WO2003052847A2 - Bipolar collector for proton membrane fuel cell - Google Patents

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WO2003052847A2
WO2003052847A2 PCT/FR2002/004380 FR0204380W WO03052847A2 WO 2003052847 A2 WO2003052847 A2 WO 2003052847A2 FR 0204380 W FR0204380 W FR 0204380W WO 03052847 A2 WO03052847 A2 WO 03052847A2
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membrane fuel
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Guy Bronoel
Serge Besse
Clément KIRRMANN
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Sorapec
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Definitions

  • the invention relates to a proton membrane fuel cell characterized in that it comprises bipolar manifolds whose total thickness is very small (less than 3 mm) and constituted by a plurality of partitioned areas, each having the orifices of arrival and departure of reactive fluids; the parallel partitions separating these areas constitute the walls of the conduits where a heat transfer fluid circulates.
  • the stack of elements constituting the cell is traversed perpendicularly by the supply and discharge conduits for the reactive fluids, for each partitioned area, and at least by an inlet conduit and a conduit for discharging the heat transfer fluid.
  • the end plates of the fuel cell have the function of distributing each of the fluids, from a single inlet or outlet duct, to the ducts dedicated to these same fluids, perpendicularly crossing the entire stack of elements. .
  • bipolar collectors described in most of the publications are all characterized by the supply of each element with reactive fluid through a single orifice (and likewise for the evacuation of the same fluid), the homogenization of the flow over the entire active surface of the electrodes being ensured by the circulation of fluids in channels or through specific obstacles, pawns or strands of open-cell foam.
  • conduits for circulation of the heat transfer fluid pass perpendicularly through the stack, including through the membrane and electrodes.
  • the system described comprises conduits for circulation of the heat transfer fluid in each collector, but they open out on either side of the collectors; the mode of supply and evacuation of the heat transfer fluid in these conduits is not described.
  • the very conventional design of the supply (or the evacuation) of the reagents from a single orifice poses the essential problem of the homogeneity of the flow. gas, over the entire surface of the electrode.
  • a distributor whose pressure drop will allow the distribution of substantially equal gas flows over the entire surface.
  • this will result in a good homogenization of the flow at the cost of a high flow rate (to avoid any depletion effect) therefore an equally high pressure drop.
  • the objective of the present invention is to eliminate, or at least limit, the extent of the aforementioned drawbacks by proposing a mode of thermal management at the level of each element, totally different from the conventional designs developed for fuel cells with protonic membrane.
  • the invention also describes, for a stack of stack elements, the mode of distribution of the reactive gases and of the heat transfer fluid, carried out in the extreme plates of the fuel cell
  • each domain the width of which is essentially a function of the characteristics of the thermal conduction in the collector (thermal conductivity of the material constituting it, thickness) has a supply orifice for the reactive fluid at one of its ends and an orifice to the other end for its evacuation.
  • the width of the field does not generally exceed 75 mm, it follows that the homogenization of the reactive flows will be easier to achieve than if it had been, for example, the supply of an element whose width would have been 300 mm.
  • the supply of reactive gases in these partitioned domains is carried out in parallel, which does not impose perfect sealing of the partitioned domains between them.
  • the essential characteristic of the device resides in the fact that the duct, generally of circular or oblong shape, necessary for the circulation of the heat-transfer fluid, is placed partly in the separating partitions of the fluidly independent domains, partitions located on either side of the bipolar collector separating two neighboring elements, the electrodes coming to bear on the external surfaces of these partitions.
  • the manifold may have a single inlet port and a single outlet port for the heat transfer fluid, each orifice being connected to a distribution duct. supplying each longitudinal duct placed in each partition.
  • conduits situated at its two ends conduits which pass through the entire stack perpendicular to the plane of the electrodes.
  • the stack as far as reactive fluids are concerned, will therefore be crossed at each of its ends by a number of conduits equal to twice the number of partitioned domains existing in an element.
  • the number of conduits for the circulation of the heat transfer fluid may be, at each end, reduced to only one for a small number of areas, so as to centralize the distribution of this fluid and reduce the number of passages.
  • the proton membrane fuel cell according to the invention is characterized by the use of bipolar manifolds whose total thickness is very small (less than 3 mm) but which comprise nevertheless a network of parallel conduits located in partitions whose thickness is equal to that of the collectors; these conduits allow the circulation of a heat transfer fluid in order to ensure good thermal management of the system.
  • the stack of elements constituting the proton membrane fuel cell according to the invention is crossed perpendicularly on two of its sides by as many supply or discharge conduits in reactive fluids as there are partitioned domains, and by one or more conduits ensuring the arrival and evacuation of the heat transfer fluid.
  • each plate limiting the two ends of the stack of the proton membrane fuel cell according to the invention has three main conduits connected to the outside and dedicated to each type of fluid (fuel, oxidizer and coolant) and comprises, moreover, the arrival of all the conduits passing through the stack, two or three distribution ramps connecting the main conduits to each type of fluid.
  • the bipolar collectors used in the proton membrane fuel cell according to the invention are made of a composite material, for example a polymer-carbon composite, the electrical conductivity of which is greater than 10 S.cm "1 and the thermal conductivity greater than 10 Wm '.K 1 .
  • the distance between the conduits for circulation of the heat transfer fluid that is to say the width of the partitioned areas, is between 25 and 75 mm.
  • the number of partitioned domains is between 2 and 10.
  • the conduits for circulation of the heat-transfer fluid have a circular or oblong section, with an area of between 0.5 and 3 mm 2 in the case of a circular-shaped conduit and between 1 and 5 mm 2 in the case of an oblong duct.
  • the space between two partitions integrating the conduits for the circulation of the coolant comprises channels or pins made of the same material as the manifold; these channels or these pions ensure the circulation of reactive or reacted species.
  • the circulation space of reactive or reacted species is always less than 1.5 mm.
  • the function of this network of channels or pins is, on the one hand, to ensure the homogenization of the flows circulating in each of them, the upper faces of the channels or pins serving as support for the electrodes and, on the other hand apart, to transmit the electrical charges and the heat from the electrodes to the central part of the collector.
  • the thickness of the space allocated to the circulation of reactive or reacted species is defined so as to ensure a sufficient gas flow at the electrodes in order to reach the maximum power required from the cell, while ensuring, on the cathode side , the departure of the water formed.
  • the thickness of this space will advantageously be greater on the cathode side than on the anode side; for example, the thickness of the anode side may be close to 1 mm, while the space on the cathode side will rather have a thickness close to 1.5 mm.
  • channels or pins does not constitute an innovation, these means being already described for fuel cells.
  • the partitions integrating the conduits for circulation of the heat-transfer fluid have a height equal to the height of the stream in which the reactive fluids circulate, the electrodes being pressed on the upper face of these partitions.
  • FIGS. 1 to 6 The invention and its various characteristics are illustrated in FIGS. 1 to 6:
  • FIG. 1 is a view of a bipolar collector used in the proton membrane fuel cell according to the invention, this collector being represented on the fuel supply side,
  • FIG. 2 is a view of a bipolar collector used in the proton membrane fuel cell according to the invention, this collector being represented on the oxidant supply side,
  • FIG. 3a represents the sectional view of the manifold along a median axis
  • FIG. 3b represents the detail of the sectional view of FIG. 3a
  • FIG. 4 represents a mode of distribution of the heat transfer fluid in a bipolar collector according to the invention, the distribution being, in this case, ensured by an inlet and an outlet by cooling channel,
  • FIG. 5a shows the distribution channels and distribution of fluids in an end plate of the stack constituting the proton membrane fuel cell
  • FIG. 5b represents the distribution and distribution channels for the fluids in an end plate of the stack constituting the proton membrane fuel cell (side view), - Figure 6 shows another mode of distribution of the heat transfer fluid in a bipolar collector, the distribution circuit being, in this case, centralized on a single inlet pipe and a single outlet pipe of the heat transfer fluid.
  • a proton membrane fuel cell constituted by the stack of 36 elements was produced according to the characteristics described.
  • Each cell element has a manifold (1) as shown in Figure 1 for the fuel side (eg H ⁇ and in Figure 2 for the oxidant side (eg OJ.
  • the manifolds shown in Figures 1 and 2 have, in the upper part, fuel (2) and oxidant (3) supply orifices and, in the lower part, discharge orifices (4) and (5), respectively for the same reactive gases.
  • two figures also appear the orifices for supplying (6) and evacuating (7) the heat transfer fluid.
  • the bipolar collector shown in these two figures comprises 5 partitioned areas, separated by a conduit for circulation of the heat transfer fluid (8), represented in FIGS.
  • the partitions (12) and the pins (9) which delimit the circulation veins (10) of the reactive fluids are represented.
  • the electrodes used in the stack are placed on both sides of the collection ur and rest on the pins (9).
  • These pins are made of the same material as that used for the core (11) of the bipolar collector. These pins provide electrical contact between the bipolar collector and the electrodes, as well as the transmission of heat from the electrode to the cooling circuits.
  • the material used in this exemplary embodiment is a PVDF-carbon composite, the electrical conductivity of which is 25 S.cm "1 and the thermal conductivity of 25 Wm- ⁇ K- ⁇
  • FIG. 4 represents the circuit of the heat transfer fluid in the bipolar collector according to an embodiment characterized by a completely separate distribution, each conduit (8) comprising an inlet (13) and an outlet (14) of the heat transfer fluid.
  • the central axis of the coolant circulation conduits is located at the intersection between the plane passing through the middle of the thickness of the manifold and the plane which is perpendicular thereto passing through the middle of each partition.
  • FIGS. 5a and 5b show the conduits for distributing and distributing the fluids in an end plate of the stack, in the case of a lateral connection of the fluids arrivals.
  • the arrival of the heat transfer fluid is ensured by the conduit (15) and its evacuation by the conduit (16); the conduits (17) and (18) ensure the arrival and evacuation of the hydrogen, while the conduits (19) and (20) allow the supply and the evacuation of the oxygen.
  • the oblique passages (21) between the rectangular distribution openings (22) and the distribution clarinets (18) allow these clarinets to be shifted towards the axis of the proton membrane fuel cell.
  • the oxidizing drainage clarinet (oxygen or air) can be placed near the bottom edge, so as to take advantage of a gravity effect favorable to the flow of the water formed.
  • These end plates can be made of a non-conductive material on condition of interposing current collector plates between these plates and the mono-polar end plates.
  • the invention is not limited to the embodiment described but embraces all the variants.
  • One of these variants is represented in FIG. 6 which represents the circuit of the heat transfer fluid in the bipolar collector when the distribution of this fluid is centralized.
  • the manifold (1) has only one inlet duct (23) and a single outlet duct (24).

Abstract

The invention concerns a proton membrane fuel cell characterized in that the bipolar manifolds are divided into several partitioned domains (10) having independent fluid supply and evacuation channels. The separating partitions (12) between the domains enable the passage of conduits for circulating the coolant (18). The connection between the different conduits linked to each domain and concerning a common type of fluid is provided by the end plates.

Description

STRUCTURE COMPACTE POUR PILE A COMBUSTIBLE A MEMBRANE COMPACT STRUCTURE FOR MEMBRANE FUEL CELL
PROTONIQUEPROTON
L'invention concerne une pile à combustible à membrane protonique caractérisée en ce qu'elle comporte des collecteurs bipolaires dont l'épaisseur totale est très faible (inférieure à 3 mm) et constitués par une pluralité de domaines cloisonnés, possédant chacun les orifices d'arrivée et de départ des fluides réactifs ; les cloisons parallèles séparant ces domaines constituent les parois des conduits où circule un fluide caloporteur. L'empilement des éléments constituant la pile est traversé perpendiculairement par les conduits d'amenée et d'évacuation des fluides réactifs, pour chaque domaine cloisonné, et au moins par un conduit d'arrivée et un conduit d'évacuation du fluide caloporteur. Les plaques extrêmes de la pile à combustible ont pour fonction la répartition de chacun des fluides, à partir d'un seul conduit d'arrivée ou d'évacuation, vers les conduits dédiés à ces mêmes fluides, traversant perpendiculairement tout l'empilement des éléments.The invention relates to a proton membrane fuel cell characterized in that it comprises bipolar manifolds whose total thickness is very small (less than 3 mm) and constituted by a plurality of partitioned areas, each having the orifices of arrival and departure of reactive fluids; the parallel partitions separating these areas constitute the walls of the conduits where a heat transfer fluid circulates. The stack of elements constituting the cell is traversed perpendicularly by the supply and discharge conduits for the reactive fluids, for each partitioned area, and at least by an inlet conduit and a conduit for discharging the heat transfer fluid. The end plates of the fuel cell have the function of distributing each of the fluids, from a single inlet or outlet duct, to the ducts dedicated to these same fluids, perpendicularly crossing the entire stack of elements. .
Les collecteurs bipolaires décrits dans la plupart des publications se caractérisent tous par ralimentation de chaque élément en fluide réactif par un seul orifice (et de même pour l'évacuation du même fluide), l'homogénéisation du flux sur toute la surface active des électrodes étant assurée par la circulation des fluides dans des canaux ou à travers des obstacles ponctuels, pions ou brins d'une mousse à alvéoles ouverts.The bipolar collectors described in most of the publications are all characterized by the supply of each element with reactive fluid through a single orifice (and likewise for the evacuation of the same fluid), the homogenization of the flow over the entire active surface of the electrodes being ensured by the circulation of fluids in channels or through specific obstacles, pawns or strands of open-cell foam.
Concernant la gestion thermique des éléments à membrane protonique, donc de la pile à membrane protonique, plusieurs dispositions ont été proposées :Concerning the thermal management of the proton membrane elements, therefore of the proton membrane cell, several provisions have been proposed:
- plusieurs conduits sont situés dans la partie médiane du collecteur, l'axe des conduits étant parallèle au plan des électrodes, - des plaques de refroidissement, alimentées en fluide par des trous dans le sens de l'empilement, sont intercalées entre les éléments de la pile, comme mentionné dans le brevet EP 0 959 511 (Toyota Motor),- several conduits are located in the middle part of the collector, the axis of the conduits being parallel to the plane of the electrodes, - cooling plates, supplied with fluid by holes in the stacking direction, are interposed between the elements of the battery, as mentioned in patent EP 0 959 511 (Toyota Motor),
- le fluide de refroidissement circule dans une double paroi entourant l'empilement,- the cooling fluid circulates in a double wall surrounding the stack,
- des conduits de circulation du fluide caloporteur traversent perpendiculairement l'empilement, y compris à travers membrane et électrodes.- conduits for circulation of the heat transfer fluid pass perpendicularly through the stack, including through the membrane and electrodes.
En ce qui concerne ces différents dispositifs de gestion thermique, tous présentent des inconvénients. Dans le cas de conduits dans la partie médiane du collecteur, il en résulte une épaisseur relativement importante de celui-ci. Le recours à des plaques de refroidissement intercalées entre les éléments de la pile a pour résultat d'accroître l'épaisseur de l'empilement de la pile à combustible, ce qui a le même effet que la solution précitée. Le refroidissement dans une double paroi extérieure impose, quant à lui, qu'au moins une des dimensions des éléments ne soit pas trop élevée, donc une forme très rectangulaire qui, pour des éléments de puissance, impliquera une grande longueur, incompatible avec certaines applications. La traversée de tous les éléments perpendiculairement à leur surface pose de sérieux problèmes d'étanchement lorsque cette traversée s'effectue au travers des électrodes et membranes. Le dispositif décrit dans le brevet JP 58 155664With regard to these various thermal management devices, all have drawbacks. In the case of conduits in the middle part of the manifold, this results in a relatively large thickness thereof. The use of cooling plates inserted between the elements of the stack results in increasing the thickness of the stack of the stack to combustible, which has the same effect as the above solution. The cooling in a double external wall requires, for its part, that at least one of the dimensions of the elements is not too high, therefore a very rectangular shape which, for power elements, will involve a great length, incompatible with certain applications. . The crossing of all the elements perpendicular to their surface poses serious sealing problems when this crossing is carried out through electrodes and membranes. The device described in patent JP 58 155664
(Hitachi Seisakusko KK) est différent des systèmes évoqués ci-dessus mais il s'applique au cas des piles à sels fondus, pour lesquelles les échanges thermiques sont totalement différents de ceux rencontrés dans les piles à membrane protonique. Le système décrit comporte des conduits de circulation du fluide caloporteur dans chaque collecteur mais ils débouchent de part et d'autre des collecteurs ; le mode d'alimentation et d'évacuation du fluide caloporteur dans ces conduits n'est pas décrit.(Hitachi Seisakusko KK) is different from the systems mentioned above but it applies to the case of molten salt cells, for which the heat exchanges are completely different from those encountered in proton membrane cells. The system described comprises conduits for circulation of the heat transfer fluid in each collector, but they open out on either side of the collectors; the mode of supply and evacuation of the heat transfer fluid in these conduits is not described.
En ce qui concerne le mode d'alimentation des fluides au niveau de chaque élément, la conception très classique de l'alimentation (ou l'évacuation) des réactifs à partir d'un seul orifice pose le problème essentiel de l'homogénéité du flux gazeux, sur toute la surface de l'électrode. Dans le cas où l'on a recours à une veine unique remplie par un poreux très ouvert ou à des contacts localisés pour drainer les charges, il convient de disposer, au moins à l'entrée de chaque veine, d'un répartiteur dont la perte de charge permettra la distribution de flux gazeux sensiblement égaux sur toute la surface. Dans le cas où l'on aurait recours à un canal couvrant, suivant un motif en aller et retour, toute la surface, il en résultera une bonne homogénéisation du flux au prix d'un débit élevé (pour éviter tout effet d'appauvrissement) donc d'une perte de charge également élevée. Dans les deux cas, il en résulte une perte énergétique non négligeable. Notons enfin que le recours au cheminement du flux dans plusieurs canaux en parallèle diminue effectivement la perte de charge mais augmente le risque d'une hétérogénéité entre les canaux si l'un des deux est totalement ou partiellement obstrué. Le dispositif représenté dans les brevets EP 0 959 511 (Toyota Motor) et JP 58 155664 (Hitachi Seisakusho KK) permet d'améliorer la répartition des fluides réactifs, en décomposant la surface active de chaque élément de pile en plusieurs domaines cloisonnés alimentés par des orifices indépendants.With regard to the mode of supply of fluids at the level of each element, the very conventional design of the supply (or the evacuation) of the reagents from a single orifice poses the essential problem of the homogeneity of the flow. gas, over the entire surface of the electrode. In the case where one uses a single vein filled by a very open porous or localized contacts to drain the charges, it is necessary to have, at least at the entrance of each vein, a distributor whose pressure drop will allow the distribution of substantially equal gas flows over the entire surface. In the case where one would use a channel covering, in a pattern back and forth, the entire surface, this will result in a good homogenization of the flow at the cost of a high flow rate (to avoid any depletion effect) therefore an equally high pressure drop. In both cases, this results in a significant energy loss. Finally, note that the use of flow routing in several parallel channels effectively reduces the pressure drop but increases the risk of heterogeneity between the channels if one of the two is totally or partially obstructed. The device represented in patents EP 0 959 511 (Toyota Motor) and JP 58 155664 (Hitachi Seisakusho KK) makes it possible to improve the distribution of the reactive fluids, by decomposing the active surface of each cell element into several partitioned areas supplied by independent orifices.
L'objectif de la présente invention est d'éliminer, ou tout au moins de limiter, l'ampleur des inconvénients précités en proposant un mode de gestion thermique au niveau de chaque élément, totalement différent des conceptions classiques développées pour les piles à combustible à membrane protonique. L'invention décrit également, pour un empilement d'éléments de pile, le mode de répartition des gaz réactifs et du fluide caloporteur, réalisée dans les plaques extrêmes de la pile à combustibleThe objective of the present invention is to eliminate, or at least limit, the extent of the aforementioned drawbacks by proposing a mode of thermal management at the level of each element, totally different from the conventional designs developed for fuel cells with protonic membrane. The invention also describes, for a stack of stack elements, the mode of distribution of the reactive gases and of the heat transfer fluid, carried out in the extreme plates of the fuel cell
Au niveau de chaque élément, la surface active est décomposée en plusieurs domaines fluidiquement indépendants. En effet, chaque domaine, dont la largeur est essentiellement fonction des caractéristiques de la conduction thermique dans le collecteur (conductivité thermique du matériau le constituant, épaisseur) possède un orifice d'alimentation pour le fluide réactif à une de ses extrémités et un orifice à l'autre extrémité pour son évacuation. Comme la largeur du domaine n'excède généralement pas 75 mm, il en résulte que l'homogénéisation des flux réactifs sera plus aisée à réaliser que s'il s'était agi, par exemple, de l'alimentation d'un élément dont la largeur aurait été de 300 mm. L'alimentation en gaz réactifs dans ces domaines cloisonnés est effectuée en parallèle, ce qui n'impose pas une parfaite étanchéité des domaines cloisonnés entre eux.At the level of each element, the active surface is broken down into several fluidly independent domains. Indeed, each domain, the width of which is essentially a function of the characteristics of the thermal conduction in the collector (thermal conductivity of the material constituting it, thickness) has a supply orifice for the reactive fluid at one of its ends and an orifice to the other end for its evacuation. As the width of the field does not generally exceed 75 mm, it follows that the homogenization of the reactive flows will be easier to achieve than if it had been, for example, the supply of an element whose width would have been 300 mm. The supply of reactive gases in these partitioned domains is carried out in parallel, which does not impose perfect sealing of the partitioned domains between them.
Du point de vue de la gestion thermique, la caractéristique essentielle du dispositif réside dans le fait que le conduit, généralement de forme circulaire ou oblongue, nécessaire à la circulation du fluide caloporteur, est placé en partie dans les cloisons séparatrices des domaines fluidiquement indépendants, cloisons situées de part et d'autre du collecteur bipolaire séparant deux éléments voisins, les électrodes venant en appui sur les surfaces extérieures de ces cloisons. Lorsque le nombre de domaines fluidiquement indépendants n'est pas trop élevé (par exemple < 6), le collecteur peut comporter un seul orifice d'arrivée et un seul orifice de sortie pour le fluide caloporteur, chaque orifice étant relié à un conduit de distribution alimentant chaque conduit longitudinal placé dans chaque cloison. Au niveau de l'ensemble de l'empilement, on aura donc des conduits situés à ses deux extrémités, conduits qui traversent tout l'empilement perpendiculairement au plan des électrodes. L'empilement, pour ce qui concerne les fluides réactifs, sera donc traversé à chacune de ses extrémités par un nombre de conduits égal à deux fois le nombre de domaines cloisonnés existant dans un élément. En revanche, le nombre de conduits pour la circulation du fluide caloporteur pourra être, à chaque extrémité, réduit à un seul pour un petit nombre de domaines, de manière à centraliser la distribution de ce fluide et réduire le nombre de passages.From the point of view of thermal management, the essential characteristic of the device resides in the fact that the duct, generally of circular or oblong shape, necessary for the circulation of the heat-transfer fluid, is placed partly in the separating partitions of the fluidly independent domains, partitions located on either side of the bipolar collector separating two neighboring elements, the electrodes coming to bear on the external surfaces of these partitions. When the number of fluidically independent domains is not too high (for example <6), the manifold may have a single inlet port and a single outlet port for the heat transfer fluid, each orifice being connected to a distribution duct. supplying each longitudinal duct placed in each partition. At the level of the entire stack, there will therefore be conduits situated at its two ends, conduits which pass through the entire stack perpendicular to the plane of the electrodes. The stack, as far as reactive fluids are concerned, will therefore be crossed at each of its ends by a number of conduits equal to twice the number of partitioned domains existing in an element. On the other hand, the number of conduits for the circulation of the heat transfer fluid may be, at each end, reduced to only one for a small number of areas, so as to centralize the distribution of this fluid and reduce the number of passages.
II en résulte que ce sont les plaques d'extrémité de l'empilement qui comportent des répartiteurs permettant d'alimenter d'une façon identique tous les conduits dévolus à un type de réactif à partir d'une seule arrivée reliée à l'extérieur.As a result, it is the end plates of the stack which include distributors making it possible to supply in an identical manner all the conduits allocated to a type of reagent from a single inlet connected to the outside.
La pile à combustible à membrane protonique selon l'invention se caractérise par l'emploi de collecteurs bipolaires dont l'épaisseur totale est très faible (inférieure à 3 mm) mais qui comportent néanmoins un réseau de conduits parallèles situés dans des cloisons dont l'épaisseur est égale à celle des collecteurs ; ces conduits permettent la circulation d'un fluide caloporteur afin d'assurer la bonne gestion thermique du système.The proton membrane fuel cell according to the invention is characterized by the use of bipolar manifolds whose total thickness is very small (less than 3 mm) but which comprise nevertheless a network of parallel conduits located in partitions whose thickness is equal to that of the collectors; these conduits allow the circulation of a heat transfer fluid in order to ensure good thermal management of the system.
L'empilement des éléments constituant la pile à combustible à membrane protonique selon l'invention est traversé perpendiculairement sur deux de ses côtés par autant de conduits d'alimentation ou d'évacuation en fluides réactifs qu'il y a de domaines cloisonnés, et par un ou plusieurs conduits assurant l'arrivée et l'évacuation du fluide caloporteur.The stack of elements constituting the proton membrane fuel cell according to the invention is crossed perpendicularly on two of its sides by as many supply or discharge conduits in reactive fluids as there are partitioned domains, and by one or more conduits ensuring the arrival and evacuation of the heat transfer fluid.
Les plaques extrêmes de la pile à combustible à membrane pro tonique selon l'invention ont pour fonction la répartition, à partir d'un seul conduit d'arrivée ou d'évacuation, de chacun des fluides vers les conduits dédiés à ces mêmes fluides traversant perpendiculairement tout l'empilement des éléments. A cet effet, chaque plaque limitant les deux extrémités de l'empilement de la pile à combustible à membrane protonique selon l'invention possède trois conduits principaux reliés à l'extérieur et dédiés à chaque type de fluide (carburant, comburant et caloporteur) et comporte, par ailleurs, l'arrivée de tous les conduits traversant l'empilement, deux ou trois rampes de répartition reliant les conduits principaux à chaque type de fluide.The end plates of the fuel cell with a pro tonic membrane according to the invention have the function of distributing, from a single inlet or outlet duct, each of the fluids towards the ducts dedicated to these same fluids passing through. perpendicularly the entire stack of elements. To this end, each plate limiting the two ends of the stack of the proton membrane fuel cell according to the invention has three main conduits connected to the outside and dedicated to each type of fluid (fuel, oxidizer and coolant) and comprises, moreover, the arrival of all the conduits passing through the stack, two or three distribution ramps connecting the main conduits to each type of fluid.
Les collecteurs bipolaires mis en œuvre dans la pile à combustible à membrane protonique selon l'invention sont réalisés en un matériau composite, par exemple un composite polymère- carbone, dont la conductivité électrique est supérieure à 10 S.cm"1 et la conductivité thermique supérieure à 10 W.m '.K 1.The bipolar collectors used in the proton membrane fuel cell according to the invention are made of a composite material, for example a polymer-carbon composite, the electrical conductivity of which is greater than 10 S.cm "1 and the thermal conductivity greater than 10 Wm '.K 1 .
Selon une autre caractéristique de l'invention, la distance entre les conduits de circulation du fluide caloporteur, c'est à dire la largeur des domaines cloisonnés, est comprise entre 25 et 75 mm. Le nombre des domaines cloisonnés est compris entre 2 et 10.According to another characteristic of the invention, the distance between the conduits for circulation of the heat transfer fluid, that is to say the width of the partitioned areas, is between 25 and 75 mm. The number of partitioned domains is between 2 and 10.
Selon l'invention, les conduits de circulation du fluide caloporteur ont une section circulaire ou oblongue, de surface comprise entre 0,5 et 3 mm2 dans le cas d'un conduit de forme circulaire et entre 1 et 5 mm2 dans le cas d'un conduit de forme oblongue.According to the invention, the conduits for circulation of the heat-transfer fluid have a circular or oblong section, with an area of between 0.5 and 3 mm 2 in the case of a circular-shaped conduit and between 1 and 5 mm 2 in the case of an oblong duct.
Selon la présente invention, l'espace entre deux cloisons intégrant les conduits pour la circulation du fluide caloporteur comporte des canaux ou des pions réalisés dans le même matériau que le collecteur ; ces canaux ou ces pions assurent la circulation des espèces réactives ou ayant réagi. L'espace de circulation des espèces réactives ou ayant réagi a toujours une épaisseur inférieure à 1,5 mm. Ce réseau de canaux ou de pions a pour fonction, d'une part, d'assurer l'homogénéisation des flux circulant dans chacun d'eux, les faces supérieures des canaux ou des pions servant d'appui aux électrodes et, d'autre part, de transmettre les charges électriques et la chaleur des électrodes vers la partie centrale du collecteur. L'épaisseur de l'espace dévolu à la circulation des espèces réactives ou ayant réagi est définie de façon à assurer un débit gazeux suffisant au niveau des électrodes afin d'atteindre la puissance maximale demandée à la pile, tout en assurant, du côté cathode, le départ de l'eau formée. Ainsi, l'épaisseur de cet espace sera avantageusement plus élevée du côté cathode que du côté anode ; à titre d'exemple, l'épaisseur du côté anode pourra être voisine de 1 mm, alors que l'espace du côté cathode aura plutôt une épaisseur voisine de 1,5 mm. Il est à noter que l'utilisation de canaux ou de pions ne constitue pas une innovation, ces moyens étant déjà décrits pour des piles à combustible.According to the present invention, the space between two partitions integrating the conduits for the circulation of the coolant comprises channels or pins made of the same material as the manifold; these channels or these pions ensure the circulation of reactive or reacted species. The circulation space of reactive or reacted species is always less than 1.5 mm. The function of this network of channels or pins is, on the one hand, to ensure the homogenization of the flows circulating in each of them, the upper faces of the channels or pins serving as support for the electrodes and, on the other hand apart, to transmit the electrical charges and the heat from the electrodes to the central part of the collector. The thickness of the space allocated to the circulation of reactive or reacted species is defined so as to ensure a sufficient gas flow at the electrodes in order to reach the maximum power required from the cell, while ensuring, on the cathode side , the departure of the water formed. Thus, the thickness of this space will advantageously be greater on the cathode side than on the anode side; for example, the thickness of the anode side may be close to 1 mm, while the space on the cathode side will rather have a thickness close to 1.5 mm. It should be noted that the use of channels or pins does not constitute an innovation, these means being already described for fuel cells.
Selon l'invention, les cloisons intégrant les conduits de circulation du fluide caloporteur ont une hauteur égale à la hauteur de la veine où circulent les fluides réactifs, les électrodes étant pressées sur la face supérieure de ces cloisons.According to the invention, the partitions integrating the conduits for circulation of the heat-transfer fluid have a height equal to the height of the stream in which the reactive fluids circulate, the electrodes being pressed on the upper face of these partitions.
L'invention et ses différentes caractéristiques sont illustrées par les figures 1 à 6 :The invention and its various characteristics are illustrated in FIGS. 1 to 6:
- la figure 1 est une vue d'un collecteur bipolaire mis en œuvre dans la pile à combustible à membrane protonique selon l'invention, ce collecteur étant représenté côté alimentation en carburant,FIG. 1 is a view of a bipolar collector used in the proton membrane fuel cell according to the invention, this collector being represented on the fuel supply side,
- la figure 2 est une vue d'un collecteur bipolaire mis en œuvre dans la pile à combustible à membrane protonique selon l'invention, ce collecteur étant représenté côté alimentation en comburant,FIG. 2 is a view of a bipolar collector used in the proton membrane fuel cell according to the invention, this collector being represented on the oxidant supply side,
- la figure 3a représente la vue en coupe du collecteur suivant un axe médian, - la figure 3b représente le détail de la vue en coupe de la figure 3a,FIG. 3a represents the sectional view of the manifold along a median axis, FIG. 3b represents the detail of the sectional view of FIG. 3a,
- la figure 4 représente un mode de distribution du fluide caloporteur dans un collecteur bipolaire selon l'invention, la distribution étant, dans ce cas, assurée par une entrée et une sortie par canal de refroidissement,FIG. 4 represents a mode of distribution of the heat transfer fluid in a bipolar collector according to the invention, the distribution being, in this case, ensured by an inlet and an outlet by cooling channel,
- la figure 5a représente les canaux de distribution et de répartition des fluides dans une plaque d'extrémité de l'empilement constituant la pile à combustible à membrane protonique- Figure 5a shows the distribution channels and distribution of fluids in an end plate of the stack constituting the proton membrane fuel cell
(vue de face),(front view),
- la figure 5b représente les canaux de distribution et de répartition des fluides dans une plaque d'extrémité de l'empilement constituant la pile à combustible à membrane protonique (vue de profil), - la figure 6 représente un autre mode de distribution du fluide caloporteur dans un collecteur bipolaire, le circuit de distribution étant, dans ce cas, centralisé sur un seul conduit d'arrivée et un seul conduit de sortie du fluide caloporteur.FIG. 5b represents the distribution and distribution channels for the fluids in an end plate of the stack constituting the proton membrane fuel cell (side view), - Figure 6 shows another mode of distribution of the heat transfer fluid in a bipolar collector, the distribution circuit being, in this case, centralized on a single inlet pipe and a single outlet pipe of the heat transfer fluid.
Exemple de réalisationExample of realization
Une pile à combustible à membrane protonique constituée par l'empilement de 36 éléments a été réalisée selon les caractéristiques décrites. Chaque élément de la pile comporte un collecteur (1) tel que représenté sur la figure 1 pour le côté carburant (par exemple H^ et sur la figure 2 pour le côté comburant (par exemple OJ. Les collecteurs représentés sur les figures 1 et 2 comportent, en partie haute, des orifices d'amenée du carburant (2) et du comburant (3) et, en partie basse, des orifices d'évacuation (4) et (5), respectivement pour les mêmes gaz réactifs. Sur ces deux figures, apparaissent également les orifices d'amenée (6) et d'évacuation (7) du fluide caloporteur. Le collecteur bipolaire représenté sur ces deux figures comportent 5 domaines cloisonnés, séparés par un conduit de circulation du fluide caloporteur (8), représenté sur les figures 3a et 3b. Sur ces mêmes figures, sont représentés les cloisons (12) et les pions (9) qui délimitent les veines de circulation (10) des fluides réactifs. Les électrodes mises en œuvre dans l'empilement sont placées de part et d'autre du collecteur et prennent appui sur les pions (9). Ces pions sont constitués du même matériau que celui utilisé pour l'âme (11) du collecteur bipolaire. Ces pions assurent les contacts électriques entre le collecteur bipolaire et les électrodes, ainsi que la transmission de la chaleur de l'électrode vers les circuits de refroidissement. Le matériau utilisé dans cet exemple de réalisation est un composite PVDF-carbone dont la conductivité électrique est égale à 25 S.cm"1 et la conductivité thermique est de 25 W.m- \K-\A proton membrane fuel cell constituted by the stack of 36 elements was produced according to the characteristics described. Each cell element has a manifold (1) as shown in Figure 1 for the fuel side (eg H ^ and in Figure 2 for the oxidant side (eg OJ. The manifolds shown in Figures 1 and 2 have, in the upper part, fuel (2) and oxidant (3) supply orifices and, in the lower part, discharge orifices (4) and (5), respectively for the same reactive gases. two figures also appear the orifices for supplying (6) and evacuating (7) the heat transfer fluid. The bipolar collector shown in these two figures comprises 5 partitioned areas, separated by a conduit for circulation of the heat transfer fluid (8), represented in FIGS. 3a and 3b In these same figures, the partitions (12) and the pins (9) which delimit the circulation veins (10) of the reactive fluids are represented. The electrodes used in the stack are placed on both sides of the collection ur and rest on the pins (9). These pins are made of the same material as that used for the core (11) of the bipolar collector. These pins provide electrical contact between the bipolar collector and the electrodes, as well as the transmission of heat from the electrode to the cooling circuits. The material used in this exemplary embodiment is a PVDF-carbon composite, the electrical conductivity of which is 25 S.cm "1 and the thermal conductivity of 25 Wm- \ K- \
La figure 4 représente le circuit du fluide caloporteur dans le collecteur bipolaire selon un mode de réalisation caractérisé par une distribution totalement séparée, chaque conduit (8) comportant une entrée (13) et une sortie (14) du fluide caloporteur. L'axe central des conduits de circulation du fluide caloporteur est situé à l'intersection entre le plan passant par le milieu de l'épaisseur du collecteur et le plan qui lui est perpendiculaire passant par le milieu de chaque cloison.FIG. 4 represents the circuit of the heat transfer fluid in the bipolar collector according to an embodiment characterized by a completely separate distribution, each conduit (8) comprising an inlet (13) and an outlet (14) of the heat transfer fluid. The central axis of the coolant circulation conduits is located at the intersection between the plane passing through the middle of the thickness of the manifold and the plane which is perpendicular thereto passing through the middle of each partition.
Les figures 5a et 5b montrent les conduits de distribution et de répartition des fluides dans une plaque d'extrémité de l'empilement, dans le cas d'une connexion latérale des arrivées de fluides. L'arrivée du fluide caloporteur est assurée par le conduit (15) et son évacuation par le conduit (16) ; les conduits (17) et (18) assurent l'arrivée et l'évacuation de l'hydrogène, alors que les conduits (19) et (20) permettent l'alimentation et l'évacuation de l'oxygène. Les passages obliques (21) entre les orifices de distribution rectangulaires (22) et les clarinettes de distribution (18) permettent de décaler ces clarinettes vers l'axe de la pile à combustible à membrane protonique. La clarinette de drainage comburant (oxygène ou air) peut être placée près du bord inférieur, de façon à mettre à profit un effet de gravité favorable à l'écoulement de l'eau formée. Ces plaques d'extrémité peuvent être réalisées en un matériau non conducteur à condition d'intercaler des plaques collectrices de courant entre ces plaques et les plaques mono-polaires d'extrémité.FIGS. 5a and 5b show the conduits for distributing and distributing the fluids in an end plate of the stack, in the case of a lateral connection of the fluids arrivals. The arrival of the heat transfer fluid is ensured by the conduit (15) and its evacuation by the conduit (16); the conduits (17) and (18) ensure the arrival and evacuation of the hydrogen, while the conduits (19) and (20) allow the supply and the evacuation of the oxygen. The oblique passages (21) between the rectangular distribution openings (22) and the distribution clarinets (18) allow these clarinets to be shifted towards the axis of the proton membrane fuel cell. The oxidizing drainage clarinet (oxygen or air) can be placed near the bottom edge, so as to take advantage of a gravity effect favorable to the flow of the water formed. These end plates can be made of a non-conductive material on condition of interposing current collector plates between these plates and the mono-polar end plates.
L'invention ne se limite pas à l'exemple de réalisation décrit mais en embrasse toute les variantes. Une de ces variantes est représentée sur la figure 6 qui représente le circuit du fluide caloporteur dans le collecteur bipolaire lorsque la distribution de ce fluide est centralisée. Dans ce cas, le collecteur (1) ne comporte qu'un seul conduit d'arrivée (23) et un seul conduit de sortie (24). The invention is not limited to the embodiment described but embraces all the variants. One of these variants is represented in FIG. 6 which represents the circuit of the heat transfer fluid in the bipolar collector when the distribution of this fluid is centralized. In this case, the manifold (1) has only one inlet duct (23) and a single outlet duct (24).

Claims

REVENDICATIONS
1 - Pile à combustible à membrane protonique caractérisée en ce qu'elle comporte un ou des collecteurs bipolaires dont l'épaisseur totale est très faible — inférieure à 3 mm - mais qui comportent néanmoins un réseau de conduits parallèles situés dans des cloisons dont l'épaisseur est celle des coËecteurs, lesdits conduits permettant la circulation d'un fluide caloporteur pour assurer une bonne gestion thermique du système.1 - Protonic membrane fuel cell characterized in that it comprises one or more bipolar manifolds whose total thickness is very small - less than 3 mm - but which nevertheless include a network of parallel conduits located in partitions whose thickness is that of the coËectors, said conduits allowing the circulation of a heat-transfer fluid to ensure good thermal management of the system.
2 - Pile à combustible à membrane protonique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau constitutif du ou des collecteurs bipolaires est un matériau composite dont la conductivité électrique est supérieure à 10 S.cm"1 et la conductivité thermique supérieure à 10 W.m '.K"1.2 - Protonic membrane fuel cell according to claim 1, characterized in that the material constituting the bipolar collector (s) is a composite material whose electrical conductivity is greater than 10 S.cm "1 and the thermal conductivity greater than 10 Wm '.K "1 .
3 — Pile à combustible à membrane protonique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la distance entre les conduits que comportent le ou les collecteurs bipolaires pour assurer la circulation du fluide caloporteur est comprise entre 25 et 75 mm, la section d'un conduit, de forme circulaire ayant une surface comprise entre 0,5 et 3 mm2.3 - Protonic membrane fuel cell according to claim 1, characterized in that the distance between the conduits which comprise the bipolar collector (s) for ensuring the circulation of the heat-transfer fluid is between 25 and 75 mm, the section of a conduit , circular in shape with an area between 0.5 and 3 mm 2 .
4 - Pile à combustible à membrane pro tonique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la distance entre les conduits que comportent le ou les collecteurs bipolaires pour assure la circulation du fluide caloporteur est comprise entre 25 et 75 mm, la section d'un conduit, de forme oblongue, ayant une surface comprise entre 1 et 5 mm2.4 - Fuel cell with pro tonic membrane according to claim 1, characterized in that the distance between the conduits which comprise the two-pole manifold (s) for ensuring the circulation of the heat-transfer fluid is between 25 and 75 mm, the section of a duct, oblong, with an area between 1 and 5 mm 2 .
5 — Pile à combustible à membrane protonique selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'espace entre deux cloisons intégrant les conduits pour la circulation du fluide caloporteur comporte des canaux ou des pions réalisés dans le même matériau que le reste du collecteur, ces canaux ou ces pions assurant au mieux la circulation des espèces réactives ou ayant réagi, cet espace de circulation ayant toujours une épaisseur inférieure à 1 ,5 mm.5 - Protonic membrane fuel cell according to claim 1, characterized in that the space between two partitions integrating the conduits for the circulation of the heat-transfer fluid comprises channels or pins made of the same material as the rest of the collector, these channels or these pins ensuring the circulation of reactive or reacted species as well as possible, this circulation space always having a thickness of less than 1.5 mm.
6 - Pile à combustible à membrane protonique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les cloisons intégrant les conduits ont une hauteur égale à la hauteur de la veine où circulent les fluides réactifs, les électrodes étant pressées sur la face supérieure de ces cloisons. 7 - Pile à combustible à membrane protonique selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'empilement des éléments constituant la pile est traversé perpendiculairement sur deux de ses côtés par autant de conduits d'alimentation ou d'évacuation en fluides réactifs qu'il y a de domaines cloisonnés et par un ou plusieurs conduits assurant alimentation et l'évacuation du fluide caloporteur.6 - Protonic membrane fuel cell according to claim 1, characterized in that the partitions integrating the conduits have a height equal to the height of the vein where the reactive fluids circulate, the electrodes being pressed on the upper face of these partitions. 7 - Protonic membrane fuel cell according to claim 1, characterized in that the stack of elements constituting the cell is crossed perpendicularly on two of its sides by as many supply or discharge conduits in reactive fluids as there are partitioned areas and by one or more conduits ensuring supply and evacuation of the heat transfer fluid.
8 - Pile à combustible à membrane protonique selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque plaque limitant les deux extrémités de l'empilement possède trois conduits principaux reliés à l'extérieur et dédiés à chaque type de fluide (carburant, comburant, caloporteur) et comporte par ailleurs l'arrivée de tous les conduits traversant l'empilement, deux ou trois rampes de répartition reliant les conduits principaux à chaque type de fluide. 8 - Protonic membrane fuel cell according to claim 1, characterized in that each plate limiting the two ends of the stack has three main conduits connected to the outside and dedicated to each type of fluid (fuel, oxidizer, coolant) and also includes the arrival of all the conduits passing through the stack, two or three distribution ramps connecting the main conduits to each type of fluid.
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