zone plus grande de la structure multicouches, éventuellement à l’intégralité de la surface de la structure multicouches

Les sous étapes de pressage, de chauffage et/ou de mise en vibration constituent ensemble la quatrième étape de solidarisation des couches de diffusion 28 et 29 sur le cadre 30, par adhésion de la colle, initialement enduite sur les surfaces S32 et S34, sur les surfaces S28 et S29, à travers les orifices 42 et 44.

Au cours de la quatrième étape, la colle présente sur la portion pleine de la surface S34 en regard d’un orifice 42 entre en contact directement avec la portion de la surface S28 située de l’autre côté de cet orifice, ce qui a pour effet de solidariser entre elles ces deux portions de surface qui, dans l’exemple des figures sont en forme de disque de diamètre égal à celui des orifices 42. Ceci revient à solidariser directement la couche de diffusion 28 et le demi-cadre 34. De même, variante ou en complément et au cours de la quatrième étape, la colle présente sur la portion pleine de la surface S32 en regard d’un orifice 44 entre en contact directement avec la portion de la surface S29 située de l’autre côté de cet orifice, ce qui a pour effet de solidariser entre elles ces deux portions de surface. Ceci revient à solidariser directement la couche de diffusion 29 et le demi-cadre 32.

Ceci tire parti du fait que la couche de diffusion 28, 29, est un non tissé déformable de sorte que, lors de la mise en appui, et plus encore sous l'effet de la pression de l’éventuelle sous-étape de pressage, elle peut "entrer" dans les orifices et vient ainsi au contact de la colle présente sur la portion pleine de la surface S32, S34 en regard de chacun des dits orifices 42, 44, colle qui est donc directement accessible au travers de l’orifice. De plus, le fait que les demi-cadres sont eux aussi déformables permet à ladite portion pleine de la surface S32, S34 en regard d’un orifice 44, 44 de se déformer vers l’intérieur de l’orifice considéré, en direction la couche de diffusion 28, 29, favorisant donc encore la mise en contact de la couche de diffusion 28, 29 avec la colle portée par cette portion pleine de la surface S32, S34.

Au cours de la quatrième étape, la première couche de diffusion 28 est solidarisée au cadre 30 grâce à la colle présente dans les orifices 42_ij, alors que la deuxième couche de diffusion 29 est solidarisée au cadre 30 grâce à la colle présente dans les orifices 44_ij.

Ainsi, au terme de la quatrième étape, la portion pleine du demi-cadre 34, qui est en regard d’un premier orifice 42_ijdonné, se trouve solidarisée à la portion pleine correspondante de la première couche de diffusion 28, ceci notamment par la colle initialement portée par portion pleine du demi-cadre 34. On peut donc considérer qu’au moins une partie de la colle initialement portée par le demi-cadre 34 migre, à travers le premier orifice 42_ijdonné, pour atteindre la surface S28 de la première couche de diffusion 28. De même, la portion pleine du demi-cadre 32, qui est en regard d’un deuxième orifice 44_ijdonné, se trouve solidarisée à la portion pleine correspondante de la deuxième couche de diffusion 29, ceci notamment par la colle initialement portée par ladite portion pleine du demi-cadre 32. On peut donc considérer qu’au moins une partie de la colle initialement portée par le demi-cadre 32 migre à travers le deuxième orifice donné 44_ijpour atteindre la surface S29 de la deuxième couche de diffusion 29.

Par ailleurs, l’activation de la colle peut, notamment dans le cas de colles thermoplastiques activées par chauffage, avoir pour effet de fluidifier cette colle et de permettre à une partie de cette colle, notamment celle située au voisinage autour d’un premier et/ou deuxième orifice 42_ijet/ou 44_ijdonné, de migrer alors dans cet orifice 320 et 340, respectivement en direction des surfaces S44 et S42. En particulier, le chauffage de la colle présente sur la surface S34 peut ainsi avoir pour effet de faire s’écouler dans les orifices 42_ijune partie de la colle présente entre les demi-cadres 32 et 34. De même, le chauffage de la colle présente sur la surface S32 peut ainsi avoir pour effet de faire s’écouler dans les orifices 44_ijune partie de la colle présente entre les demi-cadres 32 et 34. Ainsi, au cours de la quatrième étape, la colle préalablement enduite sur les surfaces S32 et S34 peut s’écouler entre ces surfaces et migrer jusque dans les volumes creux les plus proches qui sont constitués par les orifices 42 et 44. De là, la colle s’écoule, dans ces orifices, en direction des bords de ces orifices qui jouxtent les surfaces S28 et S29 des couches de diffusion 28 et 29 qu’elle atteint au terme de la quatrième étape.

Suite à la quatrième étape, une quantité Q2 de colle initialement présente sur la surface S34 est présente dans chaque orifice 42_ij,de sortequ’elle relie la surface S28 à la portion de la surface S34 située en regard de cet orifice et éventuellement au bord de cet orifice 42_ij, qui jouxte la surface S28. En outre, une quantité Q4 de colle initialement présente sur la surface S32 est présente dans chaque orifice 44_ij,de sortequ’elle relie la surface S29 à la portion de la surface S32 située en regard de cet orifice et éventuellement au bord de cet orifice 44_ij, qui jouxte la surface S29. En d’autres termes, la quantité de colle Q2 provient au moins en partie de la colle initialement enduite sur la surface S34, alors que la quantité de colle Q4 provient au moins en partie de la colle initialement enduite sur la surface S32. A cet égard, le fait qu’il n’existe pas de superposition entre les orifices garantit que les quantités de colle Q2 et Q4 sont retenues dans les orifices 42_ij et44_ijet dédiés au collage, soit de la couche de diffusion 28, soit de la couche de diffusion 29, sans liaison directe entre ces couches à travers le cadre 30.

La colle constituant une quantité Q2 peut être formée par la seule quantité de colle présente sur la portion de la surface S34 en regard d’un orifice 42_ij, alors que colle constituant une quantité Q4 peut être formée par la seule quantité de colle présente sur la portion de la surface S32 en regard d’un orifice 44_ij. En variante et comme expliqué ci-dessus, la colle constituant une quantité Q2 peut être formée de la colle qui se trouvait, avant la quatrième étape, sur la surface S34, à la fois au niveau et autour d’un orifice 42_ij, alors que la colle constituant la quantité Q4 est formée par de la colle qui se trouvait, avant la quatrième étape, sur la surface S32, à la fois au niveau et autour d’un orifice 44_ij.

En d’autres termes, le procédé de fabrication de l’assemblage membrane-électrode 2 de l’invention tire parti du fait qu’une colle est appliquée sur les surfaces S32 et S34 pour s’en servir, d’une part, pour solidariser les demi-cadres 32 et 34 entre eux et autour de la membrane CCM 25 et, d’autre part, pour solidariser les couches de diffusion 28 et 29 sur le cadre 30, sans utilisation d’une colle supplémentaire telle que les colles cyanhydriques de l’art antérieur.

Du fait de la composition de la colle utilisée dans l’invention, qui migre à travers les orifices 42 et 44, celle-ci a moins tendance à s’élargir que les colles de l’art antérieur, par capillarité, au contact de la surface S28 ou S29 de la couche de diffusion 28 ou 29.

La section des orifices 42 et 44 peut être choisie avec une aire relativement petite, inférieure ou égale à 50 mm², de préférence à 20 mm². Ceci évite de fragiliser le cadre 30, tout en permettant une solidarisation efficace des couches de diffusion 28 et 29 sur le cadre. En outre, la section des orifices 42 et 44 peut être choisie avec une aire supérieure ou égale à 5 mm², de préférence à 10 mm². Ceci permet que la surface de colle au contact d’une surface S28 ou S29 soit suffisante pour assurer une immobilisation efficace de la couche de diffusion 28 ou 29.

Par exemple, les orifices 42 et 44 peuvent être de forme circulaire, avec un diamètre de compris entre 3 et 8 mm, de préférence de l’ordre de 5 mm, comme représenté sur les figures. En variante, ils peuvent être en forme de rectangle ou oblongue, avec une longueur comprise dans la gamme allant de 5 à 10 mm, par exemple 7 mm et une largeur comprise dans la gamme allant de 2 à 5 mm, par exemple de 2 ou 3 mm, la longueur de ces orifices étant alors parallèle au bord transversal 32D1, 32D2, 34D1 ou 34D2 le long duquel ils sont positionnés.

On note respectivement 282 et 292 les bords périphériques des couches de diffusion 28 et 29.

On note d2 une distance mesurée entre les bords 32D et 282, parallèlement à l’axe longitudinal A2. On note d4 une distance mesurée entre les bords 34D et 292, parallèlement à l’axe A2. Les distances d2 et d4 sont les largeurs de deux bandes, adjacentes aux bords transversaux 32D1, 32D2, 34D1 et 34D2, sur lesquelles les couches de diffusion 28 et 29 recouvrent le cadre 30. Ces distances représentent les distances de recouvrement entre les couches de diffusion correspondantes et le cadre 30.

Dans l’exemple, les distances d2 et d4 sont égales. Ceci n’est toutefois pas obligatoire, notamment dans le cas où les couches de diffusions 28 et 29 sont de tailles différentes.

En pratique, compte-tenu du mode de solidarisation des couches de diffusion 28 et 29 sur le cadre 30, le risque de diffusion de la colle est limité, de sorte que les distances d2 et d4 peuvent être choisies relativement petites. En d’autres termes, l’aire de la zone dans laquelle les couches de diffusion 28 et 29 recouvrent le cadre 30, au voisinage des bords 32D1, 32D2 et 34D1, 34D2 peut être réduite par rapport à la même aire dans les assemblages membrane-électrode de l’art antérieur, puisque les dimensions des orifices 42 et 44, d’une part, et la nature de la colle utilisée, d’autre part, évitent un fort étalement de cette colle lors de l’étape de solidarisation des couches de diffusion 28 et 29 sur le cadre 30, et donc on limite la dimension finale d’extension de la colle sur la couche de diffusion 28, 29.

On note L25 la longueur de la membrane CCM 25, mesurée parallèlement à l’axe A2 en configuration montée de l’assemblage membrane-électrode 2.

En pratique, on choisit une distance de recouvrement d2 ou d4 comprise dans la gamme allant de 4 à 15 mmm, de préférence dans la gamme allant de 5 à 10 mm. Cette distance de recouvrement est très inférieure à la longueur L25, de sorte que sa présence ne réduit pas sensiblement la zone active de la membrane CCM 25.

Dans le procédé mentionné ci-dessus, il est avantageux que les opérations de solidarisation du cadre 30 et de la membrane CCM 25, d’une part, et de solidarisation des couches de diffusion 28 et 29 sur le cadre 30 aient lieu de façon simultanée, sous l’effet du pressage, du chauffage et/ou de l’application des vibrations. Ceci n’est toutefois pas obligatoire et il est possible de prévoir deux étapes successives, à savoir une étape antérieure, dans laquelle le cadre 30 et la membrane CCM 25 sont solidarisés, et une étape postérieure, dans laquelle les couches de diffusion 28 et 29 et le cadre sont solidarisés par migration de la colle à travers les orifices 42 et 44.

Comme visible à la , un empilement 6 de cellules électrochimiques 60, réalisé au sein d’une pile à combustible 8 conforme à l’invention, comprend plusieurs assemblages membrane-électrode 2 également conformes à l’invention qui sont séparés par des plaques bipolaires 4, les cadres 30 de ces différents assemblages étant maintenus de façon étanche par rapport aux plaques bipolaires grâce à des joints d’étanchéité 50.

Dans l’empilement 6 représenté à la , au moins l’un des assemblages membrane-électrode 2 est conforme à l’invention. De préférence, par souci d’homogénéité des cellules électrochimiques 60, tous ces assemblages membrane-électrode 2 sont conformes à l’invention.

L’invention est représentée sur les figures dans le cas où la membrane 25 est de type CCM, les couches catalytiques 23, 24 étant portées par la membrane de base 22. Elle est également applicable au cas où les couches catalytiques 23, 24 sont portées par les couches de diffusion 28 et 29, selon la technologie CCB, de l’Anglais « Catalyst Coated Baking ». Dans ce cas, seule la membrane de base 22 est immobilisée sur le cadre 30.

L’invention est également applicable au cas où une seule couche de diffusion, par exemple la couche de diffusion 28, est solidarisée au cadre de l’assemblage membrane-électrode par adhésion au moyen la colle qui s’étend à travers des orifices ménagés dans le cadre. Dans ce cas, en présence d’un cadre 30 formé de deux demi-cadres 32, 34, on prévoit, par exemple, des orifices dans un seul des deux demi-cadres, à savoir le demi-cadre 32 qui est du même côté de la membrane que la couche de diffusion 28 que l’on souhaite ainsi immobiliser par adhésion avec de la colle. L’autre couche de diffusion 29 peut alors être immobilisée par d’autres moyens, y compris les moyens connus exposés au préambule de la demande. Selon une variante du procédé de l’invention, particulièrement adaptée à un tel cas où une seule couche de diffusion est solidarisée au cadre de l’assemblage membrane-électrode par adhésion avec de la colle à travers des orifices aménagés dans le cadre, lors de la première étape, seule l’une des surfaces S32 et S34 est enduite de colle, en quantité suffisante pour solidariser les demi-cadres 32 et 34 entre eux et avec la membrane CCM et pour assurer l’immobilisation des couches de diffusion 28 et 29 à travers les orifices 42 et 44. Avantageusement, seule est enduite de colle la surface S34 du demi-cadre 34 qui est, par rapport à la membrane CCM 25, du côté opposé à la couche de diffusion 28 que l’on souhaite ainsi immobiliser adhésion avec de la colle.

Pour des raisons d’encombrement, il est avantageux que les orifices 42 et 44 soient répartis le long des bords transversaux 32D1, 32D2, 34D1, 34D2.

Toutefois, en variante, ces orifices peuvent être répartis le long des bords longitudinaux 32E1, 32E2, 34E1, 34E2. En outre, on peut prévoir des orifices 42 et 44 répartis le long des bords transversaux 32D1, 32D2, 34D1, 34D2 et des orifices répartis le long des bords longitudinaux 32E1, 32E2, 34E1, 34E2 .

Le nombre et la répartition des orifices 42 et 44 le long des bords 30D1, 30D2, 30E1 et 30E2 du cadre 30 peuvent être différents de ceux représentés sur les figures. En particulier, ces orifices peuvent être au nombre de 1 ou 2 par bord, ou en nombre supérieur ou égal à 4. En outre, les orifices ne sont pas forcément disposés par paires, ni de façon alternée.

Quel que soit le mode de réalisation ou la variante considéré, la quantité de colle Q2 ou Q4 présente dans un orifice 42 ou 44 ne remplit pas forcément tout le volume de cet orifice.

Les modes de réalisation et variantes envisagés ci-dessus peuvent être combinés pour générer de nouveaux modes de réalisation de l’invention.

Claims

Assemblage membrane-électrode (2) de pile à combustible (8), cet assemblage comprenant
une membrane (22, 25) ;
un cadre (30) supportant la membrane, ce cadre étant bipartite et comprenant
un premier demi-cadre (32) supportant la membrane et disposé sur un premier côté de la membrane ;

un deuxième demi-cadre (34) supportant la membrane et disposé sur un deuxième côté de la membrane ; et

au moins une couche de diffusion (28) recouvrant la membrane et une partie du cadre,
au moins le deuxième demi-cadre (34) étant enduit, sur une surface (S34) en regard du premier demi-cadre (32), d’une couche de colle pour la solidarisation des demi-cadres,
caractérisé en ce que
des premiers orifices (42) aménagés à travers le premier demi-cadre (32) sont disposés en regard de la couche de diffusion (28), selon une direction (A30) perpendiculaire à un plan principal de la membrane (π22); et

la couche de diffusion (28) est solidarisée au cadre (30) par une quantité (Q2) de colle qui s’étend à travers les premiers orifices (42) et qui provient de la colle enduite sur la surface en regard (S34) du deuxième demi-cadre (34).
Assemblage membrane-électrode selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’assemblage membrane-électrode comprend
une première couche de diffusion (28) disposée sur un premier côté de la membrane (22, 25) et qui recouvre partiellement le premier demi-cadre (32) ; et

une deuxième couche de diffusion (29) disposée sur un deuxième côté de la membrane et qui recouvre partiellement le deuxième demi-cadre (34) ;
et en ce que la deuxième couche de diffusion (29) est solidarisée au cadre par une deuxième quantité (Q4) de colle qui s’étend à travers des deuxièmes orifices (44) aménagés à travers le deuxième demi-cadre (34) et qui provient de la colle enduite sur la surface en regard (S32) du premier demi-cadre (32).
Assemblage membrane-électrode selon la revendication 2, caractérisé en ce que les premiers et deuxièmes orifices (42, 44) sont décalés les uns par rapport aux autres selon au moins une direction parallèle à un plan principal (π22) de la membrane (22, 25), de sorte qu’il n’existe pas de superposition entre ces orifices.
Assemblage membrane-électrode selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque orifice (42, 44) aménagé à travers un demi-cadre (32, 34) présente une section dont l’aire est inférieure ou égale à 50 mm², de préférence à 20 mm², avec une forme préférentiellement circulaire, rectangulaire ou oblongue.
Assemblage membrane-électrode selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque orifice (42, 44) aménagé à travers un demi-cadre (32, 34) présente une section dont l’aire est supérieure ou égale à 5 mm², de préférence à 10 mm², avec une forme préférentiellement circulaire, rectangulaire ou oblongue.
Assemblage membrane-électrode selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la colle est thermo-activable et à base de polymère thermoplastique, notamment de copolymère EVA.
Assemblage membrane-électrode selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’une bande de recouvrement du cadre par la couche de diffusion présente une largeur (d2, d4) comprise dans la gamme allant de 4 à 15 mmm, de préférence dans la gamme allant de 5 à 10 mm.
Procédé de fabrication d’un assemblage membrane-électrode (2) de pile à combustible (8), cet assemblage comprenant
une membrane (22, 25);
un cadre (30) supportant la membrane, ce cadre étant bipartite et comprenant
un premier demi-cadre (32) supportant la membrane (22, 25) et disposé sur un premier côté de la membrane ;

un deuxième demi-cadre (34) supportant la membrane et disposé sur un deuxième côté de la membrane ; et

au moins une couche de diffusion (28) recouvrant la membrane et une partie du cadre,
ce procédé comprenant au moins
une étape préalable d’enduction d’une première surface (S34) d’au moins le deuxième demi-cadre (34) avec une colle ;

une étape de solidarisation du cadre (30) et de la membrane (22, 25) par application de la première surface du deuxième demi-cadre, enduite de colle, contre une première surface (S32) du premier demi-cadre ; et

une étape de dépôt la couche de diffusion (28) sur une deuxième surface (S’32,) du premier demi-cadre (32), opposée à la première surface (S32) de ce premier demi-cadre (32) qui est en regard de la première surface (S34) du deuxième-demi cadre (34),
ce procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend une étape de solidarisation de la couche de diffusion (28) et du cadre (30) par adhésion de la colle, enduite sur la première surface (S34) du deuxième demi-cadre (34), sur une surface (S28) de la couche de diffusion, à travers des premiers orifices (42) aménagés, à travers le premier demi-cadre, entre ses première et deuxième surfaces (S32, S’32).
Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l’assemblage membrane-électrode comprend
une première couche de diffusion (28) disposée sur le premier côté de la membrane (22, 25) et qui recouvre partiellement le premier demi-cadre (32); et

une deuxième couche de diffusion (29) disposée sur le deuxième côté de la membrane et qui recouvre partiellement le deuxième demi-cadre (34);
en ce que l’étape préalable est une étape d’enduction des premières surfaces (S32, S34) des premier et deuxième demi-cadres (32, 34) avec une colle ;
et en ce que, lors de l’étape de solidarisation, la première couche de diffusion (28) est solidarisée au cadre (32) adhésion de la colle, enduite sur la première surface (S34) du deuxième demi-cadre (34), vers une surface (S28) de la première couche de diffusion, à travers des premiers orifices (42) aménagés à travers le premier demi-cadre, entre ses première et deuxième surfaces (S32, S’32), alors que la deuxième couche de diffusion (29) est solidarisée au deuxième demi-cadre (34) par adhésion de la colle, enduite sur la première surface (S32) du cadre (30), sur une surface (S29) de la deuxième couche de diffusion, à travers des premiers orifices (44) aménagés à travers le deuxième demi-cadre, entre ses première et deuxième surfaces (S34, S’34).
Procédé selon l’une des revendication 8 et 9 caractérisé en ce que l’adhésion de la colle enduite sur la première surface (S34, S32) sur la surface (S28, S29) de la couche de diffusion (28, 29) résulte de la migration de la colle, de la première surface vers la surface (S28, S29) de la couche de diffusion.
Procédé selon l’une des revendication 8 à 10 caractérisé en ce que l’étape de solidarisation comprend une sous-étape de pressage, une sous étape de chauffage et/ou une sous-étape de mise en vibration pour la migration de la colle à travers les orifices (42, 44) ménagés à travers le ou les demi-cadre (32, 34).
Procédé selon l’une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que l’étape de solidarisation du cadre (30) et de la membrane (22, 25) et l’étape de solidarisation de la couche de diffusion (28, 29) sur le demi-cadre correspondant (32, 34), par adhésion de la colle, enduite sur la première surface (S32, S34) de l’autre demi-cadre, sont simultanées.
Procédé selon l’une des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que l’étape de solidarisation de la couche de diffusion (28, 29) sur le demi-cadre (30) correspondant, par adhésion de la colle, enduite sur la première surface (S32, S34) de l’autre demi-cadre, est effectuée en soumettant cette colle à des ultrasons.
Pile à combustible (8) comprenant au moins un empilement (6) de cellules électrochimiques (60) formées par des assemblages membrane-électrode (2) et des plaques bipolaires (4), caractérisé en ce que l’un au moins des assemblages membrane-électrode (2) est selon l’une des revendications 1 à 7 ou fabriqué par un procédé selon l’une des revendications 8 à 13 et, de préférence, tous les assemblages membrane-électrode sont selon l’une des revendications 1 à 7 ou fabriqués par un procédé selon l’une des revendications 8 à 13 .