WO2019186051A1 - Plaque bipolaire a canaux ondules - Google Patents

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Fabien GUIMARD
Luc Rouveyre
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Symbiofcell
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Definitions

  • the present application relates to the field of fuel cells and in particular that of hydrogen cells including PEMFC type (acronym for "Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells” or “Proton Exchange Membrane Fuel Cells”).
  • PEMFC type acronym for "Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells” or “Proton Exchange Membrane Fuel Cells”
  • a fuel cell 1 is a chemical energy converter into electrical energy having at least one electrochemical cell 2 comprising an anode 4 separated from a cathode 6 by an electrolyte 8.
  • the electrochemical cell of a hydrogen cell is generally fed by two different gases, the first of the hydrogen oxidizing in contact with the anode, the second of oxygen or air reduced in contact with the cathode according to the following electrochemical reactions:
  • the oxidation produces electrons flowing from the anode 4 to the cathode 6 via an electrical circuit 10 external to the cell, so that an element 12 integrated in this electrical circuit 10 can be supplied with electricity by the battery.
  • the membrane 8 separating the electrodes 4, 6 is generally made of porous material and electrically insulating, but ionic conductor.
  • PEMFC fuel cell cells typically have an electrolyte in the form of a polymer-based proton exchange membrane, particularly fluoropolymer.
  • a PEMFC fuel cell is typically made by stacking elementary cells, each cell being formed between a face of a bipolar plate, of an element named AME (for "membrane electrode assembly” here corresponding to cathode cathode stack stacking) and a face of another bipolar plate.
  • AME for "membrane electrode assembly” here corresponding to cathode cathode stack stacking
  • Bipolar plates have several functions:
  • Bipolar plates are generally provided with splines or channels on each side, the channels of a first face for the supply of hydrogen, while the channels of a second face opposite the first face allow the supply of oxygen.
  • the reactants are thus introduced to the electrodes 4, 6 via the supply channels present in the bipolar plates 13, these supply channels also making it possible to evacuate the product from the electrochemical reactions.
  • the volume delimited by a feed channel and an electrode forms an anode compartment 14 when the electrode is the anode, or a cathode compartment 16, when the electrode is the cathode (FIG. 1).
  • One embodiment of the present invention provides a bipolar conductive plate adapted to be interposed in a fuel cell structure, said plate having on a first external face, a first network of one or more fluid circulation channels arranged in parallel. and each having a path in the form of a succession of corrugations.
  • the channels make it possible, by using centrifugal force, to avoid stagnation and the formation of water plugs and thus to promote the gas flow in the channels. She participates in obtaining a better return.
  • the channels further advantageously comprise narrowed cross-sectional portions. Such a shape of the channels makes it possible locally to create gas accelerations conveyed by the channels. Combined with the wavy shape, the narrowed portions contribute to better gas flow in the channels.
  • the portions of narrowed cross section are regularly distributed, ie periodic according to a predetermined period in the path of said channels.
  • the narrowed cross section portions are distributed at vertices or recessed areas of said corrugations.
  • the bipolar conductive plate may also comprise, on a second external face opposite to said first external face, a second network of fluid circulation channels also in the form of a succession of corrugations.
  • the channels of the second network also preferably include portions of narrowed cross-section.
  • a particular embodiment provides that the ripples of the channels of the second network may be arranged in phase shift or advantageously in phase opposition with respect to the ripples of the channels of said first channel network.
  • the second network typically has a larger number of channels than the first network.
  • the bipolar conductive plate in which said first external face is a face of a first sheet joined to a second sheet, one face forms said second outer face, the channels of the first network being grooves made in the first sheet, the channels of the second network being grooves made in the second sheet, the grooves of the first network and the grooves of the second network being supported against each other at several points, the grooves of the first network being arranged relative to each other; to the grooves of the second network so as to provide a volume for the coolant passage.
  • the present invention also relates to a fuel cell structure provided with one or more bipolar conductive plate (s) as defined above.
  • a first bipolar plate located on a first side of the electrode membrane assembly and provided with an array of anode channels in the form of a succession of corrugations
  • a second bipolar plate located on a second side of the electrode membrane assembly and provided with an array of cathode channels in the form of a succession of corrugations, the undulations of the cathode channel array being in phase opposition with respect to the corrugations of the anodic channels or having a path having inverted radii of curvature relative to a path of the anode channels.
  • Such a configuration also allows a better distribution of water on both sides of the membrane and thus improve the performance of a cell with such plates.
  • the present invention also provides a vehicle with a fuel cell comprising at least one bipolar conductive plate as defined above.
  • Figure 1 schematically illustrates a fuel cell and its bipolar plates.
  • FIGS. 2A-2B illustrate a bipolar conductive plate provided with anode and cathode channel networks of slightly undulating shape.
  • FIG. 3 illustrates a particular configuration of anode or cathode channels in the form of wave succession and with portions of narrowed sections.
  • FIGS. 4A-4B illustrate an assembly of sheets forming a bipolar conductive plate with corrugated cathode and anode channels and arranged so as to form support zones between the plates allowing improved mechanical strength as well as spaces formed between the sheets to allow the displacement of a coolant.
  • FIG. 5 illustrates a particular configuration of the ripple paths of the anode channels with respect to the ripple paths of the cathode channels located on opposite faces and belonging to the same bipolar conductive plate.
  • FIGS. 6A-6B illustrate an anti-phase configuration of the anode channels of a bipolar conductive plate with respect to the cathode channels of another bipolar conductive plate, these two conductive plates being arranged on either side of the same AME structure;
  • FIGS. 2A, 2B respectively have a first external face 20A and a second external face 20B, opposite to the first face 20A of a bipolar conductive plate 20 as implemented according to an embodiment of FIG. present invention.
  • This plate 20 based on an electrically conductive material and preferably capable of resisting corrosion, may be a metallic material such as a stainless steel, for example 316L of the AISI standard corresponding to the reference Z2CND17. -12 of the Afnor NF A 35573.
  • the plate 20 has on its first outer face 20A splines forming fluid channels 31 and on its second outer face 20B splines forming fluid channels 41.
  • the bipolar conductive plate 20 is adapted to be integrated in a fuel cell formed of a stack of electrochemical cells typically comprising a plurality of superimposed bipolar plates of the same type.
  • a stack of, for example, 230 cells 229 bipolar conductive plates such as that to be described, and 2 end-conductive plates on either side of the stack may be provided.
  • 69 bipolar conductive plates such as the one to be described, and 2 end-conductive plates on either side of the stack, may be provided.
  • the bipolar conductive plate 20 may be made in one piece or, as in the example illustrated in FIGS. 2A, 2B, be the result of an assembly of several parts such as sheets 30, 40 arranged against one another. other and assemblies.
  • the first face 20A of the plate 20 ( Figure 2A) comprises in particular a first network of channels 31 of fluid circulation arranged in parallel.
  • the channels 31 are here anode channels in which hydrogen is intended to circulate.
  • the grooves and other hollow patterns formed in the plate 20, here in the sheet 30, can be made by various techniques such as molding or stamping or stamping or machining. For example, a water jet machining technique can be implemented to define the flutes.
  • the juxtaposed channels 31 each extend along an axis which is parallel to a longitudinal axis Y of the plate 20, ie along an axis parallel to the longer side
  • the fluidic channels 31 each have a path in the form of a succession of corrugations, in other words forming a sequence of curved regions that can advantageously be distributed periodically on either side of a given axis. parallel to the longitudinal axis Y, realizing a succession of vertices 31a and 31b hollow.
  • the channels 31 of the first fluidic network are preferably arranged in phase relative to each other, so that the vertices 31a and corrugation hollows 31b of a channel 4 coincide in the same plane orthogonal to the plate 20 with respectively the peaks 31a and trough 31b of the other channels.
  • the corrugated shape of the channels 31 makes it possible to promote the evacuation of the water produced in an electrochemical cell and to avoid a phenomenon of stratification which can create a blockage of reactants in the channels or a saturation of water at the level of diffusion layers.
  • a membrane-electrode assembly structure capable of being contiguous to the bipolar plate.
  • the shape of the channels 31 via an undulating pathway guiding the flow of the reactants makes it possible, by using centrifugal force, to avoid stagnation and the formation of liquid plugs and thus to promote the gas flow.
  • a pitch of the patterns forming the undulations and an amplitude of these patterns are sufficiently small and a radius of curvature sufficiently high that the channels 31 comprise essentially slight undulations, that is to say having a shape close to that of straight channels.
  • a range of curvature radius of the corrugations making it possible to maximize a contact between the first face 20A of the bipolar plate 20 and an assembly AME while maximizing the electrical performance of a cell provided with this assembly AME, is for example chosen between 20 mm and 50 mm.
  • the channels 31 may also include localized portions 33 of narrowed cross-sections.
  • the shrinkage depends on the desired level of pressure drop in order to allow the water droplets to escape.
  • a pressure drop of the order of several tens of mbar, for example of the order of 20 mbar loss of load can be provided.
  • the channels 31 are thus provided with zones with a given cross section and comprise localized portions 33 of smaller cross section than the given cross section.
  • the narrowing may be provided so as to have a cross section at least divided by 2.
  • the narrowed portions 33 of a channel 31 in this case have a cross section at least 2 times smaller than that of the rest of the channel.
  • the portions 33 of restricted section within a fluidic channel 31 make it possible locally to create accelerations of the gas conveyed by this channel and thus to obtain an increase in the pressure drop of the channel 31 so as to better evacuate the water droplets. .
  • the narrowed portions 33 of a channel 31 are preferably distributed periodically throughout an active surface in which this channel 31 extends.
  • the narrowed portions 33 may be disposed at the level of hollows 31b and / or vertices 31a of the corrugations.
  • the corrugated shape of the channels 31 combined with the presence of portions 33 of narrowed section prevent water clogging phenomena of the cells and thus increase the life of the battery. This particular configuration makes it possible to obtain better management of the quantity of water within an electrochemical cell and thus to improve its performance.
  • the bipolar plate 20 can be made by assembling several plates 30, 40.
  • the first network of fluidic channels 31 is in this case formed on a front face 30A of a first sheet 30 corresponding to the first outer face 20A of the plate 20, while the second network of fluidic channels 41 is formed on a front face 40A of a second sheet 40 corresponding to the second outer face 20B of the plate 20.
  • the first sheet 30 and the second 40 are thus assembled at their rear faces 30B, 40B, respectively opposed to their front faces 30A, 40A.
  • the channels or grooves defined on the front face 30A of the first sheet 30 form on the rear face 30B of this sheet 30, bumpy areas 131. These bumpy areas 131 are supported, in several points as can be seen in the cross-sectional view of FIG. 4A, on other dented zones 141 formed on the face rear 40B of the second sheet 40, and respectively corresponding to the channels or grooves defined on the front face 40A of the second sheet 40.
  • the bipolar plate 20 between the rear faces 30B, 40B of the plates 30, 40 spaces 150 are however formed as can be seen in the cross-sectional view of Figure 4A to allow delimiting passages for a fluid, in particular a coolant, also called coolant between the plates 30, 40.
  • the heat transfer liquid may be water.
  • the inlet and the outlet of heat-transfer liquid are produced by means of openings 28 arranged at a large side of the plate 20.
  • the plate bipolar 20, of appearance which may be substantially rectangular, also has on each small side of the rectangle an opening 24 for entry or exit of air, while on opposite corners of the plate 20 are openings 26 input or hydrogen output. These openings 26 are generally smaller in size than the air inlet / outlet openings 24.
  • the second face 20B of the bipolar conductive plate 20 also comprises splines forming this time cathode channels in which air or oxygen is intended to circulate.
  • a second network of juxtaposed parallel circulation channels 41 arranged in parallel is thus formed on the second face 20B of the bipolar plate 20.
  • the channels 41 may have dimensions similar to that of the channels 31 of the first face. Typically, a larger number of cathode channels 41 is provided than the number of anode channels 31.
  • the channels 41 each extend along an axis parallel to the longitudinal axis Ag and are also each in the form of a succession of undulations, in other words a succession of curved regions.
  • the channels 41 of the second network produce undulations in a succession of curved regions forming vertices 41a and hollows 41b on either side of an axis parallel to the longitudinal axis Ag of the plate 20.
  • the channels 41 of the second fluidic network are advantageously arranged in phase relative to each other.
  • the ripples of the channels 41 of the second network may have a shape similar to those of the channels of the first network and possibly have a amplitude and a frequency equal to the amplitude and frequency of the ripples of the first grating, respectively.
  • the channels 41 of the second network also preferably include localized portions of narrowed cross-sections. These localized portions are advantageously distributed periodically along the path of the channels 41. Typically, as on the first network of channels, it is possible to provide the narrowed portions of the second network 41 disposed at the hollows 41b and / or vertices 41a of the corrugations. .
  • main plane of the plate 20 is meant a parallel plane passing through the plate 20 and parallel to the [O; x; y] plane of the orthogonal reference [O; x; y; z] given in FIG. 5.
  • This phase-shifting arrangement of the channels 31 of the first network with respect to the channels 41 of the second network makes it possible, especially when this plate 20 is in the form of an assembly of sheets 30, 40, to be able to ensure the passage of fluid coolant between the sheets 30, 40 while maintaining sufficient areas of support between the plates 30, 40 to ensure a good mechanical rigidity of the sheet assembly.
  • the arrangement of the channel networks on the two opposite faces 20A and 20B may advantageously be with inverted radii of curvature between the path of the channels 31 on the first face and the path of the channels 41 on the second face.
  • said "in opposition of phase” one or more vertices 31a respectively of one or more channels 31 of the first network located on the first face 20A of the plate 20 are in the same plane orthogonal to the plate 20 as one or more hollows 41b respectively of one or more channels 41 of the second network located on a second face 20B of the plate 20.
  • a phase-shifted or even phase-locked configuration of the first array and the second array is useful in particular in a structure as illustrated in FIGS. 6A and 6B with at least two bipolar plates 20.1, 20.2 of the same type as that described above, and arranged on either side of a membrane electrode assembly structure (AME).
  • AME membrane electrode assembly structure
  • the AME structure is conventionally composed of an electrolyte layer 113 conventionally formed of a membrane such as a solid polymer membrane impervious to gases and adapted to conduct the protons from the anode to the cathode while preventing a passage of electrons from one to the other of the electrodes.
  • a membrane such as a solid polymer membrane impervious to gases and adapted to conduct the protons from the anode to the cathode while preventing a passage of electrons from one to the other of the electrodes.
  • the AME structure may also be provided with diffusion layers whose function is to provide the supply of reactive gas for active layers of electrodes and to provide electrical conduction between a bipolar conductive plate and an active electrode layer.
  • the electrodes of the AME structure are an anode 111 against which the first channel network 31 is disposed and a cathode 112 against which the second channel network 41, in phase shift or even in phase opposition with respect to the first network, is placed .
  • the arrangement is such that the channels 31 of a first bipolar plate 20.1 arranged against one face of a structure AME form corrugations with radii of inverted curvature or in opposition of phase with respect to the ripples respectively of one or more channels 41 a second plate 20.2 disposed against another face of the same structure AME and opposite to the face against which the first plate is disposed.
  • phase shift or offset between the two networks is taken with respect to a plane orthogonal to the main plane of the plate.

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Abstract

La demande concerne une plaque conductrice bipolaire (20) pour structure de pile à combustible, ladite plaque ayant un réseau de canaux de circulation de fluide sous forme d'une succession d'ondulations avec des portions rétrécies de préférence réparties régulièrement afin d'éviter les phénomènes de stratification.

Description

TITRE
PLAQUE BIPOLAIRE A CANAUX ONDULES
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR
La présente demande concerne le domaine des piles à combustible et en particulier celui des piles à hydrogène notamment de type PEMFC (acronyme de « Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells » ou « Proton Exchange Membrane Fuel Cells »).
Elle vise en particulier un dispositif pour pile à combustible ayant une ou plusieurs plaques bipolaires de configuration améliorée.
Une pile 1 à combustible est un convertisseur d'énergie chimique en énergie électrique doté d'au moins une cellule électrochimique 2 comprenant une anode 4 séparée d'une cathode 6 par un électrolyte 8.
La cellule électrochimique d'une pile à hydrogène est généralement alimentée par deux gaz différents, le premier de l'hydrogène s'oxydant au contact de l'anode, le second de l'oxygène ou de l'air réduit au contact de la cathode selon les réactions électrochimiques suivantes :
Equation 1
Figure imgf000003_0001
Equation 2
L'oxydation produit des électrons circulant de l'anode 4 à la cathode 6 via un circuit 10 électrique externe à la cellule, de sorte qu'un élément 12 intégré à ce circuit électrique 10 puisse être alimenté en électricité par la pile.
La membrane 8 séparant les électrodes 4, 6 est généralement réalisée à partir de matériau poreux et électriquement isolant, mais conducteur ionique. Les cellules de piles à combustible de type PEMFC ont typiquement une électrolyte sous forme d'une membrane d'échange de protons à base de polymère, en particulier de fluoropolymère.
Une pile à combustible de type PEMFC se réalise typiquement pa r l'empilement de cellules élémentaires, chaque cellule étant formée entre une face d'une plaque bipolaire, d'un élément nommé AME (pour « assemblage membrane électrode » correspondant ici à l'empilement anode membrane cathode) et d'une face d'une autre plaque bipolaire.
Les plaques bipolaires ont plusieurs fonctions :
- L'approvisionnement en réactifs (hydrogène côté anode et air ou oxygène côté cathode) à travers des canaux sur les sites réactifs ;
- La collecte et la conduction du courant électrique de l'anode d'une cellule à la cathode de la cellule voisine ;
- La tenue mécanique des cellules élémentaires, ces dernières devant résister notamment à des contraintes mécaniques dues au serrage de l'empilement ;
- L'étanchéité aux gaz ;
- L'évacuation de la chaleur ;
- L'évacuation des gaz non consommés et de l'eau produite lors de la réaction.
Les plaques bipolaires sont pour cela généralement dotées de cannelures ou de canaux sur chaque face, les canaux d'une première face permettant l'alimentation en hydrogène, tandis que les canaux d'une deuxième face opposée à la première face permettent l'alimentation en oxygène.
Les réactants sont ainsi introduits vers les électrodes 4, 6 par l'intermédiaire des canaux d'alimentation présents dans les plaques bipolaires 13, ces canaux d'alimentation permettant également d'évacuer le produit des réactions électrochimiques. Le volume délimité par un canal d'alimentation et une électrode forme un compartiment anodique 14 lorsque l'électrode est l'anode, ou un compartiment cathodique 16, lorsque l'électrode est la cathode (figure 1).
Les performances d'une cellule électrochimique à hydrogène dépendent notamment du taux d'humidité de la membrane 8 : cette humidité permet une bonne conduction ionique des ions hydrogène à travers la membrane 8. L'hydratation de la membrane 8 est maintenue naturellement grâce à l'eau générée au niveau de la cathode.
Une fraction de l'eau générée à la cathode est transférée vers l'anode après diffusion au travers de la membrane 8. Un phénomène d'accumulation d'eau dans les compartiments destinés à hydrogène peut alors se produire. Or un taux d'humidité ou une accumulation d'eau trop importante à l'anode est susceptible :
- d'être à l'origine d'une réduction de la surface active de l'anode et donc d'une augmentation de la densité de courant traversant ses zones encore actives,
- d'être à l'origine de surtensions à l'anode ce qui réduit la tension délivrée par la pile et par conséquent son rendement,
- de diminuer le courant pouvant être généré par la pile pour une tension à ses bornes imposée par le circuit externe, et par conséquent sa puissance,
- de créer une pénurie en hydrogène dans des zones noyées localisées ce qui peut entraîner une dégradation de la structure de pile et réduire sa durée de vie,
- d'augmenter de manière trop importante la diffusion d'azote de la cathode vers l'anode à l'origine d'une pénurie en hydrogène susceptible de dégrader la pile.
En d'autres termes, une stagnation d'eau, liquide, et une accumulation de gaz trop importants, notamment dans le compartiment anodique, dégrade les performances d'une cellule électrochimique.
Il se pose le problème de trouver un nouveau dispositif amélioré vis-à-vis d'inconvénients mentionnés ci-dessus.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Un mode de réalisation de la présente invention prévoit une plaque conductrice bipolaire apte à être intercalée dans une structure de pile à combustible, ladite plaque comportant sur une première face externe, un premier réseau d'un ou plusieurs canaux de circulation de fluide agencés en parallèle et ayant chacun un cheminement sous forme d'une succession d'ondulations.
Cette forme particulière des canaux permet, en utilisant la force centrifuge, d'éviter la stagnation et la formation de bouchons d'eau et de favoriser ainsi l'écoulement gazeux dans les canaux. Elle participe à l'obtention d'un meilleur rendement. Les canaux comportent en outre avantageusement des portions de section transversale rétrécies. Une telle forme des canaux permet de créer localement des accélérations de gaz véhiculé par les canaux. Combinée à la forme ondulée, les portions rétrécies participent à une meilleure circulation de gaz dans les canaux.
Avantageusement, les portions de section transversale rétrécie sont réparties de manière régulière, autrement dit périodique selon une période prédéterminée dans le cheminement desdits canaux. De préférence, les portions de section transversale rétrécie sont réparties au niveau de sommets ou de zones en creux desdites ondulations.
La plaque conductrice bipolaire peut également comporter sur une deuxième face externe opposée à ladite première face externe, un deuxième réseau de canaux de circulation de fluide également sous forme d'une succession d'ondulations.
Les canaux du deuxième réseau comportent également de préférence des portions de section transversale rétrécie.
Un mode de réalisation particulier prévoit que les ondulations des canaux du deuxième réseau peuvent être agencées en décalage de phase voire avantageusement en opposition de phase par rapport aux ondulations des canaux dudit premier réseau de canaux.
Le deuxième réseau comporte typiquement un nombre de canaux plus important que le premier réseau.
Selon une possibilité de mise en œuvre de la plaque conductrice bipolaire dans laquelle ladite première face externe est une face d'une première tôle assemblée à une deuxième tôle dont une face forme ladite deuxième face externe, les canaux du premier réseau étant des cannelures pratiquées dans la première tôle, les canaux du deuxième réseau étant des cannelures pratiquées dans la deuxième tôle, les cannelures du premier réseau et les cannelures du deuxième réseau étant en appui les unes contre les autres en plusieurs points, les cannelures du premier réseau étant agencées par rapport aux cannelures du deuxième réseau de sorte à ménager un volume pour le passage de fluide caloporteur. La présente invention concerne également une structure de pile à combustible dotée d'une ou plusieurs plaque(s) conductrice(s) bipolaire(s) telle(s) que définie(s) plus haut.
Un mode de réalisation de la présente invention prévoit en particulier une structure pour pile à combustible comprenant :
- au moins un assemblage membrane électrode,
- une première plaque bipolaire, située d'un premier côté de l'assemblage membrane électrode et muni d'un réseau de canaux anodiques sous forme d'une succession d'ondulations,
- une deuxième plaque bipolaire située d'un deuxième côté de l'assemblage membrane électrode et muni d'un réseau de canaux cathodiques sous forme d'une succession d'ondulations, les ondulations du réseau de canaux cathodiques étant en opposition de phase par rapport aux ondulations des canaux anodiques ou ayant un cheminement présentant des rayons de courbures inversés par rapport à un cheminement des canaux anodiques.
Une telle configuration permet également une meilleure répartition d'eau de part et d'autre de la membrane et d'améliorer ainsi le rendement d'une cellule dotée de telles plaques.
La présente invention vise également un véhicule doté d'une pile à combustible comprenant au moins une plaque conductrice bipolaire telle que définie plus haut.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres détails et caractéristiques de l'invention apparaîtront de la description qui va suivre, faite en regard des figures annexées suivantes.
Les parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références de façon à faciliter le passage d'une figure à une autre. Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement à échelle uniforme afin de rendre les figures plus lisibles. La figure 1 illustre de manière schématique une pile à combustible et ses plaques bipolaires.
Les figures 2A-2B illustrent une plaque conductrice bipolaire munie de réseaux de canaux anodiques et cathodiques de forme légèrement ondulée.
La figure 3 illustre une configuration particulière de canaux anodiques ou cathodiques sous formes de succession d'ondulations et avec des portions de sections rétrécies.
Les figures 4A-4B illustrent un assemblage de tôles formant une plaque conductrice bipolaire à canaux cathodiques et anodiques ondulés et agencés de manière à former des zones d'appuis entre les tôles permettant une tenue mécanique améliorée ainsi que des espaces ménagés entre les tôles pour permettre le déplacement d'un fluide caloporteur.
La figure 5 illustre une configuration particulière des cheminements en ondulations des canaux anodiques par rapport aux cheminements en ondulations des canaux cathodiques situés sur des faces opposées et appartenant à une même plaque conductrice bipolaire.
Les figures 6A-6B illustrent une configuration en opposition de phase des canaux anodiques d'une plaque conductrice bipolaire par rapport aux canaux cathodiques d'une autre plaque conductrice bipolaire, ces deux plaques conductrices étant agencées de part et d'autre d'une même structure AME ;
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Les figures 2A, 2B présentent respectivement une première face 20A externe et une deuxième face 20B externe, opposée à la première face 20A d'une plaque conductrice bipolaire 20 telle que mise en œuvre suivant un mode de réalisation de la présente invention. Cette plaque 20, à base d'un matériau conducteur de l'électricité et de préférence apte à résister à la corrosion peut être un matériau métallique tel qu'un acier inoxydable, par exemple de type 316L de la norme AISI correspondant à la référence Z2CND17-12 de la norme Afnor NF A 35573. La plaque 20 comporte sur sa première face externe 20A des cannelures formant des canaux 31 fluidiques et sur sa deuxième face externe 20B des cannelures formant des canaux 41 fluidiques.
La plaque conductrice bipolaire 20 est apte à être intégrée à une pile à combustible formée d'un empilement de cellules électrochimiques comportant typiquement une pluralité de plaques bipolaires superposées de même type. Dans un empilement par exemple de 230 cellules, on peut prévoir 229 plaques conductrices bipolaires telle que celle qui va être décrite, et 2 plaques conductrices d'extrémité de part et d'autre de l'empilement. Dans un empilement par exemple de 70 cellules, on peut prévoir par exemple 69 plaques conductrices bipolaires telles que celle qui va être décrite, et 2 plaques conductrices d'extrémité de part et d'autre de l'empilement.
La plaque conductrice bipolaire 20 peut être réalisée en une seule pièce ou, comme dans l'exemple illustré sur les figures 2A, 2B, être le résultat d'un assemblage de plusieurs pièces telles que des tôles 30, 40 disposées l'une contre l'autre et assemblées.
La première face 20A de la plaque 20 (figure 2A) comporte en particulier un premier réseau de canaux 31 de circulation de fluide agencés en parallèle. Les canaux 31 sont ici des canaux anodiques dans lesquels de l'hydrogène est destiné à circuler. Les cannelures ainsi que d'autres motifs en creux formés dans la plaque 20, ici dans la tôle 30, peuvent être réalisés par diverses techniques telles que le moulage ou l'emboutissage ou l'estampage voire par usinage. Par exemple, une technique d'usinage par jet d'eau peut être mise en œuvre pour définir les cannelures.
Sur la première face externe 20A de la plaque 20, les canaux 31 juxtaposés s'étendent chacun le long d'un axe qui est parallèle à un axe longitudinal Y de la plaque 20 autrement dit le long d'un axe parallèle au plus grand côté de la plaque 20. Les canaux 31 fluidiques ont chacun un cheminement sous forme d'une succession d'ondulations autrement dit formant une suite de régions courbes qui peuvent être réparties avantageusement de manière périodique de part et d'autre d'un axe donné parallèle à l'axe longitudinal Y, en réalisant une succession de sommets 31a et de creux 31b. Les canaux 31 du premier réseau fluidique sont de préférence disposés en phase les uns par rapport aux autres, de sorte que les sommets 31a et creux d'ondulation 31b d'un canal 4 coïncident dans un même plan orthogonal à la plaque 20 avec respectivement les sommets 31a et creux 31b d'ondulation des autres canaux.
La forme ondulée des canaux 31 permet de favoriser une évacuation de l'eau produite dans une cellule électrochimique et d'éviter un phénomène de stratification susceptible de créer un blocage de réactants dans les canaux ou une saturation en eau au niveau de couches de diffusion d'une structure d'assemblage membrane-électrode apte à être accolée à la plaque bipolaire. La forme des canaux 31 via un cheminement ondulant guidant l'écoulement des réactants permet, en utilisant la force centrifuge, d'éviter la stagnation et la formation de bouchons liquides et de favoriser ainsi l'écoulement gazeux.
Les changements de direction des régions courbes permettent d'évacuer plus efficacement les gouttes d'eau qui pourraient stagner et de casser leur stratification.
On prévoit de préférence un pas des motifs formants les ondulations et une amplitude de ces motifs (autrement dit une amplitude des creux 31b et sommets 31a) suffisamment faibles et un rayon de courbure suffisamment élevés pour que les canaux 31 comportent essentiellement de légères ondulations autrement dit ayant une forme proche de celles de canaux droits.
Une gamme de rayon de courbure des ondulations permettant de maximiser un contact entre la première face 20A de la plaque bipolaire 20 et un assemblage AME tout en maximisant les performances électriques d'une cellule dotée de cet assemblage AME, est par exemple choisi entre 20 mm et 50 mm.
Comme on peut le voir sur la vue partielle agrandie de la figure 3, les canaux 31 peuvent comporter également des portions 33 localisées de sections transversales rétrécies. Le rétrécissement dépend du niveau de pertes de charge souhaité afin de permettre une évacuation des gouttelettes d'eau. Une perte de charge de l'ordre de plusieurs dizaines de mbar, par exemple de l'ordre de 20 mbar de pertes de charge peut être prévue. Les canaux 31 sont ainsi pourvus de zones avec une section transversale donnée et comportent des portions 33 localisées de section transversale plus faible que la section transversale donnée. Le rétrécissement peut être prévu de sorte à avoir une section transversale au moins divisée par 2. Les portions 33 rétrécies d'un canal 31 ont dans ce cas une section transversale au moins 2 fois plus faible que celle du reste du canal.
Les portions 33 de section restreinte au sein d'un canal 31 fluidique permettent de créer localement des accélérations du gaz véhiculé par ce canal et d'obtenir ainsi une augmentation de la perte de charge du canal 31 afin de mieux évacuer les gouttelettes d'eau.
Les portions 33 rétrécies d'un canal 31 sont de préférence réparties de manière périodique tout au long d'une surface active dans laquelle s'étend ce canal 31.
Avantageusement, les portions 33 rétrécies peuvent être disposées au niveau de creux 31b et/ou de sommets 31a des ondulations.
La forme ondulée des canaux 31 combinée à la présence de portions 33 de section rétrécie permettent d'éviter des phénomènes d'engorgement en eau des cellules et d'augmenter ainsi la durée de vie de la pile. Cette configuration particulière permet d'obtenir une meilleure gestion de la quantité d'eau au sein d'une cellule électrochimique et d'améliorer ainsi ses performances.
Comme suggéré précédemment, la plaque bipolaire 20 peut être réalisée par assemblage de plusieurs tôles 30, 40. Le premier réseau de canaux 31 fluidiques est dans ce cas formé sur une face avant 30A d'une première tôle 30 correspondant à la première face externe 20A de la plaque 20, tandis que le deuxième réseau de canaux 41 fluidiques est formé sur une face avant 40A d'une deuxième tôle 40 correspondant à la deuxième face externe 20B de la plaque 20. La première tôle 30 et la deuxième 40 sont ainsi assemblées au niveau de leurs faces arrière 30B, 40B, opposées respectivement à leurs faces avant 30A, 40A.
Les canaux ou cannelures défini(e)s sur la face avant 30A de la première tôle 30 forment sur la face arrière 30B de cette tôle 30, des zones bosselées 131. Ces zones bosselées 131 prennent appui, en plusieurs points comme on peut le voir sur la vue en coupe transversale de la figure 4A, sur d'autres zones bosselées 141 formées sur la face arrière 40B de la deuxième tôle 40, et correspondant respectivement aux canaux ou cannelures défini(e)s sur la face avant 40A de cette deuxième tôle 40.
Dans l'épaisseur de la plaque bipolaire 20, entre les faces arrières 30B, 40B des tôles 30, 40 des espaces 150 sont toutefois ménagés comme on peut le voir sur la vue en coupe transversale de la figure 4A pour permettre de délimiter des passages pour un fluide, en particulier un liquide de refroidissement, également appelé liquide caloporteur entre les tôles 30, 40. Le liquide caloporteur peut être de l'eau.
Dans l'exemple de configuration particulier illustré sur les figures 2A-2B, l'entrée et la sortie de liquide caloporteur, sont réalisées à l'aide d'ouvertures 28 disposées au niveau d'un grand côté de la plaque 20. La plaque bipolaire 20, d'aspect qui peut être sensiblement rectangulaire, comporte également sur chaque petit côté du rectangle une ouverture 24 d'entrée ou de sortie d'air, tandis que sur des coins opposés de la plaque 20 figurent des ouvertures 26 d'entrée ou de sortie d'hydrogène. Ces ouvertures 26 sont généralement de plus petite dimension que les ouvertures 24 d'entrée/sortie d'air.
Comme indiqué précédemment, la deuxième face 20B de la plaque conductrice bipolaire 20 comporte également des cannelures formant cette fois des canaux cathodiques dans lesquels de l'air ou de l'oxygène est destiné à circuler. Un deuxième réseau de canaux 41 de circulation juxtaposés agencés en parallèle est ainsi ménagé sur la deuxième face 20B de la plaque bipolaire 20. Les canaux 41 peuvent avoir des dimensions semblables à celle des canaux 31 de la première face. Typiquement, on prévoit un nombre de canaux 41 cathodiques plus important que le nombre de canaux 31 anodiques. Les canaux 41 s'étendent chacun le long d'un axe parallèle à l'axe longitudinal Ag et sont également chacun sous forme d'une succession d'ondulations autrement dit d'une suite de régions courbes. Les canaux 41 du deuxième réseau réalisent des ondulations en une successions de régions courbes formant des sommets 41a et des creux 41b de part et d'autre d'un axe parallèle à l'axe longitudinal Ag de la plaque 20.
Les canaux 41 du deuxième réseau fluidique sont avantageusement disposés en phase les uns par rapport aux autres.
Les ondulations des canaux 41 du deuxième réseau peuvent avoir une forme semblable à celles des canaux du premier réseau et éventuellement avoir une amplitude et une fréquence égales, respectivement à l'amplitude et à la fréquence des ondulations du premier réseau.
Les canaux 41 du deuxième réseau comportent également de préférence des portions localisées de sections transversales rétrécies. Ces portions localisées sont avantageusement réparties de manière périodique le long du parcours des canaux 41. Typiquement, comme sur le premier réseau de canaux, on peut prévoir les portions rétrécies du deuxième réseau 41 disposées au niveau des creux 41b et/ou sommets 41a des ondulations.
Selon une possibilité d'agencement particulier illustré sur la figure 5, donnant une vue de dessus d'une portion de la deuxième face 20B de la plaque bipolaire 20, on peut prévoir avantageusement que le deuxième réseau de canaux 41 cathodiques et le premier réseau de canaux 31 présentant un déphasage l'un par rapport à l'autre, si l'on considère comme plan de référence un plan orthogonal au plan principal de la plaque.
Par « plan principal » de la plaque 20, on entend un plan parallèle passant par la plaque 20 et parallèle au plan [O ;x ;y] du repère orthogonal [O ;x ;y ;z] donné sur la figure 5.
Cet agencement en décalage de phase des canaux 31 du premier réseau vis-à-vis des canaux 41 du deuxième réseau permet, notamment lorsque cette plaque 20 est sous forme d'un assemblage de tôles 30, 40, de pouvoir assurer le passage de fluide caloporteur entre les tôles 30, 40 tout en maintenant des zones d'appuis suffisantes entre les tôles 30, 40 pour permettre d'assurer une bonne rigidité mécanique de l'assemblage de tôles.
Or, une telle rigidité est importante aussi bien pour la tenue mécanique de la pile à combustible dans laquelle la plaque bipolaire est susceptible d'être intégrée que pour les performances électriques de cette pile.
L'agencement des réseaux de canaux sur les deux faces opposées 20A et 20B peut être avantageusement avec des rayons de courbures inversés entre le cheminement des canaux 31 sur la première face et le cheminement des canaux 41 sur la deuxième face. Dans un tel agencement dit « en opposition de phase » un ou plusieurs sommets 31a respectivement d'un ou plusieurs canaux 31 du premier réseau situés sur la première face 20A de la plaque 20 se trouvent dans un même plan orthogonal à la plaque 20 qu'un ou plusieurs creux 41b respectivement d'un ou plusieurs canaux 41 du deuxième réseau situés sur une deuxième face 20B de la plaque 20.
Une configuration en décalage de phase voire en opposition de phase de canaux du premier réseau et du deuxième réseau est utile en particulier dans une structure telle qu'illustrée sur les figures 6A et 6B dotée d'au moins deux plaques bipolaires 20.1, 20.2 du même type que celle décrite précédemment, et disposées de part et d'autre d'une structure d'assemblage membrane électrode (AME).
La structure AME est de manière classique, composée d'une couche d'électrolyte 113 classiquement formée d'une membrane telle qu'une membrane polymère solide, imperméable aux gaz et adaptée pour conduire les protons de l'anode vers la cathode tout en empêchant un passage d'électrons de l'une à l'autre des électrodes.
La structure AME peut être également dotée de couches de diffusion ayant pour fonction d'assurer l'approvisionnement en gaz réactif pour des couche actives d'électrodes et d'assurer une conduction électrique entre une plaque conductrice bipolaire et une couche active d'électrode. Les électrodes de la structure AME sont une anode 111 contre laquelle le premier réseau de canaux 31 est disposé et une cathode 112 contre laquelle le deuxième réseau de canaux 41, en décalage de phase voire en opposition de phase par rapport au premier réseau, est placé.
L'agencement est tel que les canaux 31 d'une première plaque 20.1 bipolaire disposés contre une face d'une structure AME forment des ondulations aux rayons de courbures inversés ou en opposition de phase par rapport aux ondulations respectivement d'un ou plusieurs canaux 41 d'une deuxième plaque 20.2 disposés contre une autre face de cette même structure AME et opposée à la face contre laquelle la première plaque est disposée.
Le déphasage ou décalage entre les deux réseaux est pris par rapport à un plan orthogonal au plan principal de la plaque.
Cette disposition des canaux 31 anodiques du premier réseau d'une plaque conductrice bipolaire 20.1 située du premier côté d'un AME par rapport aux canaux 41 cathodiques d'un deuxième réseau d'une autre plaque conductrice bipolaire 20.2 situé d'un deuxième côté opposé de IΆME, permet d'éviter une accumulation intempestive d'eau et participe à une meilleure circulation de l'eau permettant ainsi d'améliorer les performances électriques de la cellule électrochimique formée par association de ces plaques bipolaires et de la structure d'AME.

Claims

REVENDICATIONS
1. Plaque conductrice bipolaire (20, 20.1, 20.2) apte à être intercalée dans une structure de pile à combustible, ladite plaque comportant sur une première face externe (20A), un premier réseau d'un ou plusieurs canaux (31) de circulation de fluide agencés en parallèle et ayant chacun un cheminement sous forme d'une succession d'ondulations de part d'autre d'un axe parallèle à un axe longitudinal de la plaque.
2. Plaque conductrice bipolaire selon la revendication 1, lesdits canaux comportant des portions (33) de section transversale rétrécie.
3. Plaque conductrice selon l'une des revendications 2, lesdites portions de section transversale rétrécie étant réparties de manière périodique dans le cheminement desdits canaux, en particulier au niveau de sommets (31a) ou de zones en creux (31b) desdites ondulations.
4. Plaque conductrice bipolaire selon l'une des revendications 1 à 3, comportant sur une deuxième face externe (20B) opposée à ladite première face externe (20A), un deuxième réseau de canaux (41) de circulation de fluide chacun sous forme d'une succession d'ondulations de part d'autre d'un axe parallèle à un axe longitudinal (Ag) de ladite plaque.
5. Plaque conductrice bipolaire selon la revendication 4, les ondulations des canaux (41) dudit deuxième réseau étant en décalage de phase ou en opposition de phase par rapport aux ondulations des canaux dudit premier réseau de canaux (31).
6. Plaque conductrice bipolaire selon l'une des revendications 4 ou 5, le deuxième réseau comportant un nombre de canaux plus important que le nombre de canaux dudit premier réseau.
7. Plaque conductrice bipolaire selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle la première face externe (20A) est une face avant (30A) d'une première tôle (30) assemblée à une deuxième tôle (40) dont une face avant (40A) forme la deuxième face externe (20B), les canaux du premier réseau étant des cannelures pratiquées dans la première tôle, les canaux du deuxième réseau étant des cannelures pratiquées dans la deuxième tôle, les cannelures du premier réseau et les cannelures du deuxième réseau comportant des zones (131,141) de contact, les cannelures du premier réseau étant agencées par rapport aux cannelures du deuxième réseau de sorte à ménager un volume (150) pour le passage de fluide caloporteur entre une première ouverture (28) située au niveau d'un premier bord externe de la plaque et une deuxième ouverture (28) située au niveau d'un deuxième bord externe de la plaque opposé au premier bord.
8. Structure pour pile à combustible comprenant :
- au moins un assemblage membrane électrode,
- une plaque bipolaire (20.1) selon l'une des revendications 1 à 7.
9. Structure pour pile à combustible comprenant :
- au moins un assemblage membrane électrode (AME),
- une première plaque bipolaire (20.1) selon l'une des revendications 1 à 7, située d'un premier côté dudit assemblage membrane électrode, la première plaque étant munie d'un réseau de canaux anodiques sous forme d'une succession d'ondulations,
- une deuxième plaque bipolaire (20.2) selon l'une des revendications 1 à 7, située d'un deuxième côté de l'assemblage membrane électrode et muni les ondulations des canaux cathodiques étant en opposition de phase ou ayant des rayons de courbures inversés par rapport aux ondulations des canaux anodiques.
10. Véhicule doté d'une pile à combustible comprenant au moins une plaque conductrice bipolaire selon l'une des revendications 1 à 7.
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