FR3140219A1 - Plaque de séparation pour une cellule électrochimique et pile à combustible - Google Patents
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Abstract
Plaque de séparation pour une cellule électrochimique et pile à combustible La plaque de séparation (21) comporte, dans une première face : * une pluralité de canaux ondulés (49) de circulation d’un premier gaz réactif, les canaux ondulés (49) présentant des parties d’extrémité (50) respectives s’étendant toutes suivant une même première direction (D1) et formant des ondulations ayant une même période déterminée (T1) ; * une pluralité de canaux obliques (56), chacun s’étendant suivant une seconde direction (D2) sécante avec la première direction (D1), la partie d’extrémité (50) de chaque canal ondulé (49) se raccordant à un des canaux obliques (56) en un point de jonction (58) ; les points de jonction (58) définissant des points de projection (p) en projection sur une droite (D) parallèle à la première direction (D1), la projection étant selon une troisième direction (D3) perpendiculaire à la première direction (D1), lesdits points de projection (p) étant régulièrement espacés les uns des autres selon la première direction (D1) et séparés les uns des autres par un écart constant égal à un multiple de ladite période déterminée (T1) Figure pour l'abrégé : 3
Description
La présente invention concerne en général une pile à combustible.
Une telle pile à combustible comporte un empilement de cellules électrochimiques dont chacune comprend typiquement :
- Une membrane électrolytique ayant des première et seconde grandes faces opposées l’une à l’autre ;
- Des première et seconde couches catalytiques, disposées contre les première et seconde grandes faces de la membrane électrolytique ;
- Deux plaques de séparation, les première et seconde couches catalytiques étant agencées respectivement entre une des plaques de séparation et la membrane électrolytique.
Des canaux de circulation des gaz réactifs sont ménagés sur les plaques de séparation. Notamment, chaque plaque de séparation peut comporter des canaux ondulés s’étendant suivant une même première direction, se raccordant à des canaux obliques rectilignes.
Les canaux obliques peuvent se raccorder à des portions des canaux ondulés qui présentent des orientations différentes les unes des autres par rapport à la première direction.
Dans ce cas, la perte de charge pour le gaz réactif circulant dans les canaux n’est pas la même, en fonction de l’orientation au point de jonction.
En conséquence, le débit de gaz réactif n’est pas le même dans tous les canaux, et le fonctionnement de la pile à combustible n’est pas optimal.
Le gaz est en effet mal distribué au contact de la couche catalytique jouxtant la plaque de séparation.
Il est possible aussi de prévoir que les parties d’extrémité des canaux ondulés se raccordant aux canaux obliques sont rectilignes et parallèles entre elles.
Toutefois, il y a dans ce cas un risque que les parties d’extrémité des canaux ondulés des différentes plaques s’imbriquent les unes dans les autres au moment de l’assemblage de la pile, quand les plaques sont mises en pression les unes contre les autres.
Dans ce contexte, l’invention vise à proposer une plaque de séparation pour une cellule électrochimique d’une pile à combustible contribuant à résoudre les problèmes ci-dessus.
A cette fin, l’invention porte sur une plaque de séparation pour une cellule électrochimique d’une pile à combustible, la plaque de séparation comportant, dans une première face :
* une pluralité de canaux ondulés de circulation d’un premier gaz réactif, les canaux ondulés présentant des parties d’extrémité respectives s’étendant toutes suivant une même première direction et formant des ondulations ayant une même période déterminée;
* une pluralité de canaux obliques, chacun s’étendant suivant une seconde direction sécante avec la première direction, la partie d’extrémité de chaque canal ondulé se raccordant à un des canaux obliques en un point de jonction;
* une pluralité de canaux obliques, chacun s’étendant suivant une seconde direction sécante avec la première direction, la partie d’extrémité de chaque canal ondulé se raccordant à un des canaux obliques en un point de jonction;
les points de jonction définissant des points de projection en projection sur une droite parallèle à la première direction, la projection étant selon une troisième direction perpendiculaire à la première direction, lesdits points de projection étant régulièrement espacés les uns des autres selon la première direction et séparés les uns des autres par un écart constant égal à un multiple de ladite période déterminée.
Du fait que les points de projection sont régulièrement espacés les uns des autres selon la première direction, et sont séparés les uns des autres par un écart constant égal à un multiple de ladite période déterminée, l’extrémité du canal ondulé au niveau du point de jonction a toujours la même orientation, pour tous les canaux ondulés.
De ce fait, le raccordement entre les canaux obliques et les canaux ondulés est sensiblement identique pour tous les canaux ondulés.
La perte de charge pour le gaz réactif circulant dans les canaux est pratiquement la même, de telle sorte que la répartition du gaz réactif dans les différents canaux ondulés est uniforme.
De ce fait, la première couche catalytique est alimentée en gaz réactif de manière homogène, et le fonctionnement de la pile à combustible est amélioré.
Par ailleurs, les parties d’extrémité des canaux ondulés comportent des ondulations, ce qui contribue à empêcher l’imbrication des canaux des différentes plaques les uns dans les autres au moment de l’assemblage de la pile à combustible.
La plaque de séparation peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- les points de projection sont séparés les uns des autres par un écart constant égal à ladite période déterminée ;
- chaque canal ondulé comprend une partie principale s’étendant suivant la première direction et formant des grandes ondulations ayant une période allongée déterminée, supérieure à la période déterminée des ondulations de la partie d’extrémité, la partie d’extrémité d’un canal ondulé s’étendant entre la partie principale et le point de jonction dudit canal ondulé;
- le nombre de canaux obliques est inférieur au nombre de canaux ondulés, plusieurs canaux ondulés débouchant dans le même canal oblique;
- les points de jonction des canaux ondulés débouchant dans un même canal oblique définissent le même point de projection sur la droite;
- les points de jonction des canaux ondulés débouchant dans un même canal oblique définissent au moins deux points de projection distincts sur la droite;
- les points de jonction sont placés sur une droite coupant la première direction;
- les parties d’extrémité des canaux ondulés présentent, à leurs points de jonction, des tangentes respectives toutes parallèles entre elles;
- les canaux obliques présentent des parties d’extrémité obliques raccordées aux points de jonction, ces parties d’extrémité obliques étant rectilignes et parallèles entre elles ;
- les parties d’extrémité obliques s’étendent suivant la troisième direction, perpendiculaire à la première direction.
Selon un second aspect, l’invention porte sur une pile à combustible comprenant une pluralités de cellules électrochimiques, chaque cellule électrochimique comprenant :
- une membrane électrolytique, ayant des première et seconde grandes faces opposées l’une à l’autre ;
- des première et seconde couches catalytiques, disposées contre les première et seconde grandes faces de la membrane électrolytique ;
- une plaque de séparation ayant les caractéristiques, la première couche catalytique étant agencée entre une première face de la plaque de séparation et la membrane électrolytique.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- La est une représentation schématique simplifiée, explosée, d’une cellule d’une pile à combustible selon l’invention ;
- La est une vue en section, schématique et partielle, de la cellule de pile à combustible de la ;
- La est une représentation schématique, en vue de dessus, des canaux de la première plaque de séparation des figures 1 et 2 ; et
- La est une vue de dessus, agrandie, d’une zone IV de la première plaque de séparation de la , pour une variante de réalisation ; et
- La est une représentation schématique similaire à celle de la , pour une autre variante de réalisation.
La pile à combustible 1 comporte un empilement de cellules électrochimiques dont chacune comprend, comme illustré sur les figures 1 et 2, une membrane électrolytique 3, ayant des première et seconde grandes faces 5 et 7.
La cellule électrochimique de la pile à combustible comprend également des première et seconde couches catalytiques 9 et 11, disposées contre les première et seconde grandes faces 5 et 7 de la membrane électrolytique 3, par exemple en étant formées sur les première et seconde grandes faces 5 et 7 de la membrane électrolytique 3, ou l’une au moins ou les deux parmi ces couches catalytiques étant formée sur une couche de diffusion de gaz qui est disposée contre la grande face 5 ou 7 correspondant de la membrane électrolytique 3.
La membrane est par exemple une membrane polymère échangeuse de proton.
Typiquement, une couche de diffusion gazeuse 13 est disposée contre la première couche catalytique 9, à l’opposé de la membrane électrolytique 3. De la même façon, une autre couche de diffusion gazeuse 15 est disposée contre sur la seconde couche catalytique 11, à l’opposé de la membrane 3.
A titre d’exemple, la première couche catalytique 9, éventuellement avec la couche 13, constitue une anode. La seconde couche catalytique 11, éventuellement avec la couche 15, constitue une cathode.
La membrane électrolytique 3, les première et seconde couches catalytiques 9 et 11 et les couches de diffusion gazeuse 13 et 15 ensemble appartiennent à un assemblage membrane-électrode 17 (AME, ou MEA Membrane Electrode Assembly en anglais).
L’assemblage membrane-électrode 17 de la pile à combustible 1 comporte typiquement aussi un cadre 19, délimitant intérieurement une fenêtre dans laquelle la membrane électrolytique 3 est fixée. Le cadre 19 est par exemple formé principalement d’un ou deux couches d’un film polymère, par exemple en polyéthylène naphtalate ou téréphtalate (PEN ou PET), d’une épaisseur totale qui peut être inférieure à 200 micromètres, voire inférieure à 100 micromètres.
Chaque cellule électrochimique de la pile à combustible 1 comporte encore une première plaque de séparation 21, ayant une première face 22a et une seconde face 22b opposée à la première face 22a. La première couche catalytique 9 est agencée entre la première face 22a et la membrane électrolytique 3.
Dans l’exemple représenté, la couche de diffusion gazeuse 13 et la première couche catalytique 9 sont interposées entre la première face 22a de la première plaque de séparation 21 et la membrane électrolytique 3.
De manière symétrique, chaque cellule électrochimique de la pile à combustible 1 comporte une seconde plaque de séparation 23, ayant une première face 24a et une seconde face 24b opposée à la première face 24a. La seconde couche catalytique 11 est agencée entre la première face 24a et la membrane électrolytique 3.
Plus précisément, la couche de diffusion gazeuse 15 et la seconde couche catalytique 11 sont interposées entre la première face 24a de la seconde plaque de séparation 23 et la membrane électrolytique 3.
La première plaque de séparation 21 porte un ensemble 25 de canaux pour la circulation d’un premier gaz réactif.
L’ensemble de canaux 25 est formé sur la première face 22a de la première plaque de séparation 21 qui est tournée vers la première couche catalytique 9 de la cellule électrochimique considérée, donc tournée vers la membrane électrolytique 3 de la cellule électrochimique considérée.
Le premier gaz réactif est typiquement de l’hydrogène.
Un ensemble 27 de canaux est formé sur la première face 24a de la seconde plaque de séparation 23 qui est tournée vers la seconde couche catalytique 11 de la cellule électrochimique considérée, donc tournée vers la membrane électrolytique 3 de la cellule électrochimique considérée. Ces canaux 27 sont prévus pour la circulation d’un second gaz réactif.
Le second gaz réactif est typiquement de l’air, ou de l’oxygène gazeux, ou tout autre gaz adapté.
La plaque de séparation 21, la MEA 17 et la seconde plaque de séparation 23 sont empilées suivant une direction d’empilement E, les unes sur les autres.
La direction d’empilement E est matérialisée sur la .
Ensemble, elles définissent une cellule de la pile à combustible 1. Des joints d'étanchéité (non représentés) sont généralement prévus entre chaque plaque de séparation et la MEA. La pile à combustible 1 comporte un grand nombre de cellules, empilées les unes sur les autres suivant la direction d’empilement E.
Seule une des cellules est représentée sur les figures 1 et 2.
La première plaque de séparation 21 d’une des cellules est donc superposée et au contact électriquement de la seconde plaque de séparation 23 de la cellule voisine dans l’empilement.
Dans certaines architectures de piles à combustibles, des canaux 29 de circulation d’un fluide caloporteur sont formés entre ladite première plaque de séparation 21 d’une cellule et ladite seconde plaque de séparation 23 de la cellule voisine, donc entre deux cellules voisines. Les secondes faces 22b/24b de ces deux plaques peuvent être soudées entre elles ou collées l’une à l’autre, ou simplement serrées l’une contre l’autre dans l’empilement de cellules, avec, notamment dans ce dernier cas possibilité de prévoir un système de joint d’étanchéité entre les deux plaques. Le fluide caloporteur permet de refroidir les cellules de la pile à combustible pendant son fonctionnement.
Sur la , les canaux de circulation 29 du fluide caloporteur ne sont pas représentés sur la seconde plaque de séparation 23.
Dans l’exemple représenté, les première et seconde plaques de séparation 21, 23 et le cadre 19 sont rectangulaires et ont des formes et des tailles respectives sensiblement identiques les unes aux autres.
Les première et seconde plaques de séparation 21, 23 et le cadre 19 ont une forme générale allongée suivant une direction longitudinale L, matérialisée sur la .
Des orifices 31a, 31b et 31c sont ménagés respectivement dans la première plaque de séparation 21, dans le cadre 19 et dans la seconde plaque de séparation 23. Les orifices 31a, 31b et 31c sont placés en coïncidence les uns avec les autres et constituent un collecteur de distribution du premier gaz réactif.
Les orifices 31a, 31b et 31c sont placés préférentiellement à un angle respectivement de la première plaque de séparation 21, du cadre 19 et de la seconde plaque de séparation 23.
La première plaque de séparation 21, le cadre 19 et la seconde plaque de séparation 23 comporte également des orifices 32a, 32b et 32c placés en coïncidence les uns avec les autres. Les orifices 32a, 32b et 32c définissent un collecteur d’évacuation du premier gaz réactif. Ils sont préférentiellement placés dans les angles opposés aux orifices 31a, 31b et 31c.
La première plaque de séparation 21, le cadre 19 et la seconde plaque de séparation 23 comportent encore des orifices 33a, 33b et 33c respectivement, placés en coïncidence les uns avec les autres. Ils définissent un collecteur de distribution du second gaz réactif. Ils sont situés préférentiellement à un autre angle de la première plaque de séparation 21, du cadre 19 et de la seconde plaque de séparation 23 respectivement.
La première plaque de séparation 21, le cadre 19 et la seconde plaque de séparation 23 présentent encore des orifices 34a, 34b et 34c respectivement, placés en coïncidence les uns avec les autres. Ils sont situés de préférence à des angles opposés aux orifices 33a, 33b et 33c. Ils définissent un collecteur d’évacuation du second gaz réactif.
La première plaque de séparation 21, le cadre 19 et la seconde plaque de séparation 23 présentent encore des orifices 35a, 35b et 35c respectivement, placés en coïncidence les uns avec les autres. Les orifices 35a, 35b et 35c définissent ensemble un collecteur d’alimentation en fluide caloporteur. Ils sont situés par exemple respectivement entre les orifices 34a et 31a, entre les orifices 34b et 31b, et entre les orifices 34c et 31c.
Enfin, la première plaque de séparation 21, le cadre 19 et la seconde plaque de séparation 23 définissent respectivement des orifices 36a, 36b et 36c, placés en coïncidence les uns avec les autres. Ils définissent ensemble un collecteur d’évacuation du fluide caloporteur. Ils sont placés respectivement par exemple entre les orifices 32a et 33a, entre les orifices 32b et 33b, et entre les orifices 32c et 33c.
A titre d’exemple, les orifices 34a, 35a et 31a sont placés à une extrémité longitudinale de la première plaque de séparation 21, et sont juxtaposés suivant une direction transversale sur la largeur de la plaque. Toujours à titre d’exemple les orifices 32a, 36a et 33a sont placés à l’autre extrémité longitudinale de la première plaque de séparation 21, et sont juxtaposés transversalement sur la largeur de la plaque.
Les orifices 34b, 35b et 31b sont placés à une extrémité longitudinale du cadre 19, et sont juxtaposés suivant une direction transversale sur la largeur du cadre. Les orifices 32b, 36b et 33b sont placés à l’autre extrémité longitudinale du cadre 19, et sont juxtaposés transversalement sur la largeur du cadre.
Les orifices 34c, 35c et 31c sont placés à une extrémité longitudinale de la seconde plaque de séparation 23, et sont juxtaposés suivant une direction transversale sur la largeur de la plaque. Les orifices 32c, 36c et 33c sont placés à l’autre extrémité longitudinale de la seconde plaque de séparation 23, et sont juxtaposés transversalement sur la largeur de la plaque.
L’ensemble de canaux 25 formé sur la première plaque de séparation 21 assure la circulation du premier gaz réactif, sur la première face 22a de la première plaque de séparation tournée vers la membrane électrolytique 3, depuis l’orifice 31a jusqu’à l’orifice 32a.
De la même façon, l’ensemble de canaux 27 formé sur la seconde plaque de séparation 23 assurent la circulation du second gaz réactif, sur la première face 24a de la seconde plaque de séparation tournée vers la membrane électrolytique 3, depuis l’orifice 33c jusqu’à l’orifice 34c.
Le sens de circulation décrit ci-dessus dans l’ensemble de canaux 25 et/ou dans l’ensemble de canaux 27 est un exemple et pourrait être inversé, pour l’un ou l’autre des ensembles, ou pour les deux.
Comme visible sur la , la première plaque de séparation 21 présente une zone centrale 38, dans laquelle les canaux de l’ensemble 25 s’étendent suivant une direction générale parallèle à la direction longitudinale L.
La première plaque de séparation 21 comporte également une zone de distribution 40 interposée, suivant la direction longitudinale L, entre la zone centrale 38 et l’extrémité de la première plaque de distribution 21 dans laquelle sont formés les orifices 31a, 35a et 34a.
Parmi les canaux de l’ensemble de canaux 25, ceux qui sont formés dans la zone de distribution 40 comportent des canaux obliques 56 qui s’étendent suivant une direction générale en oblique par rapport à la direction longitudinale L et raccordent fluidiquement les canaux de la zone centrale 38 à l’orifice 31a. Au moins un tronçon des canaux obliques 56 peut être perpendiculaire à la direction longitudinale L, comme on le verra en référence à la .
La première plaque de séparation 21 comporte encore une seconde zone de distribution 42. La seconde zone de distribution 42 est interposée, suivant la direction longitudinale L, entre la zone centrale 38 et l’autre extrémité longitudinale de la première plaque de séparation 21, dans laquelle sont formés les orifices 32a, 36a et 33a.
Parmi les canaux de l’ensemble de canaux 25, ceux qui sont formés dans la seconde zone de distribution 42 comportent des canaux obliques 56 qui s’étendent suivant une direction générale en oblique par rapport à la direction longitudinale L et raccordent fluidiquement les canaux de la zone centrale 38 à l’orifice 32a. Au moins un tronçon de ces canaux obliques 56 peut être perpendiculaire à la direction longitudinale L.
La seconde plaque de séparation 23 est formée comme la première plaque de séparation.
Elle présente elle aussi une zone centrale 44 dans laquelle les canaux de l’ensemble 27 s’étendent suivant une direction générale parallèle à la direction longitudinale L. Elle comporte une zone de distribution 46 dans laquelle les canaux de l’ensemble 27 s’étendent suivant une direction générale en oblique par rapport à la direction longitudinale L. Ces canaux permettent de raccorder fluidiquement les canaux de la zone centrale 44 à l’orifice 33c. Elle comporte également une seconde zone de distribution 48, dans laquelle les canaux de l’ensemble 27 s’étendent suivant une direction générale en oblique par rapport à la direction longitudinale L. Ces canaux permettant de raccorder fluidiquement les canaux de la zone centrale 44 à l’orifice 34c.
La zone de distribution 46 est intercalée suivant la direction longitudinale entre la zone centrale 44 et l’extrémité de la seconde plaque de séparation 23 dans laquelle sont ménagés les orifices 32c, 36c et 33c. L’autre zone de distribution 48 est interposée suivant la direction longitudinale L entre la zone centrale 44 et l’extrémité de la seconde plaque de séparation 23 dans lesquelles sont formés les orifices 31c, 35c et 34c.
Les zones 44, 46 et 48 sont délimitées en traits interrompus sur la , car les canaux 27 de circulation du second gaz réactif sont ménagés sur la première face 24a de la plaque de séparation 23 non visible sur la .
Selon l’invention, et comme représenté sur la , la première plaque de séparation 21 comporte une pluralité de canaux ondulés 49, pour la circulation du premier gaz réactif. Ces canaux ondulés 49 présentent des parties d’extrémité 50 s’étendant toutes suivant une même première direction D1 et formant des ondulations ayant une même première période T1 déterminée.
Les canaux ondulés 49 font parties de l’ensemble 25 de canaux assurant la circulation du premier gaz réactif.
Chaque partie d’extrémité 50 s’étend suivant la première direction D1 au sens où elle s’étend suivant une direction générale parallèle à la première direction D1.
Les ondulations de la partie d’extrémité 50 forment des bosses 52 alternativement des deux côtés d’une ligne centrale C, parallèle à la première direction D1. Toutes les bosses 52, prises perpendiculairement à la ligne centrale C, ont le même déport transversal par rapport à la ligne centrale C dans le plan de la , qui est le plan d’extension de la première plaque.
Le déport transversal correspond à la distance, perpendiculairement à la première direction D1, entre la ligne centrale C et le sommet de la bosse 52.
La période T1 correspond à l’écartement entre les sommets 54 de deux bosses consécutives situées du même côté de la ligne centrale C, cet écartement étant pris selon la première direction D1, le long de la ligne centrale C.
Les ondulations des parties d’extrémité 50 sont en phase selon la première direction D1.
On entend par là que les bosses 52 des différentes parties d’extrémités 50 sont situées, suivant la première direction D1, aux mêmes positions. En d’autres termes, toutes les bosses 52 situées d’un premier côté de la ligne centrale C pour une partie d’extrémité 50 donnée sont situées, suivant la direction D1, aux mêmes positions que les bosses des autres parties d’extrémité 50 situées du même côté.
Dans l’exemple représenté, les bosses 52 de toutes les parties d’extrémité 50 ont le même déport transversal.
L’écartement entre les lignes centrales C respectives des parties d’extrémité 50 des différents canaux ondulés est sensiblement constant. Cet écartement est pris perpendiculairement à la première direction D1.
Sur les figures 3 et 5, l’écartement entre les canaux ondulés 49 est très exagéré par comparaison avec la largeur de ces canaux ondulés 49, pour des raisons de clarté du dessin.
La première plaque de séparation 21 comporte également une pluralité de canaux obliques 56, chacun s’étendant suivant une seconde direction D2 sécante avec la première direction D1.
Les canaux obliques 56 font partie de l’ensemble 25 de canaux assurant la circulation du premier gaz réactif.
Dans l’exemple représenté, les canaux obliques 56 sont parallèles entre eux, et s’étendent donc tous selon une même seconde direction D2 sécante avec la première direction D1.
En variante, les canaux obliques 56 s’étendent suivant des secondes directions respectives légèrement différentes les unes des autres, et formant au maximum un angle de 30° les unes avec les autres, de préférence au maximum de 15° les unes avec les autres.
L’écartement entre les canaux obliques 56 est sensiblement constant. Cet écartement est pris perpendiculairement à la seconde direction D2.
Les canaux ondulés 49 sont typiquement formés sur la zone centrale 38. La première direction D1 correspond alors à la direction longitudinale L. Les canaux obliques 56 sont typiquement formés dans la zone de distribution 40 ou 42.
Comme illustré sur la , la partie d’extrémité 50 de chaque canal ondulé 49 se raccorde à un des canaux obliques 56 en un point de jonction 58.
La partie d’extrémité 50 se raccorde directement au canal oblique 56 correspondant. On entend par là que le canal oblique 56 prolonge directement la partie d’extrémité 50, le premier gaz réactif s’écoulant entre le canal oblique 56 et la partie d’extrémité 50 du canal ondulé.
Les canaux obliques 56 présentent des parties d’extrémité obliques 60 raccordées aux points de jonction 58.
Ces parties d’extrémité obliques 60 sont de préférence rectilignes et parallèles entre elles. Ces parties d’extrémité obliques 60 s’étendent suivant la seconde direction D2.
La seconde direction D2 forme avec la première direction D1 un angle typiquement compris entre 30° et 90°. Par exemple, la seconde direction D2 est perpendiculaire à la première direction D1.
Les points de jonction 58 définissent des points de projection p en projection sur une droite D parallèle à la première direction D1 ( ). La projection est prise selon une troisième direction D3 perpendiculaire à la première direction D1.
Lesdits points de projection p sont régulièrement espacés les uns des autres selon la première direction D1 et séparés les uns des autres par un écart constant égal à un multiple de ladite période déterminée T1.
En d’autre termes, les points de jonction 58 sont régulièrement espacés les uns des autres selon la première direction D1. Ils sont séparés les uns des autres par un écart constant, égal à un multiple de la période déterminée T1.
Dans l’exemple représenté, l’écart entre les points de projection p est égal à la période T1.
En variante, cet écart est de deux fois T1, ou trois fois T1, ou tout autre multiple.
De ce fait, et comme illustré sur la , les parties d’extrémité 50 des canaux ondulés présentent à leurs points de jonction 58 des tangentes T respectives, toutes parallèles entre elles.
On considère ici les tangentes aux parties d’extrémité 50 des canaux ondulés, prises au niveau des points de jonction 58.
De ce fait, l’inclinaison entre l’extrémité du canal oblique 56, prise au niveau du point de jonction 58, et l’extrémité de la partie 50, prise elle aussi au niveau du point de jonction 58, est sensiblement la même quel que soit le canal ondulé 25 considéré.
Cette inclinaison est strictement la même si les parties d’extrémité obliques 60 de tous les canaux obliques 56 sont orientées suivant la même seconde direction.
Cette inclinaison peut être légèrement différente d’un canal à l’autre, si les parties d’extrémité obliques 60 ne s’étendent pas toutes suivant la même seconde direction.
Toutefois, du fait que les parties d’extrémité obliques 60 s’étendent suivant des directions proches les unes des autres, les inclinaisons au niveau des différents points de jonction 58 sont proches les unes des autres, de telle sorte que les pertes de charge pour le premier gaz réactif s’écoulant dans les différents canaux n’est pas significativement différente.
La montre de manière plus détaillée un exemple de première plaque de séparation 21. Elle ne montre qu’une zone de la plaque de séparation. La vue de la est un zoom de la zone IV délimitée sur la .
Il apparait sur la que chaque canal ondulé 49 comprend une partie principale 62 s’étendant suivant la première direction D1 et formant de grandes ondulations.
Typiquement, la partie principale 62 s’étend sur la plus grande partie de la longueur de la zone centrale 38. La première direction D1 correspond ici à la direction longitudinale L.
La partie d’extrémité 50 prolonge la partie principale 62 d’un canal ondulé 49 donné.
Les grandes ondulations ont une période allongée T2 déterminée, supérieure à la période déterminée T1 des ondulations de la partie d’extrémité 50.
La partie principale 62 s’étend le long de la même ligne centrale C que la partie d’extrémité 50. Les grandes ondulations forment des bosses 64 de part et d’autre de la ligne centrale C. La période allongée T2 correspond à l’écartement, pris suivant la première direction D1, entre les sommets de deux bosses 64 successives, situées du même côté de la ligne centrale C.
Typiquement, la période allongée T2 est comprise entre 1.5 fois et 20 fois la période T1, encore de préférence entre 5 et 15 fois la période T1.
Les bosses 64 présentent, perpendiculairement à la ligne centrale C, un déport transversal plus grand que celui des bosses 52.
Les grandes ondulations des parties principales 62 des différents canaux sont en phase, c’est-à-dire que les bosses 64 des différents canaux sont situées au même niveau suivant la première direction D1.
La partie d’extrémité 50 et la partie principale 62 d’un même canal ondulé 49 se rejoignent en un point limite 65.
Ce point limite 65 correspond à la limite entre les petites ondulations et les grandes ondulations. Les points limites 65 des différents canaux ondulés sont alignés suivant la troisième direction D3, perpendiculaire à la première direction D1.
Dans l’exemple de réalisation de la , le nombre de canaux obliques 56 est égal au nombre de canaux ondulés 49. Les canaux ondulés 49 débouchent chacun dans un canal oblique 56 différent.
Dans l’exemple de la , les points de jonction 58 sont placés sur une droite. Cette droite C′ est illustrée par un trait mixte sur la . Elle coupe la première direction D1.
Elle coupe également la ou les secondes directions D2.
Les canaux ondulés 49 comportent, comme indiqué ci-dessus, chacun une partie principale avec des grandes ondulations, en plus de la partie d’extrémité 50. Cette partie principale n’est pas représentée sur la .
Du fait que les points limites 65 des différents canaux ondulés 49 sont alignés suivant la direction D3, les parties d’extrémité 50 des canaux ondulés 25 sont toutes de longueurs différentes, les longueurs étant prises selon la première direction D1.
Plus précisément, les parties d’extrémités 50 des canaux ondulés 49 sont juxtaposées suivant la troisième direction D3, perpendiculaire à la première direction D1. La partie d’extrémité 50 située sur un premier bord de cette juxtaposition, le bord supérieur dans la représentation de la , est la plus courte. La longueur de la partie d’extrémité 50 augmente quand on va du premier bord vers le deuxième bord. Dans l’exemple de la , la longueur augmente de T1 quand on passe d’un canal ondulé 49 à un autre.
En d’autres termes, dans l’exemple de la , les parties d’extrémité 50 de deux canaux ondulés 49 voisins présentent une différence de longueur de T1.
Dans l’exemple de réalisation de la , le nombre de canaux obliques 56 est inférieur au nombre de canaux ondulés 49, plusieurs canaux ondulés 49 débouchant dans le même canal oblique 56.
Dans cet exemple de la , les points de jonction 58 des canaux ondulés 49 débouchant dans un même canal oblique 56 définissent le même point de projection p sur la droite D.
Ainsi, dans cet exemple de la , Les parties d’extrémités 50 des canaux ondulés 49 débouchant dans un même canal oblique 56 présentent la même longueur selon la première direction D1.
Les canaux ondulés 49 débouchant dans un même canal oblique 56 sont juxtaposés les uns à côté des autres selon la troisième direction D3.
Dans l’exemple représenté à la , la première plaque de séparation 21 comporte sept canaux ondulés 49 voisins débouchant dans chaque canal oblique 56.
Dans d’autres exemples de réalisation, le nombre de canaux obliques 56 est inférieur au nombre de canaux ondulés 49, plusieurs canaux ondulés 49 débouchant dans le même canal oblique 56, mais les points de jonction 58 des canaux ondulés 49 débouchant dans un même canal oblique 56 définissent au moins deux points de projection p différents sur la droite D.
Dans un tel cas, ils définissent tous des points de projection p différents sur la droite D. En variante, les points de jonction 58 de certains canaux ondulés 49 définissent des points de projection p différents sur la droite D, et les points de jonction 58 d’autres canaux ondulés 49 définissent le même point de projection p sur la droite D.
Dans de tels cas, les parties d’extrémités 50 des canaux ondulés 49 dont les points de projection p sont différents présentent des longueurs différentes selon la première direction D1.
Les canaux ondulés 49 débouchant dans un même canal oblique 56 sont juxtaposés les uns à côté des autres selon la troisième direction D3, et les points de projection p sont consécutifs sur la droite D.
Par exemple, deux canaux ondulés 49 voisins débouchant dans chaque canal oblique.
Comme illustré, sur la , les murs 70 séparant les canaux obliques 56 présentent des interruptions 72, à travers lesquelles les canaux obliques 56 communiquent les uns avec les autres. Ceci permet d’équilibrer les pressions entre les canaux obliques 56.
La seconde plaque de séparation 23 porte elle aussi un réseau de canaux. Elle peut elle aussi comporter une pluralité de canaux ondulés pour la circulation du second gaz réactif, et une pluralité de canaux obliques.
Les canaux ondulés de la seconde plaque de séparation peuvent dans ce cas être similaires aux canaux ondulés de la première plaque de séparation. Ils ne seront donc pas décrits ici en détail.
Les canaux obliques de la seconde plaque de séparation peuvent être similaires aux canaux obliques de la première plaque de séparation. Ils ne seront donc pas décrits ici en détail.
Les points de jonction entre les canaux obliques et les canaux ondulés peuvent eux aussi définir des points de projection sur une droite D parallèle à la première direction, la projection étant selon la troisième direction, les points de projection étant régulièrement espacés les uns des autres selon la première direction et séparés les uns des autres par un écart constant et égal à un multiple de la période des ondulations formées dans les parties d’extrémité des canaux ondulés.
Cette période est par exemple la même que celle des ondulations des parties d’extrémité des canaux de la première plaque de séparation. En variante, cette période est différente.
De même, la période allongée des grandes ondulations des canaux ondulés de la seconde plaque de séparation est par exemple égale à la période allongée des canaux ondulés de la première plaque de séparation. En variante, elle n’est pas égale à la période allongée des canaux ondulés de la première plaque de séparation
La pile à combustible décrite ci-dessus présente de multiples avantages.
Quand les points de projection sont séparés les uns des autres par un écart constant, égal à la période déterminée des ondulations, les points de projection sont aussi rapprochés que possible suivant la première direction. Il est ainsi possible de dessiner un réseau de canaux obliques très serré.
Quand chaque canal ondulé comprend une partie principale s’étendant suivant la première direction et formant de grandes ondulations ayant chacun une période allongée déterminée, supérieure à la période déterminée des ondulations de la partie d’extrémité, les risques de déformation des canaux de la première plaque de séparation sont réduits. Les canaux ondulés présentent au niveau des grandes ondulations, des variations de forme plus prononcées, la partie principale du canal ondulé offrant donc une meilleure résistance mécanique lors du serrage des plaques de séparation les unes contre les autres.
Prévoir un nombre de canaux obliques inférieur au nombre de canaux ondulés, plusieurs canaux ondulés débouchant dans le même canal oblique, permet de faciliter la fabrication de la première plaque de séparation et permet de limiter les pertes de charge dans les canaux obliques. Ceci permet aussi de former un grand nombre de canaux ondulés, et donc de garantir une distribution du premier gaz réactif très homogène dans la partie centrale de la plaque
Prévoir que les points de jonction des canaux ondulés débouchant dans un même canal oblique définissent le même point de projection sur la droite permet de conférer aux canaux obliques une orientation sensiblement perpendiculaire à la première direction. Ceci est avantageux pour l’organisation des canaux sur la première plaque de séparation.
Du fait que les parties d’extrémité des canaux ondulés présentent à leurs points de jonction des tangentes respectives toutes parallèles entre elles, la perte de charge du premier gaz réactif passant au point de jonction est sensiblement la même, quel que soit le canal ondulé emprunté.
La pile à combustible décrite ci-dessus présente de multiples variantes.
Dans l’exemple de réalisation décrit ci-dessus, les canaux ondulés s’étendent suivant une première direction D1 correspondant à la direction longitudinale L, c’est-à-dire à la direction des grands bords de la plaque. En variante, la première direction D1 n’est pas confondue avec la direction longitudinale L, mais forme un angle avec la direction longitudinale L.
Les canaux obliques ne sont pas nécessairement les canaux appartenant à la zone de distribution 40 ou à la zone de distribution 42. Ils peuvent être formés sur la partie centrale 38 de la plaque.
La première plaque de séparation 21 n’est pas nécessairement au contact de la couche catalytique formant anode. Elle peut être en contact avec la couche catalytique formant cathode.
La seconde plaque de séparation n’est pas nécessairement du même type que la première plaque de séparation. Seule l’une des deux plaques de séparation peut porter les canaux ondulés et les canaux obliques dont les points de jonction sont régulièrement espacés selon la première direction, comme décrit ci-dessus.
Les canaux ondulés n’ont pas nécessairement des lignes centrales rectilignes. Les lignes centrales peuvent présenter des tronçons d’orientation différentes.
Claims (11)
- Plaque de séparation pour une cellule électrochimique d’une pile à combustible (1), la plaque de séparation (21) comportant, dans une première face :
* une pluralité de canaux ondulés (49) de circulation d’un premier gaz réactif, les canaux ondulés (49) présentant des parties d’extrémité (50) respectives s’étendant toutes suivant une même première direction (D1) et formant des ondulations ayant une même période déterminée (T1) ;
* une pluralité de canaux obliques (56), chacun s’étendant suivant une seconde direction (D2) sécante avec la première direction (D1), la partie d’extrémité (50) de chaque canal ondulé (49) se raccordant à un des canaux obliques (56) en un point de jonction (58) ;
les points de jonction (58) définissant des points de projection (p) en projection sur une droite (D) parallèle à la première direction (D1), la projection étant selon une troisième direction (D3) perpendiculaire à la première direction (D1), lesdits points de projection (p) étant régulièrement espacés les uns des autres selon la première direction (D1) et séparés les uns des autres par un écart constant égal à un multiple de ladite période déterminée (T1). - Plaque de séparation selon la revendication 1, dans laquelle les points de projection (p) sont séparés les uns des autres par un écart constant égal à ladite période déterminée (T1).
- Plaque de séparation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle chaque canal ondulé (49) comprend une partie principale (62) s’étendant suivant la première direction (D1) et formant des grandes ondulations ayant une période allongée (T2) déterminée, supérieure à la période déterminée (T1) des ondulations de la partie d’extrémité (50), la partie d’extrémité (50) d’un canal ondulé (49) s’étendant entre la partie principale (62) et le point de jonction (58) dudit canal ondulé (49).
- Plaque de séparation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le nombre de canaux obliques (56) est inférieur au nombre de canaux ondulés (49), plusieurs canaux ondulés (49) débouchant dans le même canal oblique (56).
- Plaque de séparation selon la revendication 4, dans laquelle les points de jonction (58) des canaux ondulés (49) débouchant dans un même canal oblique (56) définissent le même point de projection (p) sur la droite (D).
- Plaque de séparation selon la revendication 4, dans laquelle les points de jonction (58) des canaux ondulés (49) débouchant dans un même canal oblique (56) définissent au moins deux points de projection (p) distincts sur la droite (D).
- Plaque de séparation selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 et 6, dans laquelle les points de jonction (58) sont placés sur une droite (C’) coupant la première direction (D1).
- Plaque de séparation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les parties d’extrémité (50) des canaux ondulés (49) présentent, à leurs points de jonction (58), des tangentes (T) respectives toutes parallèles entre elles.
- Plaque de séparation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les canaux obliques (56) présentent des parties d’extrémité obliques (60) raccordées aux points de jonction (58), ces parties d’extrémité obliques (60) étant rectilignes et parallèles entre elles.
- Plaque de séparation selon la revendication 9, dans laquelle les parties d’extrémité obliques (60) s’étendent suivant la troisième direction (D3), perpendiculaire à la première direction (D1).
- Pile à combustible (1) comprenant une pluralités de cellules électrochimiques, chaque cellule électrochimique comprenant :
- une membrane électrolytique (3), ayant des première et seconde grandes faces (5, 7) opposées l’une à l’autre ;
- des première et seconde couches catalytiques (9, 11), disposées contre les première et seconde grandes faces (5, 7) de la membrane électrolytique (3) ;
- une plaque de séparation (21) selon l’une quelconque des revendications précédentes, la première couche catalytique (9) étant agencée entre la première face de la plaque de séparation (21) et la membrane électrolytique (3).
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|---|---|---|---|
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Citations (3)
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| US20050153184A1 (en) * | 2004-01-09 | 2005-07-14 | Beutel Matthew J. | Bipolar plate with cross-linked channels |
| CN108172857A (zh) * | 2017-11-23 | 2018-06-15 | 同济大学 | 一种支持高电流密度放电的燃料电池电堆流场板 |
| US20220173413A1 (en) * | 2018-03-28 | 2022-06-02 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell |
-
2022
- 2022-09-26 FR FR2209742A patent/FR3140219A1/fr active Pending
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2023
- 2023-09-25 WO PCT/EP2023/076385 patent/WO2024068539A1/fr unknown
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|---|---|
| WO2024068539A1 (fr) | 2024-04-04 |
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