WO2019155017A1 - Pile a court-circuitage par changement de forme - Google Patents

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WO2019155017A1
WO2019155017A1 PCT/EP2019/053194 EP2019053194W WO2019155017A1 WO 2019155017 A1 WO2019155017 A1 WO 2019155017A1 EP 2019053194 W EP2019053194 W EP 2019053194W WO 2019155017 A1 WO2019155017 A1 WO 2019155017A1
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short
circuiting
elementary module
anode
elementary
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PCT/EP2019/053194
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Vincent Faucheux
David Alincant
Olivier Blanchot
Jessica Thery
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Commissariat A L’Energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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Publication date
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04246—Short circuiting means for defective fuel cells
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to the field of fuel cells useful for generating an electric current by oxidation of a fuel, especially dihydrogen by means of an oxidant, especially oxygen.
  • a fuel cell is generally formed of an assembly of elementary modules.
  • Each elementary module includes an oxidation unit for generating an electric current, and is formed of an anode and a cathode sandwiching an electrolyte membrane.
  • An elementary module of a hydrogen cell has a theoretical maximum potential of 1.23 V. In practice, it is generally between 0.6 V and 0.85 V when the cell delivers an electric current.
  • the elementary modules that make up the cell are electrically connected in series, and arranged on each other vertically, thus forming a stack.
  • a first example of such a type of cell in which two adjacent elementary modules of the stack share a common element, called a bipolar plate, which distributes the fuel to one of the two elementary modules, and the oxidant to the 'other.
  • the bipolar plate formed of an electrically conductive material, is further in contact with the anode and the cathode of two respective adjacent modules, and also provides their electrical connection in series.
  • the battery must be completely dismantled to perform the replacement of the basic module, which is costly and time consuming to implement.
  • a second example is also known from WO 2012/117035 A1 in which two consecutive elementary modules of the stack are separated by an electrically insulating spacer. The electrical connection in series of the elementary modules is provided by an external electrical circuit.
  • a field effect power transistor is associated with each elementary module of the cell to electrically short-circuit, if necessary, the defective elementary module.
  • the stack of WO 2012/117035 A1 therefore requires a large number of transistors and means for supplying power to the transistors, which makes its manufacture complex and expensive.
  • WO 2012/117035 A1 it is proposed in WO 2012/117035 A1 to control the supply of dihydrogen of a defective elementary module by means of a valve.
  • the valve is disposed in a dihydrogen feed conduit of the elementary module and is formed of a shape memory material adapted to deform under the effect of the passage of an electric current.
  • the valve is heated by the Joule effect by the external circuit and is deformed accordingly to obstruct the dihydrogen feed line.
  • each elementary module of the stack of WO 2012/117035 A1 thus comprises two respective separate members one of on the other, ie a transistor and a valve, and means for controlling said organs.
  • the manufacture of the stack of WO 2012/117035 A1 is therefore complex and expensive.
  • valve of the battery described in WO 2012/117035 A1 limits the flow of dihydrogen feed, it can not remove it entirely, especially when the pressure of hydrogen is high in the feed duct.
  • US 2005/019630 A1 discloses a fuel cell having bipolar plates adjacent to an electrode-membrane unit and having short-circuiting means.
  • the short-circuiting means can be activated by applying heat to short-circuit the bipolar plates.
  • FR 2 434 215 A1 describes an electrolyzer comprising an alternating stack of bipolar electrodes and diaphragms.
  • a device for short-circuiting this electrolyser comprises a crucible intended to receive a metal or a fusible alloy and provided with a taphole, this crucible being carried by a sliding carriage under the action of motor means.
  • WO 2017/092948 A1 discloses a method of repairing a fuel cell having a plurality of individual modules, the method comprising the steps of identifying at least one degraded individual module of the stack and disabling the degraded individual module.
  • the invention aims to at least partially satisfy this need and proposes an elementary module of a fuel cell, the elementary module comprising: an oxidation unit configured to oxidize a fuel, preferably dihydrogen, by means of an oxidant, preferably oxygen, so as to generate electrons, the oxidation unit comprising an anode and a cathode sandwich an electrolyte membrane, and
  • an electrically conductive short-circuiting element devoid of electrical connection with the anode and / or with the cathode in an electrical production configuration of the elementary module, and electrically connecting the anode and the cathode in a short-circuit configuration of the elementary module, the elementary module being configured so that the transition from the electrical generation configuration to the short-circuit configuration is made by changing the shape of the short-circuiting device.
  • a fuel cell comprising a plurality of elementary modules according to the invention can be designed without complex electronic means for short-circuiting the elementary module, the short-circuiting being operated by a physical contact of a conductive track. anode and a conductive cathode track by means of the short-circuiting member.
  • the stack can be configured so that the replacement of the defective elementary module is facilitated.
  • the defective elementary module can be short-circuited, without its short-circuiting affecting the performance of the other elementary modules of the fuel cell.
  • the elementary module is able to generate an electric current for powering an electrical device, for example an electric motor, to which the elementary module can be electrically connected.
  • the elementary module may be free of any electrical connection with the electrical device.
  • the electrical connection operated by the short-circuiting member between the anode and the cathode prevents the electrical supply of the electrical device.
  • the elementary module is then unfit for any generation of an electric current.
  • the short-circuiting member defines a fuel-tight seal shaped to prevent fueling of the oxidation unit.
  • the elemental module defines an anode distribution chamber for containing the fuel and in fluid communication with the anode, the elementary module having an inlet opening for introducing the fuel into the anodic distribution chamber in the electrical generation configuration.
  • the short-circuiting member defines a fuel seal to prevent the transport of fuel between the inlet opening and the anodic distribution chamber, in the short-circuit configuration.
  • the short-circuiting member then provides both the electrical short-circuiting of the elementary module and the fuel sealing of the anodic distribution chamber.
  • the elementary module defines a plurality of anode distribution chambers, each of said plurality of anode chambers being as previously defined.
  • the elementary module may comprise a plurality of input openings and a plurality of short-circuiting members as defined above respectively.
  • Each of the plurality of inlet openings may be shaped to dispense the fuel into a single, preferably single, anode distribution chamber of the plurality.
  • Each short-circuiting member may define a fuel-tight seal in the short-circuit configuration to seal a single, eg, anodic distribution chamber.
  • the short-circuiting member is housed in the anodic distribution chamber.
  • the transition from the electrical configuration to the short-circuit configuration is preferably irreversible.
  • shape change of the short-circuiting member is meant that at least one dimension of the short-circuiting member, for example its length and / or its thickness, is modified during the passage of the production configuration. electrical to the short circuit configuration.
  • a transistor in particular a transistor having a field, used as shorting organ undergoes no change of shape to implement a short-circuiting.
  • the change of shape can be operated by a plastic deformation in the solid state of the short-circuiting member.
  • the short-circuiting member may comprise an electrically conductive polymer material and the change of shape may be operated by a transition from a glassy state to a rubbery state of the short-circuiting member.
  • the short-circuiting member may be a shape memory material, and the solid-state shape change of the short-circuiting member is operated by heating the short-circuiting member.
  • the shape change of the short-circuiting member is effected by melting, preferably followed by solidification, of the short-circuiting member.
  • the short-circuiting member can thus be designed in a material chosen for its melting temperature adapted to the thermal stresses resulting from the production of the electric current in the electrical production configuration.
  • the short-circuiting member comprises for more than 50% of its mass, preferably for more than 90% of its mass, preferably for 100% of mass, a metal or, preferably, a metal alloy.
  • the metal alloy comprises at least 20.0%, preferably at least 30.0%, or even at least 50.0% of a metal selected from bismuth, lead, tin, zirconium, indium and mixtures thereof, in percentages by weight based on the mass of the metal alloy.
  • the metal alloy has a temperature below the temperature from which the other constituents of the elementary module are degraded.
  • the metal alloy has between 30.0% and 65.0% bismuth, in percentages by weight based on the mass of the metal alloy.
  • the metal or metal alloy has a melting point between 50 ° C and 300 ° C, and preferably below 150 ° C.
  • the change of shape of the short-circuiting member is thus to be operated without damaging the other components of the elementary module, in particular those which are for example formed of a thermoplastic polymer material.
  • the metal alloy is chosen from: the MCP 137 alloy, comprising 58% by weight of bismuth and tin, marketed by the company 5Nplus, and whose melting point is 120 ° C.,
  • Cerro® 103 alloy marketed by Metaconcept, whose melting point is 103 ° C.
  • the Wood alloy comprising, by mass, 50.0% of bismuth, 26.7% of lead, 13.3% of tin and 12.5% of cadmium, and whose melting point is 70 ° C.
  • the Newton metal comprising by weight 50.0% of bismuth, 31.25% of lead and 18.75% of tin, and whose melting point is 97 ° C.
  • the short-circuiting member is electrically conductive, that is to say that it has an electrical resistivity of less than 1000 m ⁇ .cm.
  • the electrical resistivity of the short-circuiting element is greater than 1 m ⁇ .cm.
  • the short-circuiting member is a material having a melting enthalpy greater than 1 ⁇ g 1 and / or less than 200 ⁇ g 1 .
  • the short-circuiting member is monolithic. It can be of varied shape, both in the electrical production configuration and in the short-circuit configuration.
  • the short-circuiting member is for example a cylindrical pin of revolution or having a right-hand pave shape.
  • the transverse section of the pin may be of varied shape, for example rectangular or square.
  • the short-circuiting member has a generally thin and particularly flattened shape. In particular, it may have a ratio of its thickness over its length less than 0.5, or even less than 0.2, even less than 0.1.
  • the thickness of the short-circuiting member is between 1 ⁇ m and 1 mm, preferably less than 100 ⁇ m, or even less than 50 ⁇ m.
  • thickness By “thickness" of the short-circuiting member, it is understood the smallest distance separating two opposite faces facing the short-circuiting member.
  • the short-circuiting member may have a length greater than 1 mm and less than 10 cm, for example equal to 1 cm, and / or a width of between 0.1 mm and 1 cm, for example between 0.5 mm and 2 mm.
  • the short-circuiting member may have two parallel faces connected to each other by a portion of which at least one face is curved.
  • it may have a barrel shape, in particular resulting during the short-term circuitry of the elementary module, capillary interaction forces acting between the fused short-circuiting member and the other constituent elements of the elementary module with which the short-circuiting member is in contact.
  • the thickness of the short-circuiting member in the short-circuit configuration may be greater than the thickness of the short-circuiting member in the electrical generating configuration.
  • the increase in the thickness of the short-circuiting member may result from the effect of capillary interactions between the short-circuiting element and the components of the elementary module of which it is in contact in the short-circuit configuration. circuit.
  • the short-circuiting member may have a mass greater than 0.1 mg and less than 100 mg, especially less than 10 mg.
  • the elementary module may comprise several short-circuiting devices, in particular arranged in an anode chamber. This ensures that the short circuit of the elementary module is effective by increasing the number of physical and electrical contacts between the anode and the cathode.
  • the elementary module may comprise, in the electrical production configuration, a plurality of short-circuiting members, which by shape change coalesce with each other, so as to form a single short-circuiting member in the short circuit configuration.
  • the short-circuiting member electrically connects the anode and the cathode.
  • the short-circuiting member may be in contact with the anode and / or with the cathode. Alternatively, it may be free of contact with the anode and / or cathode while providing the electrical connection between the anode and the cathode.
  • the elementary module comprises conductive anode tracks and electrically conductive cathode conductive track, preferably at least partially housed in the anodic distribution chamber, and electrically connected to the anode and the cathode respectively.
  • the short-circuiting member is preferably disposed between the anode conductor track and the cathode conductor track. In the short-circuit configuration, the short-circuiting member may be in contact with the anode conductive track and / or the cathode conductor track.
  • the anode conducting track and the cathode conducting track are preferably different from the anode and the cathode respectively. Preferably, they are free from contact with the electrolytic membrane.
  • the conductive anode track and the conductive cathode track are electrically conductive, and are for example copper.
  • At least a portion of the anode conductor track and at least a portion of the cathode conductor track are disposed remote from the anode and the cathode respectively.
  • the short-circuiting member is remote from the anode conducting track and / or the cathode conductive track, and in the short-circuit configuration, the short-circuiting member is The circuit-breaker is in contact with the conductive anode track and the cathode conductor track.
  • the distance between the faces of the conductive anode track and the cathode conductor track, both in contact with the short-circuiting member is preferably between 10 ⁇ m and 1000 pm.
  • the change of shape is effected by a melting of the short-circuiting member
  • the emergence of capillary forces when the shorting device is brought into contact with the anode track and with the cathode track reduces the electrical resistance of contact and ensures, if necessary, an excellent fuel tightness.
  • the anode conducting track and / or the cathode conducting track preferably comprise an anode contact zone and / or a cathodic contact zone respectively for contacting and adhesion of the short-circuiting member on the track.
  • the anodic contact zone and / or the cathodic contact zone are made of a material that can be wetted by the fused short-circuiting member.
  • the anodic contact zone and / or the cathodic contact zone are arranged facing the short-circuiting device according to the electrical production configuration.
  • the molten short-circuiting member contacts and is anchored in a precise area of the conductive anode track and / or the cathode conductor track during the passage of the electrical output to the short circuit configuration.
  • the anodic contact zone and / or the cathodic contact zone may be formed by a metal film disposed on the surface of the anode conducting track, respectively of the cathode conducting track.
  • the metal film may have a thickness of between 0.1 ⁇ m and 100 ⁇ m. It is preferably a metal or an alloy having a melting point higher than the melting point of the metal or of the constituent alloy of the short-circuiting member. Preferably, it has a contact resistance of less than 1 D.crrr.
  • the metal film may comprise copper.
  • the metal film may be etched and have at least one raised structure, for example a stud or a tab.
  • the anodic contact zone and / or the cathodic contact zone may be obtained by functionalization, for example by plasma treatment, of the face of the anode conductive track, respectively of the cathode conductive track, with respect to the short-circuiting element.
  • the elementary module comprises an outlet opening for evacuating the fuel from the anodic distribution chamber, and a confinement member defining another fuel-tight seal to prevent leakage of the fuel contained in the anodic distribution chamber out of the of said chamber in the short-circuit configuration.
  • the containment member may be arranged so that the outlet opening and the anodic distribution chamber are in fluid communication in the electrical generating configuration.
  • the containment member preferably has the characteristics of the short-circuiting member. In particular, it may have a shape and dimensions identical and / or be made of the same material as the short-circuiting member.
  • the elementary module preferably comprises an enclosure comprising lower wall and upper wall, preferably each formed of an electrically insulating material, and spaced apart from one another so as to define between them, at least partially, the anodic distribution chamber.
  • the bottom wall is preferably in contact with the oxidation unit, preferably the anode, and is permeable to the fuel.
  • the top wall is fuel tight.
  • the bottom wall and / or the top wall are preferably of planar shape. They are preferably parallel to each other.
  • the height of the anodic distribution chamber defined as the maximum distance between the facing faces of the bottom wall and upper wall, normally measured at said faces, is between 1 mhi and 1000 mhi.
  • the fuel inlet opening may be provided in the upper wall.
  • the bottom wall may comprise a fuel-tight portion free of contact with the anode, and a portion permeable to contact of the anode.
  • the permeable portion of the bottom wall has, for example, a porous foam structure, in which the pores are interconnected and form a percolating path between the two opposite faces of the permeable portion.
  • the bottom wall and / or the top wall are formed of an electrically insulating material, preferably selected from a polymer, for example polyethylene, ethylene polynaphthalate, polycarbonate, polyamide or polyimide, and a composite material, for example a composite based on epoxy resin reinforced with glass fibers such as FR4.
  • a polymer for example polyethylene, ethylene polynaphthalate, polycarbonate, polyamide or polyimide
  • a composite material for example a composite based on epoxy resin reinforced with glass fibers such as FR4.
  • the bottom wall and / or the top wall may be multilayer, i.e. formed by laminating layers of identical or preferably different materials as described in the preceding paragraph.
  • the bottom wall and the top wall are thin.
  • the ratio of the largest dimension in which the bottom wall, respectively the upper wall, extends over the thickness of the bottom wall, respectively of the top wall is greater than 10, preferably greater than 100.
  • the bottom wall and / or the top wall are in the form of a plate with a thickness of between 10 ⁇ m and 1000 ⁇ m.
  • the face of the bottom wall and / or the face of the upper wall defining the anodic distribution chamber are covered, preferably partially, by the conductive anode track, respectively, by the cathode conductive track.
  • the anode conductive track and / or the cathode conductive track can be printed, or deposited by a method from the microelectronics, on the top wall and / or the bottom wall respectively.
  • the anode conductive track and / or the cathode conductive track can define an array of lines spaced from each other, forming for example a regular grid. The space between the lines is preferably free of material, or filled with a porous material, to allow access of the fuel to the anode.
  • the chamber preferably contains a multilayer anodic distribution stack, housed in the anodic distribution chamber, and formed of at least one electrically insulating material, for example engraved FR4 having perforations adapted to let the fuel, for example dihydrogen, pass through them.
  • At least one layer, preferably all layers of the multilayer anodic distribution stack are porous fuel.
  • the material or materials forming the layers of the multilayer anodic distribution stack are porous fuel.
  • the multilayer distribution stack allows the fuel to be transported to the anode.
  • the multilayer anode distribution stack comprises a lower layer and an upper layer at least partially superimposed on each other and in contact with, in particular bonded, on the lower wall, respectively on the upper wall.
  • the layers of the multilayer anodic distribution stack may each extend in a plane parallel to the plane along which the bottom wall and / or the upper wall extend.
  • the lower layer of the multilayer anodic distribution stack comprises a window passing through it in its thickness, and opening onto the oxidation unit, so as to optimize the exchange surface area between the fuel and the heat treatment unit. 'oxidation.
  • the multilayer anodic distribution stack may comprise at least one intermediate layer sandwiched, and in particular in contact with each of its opposite faces, with the lower layer and with the upper layer.
  • the intermediate layer is preferably disposed at a distance from the bottom wall and the top wall.
  • the lower layer and / or the intermediate layer and / or the upper layer have a thickness of between 1 mhi and 100 mhi.
  • the thickness of the multilayer anodic distribution stack is between 1 mhi and 100 pm, preferably between 5 mhi and 30 mhi.
  • the multilayer anodic distribution stack preferably comprises a recess passing right through it in its thickness.
  • the recess opens at one of its ends on the bottom wall and / or on the anode conductive track and at an opposite end on the top wall and / or on the cathode conductive track.
  • the recess extends in a direction normal to the direction in which extends the multilayer anodic distribution stack.
  • the recess presents a transverse section to its thickness of area between 0.1 mm 2 and 100 mm 2 , for example equal to 1 mm 2 .
  • the short-circuiting member may be housed at least partially, or preferably completely, in the recess formed in the multilayer anodic distribution stack.
  • the short-circuiting member may be in contact with the multilayer anodic distribution stack. In particular, it may be in contact with the lateral edge of the recess formed in the multilayer anodic distribution stack.
  • the short-circuiting member is in contact on more than 20%, preferably on more than 40%, preferably on more than 60%, preferably on more than 80%, or even on the entire surface of the lateral edge. of the portion of the recess formed in the intermediate layer.
  • the intermediate layer thus defines a support for holding the short-circuiting member in the anode distribution chamber away from the anode conductive track and the cathode conductor track in the electrical generating configuration.
  • the short-circuiting member is remote from the lower layer and the upper layer.
  • the short-circuiting member is for example deposited in the recess formed in the multilayer stack of anodic distribution by screen printing an ink comprising the metal or alloy constituting the short-circuiting member.
  • the short-circuiting member extends into the recess between the bottom wall and the top wall, and may be in contact with the anode conductive track and the conductive track of the cathode.
  • At least one face, preferably the opposite faces, of the intermediate layer may be covered by electrically conductive short-circuiting tracks.
  • the short-circuiting tracks are configured to connect or connect electrically, at least in the electrical generation configuration, the short-circuiting device to the terminals of an electric current generator adapted to deliver an electric current to effect the change of shape. of the short-circuiting element by Joule effect.
  • the multilayer anodic distribution stack may comprise a hole passing through it, at least partially, or even right through, in the thickness, and opening at one end to the inlet opening to introduce the fuel.
  • the hole may open into the volume defined by the window formed in the lower layer.
  • the hole can lead to a cavity formed in the bottom wall and / or in the spacer.
  • the inlet opening, the hole and the cavity preferably extend in the same direction, in particular are coaxial.
  • the elementary module may be in the form of a thin block, having a length and / or width more than 10 times, preferably more than 50 times, or even more than 100 times greater than its thickness.
  • the oxidation unit has a shape of a plate extending in an extension plane, preferably parallel, or even coincident with the plane along which the elementary module extends.
  • the upper wall and / or the lower wall and / or the inner wall extend in a plane parallel to the extension plane of the oxidation unit.
  • the elementary module can define a cathodic distribution chamber for containing the oxidant, and in fluid communication with the cathode.
  • the cathode can define at least partially an outer face of the elementary module.
  • the elementary module comprises a spacer shaped to maintain the cathode away from a support when the elementary module rests, in particular under the effect of its own weight on said support.
  • the spacer is preferably formed of an electrically insulating material.
  • the invention relates to a fuel cell comprising at least one elementary module according to the invention.
  • the fuel cell comprises a plurality of elementary modules connected electrically in series or in parallel, at least one, preferably all the elementary modules of the plurality being according to the invention.
  • the fuel cell may comprise at least ten or even at least fifty or even at least one hundred elementary modules according to the invention.
  • the fuel cell may comprise several sets of elementary modules in which the elementary modules are electrically connected in series, the sets of elementary modules being electrically connected to each other in parallel.
  • the stack may comprise several sets of elementary modules in which the elementary modules are electrically connected in parallel, the sets of elementary modules being electrically interconnected in series.
  • a set of elementary modules can be completely short-circuited, without this affecting the electrical performance of the other sets.
  • the fuel cell may include a fuel distribution network for connecting a fuel source, for example a hydrogen reservoir, to the anode chamber of each elementary module of the fuel cell.
  • a fuel source for example a hydrogen reservoir
  • the elementary modules may form a regular arrangement, preferably periodic, in at least one or even at least two or even three directions, preferably orthogonal to each other.
  • the elementary modules form a periodic arrangement in two directions, in particular horizontal, orthogonal and in a direction, in particular vertical, orthogonal to horizontal directions.
  • At least two, preferably all the elementary modules are stacked on each other in a stacking direction, including vertical, and said modules extend in a plane normal to the stacking direction.
  • At least one, in particular all the elementary modules of the stack may include a spacer as described above.
  • two consecutive lower and upper modules of the stack are such that the lower elementary module, preferably the upper wall of the lower module, defines a support on which rests the spacer carried by the upper elementary module.
  • a "lower" elementary module is disposed at a lower altitude than an "upper” elementary module.
  • the lower elementary module, the spacer of the upper elemental module and the cathode of the upper elementary module define a cathode feed chamber of the upper elementary module.
  • the fuel cell may have a general prismatic shape, preferably a right-angled, for example cubic, shape.
  • the electrical resistance of the short-circuiting member is at least twenty times, preferably at least fifty times lower than the electrical resistance of the Fuel cell.
  • the short-circuiting of an elementary module induces only a small loss of power by Joule effect, little detrimental to the electrical performance of the fuel cell.
  • the fuel cell comprises a short-circuiting unit configured to effect the change of shape of the short-circuiting element of the elementary module of the electrical generating configuration into the short-circuit configuration.
  • the short-circuiting unit is configured to heat the short-circuiting element, preferably by Joule effect, to a temperature higher than the melting temperature of the short-circuiting member.
  • the short-circuiting unit may comprise an electric current generator whose terminals are electrically connected to the short-circuiting member.
  • the short-circuiting member then acts as a resistor and heats the current flow, especially until softening or melting.
  • the current generator is configured to deliver an electrical power greater than 10 mW and preferably less than 1000 mW, for a duration of between 0.1 s and 5 s.
  • the change of shape of the short-circuiting element can be activated following the detection that an elementary module has failed.
  • the elementary module comprises a measurement unit of a quantity to be controlled, for example chosen from a fuel leakage rate, the voltage between the anode and the cathode and a temperature, and the short-circuiting unit. is configured to:
  • the unit of measure can be selected from a temperature sensor, a pressure sensor, a blood pressure monitor and a deformation sensor.
  • the measuring unit is a temperature measuring probe
  • the quantity to be controlled is the temperature of the oxidation unit
  • the control value is a maximum temperature of the oxidation unit, for example example between 30 and 150 ° C. If the result of the comparison is that the temperature of the oxidation unit is greater than or equal to the maximum temperature of the oxidation unit, the module elementary is detected as faulty and the short-circuiting unit effects the change of shape of the short-circuiting member.
  • the measuring unit is a pressure sensor disposed in the anodic distribution chamber
  • the quantity to be controlled is the fuel pressure in the anodic distribution chamber
  • the control value is a minimum fuel pressure. for example between 0.1 and 10 bar. If the fuel pressure in the anodic distribution chamber is lower than the minimum fuel pressure, which indicates a fuel leak, the elementary module is detected as faulty and the short-circuiting unit effects the change in shape of the fuel. shorting device.
  • the measurement unit is a tensiometer
  • the quantity to be controlled is the electrical voltage between the anode and the cathode of the elementary module
  • the control value is a minimum voltage of electrical production, for example between 0.3 and 1, 2 V. If the voltage between the anode and the cathode is lower than the minimum voltage of electrical production, the elementary module is detected as faulty and the short-circuiting unit performs the change of form of the short-circuiting element.
  • the short-circuiting unit can be configured to effect the change of shape of the respective short-circuiting members of a set of elementary modules among said plurality of elementary modules, as soon as it detects a faulty elementary module different from the other elementary modules of the set. For example, when the short-circuiting unit detects a defective elementary module, it can make the change of shape of all the elementary modules adjacent to the defective elementary module.
  • the invention relates to a short-circuiting method, comprising the steps of disposing of a fuel cell according to the invention in which at least one elementary module is in the electrical production configuration, and then short-circuited. circuiting at least the elementary module by effecting the change of shape of the short-circuiting element to dispose the elementary module in the short-circuit configuration.
  • the elementary module may be faulty.
  • a control quantity of the elementary module as defined above is measured, the said quantity to be checked is compared to a control value as defined above and it is thus determined whether the elementary module is faulty.
  • the duration of the short-circuiting step may be less than 1 minute, for example less than 10 seconds.
  • the elementary module Prior to the short-circuiting step, the elementary module can be fueled and can generate an electric current.
  • the electric current generated by the elementary module may be zero.
  • the anode distribution chamber of each of said elementary modules is supplied by means of a fuel flow.
  • the anode distribution chamber of each of said elementary modules can be fed by means of a fuel flow.
  • the other elementary modules are then incapable of generating an electric current.
  • the fuel supply of the other elementary modules can be re-established after the short-circuiting step.
  • the fuel cell is connected in parallel to a battery capable of delivering a current greater than at least 80%, preferably at least 90%, preferably equal to the current. generated by the other elementary modules prior to the shorting step.
  • a battery capable of delivering a current greater than at least 80%, preferably at least 90%, preferably equal to the current. generated by the other elementary modules prior to the shorting step.
  • the electrical connection with the battery is cut off after the short-circuiting step.
  • at least a portion of the other elementary modules of the battery arranged in the electrical production configuration can be short-circuited.
  • said elementary module and at least a portion of the other elementary modules are short-circuited during a duration of less than 1 minute, or even less than 30 seconds, or even simultaneously.
  • FIG. 1 illustrates, in section along a plane comprising a vertical direction, a fuel cell comprising a plurality of elementary modules each being according to the invention
  • FIG. 2 illustrates, in perspective view, another example of a fuel cell comprising a plurality of elementary modules each being according to the invention.
  • the fuel cell 5 of FIG. 1 comprises three elementary modules 10a-c electrically connected in series and stacked one on the other in a vertical stacking direction D e .
  • the fuel cell could comprise one or two or at least four elementary modules. It has a general prismatic shape formed by the regular repetition of the elementary modules along the stacking direction.
  • the three elementary modules of the stack are identical, except that, as will be detailed below, the lower elementary modules 10c and 10a higher of the stack are arranged in the electrical production configuration while the intermediate elementary module 10b, sandwiched between the lower and upper elementary modules, is arranged in the short-circuit configuration.
  • Each elementary module has a general shape of thin pavement extending in a horizontal plane HH. It comprises an enclosure 15a-c defining an anode chamber 20a-c superimposed, in the stacking direction to a unit 25a-25c and a spacer 30a-b. The spacer and the oxidation unit can be glued to the enclosure.
  • the oxidation unit extends in a horizontal plane.
  • the oxidation unit comprises an anode 35a-c and a cathode 40a-c sandwiching an electrolyte membrane 45a-c.
  • the anode of an elementary module is connected to the cathode of the adjacent elementary module by means of an electrical connector 48, so as to ensure the serialization of the elementary modules.
  • the fuel cell is electrically connected via the cathode of the lower elemental module and through the anode of the upper elemental module to an electric motor 50 that it electrically feeds. It could be connected to an electrical device other than a motor, for example to the motherboard of a computer or a telephone.
  • the anode and the cathode are configured to oxidize the fuel, respectively reduce the oxidant.
  • the fuel may be selected from dihydrogen, methanol and mixtures thereof.
  • the fuel is dihydrogen.
  • the oxidant is oxygen, and preferably oxygen dioxygen.
  • the electrolytic membrane is for example formed of at least one fluorinated polymer and / or a perfluorinated polymer, for example Nafion® sold by the company DuPont de Nemours. Moreover, it may have a thickness of between 8 mhi and 225 pm.
  • the spacer 30a-b protrudes vertically in the direction D e of the oxidation unit and in particular the cathode.
  • the spacer is based on the neighboring elementary module disposed below. It can in particular be fixed, in particular glued on the enclosure of the neighboring elementary module.
  • the spacer holds the cathode away from the neighboring elementary module. It thus defines with the cathode the neighboring elementary module a cathode feed chamber 55a-b between the cathode and the neighboring elementary module.
  • the cathodic feed chamber opens out of the fuel cell at one of its ends by an oxidant inlet opening 60a-b.
  • the oxidant for example oxygen dioxygen
  • the enclosure has a bottom wall 65a-c and an upper wall 70a-c each having a generally thin plate shape.
  • the bottom wall and the top wall are parallel to each other, and extend in a horizontal plane.
  • the upper wall and the lower wall thus define an anode distribution chamber 75a-c.
  • they are each formed of an electrically insulating material, for example an electrically insulating polymer.
  • the bottom wall has a fuel permeable portion 80a-c in contact with the anode and a fuel-tight portion 85a-c free of contact with the anode.
  • the upper wall is made of a material impervious to fuel and has an opening 90a-c passing through it in its thickness to introduce the fuel into the anodic distribution chamber. It also comprises a not shown outlet, through which the excess fuel is removed from the anodic distribution chamber.
  • the fuel introduced, for example under pressure, into the anodic distribution chamber reaches the anode where it is reduced, and the excess fuel is discharged out of the chamber.
  • anode conductor track 95a-c electrically connected to the anode
  • a cathode conductor track 100a-c connected electrically to the cathode
  • the enclosure preferably contains a multilayer anode distribution stack 105a-c housed in the anodic distribution chamber.
  • the multilayer anodic distribution stack is formed in succession from a bottom layer 10a-c bonded to the anode, an intermediate layer 15a-c and an upper layer 120a-c. stuck on the cathode.
  • the lower layer and the upper layer and the intermediate layer are superimposed on each other. They are each formed of a porous and electrically insulating material.
  • the layers of the multilayer stack of anodic distribution each extend in a horizontal plane.
  • the lower layer of the multilayer anodic distribution stack comprises a window 25a-c passing through it in its thickness, and opening through the porous portion of the bottom wall on the oxidation unit.
  • the thickness d of the multilayer anodic distribution stack is equal to 17 mhi.
  • the multilayer anodic distribution stack also has a hole 130a-c passing right through it in the thickness.
  • the hole opens at one end on the inlet opening for introducing the fuel and in the electrical generating configuration at another end into the volume defined by the window formed in the lower layer.
  • the lower wall and the spacer of the upper and intermediate elementary modules comprise cavities l35a-b passing through them in the vertical stacking direction and coaxial with each other, so as to define a fuel supply path C vertical, common to the three basic modules of the stack.
  • the intermediate layer is in contact with each of its opposite faces with the lower layer and with the upper layer. It is arranged at a distance from the lower wall and the upper wall.
  • the multilayer anodic distribution stack comprises a recess L40a-c through it through its thickness and extending in the stacking direction.
  • the recess has a square section of 1 x 1 mm 2 . Other shapes and section areas are possible.
  • the multilayer anode distribution stack opens at one of its ends on the bottom wall and on the conductive anode track and at its opposite end on the top wall and on the cathode conductive track.
  • the elementary module comprises a short-circuiting member 150a-c housed in the recess formed in the multilayer anodic distribution stack.
  • the short-circuiting member is formed of an alloy MCP 137. Other materials, and especially alloys as described above, can be envisaged.
  • the short-circuiting member is in contact with the multilayer anodic distribution stack over the entire surface. 155 of the portion of the lateral edge of the recess defined by the intermediate layer.
  • the intermediate layer thus defines a support for holding the short-circuiting member in the anodic distribution chamber away from the anode conductive track and the cathode conductive track in the production configuration. electric.
  • the thickness e p of the short-circuiting element is equal to 10 mhi.
  • the short-circuiting element is at a distance from the lower layer and the upper layer.
  • the short-circuiting member extends in the recess 140b between the lower wall and the upper wall. It is in contact with the lower wall 65b and the upper wall 70b, and thus forms an electrical connection bridge of thickness e cc between the anode and the cathode defining a short circuit of the elementary module.
  • the oxidation unit of the short-circuited basic module is then unfit for the generation of electricity.
  • the electric current generated by the lower elementary module 10c passes directly from the anode 35c of said module to the cathode 40a of the upper elementary module, being successively driven by the cathode conducting track 100b, the short-circuiting member 150b, the Conducting anode track 95b of the intermediate elementary module and the electrical connector 48.
  • the thickness of the short-circuiting device e cc is then 17 mh, for a trans verse section of area equal to 1.1 mm 2 .
  • the resistance of the short-circuiting element is then 10 ihW.
  • the short-circuiting member then defines a hermetic seal sealed to the fuel preventing the flow of fuel Fx introduced by the inlet opening to reach the anodic distribution chamber and the anode .
  • the conductive anode track and the cathode conductor track have anode contact areas (155a-c) and cathode contact area (158a-c), which are superimposed with and opposite the short-circuiting member, according to the vertical direction.
  • the elementary module further comprises electrically conductive shorting tracks 160a-c disposed on opposite sides of the intermediate layer.
  • the fuel cell comprises a short-circuiting unit 170.
  • the short-circuiting unit comprises an electric power generator 175.
  • the generator electrical connection is connected to a short-circuiting element of an elementary module by means of an electrical switch 180.
  • the connection between the short-circuiting unit and the elementary modules is not shown in FIG. clarity.
  • the electric generator can be connected to different short-circuiting members of different elementary modules.
  • the electric generator can deliver an electric current of an intensity such that the short-circuiting member changes shape by melting, under the effect of temperature rise induced by the Joule effect during the passage of the electric current therein.
  • the electric generator is able to deliver an electric power of 25 mW during a short-circuiting period of 1 s.
  • the switch electrically connects the electrical generator to the failing elementary module and electrically isolates the other elementary modules of the fuel cell.
  • it can connect the electrical generator to a set of elementary modules of the fuel cell, so that when the short-circuiting unit detects a faulty elementary module, the generator delivers an electric current to each short-circuiting element. elementary modules of the set to short-circuit them.
  • the short-circuiting unit effects the change of shape of the short-circuiting element when an elementary module is detected as faulty.
  • the fuel cell has a measuring unit of a magnitude to be controlled.
  • the measurement unit is a pressure sensor 165a-c disposed in the anodic distribution chamber. It measures the fuel pressure in the anodic distribution chamber, and sends the value of the measured pressure to the short-circuiting unit which receives it and compares it to a minimum fuel pressure. If the hydrogen pressure becomes lower than the fuel pressure in the anodic distribution chamber, the short-circuiting unit identifies the elementary module as faulty and controls the electric generator to effect the change of shape of the short-circuiting device failed.
  • FIG. 2 illustrates a fuel cell 5 comprising several assemblies 200a-d each comprising a plurality of elementary modules 10 according to the invention.
  • the assemblies are superposed and stacked on each other by means of a stacking direction D e vertical.
  • Each set comprises elementary modules identical to each other, each having a thin pavement shape extending in a horizontal direction DH.
  • the elementary modules are arranged side by side in a horizontal plane.
  • each set has a form of thin pavement.
  • the elementary modules are electrically connected in parallel with each other.
  • the different sets constituting the fuel cell are electrically connected in series.
  • Each elementary module includes a tensiometer for measuring the voltage of the elementary module.
  • the fuel cell comprises a short-circuiting unit 170 connected to the short-circuiting element of each elementary module of the fuel cell.
  • the short-circuiting unit detects that the voltage of an elementary module is less than a minimum voltage, for example equal to 0.3 V, it short-circuits the elementary module considered defective and all other modules elementary elements of the set to which belongs the faulty elementary module.

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Abstract

La présente invention concerne un module élémentaire d'une pile (5) à combustible, le module élémentaire comportant : - une unité d'oxydation configurée pour oxyder un combustible, de préférence du dihydrogène, au moyen d'un oxydant, de préférence du dioxygène, de sorte à générer des électrons, l'unité d'oxydation comportant une anode et une cathode prenant en sandwich une membrane électrolytique, et - un organe court-circuiteur électriquement conducteur, dépourvu de liaison électrique avec l'anode et/ou avec la cathode selon une configuration de production électrique du module élémentaire, et reliant électriquement l'anode et la cathode selon une configuration de court-circuit du module élémentaire, le module élémentaire étant configuré pour que le passage de la configuration de production électrique à la configuration de court-circuit soit opéré par changement de forme de l'organe court-circuiteur.

Description

PILE A COURT-CIRCUITAGE PAR CHANGEMENT DE FORME
La présente invention concerne le domaine des piles à combustible utiles pour générer un courant électrique par oxydation d’un combustible, notamment du dihydrogène au moyen d’un comburant, notamment du dioxygène.
Une pile à combustible est généralement formée d’un assemblage de modules élémentaires. Chaque module élémentaire comporte une unité d’oxydation pour générer un courant électrique, et est formée d’une anode et d’une cathode prenant en sandwich une membrane électrolytique.
Un module élémentaire d’une pile à hydrogène présente un potentiel théorique maximal de 1,23 V. En pratique, il est généralement compris entre 0,6 V et 0,85 V lorsque la cellule délivre un courant électrique. De façon à produire une pile apte à générer une tension élevée, les modules élémentaires qui composent la pile sont reliés électriquement en série, et disposés les uns sur les autres verticalement, formant ainsi un empilement.
Un premier exemple d’un tel type de pile est connu, dans lequel deux modules élémentaires adjacents de l’empilement partagent un élément commun, dénommé plaque bipolaire, qui distribue le combustible à l’un des deux modules élémentaires, et le comburant à l’autre. La plaque bipolaire, formée d’un matériau électriquement conducteur, est en outre en contact de l’anode et de la cathode de deux modules adjacents respectifs, et assure aussi leur liaison électrique en série. Cependant, lorsqu’un module élémentaire est défaillant, la pile doit être entièrement démontée pour effectuer le remplacement du module élémentaire, ce qui s’avère coûteux et long à mettre en œuvre.
Un deuxième exemple est aussi connu de WO 2012/117035 Al dans lequel deux modules élémentaires consécutifs de l’empilement sont séparés par un espaceur électriquement isolant. La liaison électrique en série des modules élémentaires est assurée par un circuit électrique externe. En outre, un transistor de puissance à effet de champ est associé à chaque module élémentaire de la pile pour court-circuiter électriquement, au besoin, le module élémentaire défaillant. La pile de WO 2012/117035 Al requiert donc un nombre élevé de transistors et de moyens d’alimentation électrique des transistors, ce qui rend sa fabrication complexe et coûteuse.
Par ailleurs, il est proposé dans WO 2012/117035 Al de contrôler l’alimentation en dihydrogène d’un module élémentaire défaillant au moyen d’une vanne. La vanne est disposée dans un conduit d’alimentation en dihydrogène du module élémentaire et est formée d’un matériau à mémoire de forme apte à se déformer sous l’effet du passage d’un courant électrique. Lorsqu’une fuite de dihydrogène est détectée au niveau de l’unité d’oxydation, la vanne est chauffée par effet Joule par le circuit externe et est déformée en conséquence pour obstruer le conduit d’alimentation en dihydrogène. Afin d’assurer à la fois le court-circuitage électrique d’un module élémentaire défaillant et l’arrêt de l’alimentation en dihydrogène, chaque module élémentaire de la pile de WO 2012/117035 Al comporte donc deux organes respectifs distincts l’un de l’autre, i.e. un transistor et une vanne, et des moyens de contrôle desdits organes. La fabrication de la pile de WO 2012/117035 Al est donc complexe et coûteuse.
Par ailleurs, même si la vanne de la pile décrite dans WO 2012/117035 Al limite le flux d’alimentation en dihydrogène, elle ne peut le supprimer entièrement, en particulier lorsque la pression de dihydrogène est élevée dans le conduit d’alimentation.
US 2005/019630 Al décrit une pile à combustible comportant des plaques bipolaires adjacentes à une unité électrode-membrane et qui ont des moyens de court- circuitage. Les moyens de court-circuitage peuvent être activés par application d’une chaleur, afin de court-circuiter les plaques bipolaires.
FR 2 434 215 Al décrit un électrolyseur comportant un empilement alterné d'électrodes bipolaires et de diaphragmes. Un dispositif de mise en court-circuit de cet électrolyseur comporte un creuset destiné à recevoir un métal ou un alliage fusible et muni d'un trou de coulée, ce creuset étant porté par un chariot coulissant sous l'action de moyens moteurs.
WO 2017/092948 Al décrit un procédé de réparation d’une pile à combustible ayant une pluralité de modules individuels, le procédé comportant les étapes d’identification d’au moins un module individuel dégradé de la pile et la désactivation du module individuel dégradé.
Il existe donc un besoin pour une nouvelle pile à combustible dans laquelle le court-circuitage d’un module élémentaire défaillant est facilité et, de préférence dans laquelle l’alimentation en combustible du module élémentaire défaillant est coupée conjointement, tout en maintenant la génération d’un courant électrique au moyen d’au moins une partie des autres modules élémentaires de la pile à combustible.
L’invention vise à satisfaire au moins partiellement ce besoin et propose un module élémentaire d’une pile à combustible, le module élémentaire comportant : - une unité d’oxydation configurée pour oxyder un combustible, de préférence du dihydrogène, au moyen d’un oxydant, de préférence du dioxygène, de sorte à générer des électrons, l’unité d’oxydation comportant une anode et une cathode prenant en sandwich une membrane électrolytique, et
- un organe court-circuiteur électriquement conducteur, dépourvu de liaison électrique avec l’anode et/ou avec la cathode selon une configuration de production électrique du module élémentaire, et reliant électriquement l’anode et la cathode selon une configuration de court-circuit du module élémentaire, le module élémentaire étant configuré pour que le passage de la configuration de production électrique à la configuration de court- circuit soit opéré par changement de forme de l’organe court-circuiteur.
Comme cela apparaîtra plus clairement par la suite, le changement de forme de l’organe court-circuiteur peut être opéré simplement. En particulier, une pile à combustible comportant une pluralité de modules élémentaires selon l’invention peut être conçue sans moyens électroniques complexes pour court-circuiter le module élémentaire, le court- circuitage étant opéré par une mise en contact physique d’une piste conductrice d’anode et d’une piste conductrice de cathode au moyen de l’organe court-circuiteur. En outre, la pile peut être configurée pour que le remplacement du module élémentaire défaillant soit facilité. Avantageusement, le module élémentaire défaillant peut être court-circuité, sans que sa mise en court-circuit n’affecte les performances des autres modules élémentaires de la pile à combustible.
Selon la « configuration de production électrique », le module élémentaire est apte à générer un courant électrique pour alimenter un dispositif électrique, par exemple un moteur électrique, auquel le module élémentaire peut être relié électriquement. Le module élémentaire peut être exempt de toute connexion électrique avec le dispositif électrique.
Selon la « configuration de court-circuit », la connexion électrique opérée par l’organe court-circuiteur entre l’anode et la cathode empêche l’alimentation électrique du dispositif électrique. Le module élémentaire est alors inapte à toute génération d’un courant électrique.
De préférence, dans la configuration de court-circuit, l’organe court-circuiteur définit un joint étanche au combustible conformé pour empêcher l’alimentation en combustible de l’unité d’oxydation. De préférence, le module élémentaire définit une chambre de distribution anodique pour contenir le combustible et en communication fluidique avec l’anode, le module élémentaire présentant une ouverture d’entrée pour introduire le combustible dans la chambre de distribution anodique dans la configuration de production électrique, et l’organe court-circuiteur définit un joint étanche au combustible pour empêcher le transport du combustible entre l’ouverture d’entrée et la chambre de distribution anodique, dans la configuration de court-circuit. Dans la configuration de court-circuit, l’organe court- circuiteur assure alors à la fois le court-circuitage électrique du module élémentaire et l’étanchéification au combustible de la chambre de distribution anodique. La conception et la fabrication d’une pile comportant le module élémentaire selon l’invention sont ainsi simplifiées.
Dans un mode de réalisation, le module élémentaire définit une pluralité de chambres de distribution anodique, chacune desdites chambres anodiques de la pluralité étant telle que définie précédemment. En particulier, le module élémentaire peut comporter une pluralité d’ouvertures d’entrée et une pluralité d’organes court-circuiteur tels que définis ci-dessus respectivement. Chaque ouverture d’entrée de la pluralité peut être conformée pour distribuer le combustible dans une, de préférence unique, chambre de distribution anodique de la pluralité. Chaque organe court-circuiteur peut définir un joint étanche au combustible dans la configuration de court-circuit pour étanchéifier une, par exemple unique, chambre de distribution anodique.
De préférence, dans la configuration de production électrique et/ou dans la configuration de court-circuit, l’organe court-circuiteur est logé dans la chambre de distribution anodique.
Le passage de la configuration électrique à la configuration de court-circuit est de préférence irréversible.
Par « changement de forme » de l’organe court-circuiteur, on entend qu’au moins une dimension de l’organe court-circuiteur, par exemple sa longueur et/ou son épaisseur, est modifiée lors du passage de la configuration de production électrique à la configuration de court-circuit. Un mouvement de corps rigide par rotation ou translation de l’organe court-circuiteur, sans déformation de l’organe court-circuiteur, ne caractérise pas un changement de forme. Par exemple, un transistor, en particulier un transistor à effet de champ, utilisé en tant qu’organe court-circuiteur ne subit aucun changement de forme pour mettre en œuvre un court-circuitage.
En particulier, le changement de forme peut être opéré par une déformation plastique à l’état solide de l’organe court-circuiteur. En variante, l’organe court-circuiteur peut comporter un matériau polymère électriquement conducteur et le changement de forme peut être opéré par un passage d’un état vitreux à un état caoutchoutique de l’organe court- circuiteur. En variante, l’organe court-circuiteur peut être un matériau à mémoire de forme, et le changement de forme à l’état solide de l’organe court-circuiteur est opéré par chauffage de l’organe court-circuiteur.
De préférence, le changement de forme de l’organe court-circuiteur est opéré par une fusion, de préférence suivie d’une solidification, de l’organe court-circuiteur. L’organe court-circuiteur peut ainsi être conçu en un matériau choisi pour sa température de fusion adaptée aux contraintes thermiques résultant de la production du courant électrique dans la configuration de production électrique.
De préférence, l’organe court-circuiteur comporte pour plus de 50 % de sa masse, de préférence pour plus de 90 % de sa masse, de préférence pour 100 % de masse, un métal ou, de préférence, un alliage métallique.
De préférence, l’alliage métallique comporte au moins 20,0%, de préférence au moins 30,0 %, voire au moins 50,0 % d’un métal choisi parmi le bismuth, le plomb, l’étain, le zirconium, l’indium et leurs mélanges, en pourcentages en masse sur la base de la masse de l’alliage métallique. De préférence, l’alliage métallique présente une température inférieure à la température à partir de laquelle les autres constituants du module élémentaire se dégradent.
De préférence, l’alliage métallique comporte entre 30,0 % et 65,0 % de bismuth, en pourcentages en masse sur la base de la masse de l’alliage métallique.
De préférence, le métal ou l’alliage métallique présente une température de fusion comprise entre 50 °C et 300 °C, et de préférence inférieure à l50°C. Le changement de forme de l’organe court-circuiteur est ainsi être opéré sans endommager les autres composants du module élémentaire, notamment ceux qui sont par exemple formés d’un matériau polymère thermoplastique.
De préférence, l’alliage métallique est choisi parmi : l’alliage MCP 137, comportant 58% en masse de bismuth et de l’étain, commercialisé par la société 5Nplus, et dont la température de fusion est de l20°C,
- l’alliage Cerro® 103, commercialisé par la société Métaconcept, et dont la température de fusion est de l03°C,
- l’alliage de Wood, comportant en masse, 50,0 % de bismuth, 26,7 % de plomb, 13,3 % d’étain et 12,5 % de cadmium, et dont la température de fusion est de 70°C
- le métal de Newton, comportant en masse, 50,0% de bismuth, 31,25 % de plomb et 18,75 % d’étain, et dont la température de fusion est de 97°C.
L’organe court-circuiteur est conducteur électrique, c’est-à-dire qu’il présente une résistivité électrique inférieure à 1000 mQ.cm. De préférence, la résistivité électrique de l’organe court-circuiteur est supérieure à 1 mQ.cm. Ainsi, on facilite le changement de forme de l’organe court-circuiteur provenant d’une élévation de température induite par effet Joule.
De préférence, l’organe court-circuiteur est un matériau présentant une enthalpie de fusion supérieure à 1 J.g 1 et/ou inférieure à 200 J.g 1.
De préférence, l’organe court-circuiteur est monolithique. Il peut être de forme variée, aussi bien dans la configuration de production électrique que dans la configuration de court-circuit.
Dans la configuration de production électrique, l’organe court-circuiteur est par exemple un pion cylindrique de révolution ou présentant une forme de pavé droit. La section transverse du pion peut être de forme variée, par exemple rectangulaire ou carrée. De préférence, l’organe court-circuiteur présente une forme générale mince et notamment aplatie. En particulier, il peut présenter un rapport de son épaisseur sur sa longueur inférieur à 0,5, voire inférieur à 0,2, même inférieur à 0,1. De préférence, l’épaisseur de l’organe court-circuiteur est comprise entre 1 pm et 1 mm, de préférence inférieure à 100 pm, voire inférieure à 50 pm. Par « épaisseur » de l’organe court-circuiteur, on comprend la plus petite distance séparant deux faces opposées en regard de l’organe court-circuiteur. L’organe court-circuiteur peut présenter une longueur supérieure à 1 mm et inférieure à 10 cm, par exemple égale à 1 cm, et/ou une largeur comprise entre 0,1 mm et 1 cm, par exemple comprise entre 0,5 mm et 2 mm.
Dans la configuration de court-circuit, l’organe court-circuiteur peut présenter deux faces parallèles et reliées entre elles par une portion dont au moins une face est courbée. Par exemple, il peut présenter une forme de tonneau, notamment résultant au cours du court- circuitage du module élémentaire, des forces d’interaction capillaire agissant entre l’organe court-circuiteur en fusion et les autres éléments constitutifs du module élémentaire avec lesquels l’organe court-circuiteur est en contact. En particulier, l’épaisseur de l’organe court- circuiteur dans la configuration de court-circuit peut être supérieure à l’épaisseur de l’organe court-circuiteur dans la configuration de production électrique. En particulier, l’augmentation de l’épaisseur de l’organe court-circuiteur peut résulter d’effet d’interactions capillaires entre l’organe court-circuiteur et les composants du module élémentaire desquels il est en contact dans la configuration de court-circuit.
L’organe court-circuiteur peut présenter une masse supérieure à 0,1 mg et inférieure à 100 mg, notamment inférieure à 10 mg.
Le module élémentaire peut comporter plusieurs organes court-circuiteur, notamment disposés dans une chambre anodique. On assure ainsi que le court-circuit du module élémentaire soit effectif en augmentant le nombre de contacts physiques et électriques entre l’anode et la cathode.
Selon une variante, le module élémentaire peut comporter, dans la configuration de production électrique, une pluralité d’organes court-circuiteur, qui par changement de forme coalescent les uns avec les autres, de manière à former un unique organe court- circuiteur dans la configuration de court-circuit.
Par ailleurs, dans la configuration de court-circuit, l’organe court-circuiteur relie électriquement l’anode et la cathode. Dans la configuration de court-circuit, l’organe court- circuiteur peut être en contact avec l’anode et/ou avec la cathode. En variante, il peut être exempt de contact avec l’anode et/ou cathode tout en assurant la connexion électrique entre l’anode et la cathode.
De préférence, le module élémentaire comporte des piste conductrice d’anode et piste conductrice de cathode électriquement conductrices, de préférence au moins partiellement logées dans la chambre de distribution anodique, et reliées électriquement à l’anode et la cathode respectivement. L’organe court-circuiteur est de préférence disposé entre la piste conductrice d’anode et la piste conductrice de cathode. Dans la configuration de court-circuit, l’organe court-circuiteur peut être en contact avec la piste conductrice d’anode et/ou avec la piste conductrice de cathode.
La piste conductrice d’anode et la piste conductrice de cathode sont de préférence différentes de l’anode et de la cathode respectivement. De préférence, elles sont exemptes de contact avec la membrane électro lytique. La piste conductrice d’anode et la piste conductrice de cathode sont électriquement conductrices, et sont par exemple en cuivre.
Au moins une partie de la piste conductrice d’anode et au moins une partie de la piste conductrice de cathode sont disposées à distance de l’anode et de la cathode respectivement. De préférence, dans la configuration de production électrique, l’organe court-circuiteur est à distance de la piste conductrice d’anode et/ou de la piste conductrice de cathode, et dans la configuration de court-circuit, l’organe court-circuiteur est au contact de la piste conductrice d’anode et de la piste conductrice de cathode.
Dans la configuration de court-circuit, la distance entre les faces de la piste conductrice d’anode et de la piste conductrice de cathode, toutes deux en contact avec l’organe court-circuiteur, est, de préférence, comprise entre 10 pm et 1000 pm. Ainsi, dans la variante préférée où le changement de forme est opéré par une fusion de l’organe court- circuiteur, l’émergence de forces capillaires lors de la mise en contact de l’organe court- circuiteur avec la piste d’anode et avec la piste de cathode réduit la résistance électrique de contact et assure, le cas échéant, une excellente étanchéité au combustible.
La piste conductrice d’anode et/ou la piste conductrice de cathode comportent de préférence une zone de contact anodique et/ou une zone de contact cathodique respectivement pour la mise en contact et l’adhésion de l’organe court-circuiteur sur la piste conductrice d’anode et/ou sur la piste conductrice de cathode respectivement dans la configuration de court-circuit. De préférence, la zone de contact anodique et/ou la zone de contact cathodique sont en un matériau mouillable par l’organe court-circuiteur en fusion.
De préférence, la zone de contact anodique et/ou la zone de contact cathodique sont disposées en regard de l’organe court-circuiteur selon la configuration de production électrique. Ainsi, au cours du court-circuitage, l’organe court-circuiteur en fusion entre en contact et est ancré en une zone précise de la piste conductrice d’anode et/ou de la piste conductrice de cathode lors du passage de la configuration de production électrique à la configuration de court-circuit.
La zone de contact anodique et/ou la zone de contact cathodique peuvent être formées par un film métallique disposé en surface de la piste conductrice d’anode, respectivement de la piste conductrice de cathode. Le film métallique peut présenter une épaisseur comprise entre 0,1 pm et 100 mpi. Il est de préférence en un métal ou un alliage présentant une température de fusion supérieure à la température de fusion du métal ou de l’alliage constitutif de l’organe court-circuiteur. De préférence, il présente une résistance de contact inférieure à 1 D.crrr. En particulier, le film métallique peut comporter du cuivre. Le film métallique peut être gravé et présenter au moins une structure en relief, par exemple un plot ou une languette.
En variante, la zone de contact anodique et/ou la zone de contact cathodique peuvent être obtenues par fonctionnalisation, par exemple par traitement plasma, de la face de la piste conductrice d’anode, respectivement de la piste conductrice de cathode, en regard de l’organe court-circuiteur.
De préférence, le module élémentaire comporte une ouverture de sortie pour l’évacuation du combustible de la chambre de distribution anodique, et un organe de confinement définissant un autre joint étanche au combustible pour empêcher la fuite du combustible contenu dans la chambre de distribution anodique hors de ladite chambre dans la configuration de court-circuit. Par ailleurs, l’organe de confinement peut être disposé de sorte que l’ouverture de sortie et la chambre de distribution anodique sont en communication fluidique dans la configuration de production électrique. L’organe de confinement présente de préférence les caractéristiques de l’organe de court-circuitage. En particulier, il peut présenter une forme et des dimensions identiques et/ou être constitué du même matériau que l’organe court-circuiteur.
Par ailleurs, le module élémentaire comporte de préférence une enceinte comportant des paroi inférieure et paroi supérieure, de préférence formées chacune d’un matériau électriquement isolant, et espacées l’une de l’autre de manière à définir entre elles, au moins partiellement, la chambre de distribution anodique. La paroi inférieure est de préférence au contact de l’unité d’oxydation, de préférence de l’anode, et est perméable au combustible. La paroi supérieure est étanche au combustible.
La paroi inférieure et/ou la paroi supérieure sont de préférence de forme planaire. Elles sont de préférence parallèles entre elles.
De préférence, la hauteur de la chambre de distribution anodique, définie comme la distance maximale entre les faces en regard des paroi inférieure et paroi supérieure, mesurée normalement auxdites faces, est comprise entre 1 mhi et 1000 mhi.
L’ouverture d’entrée du combustible peut être ménagée dans la paroi supérieure.
En particulier, la paroi inférieure peut comporter une portion étanche au combustible exempte de contact avec l’anode, et une portion perméable au combustible au contact de l’anode. Lorsque le combustible est contenu dans la chambre de distribution anodique, il est ainsi guidé au travers de la portion poreuse au combustible vers l’anode. La portion perméable de la paroi inférieure présente, par exemple, une structure d’une mousse poreuse, dans laquelle les pores sont interconnectés et forment un chemin percolant entre les deux faces opposées de la portion perméable.
La paroi inférieure et/ou la paroi supérieure sont formées d’un matériau électriquement isolant, de préférence choisi parmi un polymère, par exemple le polyéthylène, le polynaphtalate d’éthylène, le polycarbonate, le polyamide ou le polyimide, et un matériau composite, par exemple un composite à base de résine epoxy renforcé de fibres de verre tel que le FR4.
La paroi inférieure et/ou la paroi supérieure peuvent être multicouche, i.e. formées par une stratification de couches formées de matériaux identiques ou de préférence différents, tels que décrits au paragraphe précédent.
La paroi inférieure et la paroi supérieure sont minces. De préférence, le rapport de la plus grande dimension selon laquelle s’étend la paroi inférieure, respectivement la paroi supérieure, sur l’épaisseur de la paroi inférieure, respectivement de la paroi supérieure, est supérieur à 10, de préférence supérieur à 100.
De préférence, la paroi inférieure et/ou la paroi supérieure présentent une forme d’une plaque, d’épaisseur comprise entre 10 pm et 1000 pm.
De préférence, la face de la paroi inférieure et/ou la face de la paroi supérieure définissant la chambre de distribution anodique sont recouvertes, de préférence partiellement, par la piste conductrice d’anode, respectivement, par la piste conductrice de cathode. La piste conductrice d’anode et/ou la piste conductrice de cathode peuvent être imprimées, ou déposées par un procédé issu de la microéléctronique, sur la paroi supérieure et/ou sur la paroi inférieure respectivement. En particulier, la piste conductrice d’anode et/ou la piste conductrice de cathode peuvent définir un réseau de lignes espacées les unes des autres, formant par exemple un quadrillage régulier. L’espace entre les lignes est de préférence exempt de matière, ou alors rempli d’un matériau poreux, pour permettre l’accès du combustible à l’anode.
L’enceinte contient de préférence un empilement multicouche de distribution anodique, logé dans la chambre de distribution anodique, et formé d’au moins un matériau électriquement isolant, par exemple du FR4 gravé comportant des perforations adaptées à laisser passer le combustible, par exemple du dihydrogène, à travers elles. Au moins une couche, de préférence toutes les couches de l’empilement multicouche de distribution anodique sont poreuses au combustible. En particulier, le ou les matériaux formant les couches de l’empilement multicouche de distribution anodique sont poreux au combustible. L’empilement multicouche de distribution permet d’acheminer le combustible jusqu’à l’anode.
L’empilement multicouche de distribution anodique comporte une couche inférieure et une couche supérieure au moins partiellement superposées l’une à l’autre et en contact avec, en particulier collées, sur la paroi inférieure, respectivement sur la paroi supérieure.
Les couches de l’empilement multicouche de distribution anodique peuvent s’étendre chacune selon un plan parallèle au plan selon lequel s’étend la paroi inférieure et/ou la paroi supérieure.
De préférence, la couche inférieure de l’empilement multicouche de distribution anodique comporte une fenêtre la traversant dans son épaisseur, et débouchant sur l’unité d’oxydation, de sorte à optimiser la surface d’échange entre le combustible et l’unité d’oxydation.
L’empilement multicouche de distribution anodique peut comporter au moins une couche intermédiaire prise en sandwich, et notamment en contact par chacune de ses faces opposées, avec la couche inférieure et avec la couche supérieure.
La couche intermédiaire est de préférence disposée à distance de la paroi inférieure et de la paroi supérieure.
De préférence, la couche inférieure et/ou la couche intermédiaire et/ou la couche supérieure présentent une épaisseur comprise entre 1 mhi et 100 mhi. De préférence, l’épaisseur de l’empilement multicouche de distribution anodique est comprise entre 1 mhi et 100 pm, de préférence comprise entre 5 mhi et 30 mhi.
L’empilement multicouche de distribution anodique comporte de préférence un évidement le traversant de part en part dans son épaisseur. L’évidement débouche à l’une de ses extrémités sur la paroi inférieure et/ou sur la piste conductrice d’anode et à une extrémité opposée sur la paroi supérieure et/ou sur la piste conductrice de cathode. De préférence, l’évidement s’étend selon une direction normale à la direction selon laquelle s’étend l’empilement multicouche de distribution anodique. Par exemple, l’évidement présente une section transverse à son épaisseur d’aire comprise entre 0,1 mm2 et 100 mm2, par exemple égale à 1 mm2.
L’organe court-circuiteur peut être logé au moins partiellement, voire de préférence totalement dans l’évidement formé dans l’empilement multicouche de distribution anodique.
Dans la configuration de production électrique, l’organe court-circuiteur peut être au contact de l’empilement multicouche de distribution anodique. Notamment, il peut être en contact avec le bord latéral de l’évidement formé dans l’empilement multicouche de distribution anodique. De préférence, l’organe court-circuiteur est en contact sur plus de 20 %, de préférence sur plus de 40 %, de préférence sur plus de 60 %, de préférence sur plus de 80 %, voire sur toute la surface du bord latéral de la portion de l’évidement formé dans la couche intermédiaire. La couche intermédiaire définit ainsi un support pour maintenir l’organe court-circuiteur dans la chambre de distribution anodique à distance de la piste conductrice d’anode et de la piste conductrice de cathode dans la configuration de production électrique.
Par exemple, dans la configuration de production électrique et optionnellement dans la configuration de court-circuit, l’organe court-circuiteur est à distance de la couche inférieure et de la couche supérieure.
L’organe court-circuiteur est par exemple déposé dans l’évidement formé dans l’empilement multicouche de distribution anodique par sérigraphie d’une encre comportant le métal ou l’alliage constitutif de l’organe de court-circuitage.
Dans la configuration de court-circuit, de préférence, l’organe court-circuiteur s’étend dans l’évidement entre la paroi inférieure et la paroi supérieure, et peut être en contact avec la piste conductrice d’anode et la piste conductrice de cathode.
Par ailleurs, au moins une face, de préférence les faces opposées, de la couche intermédiaire peuvent être recouvertes par des pistes de court-circuitage électriquement conductrices. Les pistes de court-circuitage sont configurées pour relier ou relient électriquement, au moins dans la configuration de production électrique, l’organe court- circuiteur aux bornes d’un générateur de courant électrique adapté à délivrer un courant électrique pour opérer le changement de forme de l’organe court-circuiteur par effet Joule.
Par ailleurs, l’empilement multicouche de distribution anodique peut comporter un trou le traversant, au moins partiellement, voire de part en part, dans l’épaisseur, et débouchant à une extrémité sur l’ouverture d’entrée pour introduire le combustible. Dans la configuration de production électrique, le trou peut déboucher dans le volume défini par la fenêtre formée dans la couche inférieure. Par ailleurs, le trou peut déboucher sur une cavité formée dans la paroi inférieure et/ou dans l’espaceur. L’ouverture d’entrée, le trou et la cavité s’étendent de préférence selon une même direction, notamment sont coaxiaux. Ainsi, lorsqu’on empile plusieurs modules élémentaires les uns sur les autres, les ouvertures d’entrée, trou et cavité des modules élémentaires de la pile peuvent être alignés, par exemple de sorte à alimenter la pile à combustible en reliant une ouverture d’entrée d’un des modules élémentaires à une unique source de combustible.
Le module élémentaire peut se présenter sous la forme d’un pavé mince, présentant une longueur et/ou une largeur plus de 10 fois, de préférence plus de 50 fois, voire plus de 100 fois supérieure à son épaisseur.
De préférence, l’unité d’oxydation présente une forme d’une plaque s’étendant selon un plan d’extension, de préférence parallèle, voire confondu avec le plan selon lequel s’étend le module élémentaire. De préférence, la paroi supérieure et/ou la paroi inférieure et/ou la paroi interne s’étendent selon un plan parallèle au plan d’extension de l’unité d’oxydation.
Par ailleurs, le module élémentaire peut définir une chambre de distribution cathodique pour contenir l’oxydant, et en communication fluidique avec la cathode. En particulier, la cathode peut définir au moins partiellement une face externe du module élémentaire. De préférence, le module élémentaire comporte un espaceur conformé pour maintenir la cathode à distance d’un support lorsque le module élémentaire repose, notamment sous l’effet de son propre poids sur ledit support. L’espaceur est de préférence formé d’un matériau électriquement isolant.
Par ailleurs, l’invention concerne une pile à combustible comportant au moins un module élémentaire selon l’invention.
De préférence, la pile à combustible comporte une pluralité de modules élémentaires connectés électriquement en série ou en parallèle, au moins un, de préférence tous les modules élémentaires de la pluralité étant selon l’invention.
En particulier, la pile à combustible peut comporter au moins dix, voire au moins cinquante, voire même au moins cent modules élémentaires selon l’invention. La pile à combustible peut comporter plusieurs ensembles de modules élémentaires au sein desquels les modules élémentaires sont reliés électriquement en série, les ensembles de modules élémentaires étant reliés électriquement entre eux en parallèle. En variante, la pile peut comporter plusieurs ensembles de modules élémentaires au sein desquels les modules élémentaires sont reliés électriquement en parallèle, les ensembles de modules élémentaires étant reliés électriquement entre eux en série. Avantageusement, un ensemble de modules élémentaires peut être intégralement court-circuité, sans que cela n’affecte les performances électriques des autres ensembles.
La pile à combustible peut comporter un réseau de distribution en combustible pour relier une source de combustible, par exemple un réservoir d’hydrogène, à la chambre anodique de chaque module élémentaire de la pile à combustible.
Les modules élémentaires peuvent former un agencement régulier, de préférence périodique, selon au moins une, voire au moins deux, voire trois directions, de préférence orthogonales les unes aux autres. Par exemple, les modules élémentaires forment un agencement périodique, selon deux directions, notamment horizontales, orthogonales et selon une direction, notamment verticale, orthogonale aux directions horizontales.
De préférence au moins deux, de préférence tous les modules élémentaires sont empilés les uns sur les autres selon une direction d’empilement, notamment verticale, et lesdits modules s’étendent selon un plan normal à la direction d’empilement.
En particulier, au moins un, notamment tous les modules élémentaires de l’empilement peuvent comporter un espaceur tel que décrit ci-dessus. De préférence, deux modules inférieur et supérieur consécutifs de l’empilement sont tels que le module élémentaire inférieur, de préférence la paroi supérieure du module inférieur, définit un support sur lequel repose l’espaceur porté par le module élémentaire supérieur. Un module élémentaire « inférieur » est disposé à une altitude plus basse qu’un module élémentaire « supérieur ». Ainsi, le module élémentaire inférieur, l’espaceur du module élémentaire supérieur et la cathode du module élémentaire supérieur définissent une chambre d’alimentation cathodique du module élémentaire supérieur.
En particulier, la pile à combustible peut présenter une forme générale prismatique, de préférence une forme de pavé droit, par exemple cubique.
De préférence, la résistance électrique de l’organe court-circuiteur est au moins vingt fois, de préférence au moins cinquante fois inférieure à la résistance électrique de la pile à combustible. De cette façon, le court-circuitage d’un module élémentaire n’induit qu’une faible perte de puissance par effet Joule, peu préjudiciable aux performances électriques de la pile à combustible.
De préférence, la pile à combustible comporte une unité de court-circuitage configurée pour opérer le changement de forme de l’organe court-circuiteur du module élémentaire de la configuration de production électrique dans la configuration de court- circuit.
De préférence, l’unité de court-circuitage est configurée pour chauffer l’organe court-circuiteur, de préférence par effet Joule, à une température supérieure à la température de fusion de l’organe court-circuiteur.
En particulier, l’unité de court-circuitage peut comporter un générateur de courant électrique dont les bornes sont reliées électriquement à l’organe court-circuiteur. L’organe court-circuiteur agit alors comme une résistance et chauffe au passage du courant, notamment jusqu’à ramollir ou fondre. De préférence, le générateur de courant est configuré pour délivrer une puissance électrique supérieure à 10 mW et, de préférence inférieure à 1000 mW, pendant une durée comprise entre 0,1 s et 5 s.
Le changement de forme de l’organe court-circuiteur peut être activé suite à la détection qu’un module élémentaire est défaillant. De préférence, le module élémentaire comporte une unité de mesure d’une grandeur à contrôler, par exemple choisie parmi un débit de fuite du combustible, la tension entre l’anode et la cathode et une température, et l’unité de court-circuitage est configurée pour :
- recevoir la grandeur à contrôler en provenance de l’unité de mesure, puis
- effectuer une comparaison de la grandeur à contrôler avec une valeur de contrôle, de sorte à détecter si le module élémentaire est défaillant, et
- le cas échéant, opérer le changement de forme de l’organe court-circuiteur.
L’unité de mesure peut être choisie parmi une sonde de température, un capteur de pression, un tensiomètre et un capteur de déformation.
Selon un premier exemple, l’unité de mesure est une sonde de mesure de température, la grandeur à contrôler est la température de l’unité d’oxydation et la valeur de contrôle est une température maximale de l’unité d’oxydation, par exemple comprise entre 30 et 150 °C. Si le résultat de la comparaison est que la température de l’unité d’oxydation est supérieure ou égale à la température maximale de l’unité d’oxydation, le module élémentaire est détecté comme défaillant et l’unité de court-circuitage opère le changement de forme de l’organe court-circuiteur.
Selon un deuxième exemple, l’unité de mesure est un capteur de pression disposé dans la chambre de distribution anodique, la grandeur à contrôler est la pression du combustible dans la chambre de distribution anodique, et la valeur de contrôle est une pression minimale de combustible, par exemple comprise entre 0,1 et 10 bar. Si la pression du combustible dans la chambre de distribution anodique est inférieure à la pression minimale de combustible, ce qui indique une fuite de combustible, le module élémentaire est détecté comme défaillant et l’unité de court-circuitage opère le changement de forme de l’organe court-circuiteur.
Selon un troisième exemple, l’unité de mesure est un tensiomètre, la grandeur à contrôler est la tension électrique entre l’anode et la cathode du module élémentaire, et la valeur de contrôle est une tension minimale de production électrique, par exemple comprise entre 0,3 et 1 ,2 V. Si la tension entre l’anode et la cathode est inférieure à la tension minimale de production électrique, le module élémentaire est détecté comme défaillant et l’unité de court-circuitage opère le changement de forme de l’organe court-circuiteur.
Dans la variante où la pile à combustible comporte une pluralité de modules élémentaires selon l’invention, l’unité de court-circuitage peut être configurée pour opérer le changement de forme des organes court-circuiteur respectifs d’un ensemble de modules élémentaires parmi ladite pluralité de modules élémentaires, dès lors qu’elle détecte un module élémentaire défaillant différent des autres modules élémentaires de l’ensemble. Par exemple, lorsque l’unité de court-circuitage détecte un module élémentaire défaillant, elle peut opérer le changement de forme de tous les modules élémentaires adjacents au module élémentaire défaillant. Ainsi, lorsqu’un module élémentaire est défaillant, par exemple à cause d’un défaut localisé, notamment à cause de gradients thermiques ou hydriques, on prolonge la durée de vie de la pile à combustible en court-circuitant les modules élémentaires qui présentent alors une probabilité de défaillance élevée, par exemple s’ils partagent la même membrane électrolytique que le module élémentaire défaillant.
L’invention concerne enfin un procédé de court-circuitage, comportant les étapes consistant à disposer d’une pile à combustible selon l’invention dans lequel au moins un module élémentaire est selon la configuration de production électrique, puis à court- circuiter au moins le module élémentaire en opérant le changement de forme de l’organe court-circuiteur pour disposer le module élémentaire dans la configuration de court-circuit.
Le module élémentaire peut être défaillant. De préférence, préalablement à l’étape de court-circuitage du module élémentaire, on mesure une grandeur à contrôler du module élémentaire telle que définie précédemment, on compare ladite grandeur à contrôler à une valeur de contrôle telle que définie précédemment et on détermine ainsi si le module élémentaire est défaillant.
La durée de l’étape de court-circuitage peut être inférieure à 1 minute, par exemple inférieure à 10 secondes.
Préalablement à l’étape de court-circuitage, le module élémentaire peut être alimenté en combustible et peut générer un courant électrique. En variante, le courant électrique généré par le module élémentaire peut être nul.
De préférence, dans une variante où la pile à combustible comporte d’autres modules élémentaires disposés chacun dans la configuration de production électrique, préalablement à l’étape de court-circuitage, on alimente la chambre de distribution anodique de chacun desdits modules élémentaires au moyen d’un débit de combustible.
Au cours de l’étape de court-circuitage, on peut alimenter la chambre de distribution anodique de chacun desdits modules élémentaires au moyen d’un débit de combustible. En variante, au cours de l’étape de court-circuitage, on peut réduire le débit de combustible, voire cesser d’alimenter en combustible au moins une partie, voire tous les autres modules élémentaires. Les autres modules élémentaires sont alors inaptes à générer un courant électrique.
L’alimentation en combustible des autres modules élémentaires peut être rétablie postérieurement à l’étape de court-circuitage.
De préférence, au cours de l’étape de court-circuitage, la pile à combustible est connectée en parallèle à une baterie apte à délivrer un courant supérieur à au moins 80 %, de préférence à au moins 90 %, de préférence égal au courant électrique généré par les autres modules élémentaires préalablement à l’étape de court-circuitage. Ainsi, lorsque la pile à combustible alimente électriquement un appareil électrique, on assure le maintien de l’alimentation en courant de l’appareil électrique au cours de l’étape de court-circuitage.
De préférence, la connexion électrique avec la batterie est coupée postérieurement à l’étape de court-circuitage. Par ailleurs, au cours de l’étape de court-circuitage, on peut court-circuiter au moins une partie des autres modules élémentaires de la pile disposés dans la configuration de production électrique. De préférence, on court-circuite ledit module élémentaire et au moins une partie des autres modules élémentaires au cours d’une durée inférieure à 1 minute, voire inférieure à 30 secondes, voire simultanément.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, donnée en référence au dessin annexé, dans lequel :
- la figure 1 illustre, en coupe selon un plan comportant une direction verticale, une pile à combustible comportant une pluralité de modules élémentaires étant chacun selon l’invention, et
- la figure 2, illustre, en vue en perspective un autre exemple de pile à combustible comportant une pluralité de modules élémentaires étant chacun selon l’invention.
Pour des raisons de clarté, les différents éléments sur les figures sont représentés en échelle libre, les dimensions réelles des différentes parties n’étant pas respectées.
Dans l’ensemble du texte, les expressions « compris entre ... et ... », « allant de ... à ... » et « variant de ... à ... » sont équivalentes et entendent signifier que les bornes sont incluses, sauf mention contraire.
La pile à combustible 5 de la figure 1 comporte trois modules élémentaires lOa- c reliés électriquement en série et empilés les uns sur les autres selon une direction d’empilement De verticale. Bien évidemment, la pile à combustible pourrait comporter un seul ou deux ou au moins quatre modules élémentaires. Elle présente une forme générale prismatique formée par la répétition régulière des modules élémentaires le long de la direction d’empilement.
Les trois modules élémentaires de l’empilement sont identiques, à ceci près, comme cela sera détaillé ci-après, que les modules élémentaires inférieur lOc et supérieur lOa de l’empilement sont disposés dans la configuration de production électrique alors que le module élémentaire intermédiaire lOb, pris en sandwich entre les modules élémentaires inférieur et supérieur, est disposé dans la configuration de court-circuit.
Chaque module élémentaire présente une forme générale de pavé mince s’étendant dans un plan horizontal HH. Il comporte une enceinte l5a-c définissant une chambre anodique 20a-c superposée, selon la direction d’empilement à une unité d’oxydation 25a-25c et à un espaceur 30a-b. L’espaceur et l’unité d’oxydation peuvent être collés sur l’enceinte.
L’unité d’oxydation s’étend selon un plan horizontal. L’unité d’oxydation comporte une anode 35a-c et une cathode 40a-c prenant en sandwich une membrane électrolytique 45a-c. L’anode d’un module élémentaire est reliée à la cathode du module élémentaire adjacent au moyen d’un connecteur électrique 48, de sorte à assurer la mise en série des modules élémentaires.
La pile à combustible est reliée électriquement par l’intermédiaire de la cathode du module élémentaire inférieur et par l’intermédiaire de l’anode du module élémentaire supérieur à un moteur électrique 50 qu’elle alimente électriquement. Elle pourrait être reliée à un dispositif électrique autre qu’un moteur, par exemple à la carte mère d’un ordinateur ou d’un téléphone.
L’anode et la cathode sont configurées pour oxyder le combustible, respectivement réduire l’oxydant. Le combustible peut être choisi parmi le dihydrogène, le méthanol et leurs mélanges. De préférence, le combustible est le dihydrogène. De préférence, l’oxydant est le dioxygène, et de préférence, le dioxygène de l’air.
La membrane électro lytique est par exemple formée d’au moins un polymère fluoré et/ou d’un polymère perfluoré, par exemple de Nafïon® commercialisé par la société DuPont de Nemours. Par ailleurs, elle peut présenter une épaisseur comprise entre 8 mhi et 225 pm.
L’espaceur 30a-b fait saillie verticale selon la direction De de l’unité d’oxydation et notamment de la cathode. L’espaceur repose sur le module élémentaire voisin disposé en dessous. Il peut notamment être fixé, en particulier collé sur l’enceinte du module élémentaire voisin. L’espaceur maintient la cathode à distance du module élémentaire voisin. Il définit ainsi avec la cathode le module élémentaire voisin une chambre d’alimentation cathodique 55a-b entre la cathode et le module élémentaire voisin. La chambre d’alimentation cathodique débouche hors de la pile à combustible, à une de ses extrémités par une ouverture d’entrée d’oxydant 60a-b. L’oxydant, par exemple du dioxygène de l’air, peut ainsi être acheminé au travers de l’ouverture d’entrée d’oxydant dans la chambre d’alimentation cathodique pour alimenter la cathode en oxydant. L’enceinte comporte une paroi inférieure 65a-c et une paroi supérieure 70a-c qui présentent chacune une forme générale de plaque mince. La paroi inférieure et la paroi supérieure sont parallèles l’une à l’autre, et s’étendent dans un plan horizontal.
Elles sont maintenues espacées l’une de l’autre d’une distance d, selon la direction d’empilement. La paroi supérieure et la paroi inférieure définissent ainsi une chambre de distribution anodique 75a-c. Par ailleurs, elles sont formées chacune d’un matériau électriquement isolant, par exemple un polymère électriquement isolant.
La paroi inférieure présente une portion perméable au combustible 80a-c au contact de l’anode et une portion étanche au combustible 85a-c exempte de contact avec l’anode. La paroi supérieure est en un matériau imperméable au combustible et comporte une ouverture 90a-c la traversant dans son épaisseur pour introduire le combustible dans la chambre de distribution anodique. Elle comporte par ailleurs une sortie non représentée, par laquelle l’excès en combustible est évacué de la chambre de distribution anodique. Ainsi, le combustible introduit, par exemple sous pression, dans la chambre de distribution anodique atteint l’anode où il est réduit, et l’excès de combustible est évacué hors de la chambre.
La face de la paroi inférieure et la face de la paroi supérieure en regard de la chambre de distribution anodique sont recouvertes par une piste conductrice d’anode 95a-c reliée électriquement à l’anode et par une piste conductrice de cathode l00a-c reliée électriquement à la cathode, respectivement.
Par ailleurs, l’enceinte contient de préférence un empilement multicouche de distribution anodique l05a-c logé dans la chambre de distribution anodique. Dans l’exemple illustré, l’empilement multicouche de distribution anodique est formé en succession d’une couche inférieure l l0a-c collée sur l’anode, d’une couche intermédiaire l l5a-c et d’une couche supérieure l20a-c collée sur la cathode. La couche inférieure et la couche supérieure et la couche intermédiaire sont superposées les unes aux autres. Elles sont chacune formées d’un matériau poreux et électriquement isolant.
Les couches de l’empilement multicouche de distribution anodique s’étendent chacune selon un plan horizontal.
La couche inférieure de l’empilement multicouche de distribution anodique comporte une fenêtre l25a-c la traversant dans son épaisseur, et débouchant au travers de la portion poreuse de la paroi inférieure sur l’unité d’oxydation. Dans l’exemple de la figure 1, l’épaisseur d de l’empilement multicouche de distribution anodique est égale à 17 mhi.
L’empilement multicouche de distribution anodique comporte par ailleurs un trou l30a-c le traversant de part en part dans l’épaisseur. Le trou débouche à une extrémité sur l’ouverture d’entrée pour introduire le combustible et dans la configuration de production électrique, à une autre extrémité dans le volume défini par la fenêtre formée dans la couche inférieure. Par ailleurs, la paroi inférieure et l’espaceur des modules élémentaires supérieur et intermédiaire comportent des cavités l35a-b les traversant selon la direction d’empilement verticale et coaxiales les unes aux autres, de sorte à définir un chemin C d’alimentation en combustible vertical, commun aux trois modules élémentaires de l’empilement.
La couche intermédiaire est en contact par chacune de ses faces opposées avec la couche inférieure et avec la couche supérieure. Elle est disposée à distance de la paroi inférieure et de la paroi supérieure.
Par ailleurs, l’empilement multicouche de distribution anodique comporte un évidement l40a-c le traversant de part en part dans son épaisseur et s’étendant selon la direction d’empilement. L’évidement présente une section carrée de lxl mm2. D’autres formes et aires de section sont toutefois envisageables. L’empilement multicouche de distribution anodique débouche à l’une de ses extrémités sur la paroi inférieure et sur la piste conductrice d’anode et à son extrémité opposée sur la paroi supérieure et sur la piste conductrice de cathode.
Le module élémentaire comporte un organe court-circuiteur l50a-c logé dans l’évidement formé dans l’empilement multicouche de distribution anodique. L’organe court- circuiteur est formé d’un alliage MCP 137. D’autres matériaux, et notamment alliages tels que décrits précédemment, peuvent être envisagés.
Dans la configuration de production électrique, comme cela peut être observé sur le module élémentaire inférieur lOc et sur le module élémentaire supérieur lOa de la figure 1, l’organe court-circuiteur est contact de l’empilement multicouche de distribution anodique sur toute la surface 155 de la portion du bord latéral de l’évidement définie par la couche intermédiaire. La couche intermédiaire définit ainsi un support pour maintenir l’organe court-circuiteur dans la chambre de distribution anodique à distance de la piste conductrice d’anode et de la piste conductrice de cathode dans la configuration de production électrique. Dans la configuration de production électrique, l’épaisseur ep de l’organe court- circuiteur est égale à 10 mhi.
Par ailleurs, dans la configuration de production électrique et dans la configuration de court-circuit comme observé sur le module élémentaire intermédiaire, l’organe court-circuiteur est à distance de la couche inférieure et de la couche supérieure.
Dans la configuration de court-circuit, comme cela est observé pour le module élémentaire intermédiaire lOb de la figure 1, l’organe court-circuiteur s’étend dans l’évidement l40b entre la paroi inférieure et la paroi supérieure. Il est en contact avec la paroi inférieure 65b et la paroi supérieure 70b, et forme ainsi un pont de liaison électrique d’épaisseur ecc entre l’anode et la cathode définissant un court-circuit du module élémentaire. L’unité d’oxydation du module élémentaire court-circuité est alors inapte à la génération d’électricité. Ainsi, le courant électrique généré par le module élémentaire inférieur lOc transite directement de l’anode 35c dudit module vers la cathode 40a du module élémentaire supérieur en étant conduit successivement par la piste conductrice de cathode lOOb, l’organe court-circuiteur l50b, la piste conductrice d’anode 95b du module élémentaire intermédiaire et le connecteur électrique 48. L’épaisseur de l’organe court-circuiteur ecc est alors de 17 mhi, pour une section trans verse d’aire égale à 1,1 mm2. La résistance de l’organe court- circuiteur est alors de 10 ihW. En outre, comme observé sur la figure 1, l’organe court- circuiteur définit alors un joint hermétique étanche au combustible empêchant le flux de combustible Fx introduit par l’ouverture d’entrée d’atteindre la chambre de distribution anodique et l’anode.
La piste conductrice d’anode et la piste conductrice de cathode comportent des zone de contact anodique (l57a-c) et zone de contact cathodique (l58a-c), qui sont superposées avec et en regard de l’organe court-circuiteur, selon la direction verticale.
Le module élémentaire comporte en outre des pistes de court-circuitage l60a-c électriquement conductrices disposées sur les faces opposées de la couche intermédiaire.
Afin d’opérer le passage de la configuration de production électrique à la configuration de court-circuit, la pile à combustible comporte une unité de court-circuitage 170. L’unité de court-circuitage comporte un générateur de courant électrique 175. Le générateur électrique est relié à un organe court-circuiteur d’un module élémentaire au moyen d’un commutateur électrique 180. La connexion entre l’unité de court-circuitage et les modules élémentaires n’est pas représentée sur la figure 1, par souci de clarté. Dans une variante non représentée, le générateur électrique peut être relié à différents organes court- circuiteur de différents modules élémentaires. Le générateur électrique peut délivrer un courant électrique d’une intensité telle que l’organe court-circuiteur change de forme par fusion, sous l’effet de l’élévation de température induite par effet Joule lors du passage du courant électrique en son sein. Par exemple, afin de fondre l’organe court-circuiteur du module élémentaire de la figure 1 , le générateur électrique est apte à délivrer une puissance électrique de 25 mW pendant une durée de court-circuitage de 1 s.
Le commutateur relie électriquement le générateur électrique au module élémentaire défaillant et isole électriquement les autres modules élémentaires de la pile à combustible. En variante, il peut relier le générateur électrique à un ensemble de modules élémentaires de la pile à combustible, de sorte que lorsque l’unité de court-circuitage détecte un module élémentaire défaillant, le générateur délivre un courant électrique à chaque organe court-circuiteur des modules élémentaires de l’ensemble pour les court-circuiter.
L’unité de court-circuitage opère le changement de forme de l’organe court- circuiteur lorsqu’un module élémentaire est détecté comme défaillant. A cette fin, la pile à combustible comporte une unité de mesure d’une grandeur à contrôler. Dans l’exemple de la figure 1, l’unité de mesure est un capteur de pression l65a-c disposé dans la chambre de distribution anodique. Elle mesure la pression de combustible dans la chambre de distribution anodique, et envoie la valeur de la pression mesurée à l’unité de court-circuitage qui la reçoit et la compare à une pression minimale de combustible. Si la pression de dihydrogène devient inférieure à la pression de combustible dans la chambre de distribution anodique, l’unité de court-circuitage identifie le module élémentaire comme défaillant et commande le générateur électrique pour opérer le changement de forme de l’organe court- circuiteur défaillant.
La figure 2 illustre une pile à combustible 5 comportant plusieurs ensembles 200a-d comportant chacun plusieurs modules élémentaires 10 selon l’invention.
Les ensembles sont superposés et empilés les uns sur les autres au moyen selon une direction d’empilement De verticale.
Chaque ensemble comporte des modules élémentaires identiques les uns et autres, présentant chacun une forme de pavé mince s’étendant selon une direction horizontale DH. Les modules élémentaires sont disposés côte à côte dans un plan horizontal. Ainsi, chaque ensemble présente une forme de pavé mince. Par ailleurs, au sein d’un ensemble, les modules élémentaires sont reliés électriquement en parallèle les uns aux autres. Les différents ensembles constituant la pile à combustible sont reliés électriquement en série.
Chaque module élémentaire comporte un tensiomètre pour mesurer la tension du module élémentaire.
La pile à combustible comporte une unité de court-circuitage 170 reliée à l’organe court-circuiteur de chaque module élémentaire de la pile à combustible. Lorsque l’unité de court-circuitage détecte que la tension d’un module élémentaire est inférieure à une tension minimale, par exemple égale à 0,3 V, elle procède au court-circuitage du module élémentaire considéré défaillant et de tous les autres modules élémentaires de l’ensemble auquel appartient le module élémentaire défaillant.
Ainsi, on limite le risque d’une défaillance générale de la pile à combustible en court-circuitant l’ensemble qui comporte le module élémentaire défaillant, et qui présente donc la probabilité la plus élevée de défaillance.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d’être décrits, dont les caractéristiques peuvent se combiner au sein de variantes non illustrées.

Claims

REVENDICATIONS
1. Module élémentaire (lOa-c) d’une pile (5) à combustible, le module élémentaire comportant :
- une unité d’oxydation (25a-c) configurée pour oxyder un combustible, de préférence du dihydrogène, au moyen d’un oxydant, de préférence du dioxygène, de sorte à générer des électrons, l’unité d’oxydation comportant une anode (35a-c) et une cathode (40a- c) prenant en sandwich une membrane électro lytique (45a-c), et
- un organe court-circuiteur (l50a-c) électriquement conducteur, dépourvu de liaison électrique avec l’anode et/ou avec la cathode selon une configuration de production électrique du module élémentaire, et reliant électriquement l’anode et la cathode selon une configuration de court-circuit du module élémentaire, le module élémentaire étant configuré pour que le passage de la configuration de production électrique à la configuration de court- circuit soit opéré par changement de forme de l’organe court-circuiteur,
dans lequel dans la configuration de court-circuit, l’organe court-circuiteur définit un joint étanche au combustible conformé pour empêcher l’alimentation en combustible de l’unité d’oxydation.
2. Module élémentaire selon la revendication 1, définissant une chambre de distribution anodique (75a-c) pour contenir le combustible et en communication fluidique avec l’anode, le module élémentaire comportant une ouverture d’entrée (90a-c) pour introduire le combustible dans la chambre de distribution anodique et, dans la configuration de court-circuit, l’organe court-circuiteur définissant un joint étanche au combustible pour empêcher le transport du combustible entre l’ouverture d’entrée et la chambre de distribution anodique.
3. Module élémentaire selon la revendication précédente, dans lequel, dans la configuration de production électrique et/ou dans la configuration de court-circuit, l’organe court-circuiteur est logé dans la chambre de distribution anodique
4. Module élémentaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le changement de forme de l’organe court-circuiteur s’opère par une fusion, de préférence suivie d’une solidification, de l’organe court-circuiteur.
5. Module élémentaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’organe court-circuiteur comporte pour plus de 50 % de sa masse, de préférence pour plus de 90 % de sa masse, de préférence pour 100 % de masse, un métal ou, de préférence, un alliage métallique.
6. Module élémentaire selon la revendication précédente, dans lequel l’alliage métallique comporte au moins 20,0% d’un métal choisi parmi le bismuth, le plomb, l’étain, le zirconium, l’indium et leurs mélanges, en pourcentages en masse sur la base de la masse de l’alliage.
7. Module élémentaire selon la revendication précédente, dans lequel l’alliage métallique comporte entre 30,0 % et 65,0 % de bismuth, en pourcentages en masse sur la base de la masse de l’alliage.
8. Module élémentaire selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel le métal ou l’alliage métallique présente une température de fusion comprise entre 50 °C et 300 °C, et de préférence inférieure à l50°C.
9. Module élémentaire selon l’une quelconque des revendications 2 à 8, comportant des piste conductrice d’anode (95a-c) et piste conductrice de cathode (l00a-c) électriquement conductrices, de préférence au moins partiellement logées dans la chambre de distribution anodique et reliées électriquement à l’anode et la cathode respectivement, l’organe court-circuiteur étant de préférence disposé entre la piste conductrice d’anode et la piste conductrice de cathode.
10. Module élémentaire selon la revendication précédente, l’organe court- circuiteur étant en contact électrique avec la piste conductrice d’anode et/ou avec la piste conductrice de cathode dans la configuration de court-circuit.
11. Module élémentaire selon l’une quelconque des revendications 9 et 10, dans lequel la piste conductrice d’anode et/ou la piste conductrice de cathode comportent une zone de contact anodique (l57a-c) et/ou une zone de contact cathodique (l58a-c) respectivement pour l’adhésion de l’organe court-circuiteur sur la piste conductrice d’anode et/ou la piste conductrice de cathode respectivement dans la configuration de court-circuit.
12. Module élémentaire selon la revendication précédente, dans lequel la zone de contact anodique et/ou la zone de contact cathodique sont disposées en regard de l’organe court-circuiteur selon la configuration de production électrique.
13. Pile (5) à combustible comportant au moins un module élémentaire selon l’une quelconque des revendications précédentes.
14. Pile selon la revendication précédente, comportant une pluralité de modules élémentaires connectés électriquement en série ou en parallèle, au moins un, de préférence tous les modules élémentaires de la pluralité étant selon l’une quelconque des revendications précédentes.
15. Pile à combustible selon l’une quelconque des revendications 13 et 14, comportant une unité de court-circuitage (170) configurée pour opérer le changement de forme de l’organe court-circuiteur du module élémentaire de la configuration de production électrique vers la configuration de court-circuit.
16. Pile à combustible selon la revendication précédente, dans lequel l’unité de court-circuitage est configurée pour chauffer l’organe court-circuiteur, de préférence par effet Joule, à une température supérieure à la température de fusion de l’organe court- circuiteur.
17. Pile à combustible selon l’une quelconque des revendications 15 et 16, dans laquelle le module élémentaire comporte une unité de mesure (l65a-c) d’une grandeur à contrôler, par exemple choisie parmi un débit de fuite du combustible, la tension entre l’anode et la cathode et une température, et l’unité de court-circuitage est configurée pour :
- recevoir la grandeur à contrôler en provenance de l’unité de mesure, puis
- effectuer une comparaison de la grandeur à contrôler avec une valeur de contrôle, de sorte à détecter si le module élémentaire est défaillant, et
- le cas échéant, opérer le changement de forme de l’organe court-circuiteur.
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