WO2021233717A1 - Système et procédé de solidarisation de plaques bipolaires en matériau composite d'un dispositif électrochimique - Google Patents

Système et procédé de solidarisation de plaques bipolaires en matériau composite d'un dispositif électrochimique Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to the field of electrochemical devices and is aimed in particular at a system and a method for securing bipolar plates made of a composite material of an electrochemical device.
  • electrochemical device denotes any device making it possible to implement an electrochemical reaction, such as a fuel cell or a proton exchange membrane electrolyzer, making it possible to generate respectively electrical energy or hydrogen from an oxidation-reduction reaction.
  • electrochemical device also refers to a redox flux battery for generating electrical energy from potential energy stored in the battery.
  • an electrochemical device comprises a stack of a plurality of cells extending along a stack axis and two end plates, placed at the ends of the stack.
  • the end plates are connected by compression members which allow the cells to be compressed and the electrochemical device to be sealed.
  • each cell 110 comprises a membrane-electrode assembly 120 and two bipolar plates 130, also called separator plates, which sandwich the membrane-electrode assembly 120 and allow the distribution of fluids in the cell 110.
  • each cell 110 is, in a known manner, supplied with an oxidizing fluid and a reducing fluid, for example dihydrogen and dioxygen, which react when they are brought into contact in an oxidation-reduction reaction.
  • a reducing fluid for example dihydrogen and dioxygen
  • bipolar plates 130A, 130B of two adjacent cells 110A 110B are secured together so as to form a bipolar module M defining several internal channels 140 which allow the heat transfer fluid to pass between the cells 110.
  • the present invention relates to bipolar plates formed of composite material and not to bipolar plates formed of graphite which are heavy and have a large bulk in the electrochemical device.
  • a bipolar plate made of composite material comprises electrically conductive particles, generally carbon particles, dispersed in a polymer resin.
  • such a bipolar plate 130 comprises in known manner a plurality of openings 131, which allow the entry and exit of oxidizing and reducing fluids, and two inlet and outlet openings 132 of the fluid. coolant.
  • Each bipolar plate 130 further comprises an active central portion 133, in contact with the membrane-electrode assembly 120 and on which the oxidation-reduction reaction takes place, thanks to the conductive particles.
  • the central portion 133 includes concave portions 135 and convex portions 136 (shown on ) allowing the circulation of fluids between the various inlet / outlet openings 131, 132.
  • each bipolar plate 130 also comprises a peripheral portion 134 (shown in ) allowing the joining of the two bipolar plates 130 to form the bipolar module M.
  • connection of two composite bipolar plates is achieved by adding an elastomeric seal applied to the peripheral zone of the bipolar plates, which is long and complex to implement. The production rates are then low.
  • a method of assembling composite panels by resistive welding is also known. Such welding is done using a welding tool which gradually melts the material as it travels along the edges of the panels to form a weld bead.
  • a method is not applicable on a bipolar composite plate as described above, in particular because of its composition.
  • a bipolar plate comprising conductive particles dispersed in a polymer resin cannot be melted without the conductive particles being entrained by the molten resin, which can affect its conductivity.
  • such a welding process is long to implement because it requires the regular movement of a welding tool around the entire periphery of the composite panel.
  • a bipolar plate made of a composite material comprising conductive particles dispersed in a resin.
  • the viscous resin is mixed with a very large number of conductive particles, which makes the mixture thick and does not allow the formation of thin bipolar plates.
  • a bipolar plate formed of conductive particles has a significant thickness, generally between 3 and 5 mm, which increases the size and mass of the electrochemical device. This is penalizing for an electrochemical device intended to be integrated, for example, in an aircraft or in any other vehicle.
  • bipolar plate made of composite material comprising reinforcing fibers (for example carbon fibers) impregnated with thermoplastic or thermosetting polymer resin forming a matrix.
  • Such a bipolar plate has the advantage of being thinner, with a thickness of less than one millimeter, which makes it possible to limit its size and its mass.
  • the invention thus aims to eliminate at least some of these drawbacks by proposing a system and a method of joining two bipolar plates which is simple and without adding material, allowing the rapid joining of two bipolar plates without impacting their mechanical properties and their permeability to fluids.
  • the first assembly device comprises a heater having a peripheral shape and configured to perform heating according to a peripheral heating zone on the peripheral portion of the first bipolar plate so as to melt the die to secure the first bipolar plate with the second bipolar plate and form a peripheral weld bead extending externally to the central portion and being strictly included in the peripheral portion of the first bipolar plate.
  • the joining system according to the invention advantageously makes it possible to join two bipolar plates made of composite material and allows local heating only in the peripheral portion of each bipolar plate, allowing a partial remelting of the residual layer of polymer resin present on each peripheral portion of the each bipolar plate, without damaging the central portion of each.
  • a peripheral heating zone makes it possible to instantly weld the entire periphery of the bipolar plates without requiring the movement of a tool, which represents a significant time saving. Thanks to the system according to the invention, the joining of two bipolar plates is faster and more reliable.
  • Such a securing system also makes it possible to dispense with the addition of additional material during the formation of the bipolar module, which represents a significant time saving and limits the number of steps necessary for the formation of the bipolar module.
  • each bipolar plate comprises carbon fibers impregnated in a thermoplastic resin.
  • each bipolar plate has a thickness of less than 1 mm.
  • the system according to the invention allows the joining of two bipolar plates of very thin thickness for which there is to date no reliable assembly method which makes it possible to retain the mechanical characteristics of such bipolar plates.
  • the first assembly device comprises a pressure member configured to apply a pressure force according to a pressure zone at least on a part of the peripheral portion of the first bipolar plate so as to compress the first. bipolar plate and the second bipolar plate between the first assembly device and the second assembly device, the heating member being mounted on the pressure member, the heating zone being in the vicinity of the pressure zone.
  • the securing system thus advantageously makes it possible to keep the two bipolar plates stationary over their entire periphery, while ensuring local heating.
  • pressing the entire periphery of the bipolar plates limits the risk of the plates moving during the heating operation, which could cause an irregular weld bead.
  • the pressure member having a parallelepipedal shape
  • the pressure zone extends both over the central portion and over a part of the peripheral portion of the first bipolar plate
  • the peripheral heating zone extends over the peripheral portion of the first bipolar plate outside the pressure zone.
  • the pressure zone extends peripherally only over the peripheral portion of the first bipolar plate.
  • a peripheral pressure zone limits damage to the central portion of each bipolar plate.
  • the heating zone extends over the peripheral portion of the first bipolar plate to the exterior of the peripheral pressure zone.
  • the heating zone extends over the peripheral portion of the first bipolar plate internally to the pressure zone.
  • the pressure member having a peripheral shape
  • the pressure zone extends peripherally only over the peripheral portion of the first bipolar plate
  • the peripheral heating zone is strictly included in the zone of. peripheral pressure.
  • Such an embodiment advantageously makes it possible to apply the pressure member to the peripheral portion of the first bipolar plate on either side of the heating member, which makes it possible to ensure that the two are kept in place. bipolar plates relative to each other.
  • the pressure member including the heater distributes pressure on either side of the weld bead.
  • the mechanical characteristics of the peripheral portion of each bipolar plate are kept as close as possible to the central portion and on the outer edges of the bipolar plate.
  • the pressure member of the first assembly device comprising an interior cavity
  • the heater of the first assembly device is slidably mounted in the interior cavity of the pressure member. Such mounting of the heater makes it possible to ensure that the heating zone is included in the pressure zone, making it possible to ensure the positioning of the weld bead.
  • the heating member being configured to come into contact with the first bipolar plate
  • the heating member comprises a positioning device configured to abut against the pressure member so as to precisely define the position of the heater.
  • a positioning device advantageously makes it possible to control the position of the heating member relative to the first bipolar plate.
  • the heating member comprising a welding head
  • the welding head has a section less than or equal to 10mm, making it possible to melt a sufficient quantity of polymer matrix, so as to ensure a welding surface. sufficient to secure the two bipolar plates together, while limiting the dimensions of the weld bead.
  • the section of the welding member is less than or equal to 5mm.
  • the heater is configured to heat to a temperature between the melting temperature of the polymer resin and the melting temperature increased by 40 ° C. .
  • a temperature advantageously makes it possible to locally melt the residual polymer resin layer of the first bipolar plate.
  • the pressure member having an operating temperature
  • the pressure member is configured to maintain the operating temperature less than or equal to the melting temperature of the polymer resin reduced by 20 ° C, so as to limit the heat transfer between the heater and the pressure member.
  • the polymer matrix does not melt on contact with the pressure organ.
  • the pressure member is configured to maintain the operating temperature at room temperature.
  • the pressure member is made of a thermally non-conductive material, making it possible to limit heat transfer while eliminating the need for the addition of an additional device.
  • the pressure member includes a cooling device configured to keep the operating temperature below a predetermined threshold.
  • a cooling device makes it possible to manufacture the pressure member in any material while ensuring that the operating temperature of the pressure member is limited.
  • the heater being configured to apply a pressure force according to the peripheral heating zone
  • the pressure force applied by the heater is between 0.1 and 1.5 MPa.
  • a pressure force makes it possible to guarantee the maintenance of the two bipolar plates, without the risk of deforming the integral bipolar plates and without the risk of displacing the polymer resin in a zone outside the welding portion.
  • the securing system makes it possible to guarantee the positioning of the heating zone on the peripheral portion of each bipolar plate throughout the duration of the securing process.
  • Such a pressure force also allows good thermal diffusion without penetrating the bipolar plates and therefore without damaging the carbon fibers of the bipolar plates.
  • the pressure force applied by the pressure member is less than or equal to the implementation pressure force, advantageously making it possible to limit damage to the composite assembly.
  • the second assembly device comprises a heater having a peripheral shape, the heater being configured to perform heating according to a peripheral heating zone on the peripheral portion of the second bipolar plate of so as to melt the matrix of the second bipolar plate and form a peripheral weld bead extending externally to the central portion and being strictly included in the peripheral portion of the second bipolar plate.
  • Two similar assembly devices mounted opposite one another make it possible to reduce the heating times, which advantageously makes it possible to limit the thermal diffusion in the bipolar plates and thus to limit the risks of deconsolidation of the composite material.
  • Such a configuration also makes it possible to heat the two bipolar plates symmetrically. Thus, similar mechanical properties are preserved on the two bipolar plates.
  • the second assembly device comprises a pressure member configured to apply a pressure force according to a pressure zone at least on a part of the peripheral portion of the second bipolar plate, so as to compress the first bipolar plate and the second bipolar plate between the first assembly device and the second assembly device, the heating member being mounted on the pressure member, the heating zone being in the vicinity of the pressure zone.
  • the thickness of the pressure member of the first assembly device is preferably between 10 and 100 mm, making it possible to ensure that the pressure member applies a pressure force in a zone sufficient pressure to keep the bipolar plates in compression. Thanks to such a thickness, the pressure member only applies the pressure force to the peripheral portion of the first bipolar plate, which makes it possible to preserve the conductive central portion from any force which could damage it.
  • the method according to the invention advantageously allows a simple and rapid joining of two bipolar plates to form the bipolar module.
  • the process makes it possible to ensure that two bipolar plates are joined together while ensuring that the conductivity characteristics of the central portion of each bipolar plate which has reinforcing fibers exposed on the surface are preserved.
  • the joining of two bipolar composite material plates is also performed reliably by ensuring the sealing of the internal channels of the bipolar module.
  • the joining is carried out without adding material, which makes it possible to limit costs, to dispense with the precise positioning of an adhesive seal, for example, and to limit the number of steps necessary for the formation of the bipolar module.
  • the joining process according to the invention also makes it possible to very significantly reduce the duration of the welding of two bipolar plates, which makes it possible to increase production rates.
  • the first predetermined heating time is less than or equal to 20 seconds, making it possible to limit the heating time and therefore the risks of significant thermal diffusion in the bipolar plates, which can generate deconsolidation effects of the composite material on areas remote from the weld area.
  • such a first duration makes it possible to limit the risks of damage to the composite assembly of each bipolar plate. The process thus makes it possible to maintain the mechanical resistance characteristics of a thin-thickness bipolar plate comprising reinforcing fibers impregnated in a polymer resin.
  • the first predetermined heating time is less than 2 seconds.
  • the method comprises previously in the heating step, a step of applying, at least by a pressure member of the first assembly device, a pressure force, the pressure force being applied according to a pressure zone at least on a part of the peripheral portion of the first bipolar plate, so as to compress the first bipolar plate and the second bipolar plate.
  • the application of the pressure member ensures that the bipolar plates remain stationary during the entire bonding process.
  • the pressure member of the first assembly device maintains the pressure force according to the pressure zone for a second predetermined period of cooling. Maintaining the pressure force makes it possible to ensure the solidification of the weld bead before removing the pressure member, thus making it possible to limit the risks for example of slipping and therefore of shifting of a bipolar plate with respect to to the other or detachment of the two bipolar plates which would be due to an unconsolidated composite matrix.
  • the second predetermined cooling time is less than or equal to 5 seconds.
  • the heating step is carried out simultaneously by the heating member of the first assembly device on the peripheral portion of the first bipolar plate and by the heating member of the second assembly device on the peripheral portion of the the second bipolar plate.
  • the duration of application of the two heating elements is reduced.
  • the step of applying a pressure force is carried out simultaneously on the peripheral portion of the first bipolar plate by the pressure member of the first assembly device and on the peripheral portion of the second bipolar plate by the pressure member of the second assembly device.
  • the distance between the peripheral heating zone and the central portion of each bipolar plate is greater than or equal to 0.5 mm.
  • Such a distance advantageously makes it possible to limit the risk of the heating member affecting the polymer matrix of the central portion and thus impairing its conductive properties.
  • the distance between the peripheral heating zone and the central portion of each bipolar plate is less than 30mm.
  • Such a distance makes it possible to secure two bipolar plates in the peripheral portion as close as possible to the central portion, which has the advantage of increasing the seal in the bipolar module, making it possible to limit the risks of mixing the different fluids in the electrochemical device.
  • FIGS. 13 to 18 are schematic representations of the steps of a method for joining two bipolar plates according to the invention.
  • the invention relates to a system for securing two bipolar plates made of a composite material of an electrochemical device.
  • electrochemical device also designates a fuel cell, a membrane proton exchange electrolyzer, an oxidation-reduction flow battery or any other device making it possible to implement an electrochemical reaction.
  • an electrochemical device comprises a stack of a plurality of cells, each comprising a membrane-electrode assembly and two bipolar plates, also called separator plates, which sandwich the membrane-electrode assembly.
  • Each cell is supplied with heat transfer fluid for thermal regulation of the electrochemical device.
  • two adjacent bipolar plates of two adjacent cells are joined together so as to form a bipolar module defining several internal channels which allow the passage of the heat transfer fluid between the cells.
  • the invention relates to a system for securing two bipolar plates of a bipolar module to ensure the sealing of the internal channels which allow the passage of the heat transfer fluid.
  • each bipolar plate 1 extends longitudinally along an X axis, laterally along a Y axis and vertically along a Z axis, so as to form an orthogonal reference mark (X, Y, Z).
  • each bipolar plate 1 is made of a composite material and comprises conductive reinforcing fibers impregnated in a polymer resin.
  • each bipolar plate 1 comprises carbon fibers impregnated in a thermoplastic resin, forming a polymer matrix. Carbon fibers are electrically conductive so as to conduct the electrical charges required or produced by the redox reaction in the electrochemical device.
  • each bipolar plate 1 comprises an electrically conductive central portion 2 and an electrically non-conductive peripheral portion 3.
  • the central portion 2 is preferably rectangular.
  • the central portion 2 is intended for carrying out exchanges in the electrochemical device and for this comprises conducting reinforcing fibers exposed at the surface so as to allow high electrical conductivity.
  • the central portion 2 has a thickness Ec of between 0.1 and 1 mm, defined along the vertical axis Z and shown on the and making it possible to give the bipolar plate 1 a thin and light reinforced zone.
  • the bipolar plate 1 comprising a plurality of channels to allow the passage of fluids, as described above, its thickness Ec varies while being less than 1 mm.
  • the peripheral portion 3 extends outwardly from the central portion 2 so as to form the periphery of the bipolar plate 1, as shown in the figure. .
  • the peripheral portion 3 comprises unexposed reinforcing fibers, so as to form a non-conductive portion.
  • the peripheral portion 3 comprises a surplus of material, designated residual polymer matrix layer 31, preferably on either side of the thickness of the bipolar plate 1 (in other words in this example along the Z axis at the above and below the bipolar plate 1), which will be used for joining two bipolar plates 1 as will be described in more detail below.
  • the residual polymer matrix layer 31 has a thickness Er of between 0.03 and 0.1 mm.
  • the peripheral portion 3 has a thickness Ep along the vertical axis Z shown in Figures 4 and 5, strictly greater than the thickness Ec of the central portion 2.
  • the peripheral portion 3 preferably comprises a rectangular inner edge and a rectangular outer edge.
  • each bipolar plate 1 is between 0.1 and 1.2 mm, which allows a lightweight and space-saving bipolar plate 1 in the electrochemical device.
  • the peripheral portion 3 extends over a width L (shown in Figures 4 and 6) preferably between 10 and 100 mm, allowing a sufficient surface to allow contact of the system. securing S while ensuring a sufficient amount of surplus polymer matrix 31 to allow the securing of two bipolar plates 1.
  • the peripheral portion 3 comprises a welding portion 32 corresponding to the portion which will be in contact with a heating member of the securing system S, as will be described in more detail below.
  • a welding portion 32 extends over the entire peripheral portion 3 of the bipolar plate 1.
  • the welding portion 32 has a peripheral shape.
  • the welding portion 32 extends over a width e of between 0.1 and 15mm, preferably less than 5mm.
  • the welding portion 32 is preferably positioned in the peripheral portion 3 at a distance d of between 0.5 and 30 mm, more preferably greater than 0.8 mm from the central portion 2.
  • a distance d allows advantageously of limiting the risk of the securing system S affecting the thermoplastic matrix of the central portion 2 and thus altering its conductive properties.
  • the joining system S makes it possible to join together a first bipolar plate 1A and a second bipolar plate 1B, to form a bipolar module M.
  • the securing system S comprises a first assembly device 4 and a second assembly device 5, mounted opposite the first assembly device 4.
  • the first assembly device 4 is configured to be in contact with the first bipolar plate 1A (in this example the upper plate) and the second assembly device 5 to be in contact with the second bipolar plate 1B ( in this example the lower plate).
  • the latter comprises a welding member 41, configured to allow welding of the two bipolar plates 1A, 1B.
  • the welding member 41 makes it possible to carry out heating according to a peripheral heating zone C on the peripheral portion 1A of the first bipolar plate 1A as will be described in more detail below.
  • the first assembly device 4 comprises a pressure member 42, configured to hold the two bipolar plates 1A, 1B stationary.
  • the pressure member 42 is configured to apply a pressure force F according to a pressure zone P at least on part of the peripheral portion 3A of the first bipolar plate 1A.
  • the heater 41 is mounted on the pressure member 42 and the heating zone C is in the vicinity of the pressure zone P.
  • the pressure force F is between 0.1 and 1.5 MPa, so as to avoid too much pressure which could cause material to move out of the welding portion.
  • the pressure member 42 has a parallelepipedal shape.
  • the pressure zone P extends both over the central portion 2A and over a part of the peripheral portion 3A of the first bipolar plate 1A, and the peripheral heating zone C extends over the peripheral portion 3A of the first bipolar plate 1A on the outside of the pressure zone P, as shown in .
  • the pressure member 42 has a peripheral shape.
  • the pressure member 42 is configured to apply the pressure force F according to a pressure zone P extending peripherally on the peripheral portion 3A of the first bipolar plate 1A, as shown in FIG. . More preferably, the pressure zone P is configured to extend only over the peripheral portion 3A of the first bipolar plate 1A.
  • the heating member 41 is preferably mounted on the pressure member 42.
  • the heating zone C is thus in the vicinity of the pressure zone P.
  • the heating zone C extends internally or externally to the pressure zone P.
  • the heating zone C is included in the pressure zone P, as will be described in more detail below.
  • the securing system S is described below according to this last preferred embodiment, in which the first assembly device 4 comprises a pressure member 42 and in which the peripheral heating zone C is strictly included in the pressure zone. P peripheral.
  • the pressure member 42 comprises a main body 421 of peripheral shape and an interior cavity 422 extending in this example vertically throughout the entire pressure member 42.
  • This document presents the example of a pressure member 42 according to a rectangular pressure zone P (as shown in ), however it goes without saying that the pressure member 42 could just as well have a different peripheral shape, so as to be able to be adapted to any shape of bipolar plate 1 (circular, ovoid, trapezoidal or even a more complex shape) .
  • the pressure member 42 has, in this example, over the entire periphery, a thickness k of preferably between 10 and 100mm.
  • a thickness k advantageously makes it possible to ensure that the pressure member 42 applies a pressure force F according to a peripheral pressure zone P having a sufficient surface area to maintain the bipolar plates 1A, 1B in compression, while ensuring that the pressure force F is only applied to the peripheral portion 3A of the first bipolar plate 1A.
  • the pressure member 42 is configured to be maintained at an operating temperature less than or equal to the melting temperature of the polymer resin of the composite material of each bipolar plate 1, lowered by 20 ° C, so as not to melt the resin when pressed.
  • the pressure member 42 is made of a thermally non-conductive material, so as to limit the transfer of heat between the heating member 41 and the pressure member 42.
  • the pressure member 42 is made of a thermoplastic material such as polyetheretherketone (PEEK), polyphenylene sulfide (PPS), polyetherketone (PEK), Teflon®, or in an organic composite material, a material refractory inorganic, or by machining MICA, graphite, ceramics.
  • the pressure member 42 comprises a cooling device (not shown), for example a liquid or gaseous cooling circuit integrated or external to the pressure member 42, to regulate the operating temperature of the device. the pressure member 42 by maintaining it for example at ambient temperature.
  • a cooling device also makes it possible to limit the transfer of heat between the heater 41 and the pressure member 42.
  • the heating member 41 is mounted in the internal cavity 422 of the pressure member 42. This allows heating to be carried out according to a heating zone C which is optimally compressed as will be presented by the following.
  • the heating member 41 is slidably mounted in the interior cavity 412 of the pressure member 42, so that it can be easily removed and brought into contact with the first bipolar plate 1A during the putting. implementation of the securing process.
  • the heating member 41 has a peripheral shape and is configured to perform heating according to a peripheral heating zone C so as to melt the residual layer of polymer matrix 31 of the peripheral portion 3A of the first plate bipolar 1A to secure the first bipolar plate 1A with the second bipolar plate 1B.
  • the heater 41 can make it possible to melt the residual polymer matrix layer 31 both of the peripheral portion 3A of the first bipolar plate 1A and of the peripheral portion 3B of the second bipolar plate 1B.
  • the peripheral heating zone C is strictly included in the peripheral pressure zone P so as to form on the bipolar module M a peripheral welding bead extending externally to the central portion 2A and being strictly included in the portion peripheral 3A of the first bipolar plate 1A.
  • the pressure zone P of the pressure member 42 includes the heating zone C of the heating member 41 so as to locally compress the first bipolar plate 1A and the second bipolar plate 1B on either side. of the heater 41 around the heating zone C.
  • the heater 41 comprises a main body 411 and a welding head 412.
  • the welding head 412 forms the heating zone C and is configured to come into contact with the welding portion 32 of the peripheral portion 3A of the first bipolar plate 1A during a welding operation as will be described in more detail below.
  • the welding head 412 preferably has a width g of between 0.1 and 10mm, preferably less than 5mm.
  • the heater 41 is preferably centered relative to the pressure member 42 so that the heating zone C is centered in the pressure zone P as illustrated in Figures 9 and 10.
  • the heater 41 is configured to perform heating, for example by convection, radiation, induction, conduction or ultrasonic vibration.
  • the heater 41 is configured to be maintained at a temperature between the melting temperature of the polymer resin and the degradation temperature of said polymer resin.
  • a temperature advantageously makes it possible to locally melt the residual polymer matrix layer 31 of the first bipolar plate 1A.
  • the heating member 41 is configured to apply to the welding portion 32 of the peripheral portion 3A of the first bipolar plate 1A, a pressure force, designated welding pressure force, between 0 , 1 and 1.5 MPa
  • a pressure force designated welding pressure force
  • the pressure effort also minimizes the effects of deconsolidation in each bipolar plate associated with the melting of the polymer and the release of residual stresses in the composite material of each bipolar plate. This further helps to prevent unwanted movement of the resin out of the weld area.
  • the heater 41 comprises a positioning device 43 configured to abut against the pressure member 42 when the heater 41 slides in the interior cavity 422 of the pressure member 42.
  • the positioning device 43 is in the form of a shoulder projecting laterally from the heating member 41.
  • Such a positioning device 43 advantageously makes it possible to control the position of the heating member 41 relative to the first plate bipolar 1A during the welding operation.
  • the positioning device 43 allows the heater 41 to come into contact with the peripheral portion 3A of the first plate. bipolar 1A, without the welding head 412 passing through the first bipolar plate 1A, so as to limit the damage to the reinforcing fibers and the strength of the composite material.
  • the second assembly device 5 is mounted opposite the first assembly device 4 and is configured to come into contact with the second bipolar plate 1B, so as to allow the first assembly device 4 to simultaneously compress the first bipolar plate 1A and the second bipolar plate 1B.
  • the second assembly device 5 is simply in the form of a support, configured to support the second bipolar plate 1B disposed under the first bipolar plate 1A in order to withstand the pressure applied by the first device. assembly 4.
  • the heater 41 of the first assembly device 4 is configured to melt the thickness Ep of the peripheral portion 3A of the first bipolar plate 1A and the thickness Ep of the peripheral portion 3B of the second bipolar plate 1B. The heater 41 of the first assembly device 4 is then configured to form the bipolar module M.
  • the assembly devices 4, 5 of the securing system S may be different, as shown in the figure. , or the like, as shown in .
  • the second assembly device 5 is similar to the first assembly device 4.
  • the second assembly device 5 comprises a heating member 51.
  • the second assembly device 5 further comprises a member pressure 52 and a positioning member 53.
  • the heating member 51, the pressure member 52 and the positioning member 53 of the second assembly device 5 in this case have the plurality of characteristics described above for the heater 41, pressure member 42 and positioning member 43 of the first assembly device 4. Also these will not be described in more detail.
  • the first assembly device 4 and the second assembly device 5 are mounted symmetrically with respect to the first bipolar plate 1A and to the second bipolar plate 1B.
  • the first assembly device 4 and the second assembly device 5 are configured to compress the first bipolar plate 1A and the second bipolar plate 1B on either side between the pressure member 42 of the first device d. assembly 4 and the pressure member 52 of the second assembly device 5, as shown in figure .
  • the welding head 512 of the second assembly device 5 is then mounted opposite the welding head 412 of the first assembly device 4, so as to simultaneously melt the thickness Ep of the first bipolar plate 1A by means of the welding head 412 of the first assembly device 4 and the thickness Ep of the second bipolar plate 1B by means of the welding head 512 of the second assembly device 5, as shown in figure .
  • Simultaneous heating of the first heating member 41 and of the second heating member 51 on the two bipolar plates 1A, 1B advantageously makes it possible to reduce the duration of application of the heating members 41, 51 on the peripheral portion 3A, 3B of each plate. bipolar 1A, 1B.
  • the electronic device 6 is further configured to control the position of each heating member 41, 51 relative to the pressure member 42, 52 on which it is mounted, so as to control the force. of pressure applied by the heater 41, 51 to the peripheral portion 3A, 3B of each bipolar plate 1A, 1B, without requiring the addition of a stop 43, 53.
  • the securing system S simultaneously allows maintenance over the entire periphery of the bipolar plates 1A, 1B and local heating allowing a partial remelting of the residual layer of thermoplastic matrix present on each face of the peripheral portion 3 of each plate. bipolar 1A, 1B, without damaging the central portion 2 of each.
  • Such a securing system S also makes it possible to dispense with the addition of additional material during the formation of the bipolar module M, which represents a saving of time and limits the number of steps necessary for the formation of the bipolar module M .
  • the joining system S comprises a first assembly device 4 and a second similar assembly device 5, mounted opposite one another, on either side of the two bipolar plates 1A, 1B as illustrated in .
  • the first assembly device 4 and the second assembly device 5 are mounted vertically along the Z axis, that is to say so that the two bipolar plates 1A, 1B extend horizontally in the (X, Y) plane.
  • each assembly device 4, 5 comprises a pressure member 42, 52 configured to apply a pressure force F according to a peripheral pressure zone P. only on the peripheral portion 3A, 3B of each bipolar plate 1A, 1B and in which the heater 41, 51 is configured to heat according to a heating zone C strictly included in the pressure zone P.
  • the first assembly device 4 and the second assembly device 5 are controlled analogously, preferably simultaneously. For the sake of clarity and conciseness, only the steps relating to the first assembly device 4 will be presented, these being similar for the second assembly device 5.
  • the method comprises a first positioning step E1 (shown in the ) of the first assembly device 4 relative to the peripheral portion 3A of the first bipolar plate 1A so that the heating member 41 is aligned with the welding portion 32 of the first bipolar plate 1A described above.
  • the first assembly device 4 is preferably positioned so as to place the interior cavity 422 (and incidentally the heating member 41) of the pressure member 42 at a distance h between 0.5 and 30 mm of the central portion 2A of the first bipolar plate 1A.
  • a positioning advantageously makes it possible to limit the risks of heating the central conductive portion 2A of each bipolar plate 1A, 1B thus making it possible to limit the risks of melting the thermoplastic matrix of each central portion 2A, 2B during the joining of the two bipolar plates. 1A, 1B.
  • the second assembly device 5 is positioned in a similar manner.
  • the pressure member 42 of the first assembly device 4 and the pressure member 52 of the second assembly device 5 apply a similar pressure force F according to each pressure zone P peripheral against the bipolar plate 1A, 1B with which it is in contact, so as to keep the first bipolar plate 1A stationary against the second bipolar plate 1B.
  • the two bipolar plates 1A, 1B are compressed at least in part over the whole of their peripheral portion 3A, 3B between the pressure member 42 of the first assembly device 4 and the pressure member 52 of the second. assembly device 5.
  • the heating member 41 is in a position offset from the pressure member 42 and thus does not perform heating.
  • the heating member 41 then slides in the internal cavity 422 of the pressure member 42, during a displacement step E3. The movement is stopped when the positioning device 43 abuts against the pressure member 42 so as to position the heating member 41 in optimum contact with the bipolar plate 1A.
  • the heater 41 is in a position aligned with respect to the pressure member 42 in order to act synergistically. In such a position, each heating member 41, 52 applies a pressure force along the peripheral heating zone C on each welding portion 32 of each bipolar plate 1A, 1B.
  • each heater 41, 52 heats, in a heating step E4, according to the peripheral heating zone C so as to melt the matrix of each bipolar plate 1A, 1B to join the first bipolar plate 1A with the second bipolar plate 1B and form the bipolar module M.
  • each heater 41, 52 heats to a temperature between the melting temperature of the polymer resin and the melting temperature increased by 40 ° C, for a first predetermined heating period of less than or equal to 20 seconds, so as to melt the polymer resin to weld the bipolar plates 1A, 1B without deconsolidating the thermoplastic assembly of each, which could damage it.
  • steps E3 and E4 are carried out simultaneously.
  • each heater 41, 52 heats up and is pressed, once having reached a predetermined temperature, against each bipolar plate 1A, 1B for the first predetermined time.
  • each heater 41, 51 is moved inversely to step E3 so as to remove the heater 41, 51 from each bipolar plate 1A, 1B.
  • the welding portion 32 of each bipolar plate 1A, 1B cools during a second predetermined cooling period during which each pressure member 42, 52 maintains the pressure force F.
  • the second predetermined period is preferably less than or equal to 5 seconds, so as to allow consolidation of the weld bead formed by each heating member 41, 51.
  • each pressure member 42, 52 is moved in the opposite manner to step E2.
  • Each pressure member 42, 52 is withdrawn from each bipolar plate 1A, 1B, so as to no longer compress them.
  • Such a joining process advantageously allows simple and rapid welding of two bipolar plates to form the bipolar module.
  • the method according to the invention makes it possible to ensure the welding of two bipolar plates while ensuring that the conductivity characteristics of the central portion of each bipolar plate comprising reinforcing fibers impregnated in a polymer resin and having a central portion comprising exposed reinforcing fibers. Thanks to the invention, the welding of two bipolar plates as described in this document is also performed reliably by ensuring the sealing of the internal channels of the bipolar module. In addition, the welding is carried out without adding material, which eliminates the need for precise positioning of an adhesive joint, for example, and limits the number of steps necessary for the formation of the bipolar module.
  • the joining process according to the invention also makes it possible to very significantly reduce the duration of the welding of two bipolar plates.

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Abstract

Un système de solidarisation (S) d'une première plaque bipolaire (1A) et d'une deuxième plaque bipolaire (1B), chaque plaque bipolaire comprenant une portion centrale (2A, 2B) électriquement conductrice et une portion périphérique (3A, 3B) électriquement non conductrice, le système de solidarisation (S) comprenant un premier dispositif d'assemblage (4) configuré pour être en contact avec la première plaque bipolaire et un deuxième dispositif d'assemblage (5) configuré pour être en contact avec la deuxième plaque bipolaire, le premier dispositif d'assemblage (4) comprend un organe de chauffage ayant une forme périphérique et configuré pour réaliser un chauffage selon une zone de chauffage périphérique sur la portion périphérique (3A) de la première plaque bipolaire (1A).

Description

Système et procédé de solidarisation de plaques bipolaires en matériau composite d’un dispositif électrochimique
La présente invention concerne le domaine des dispositifs électrochimiques et vise en particulier un système et un procédé de solidarisation de plaques bipolaires en matériau composite d’un dispositif électrochimique.
On désigne par dispositif électrochimique tout dispositif permettant de mettre en œuvre une réaction électrochimique, tel qu’une pile à combustible ou un électrolyseur membranaire à échange de protons, permettant de générer respectivement de l’énergie électrique ou de l’hydrogène à partir d’une réaction d’oxydoréduction. Le terme « dispositif électrochimique » désigne également une batterie à flux d’oxydo-réduction permettant de générer de l’énergie électrique à partir d’énergie potentielle stockée dans la batterie.
De manière connue, un dispositif électrochimique comprend un empilement d’une pluralité de cellules s’étendant selon un axe d’empilement et deux plaques terminales, placées aux extrémités de l’empilement. Les plaques terminales sont reliées par des organes de compression qui permettent de comprimer les cellules et d’assurer l’étanchéité du dispositif électrochimique.
En référence à la , chaque cellule 110 comprend un assemblage membrane-électrodes 120 et deux plaques bipolaires 130, également appelées plaques séparatrices, qui prennent en sandwich l’assemblage membrane-électrodes 120 et permettent la distribution de fluides dans la cellule 110. Pour former la réaction électrochimique dans le dispositif électrochimique, chaque cellule 110 est, de manière connue, alimentée par un fluide oxydant et un fluide réducteur, par exemple du dihydrogène et du dioxygène, qui réagissent lorsqu’ils sont mis en contact dans une réaction d’oxydo-réduction. Chaque cellule 110 est également alimentée en fluide caloporteur, utilisé pour la régulation thermique du dispositif électrochimique.
En pratique, deux plaques bipolaires 130A, 130B adjacentes de deux cellules 110A 110B adjacentes sont solidarisées ensemble de manière à former un module bipolaire M définissant plusieurs canaux internes 140 qui permettent le passage du fluide caloporteur entre les cellules 110.
La présente invention concerne les plaques bipolaires formées en matériau composite et non les plaques bipolaires formées en graphite qui sont lourdes et présentent un encombrement important dans le dispositif électrochimique.
De manière connue, une plaque bipolaire en matériau composite comprend des particules électriquement conductrices, généralement des particules de carbone, dispersées dans une résine polymère.
En référence aux figures 2 et 3, une telle plaque bipolaire 130 comprend de manière connue une pluralité d’ouvertures 131, qui permettent l’entrée et la sortie des fluides oxydant et réducteur, et deux ouvertures d’entrée et de sortie 132 du fluide caloporteur. Chaque plaque bipolaire 130 comprend en outre une portion centrale 133 active, en contact avec l’assemblage membrane-électrodes 120 et sur laquelle se produit la réaction d’oxydoréduction, grâce aux particules conductrices. La portion centrale 133 comprend des portions concaves 135 et des portions convexes 136 (représentées sur la ) permettant la circulation des fluides entre les différentes ouvertures d’entrée/sortie 131, 132. De manière connue, les portions concaves 135 de plaques bipolaires 130 sont solidarisées ensemble de manière à ce que les portions convexes 136 forment les canaux internes 140 d’un module bipolaire M. Chaque plaque bipolaire 130 comprend également une portion périphérique 134 (représentée sur la ) permettant la solidarisation des deux plaques bipolaires 130 pour former le module bipolaire M.
De manière connue, la liaison de deux plaques bipolaires en composite est réalisée par l’ajout d’un joint élastomère appliqué sur la zone périphérique des plaques bipolaires, ce qui est long et complexe à mettre en œuvre. Les cadences de production sont alors faibles.
On connait en outre un procédé d’assemblage de panneaux composites par soudage résistif. Un tel soudage est réalisé au moyen d’un outil de soudage qui fait fondre progressivement la matière à mesure qu’il se déplace le long des bordures des panneaux pour former un cordon de soudure. Cependant, un tel procédé n’est pas applicable sur une plaque bipolaire en composite telle que décrite précédemment, du fait notamment de sa composition. En effet, une plaque bipolaire comprenant des particules conductrices dispersées dans une résine polymère ne peut être fondue sans que les particules conductrices ne soient entrainées par la résine fondue, ce qui peut affecter sa conductivité. De plus, un tel procédé par soudage est long à mettre en œuvre parce qu’il nécessite le déplacement régulier d’un outil de soudage sur tout le pourtour du panneau composite.
Dans l’art antérieur, on connaît une plaque bipolaire en matériau composite comprenant des particules conductrices dispersées dans une résine. Pour assurer une conductivité importante, il est nécessaire d’intégrer un grand nombre de particules conductrices. Lors de la formation d’une telle plaque bipolaire, la résine à l’état visqueux est mélangée à un nombre très important de particules conductrices, ce qui rend le mélange épais et ne permet pas la formation de plaques bipolaires fines. Aussi, une plaque bipolaire formée de particules conductrices présente une épaisseur importante, comprise généralement entre 3 et 5 mm, ce qui augmente l’encombrement et la masse du dispositif électrochimique. Cela est pénalisant pour un dispositif électrochimique destiné à être intégré par exemple dans un aéronef ou dans tout autre véhicule.
Aussi, il est connu une plaque bipolaire en matériau composite comprenant des fibres de renfort (par exemple des fibres de carbone) imprégnées de résine polymère thermoplastique ou thermodurcissable formant une matrice. Une telle plaque bipolaire présente l’avantage d’être plus fine, d’épaisseur inférieure à un millimètre, ce qui permet de limiter son encombrement et sa masse.
Cependant, il n’existe pas à ce jour de solution permettant l’assemblage industriel de plaques bipolaires en matériau composite comprenant des fibres de renfort imprégnées dans une résine polymère.
L’invention vise ainsi à éliminer au moins certains de ces inconvénients en proposant un système et un procédé de solidarisation de deux plaques bipolaires simple et sans ajout de matière, permettant la solidarisation rapide de deux plaques bipolaires sans impacter leurs propriétés mécaniques et leur perméabilité aux fluides.
 PRESENTATION DE L’INVENTION
L’invention concerne un système de solidarisation d’une première plaque bipolaire et d’une deuxième plaque bipolaire de manière à former un module bipolaire d’un dispositif électrochimique, le dispositif électrochimique étant configuré pour mettre en œuvre une réaction électrochimique, chaque plaque bipolaire étant réalisée dans un matériau composite comprenant des fibres de renfort conductrices imprégnées dans une résine polymère, chaque plaque bipolaire comprenant :
  • une portion centrale, électriquement conductrice, destinée à réaliser des échanges dans le dispositif électrochimique, et
  • une portion périphérique, électriquement non conductrice, s’étendant extérieurement à la portion centrale.
Le système de solidarisation comprend :
  • un premier dispositif d’assemblage configuré pour être en contact avec la première plaque bipolaire, et
  • un deuxième dispositif d’assemblage configuré pour être en contact avec la deuxième plaque bipolaire.
Le premier dispositif d’assemblage comprend un organe de chauffage ayant une forme périphérique et configuré pour réaliser un chauffage selon une zone de chauffage périphérique sur la portion périphérique de la première plaque bipolaire de manière à faire fondre la matrice pour solidariser la première plaque bipolaire avec la deuxième plaque bipolaire et former un cordon de soudage périphérique s’étendant extérieurement à la portion centrale et étant strictement inclus dans la portion périphérique de la première plaque bipolaire.
Le système de solidarisation selon l’invention permet avantageusement de solidariser deux plaques bipolaires en matériau composite et permet un chauffage local uniquement dans la portion périphérique de chaque plaque bipolaire, permettant une refonte partielle de la couche résiduelle de résine polymère présente sur chaque portion périphérique de chaque plaque bipolaire, sans endommager la portion centrale de chacune.
Une zone de chauffage périphérique permet de souder instantanément toute la périphérie des plaques bipolaires sans nécessiter le déplacement d’un outil, ce qui représente un gain de temps important. Grâce au système selon l’invention, la solidarisation de deux plaques bipolaires est plus rapide et plus fiable.
Un tel système de solidarisation permet également de s’affranchir de l’ajout de matière supplémentaire lors de la formation du module bipolaire, ce qui représente un gain de temps important et limite le nombre d’étapes nécessaires à la formation du module bipolaire.
De manière préférée, chaque plaque bipolaire comprend des fibres de carbone imprégnées dans une résine thermoplastique.
De préférence encore, chaque plaque bipolaire présente une épaisseur inférieure à 1mm. Le système selon l’invention permet la solidarisation de deux plaques bipolaires d’épaisseur très fine pour lesquelles il n’existe pas à ce jour de procédé d’assemblage fiable qui permette de conserver les caractéristiques mécaniques de telles plaques bipolaires.
Dans une forme de réalisation préférée, le premier dispositif d’assemblage comprend un organe de pression configuré pour appliquer un effort de pression selon une zone de pression au moins sur une partie de la portion périphérique de la première plaque bipolaire de manière à comprimer la première plaque bipolaire et la deuxième plaque bipolaire entre le premier dispositif d’assemblage et le deuxième dispositif d’assemblage, l’organe de chauffage étant monté sur l’organe de pression, la zone de chauffage étant au voisinage de la zone de pression. Le système de solidarisation permet ainsi avantageusement de maintenir immobiles les deux plaques bipolaires sur toute leur périphérie, tout en assurant un chauffage local. De plus une pression sur toute la périphérie des plaques bipolaires permet de limiter les risques que les plaques ne bougent pendant l’opération de chauffage, ce qui pourrait entrainer un cordon de soudage irrégulier.
Dans une forme de réalisation, l’organe de pression présentant une forme parallélépipédique, la zone de pression s’étend à la fois sur la portion centrale et sur une partie de la portion périphérique de la première plaque bipolaire, et la zone de chauffage périphérique s’étend sur la portion périphérique de la première plaque bipolaire extérieurement à la zone de pression.
Dans une forme de réalisation alternative, l’organe de pression présentant une forme périphérique, la zone de pression s’étend de manière périphérique uniquement sur la portion périphérique de la première plaque bipolaire. Une zone de pression périphérique permet de limiter l’endommagement de la portion centrale de chaque plaque bipolaire.
Dans une forme de réalisation, la zone de chauffage s’étend sur la portion périphérique de la première plaque bipolaire extérieurement à la zone de pression périphérique.
De manière alternative, la zone de chauffage s’étend sur la portion périphérique de la première plaque bipolaire intérieurement à la zone de pression.
Dans une forme de réalisation, l’organe de pression présentant une forme périphérique, la zone de pression s’étend de manière périphérique uniquement sur la portion périphérique de la première plaque bipolaire, et la zone de chauffage périphérique est strictement incluse dans la zone de pression périphérique. Une telle forme de réalisation permet avantageusement d’appliquer l’organe de pression sur la portion périphérique de la première plaque bipolaire de part et d’autre de l’organe de chauffage, ce qui permet de s’assurer du maintien en place des deux plaques bipolaires l’une par rapport à l’autre. L’organe de pression englobant l’organe de chauffage, permet de répartir une pression de part et d’autre du cordon de soudure. Ainsi, les caractéristiques mécaniques de la portion périphérique de chaque plaque bipolaire sont conservées au plus proche de la portion centrale et sur les bordures extérieures de la plaque bipolaire.
Selon une forme de réalisation préférée, l’organe de pression du premier dispositif d’assemblage comprenant une cavité intérieure, l’organe de chauffage du premier dispositif d’assemblage est monté coulissant dans la cavité intérieure de l’organe de pression. Un tel montage de l’organe de chauffage permet de s’assurer que la zone de chauffage se trouve incluse dans la zone de pression, permettant de s’assurer du positionnement du cordon de soudure.
De manière préférée, l’organe de chauffage étant configuré pour venir en contact de la première plaque bipolaire, l’organe de chauffage comprend un dispositif de positionnement configuré pour venir en butée contre l’organe de pression de manière à définir précisément la position de l’organe de chauffage. Un tel dispositif de positionnement permet avantageusement de contrôler la position de l’organe de chauffage par rapport à la première plaque bipolaire.
De préférence, l’organe de chauffage comprenant une tête de soudage, la tête de soudage présente une section inférieure ou égale à 10mm, permettant de faire fondre une quantité suffisante de matrice polymère, de manière à s’assurer d’une surface de soudage suffisante pour solidariser les deux plaques bipolaires, tout en limitant les dimensions du cordon de soudage.
De préférence, la section de l’organe de soudage est inférieure ou égale à 5mm.
Selon une forme de réalisation, la résine polymère du matériau composite présentant une température de fusion, l’organe de chauffage est configuré pour chauffer à une température comprise entre la température de fusion de la résine polymère et la température de fusion augmentée de 40°C. Une telle température permet avantageusement de faire fondre localement la couche résiduelle de résine polymère de la première plaque bipolaire.
De manière préférée, l’organe de pression, présentant une température de fonctionnement, est configuré pour maintenir la température de fonctionnement inférieure ou égale à la température de fusion de la résine polymère réduite de 20°C, de manière à limiter le transfert de chaleur entre l’organe de chauffage et l’organe de pression. Ainsi la matrice polymère ne fond pas au contact de l’organe de pression.
De préférence, l’organe de pression est configuré pour maintenir la température de fonctionnement à la température ambiante.
Dans une première forme de réalisation l’organe de pression est réalisé dans un matériau thermiquement non conducteur, permettant de limiter les transferts de chaleur tout en s’affranchissant de l’ajout d’un dispositif supplémentaire.
Dans une deuxième forme de réalisation, l’organe de pression comprend un dispositif de refroidissement configuré pour maintenir la température de fonctionnement inférieure à un seuil prédéterminé. Un tel dispositif de refroidissement permet de fabriquer l’organe de pression dans tout matériau tout en s’assurant de limiter la température de fonctionnement de l’organe de pression.
De manière préférée, l’organe de chauffage étant configuré pour appliquer un effort de pression selon la zone de chauffage périphérique, l’effort de pression appliqué par l’organe de chauffage est compris entre 0,1 et 1,5MPa. Un tel effort de pression permet de garantir le maintien des deux plaques bipolaires, sans risquer de déformer les plaques bipolaires solidarisées et sans risquer de déplacer la résine polymère dans une zone en dehors de la portion de soudage. Ainsi le système de solidarisation permet de garantir le positionnement de la zone de chauffage sur la portion périphérique de chaque plaque bipolaire pendant toute la durée du procédé de solidarisation. Un tel effort de pression permet en outre une bonne diffusion thermique sans pénétrer les plaques bipolaires et donc sans endommager les fibres de carbone des plaques bipolaires.
Dans une forme de réalisation préférée de l‘invention, la première plaque bipolaire étant soumise à un effort de pression de mise en œuvre lors de sa fabrication, l’effort de pression appliqué par l’organe de pression est inférieur ou égal à l’effort de pression de mise en œuvre, permettant avantageusement de limiter l’endommagement de l’assemblage composite.
Dans une forme de réalisation préférée, le deuxième dispositif d’assemblage comprend un organe de chauffage ayant une forme périphérique, l’organe de chauffage étant configuré pour réaliser un chauffage selon une zone de chauffage périphérique sur la portion périphérique de la deuxième plaque bipolaire de manière à faire fondre la matrice de la deuxième plaque bipolaire et former un cordon de soudage périphérique s’étendant extérieurement à la portion centrale et étant strictement inclus dans la portion périphérique de la deuxième plaque bipolaire.
Deux dispositifs d’assemblage similaires montés en vis-à-vis l’un de l’autre permettent de réduire les temps de chauffe, ce qui permet avantageusement de limiter la diffusion thermique dans les plaques bipolaires et ainsi de limiter les risques de déconsolidation du matériau composite. Une telle configuration permet en outre de chauffer les deux plaques bipolaires de manière symétrique. Ainsi des propriétés mécaniques similaires sont conservées sur les deux plaques bipolaires.
Dans une forme de réalisation, le deuxième dispositif d’assemblage comprend un organe de pression configuré pour appliquer un effort de pression selon une zone de pression au moins sur une partie de la portion périphérique de la deuxième plaque bipolaire, de manière à comprimer la première plaque bipolaire et la deuxième plaque bipolaire entre le premier dispositif d’assemblage et le deuxième dispositif d’assemblage, l’organe de chauffage étant monté sur l’organe de pression, la zone de chauffage étant au voisinage de la zone de pression.
Dans une forme de réalisation, l’épaisseur de l’organe de pression du premier dispositif d’assemblage est de préférence comprise entre 10 et 100 mm, permettant de s’assurer que l’organe de pression applique un effort de pression selon une zone de pression suffisante pour maintenir les plaques bipolaires en compression. Grâce à une telle épaisseur, l’organe de pression n’applique l’effort de pression que sur la portion périphérique de la première plaque bipolaire, ce qui permet de préserver la portion centrale conductrice de tout effort qui serait susceptible de l’endommager.
L’invention concerne également un procédé de solidarisation d’une première plaque bipolaire et d’une deuxième plaque bipolaire de manière à former un module bipolaire d’un dispositif électrochimique, le dispositif électrochimique étant configuré pour mettre en œuvre une réaction électrochimique, le procédé de solidarisation étant réalisé au moyen du système de solidarisation tel que décrit précédemment, le procédé de solidarisation comprenant :
  • une étape de chauffage, au moins par l’organe de chauffage du premier dispositif d’assemblage, pendant une première durée prédéterminée de chauffage, l’étape de chauffage étant réalisée selon une zone de chauffage périphérique sur la portion périphérique de la première plaque bipolaire de manière à former un cordon de soudage périphérique s’étendant extérieurement à la portion centrale et étant strictement inclus dans la portion périphérique de la première plaque bipolaire.
Le procédé selon l’invention permet avantageusement une solidarisation simple et rapide de deux plaques bipolaires pour former le module bipolaire. Le procédé permet de s’assurer de la solidarisation de deux plaques bipolaires tout en garantissant de conserver les caractéristiques de conductivité de la portion centrale de chaque plaque bipolaire qui présente des fibres de renfort exposées en surface. Grâce à l’invention, la solidarisation de deux plaques bipolaires en matériau composite est également réalisée de manière fiable en s’assurant de l’étanchéité des canaux internes au module bipolaire. En outre, la solidarisation est réalisée sans ajout de matière, ce qui permet de limiter les coûts, de s’affranchir du positionnement précis d’un joint adhésif par exemple et de limiter le nombre d’étapes nécessaires à la formation du module bipolaire. Le procédé de solidarisation selon l’invention permet en outre de réduire de façon très importante la durée du soudage de deux plaques bipolaires, ce qui permet d’augmenter les cadences de production.
De manière préférée, la première durée prédéterminée de chauffage est inférieure ou égale à 20 secondes, permettant de limiter le temps de chauffe et donc les risques d’une diffusion thermique importante dans les plaques bipolaires, pouvant générer des effets de déconsolidation du matériau composite sur des zones éloignées de la zone de soudure. Autrement dit, une telle première durée permet de limiter les risques d’endommagement de l’assemblage composite de chaque plaque bipolaire. Le procédé permet ainsi de conserver les caractéristiques de résistance mécanique d’une plaque bipolaire d’épaisseur fine comprenant des fibres de renfort imprégnées dans une résine polymère.
De préférence encore, la première durée prédéterminée de chauffage est inférieure 2 secondes.
Dans une forme de réalisation, le procédé comprend précédemment à l’étape de chauffage, une étape d’application, au moins par un organe de pression du premier dispositif d’assemblage, d’un effort de pression, l’effort de pression étant appliqué selon une zone de pression au moins sur une partie de la portion périphérique de la première plaque bipolaire, de manière à comprimer la première plaque bipolaire et la deuxième plaque bipolaire. L’application de l’organe de pression permet de s’assurer que les plaques bipolaires restent immobiles pendant tout le procédé de solidarisation.
Dans une forme de réalisation, postérieurement à l’étape de chauffage, l’organe de pression du premier dispositif d’assemblage maintient l’effort de pression selon la zone de pression pendant une deuxième durée prédéterminée de refroidissement. Le maintien de l’effort de pression permet de s’assurer de la solidification du cordon de soudure avant de retirer l’organe de pression, permettant ainsi de limiter les risques par exemple de glissement et donc de décalage d’une plaque bipolaire par rapport à l’autre ou de décollement des deux plaques bipolaires qui serait dû à une matrice composite non consolidée.
De manière préférée, la deuxième durée prédéterminée de refroidissement est inférieure ou égale à 5 secondes.
De préférence, l’étape de chauffage est réalisée simultanément par l’organe de chauffage du premier dispositif d’assemblage sur la portion périphérique de la première plaque bipolaire et par l’organe de chauffage du deuxième dispositif d’assemblage sur la portion périphérique de la deuxième plaque bipolaire. Ainsi la durée d’application des deux organes de chauffage est réduite.
De manière préférée, l’étape d’application d’un effort de pression est réalisée simultanément sur la portion périphérique de la première plaque bipolaire par l’organe de pression du premier dispositif d’assemblage et sur la portion périphérique de la deuxième plaque bipolaire par l’organe de pression du deuxième dispositif d’assemblage.
De manière préférée, la distance entre la zone de chauffage périphérique et la portion centrale de chaque plaque bipolaire est supérieure ou égale à 0,5mm. Une telle distance permet avantageusement de limiter le risque que l’organe de chauffage n’affecte la matrice polymère de la portion centrale et n’altère ainsi ses propriétés conductrices.
De préférence, la distance entre la zone de chauffage périphérique et la portion centrale de chaque plaque bipolaire est inférieure à 30mm. Une telle distance permet de solidariser deux plaques bipolaires dans la portion périphérique au plus proche de la portion centrale, ce qui présente l’avantage d’augmenter l’étanchéité dans le module bipolaire, permettant de limiter les risques de mélange des différents fluides dans le dispositif électrochimique.
 PRESENTATION DES FIGURES
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple, et se référant aux dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquels des références identiques sont données à des objets semblables et sur lesquels :
La est une représentation schématique d’un empilement de trois cellules et d’un module bipolaire d’un dispositif électrochimique ;
La est une représentation schématique d’une plaque bipolaire du module bipolaire de la ;
La est une représentation schématique d’une vue suivant un plan de coupe A : A de la plaque bipolaire de la  ;
La est une représentation schématique d’une plaque bipolaire comprenant une portion centrale et une portion périphérique ;
La est une représentation schématique d’une vue suivant un plan de coupe B : B de la plaque bipolaire de la ;
La est une représentation schématique d’une vue de dessus de la plaque bipolaire de la ;
La est une représentation schématique d’une première forme de réalisation d’un système de solidarisation de deux plaques bipolaires selon l’invention ;
La est une représentation schématique d’une vue de dessous d’un premier dispositif d’assemblage du système de solidarisation de la ;
La est une représentation schématique d’une deuxième forme de réalisation d’un système de solidarisation de deux plaques bipolaires selon l’invention ;
La est une représentation schématique d’une vue de dessous d’un premier dispositif d’assemblage du système de solidarisation de la ;
La est une représentation schématique d’une troisième forme de réalisation d’un système de solidarisation de deux plaques bipolaires selon l’invention ;
La est une représentation schématique d’une vue de dessous d’un premier dispositif d’assemblage du système de solidarisation de la ;
La est une représentation schématique d’une vue rapprochée suivant un plan de coupe C : C du premier dispositif d’assemblage de la ;
La  est une représentation schématique d’une vue rapprochée du système de solidarisation de la selon la forme de réalisation pour l’assemblage de deux plaques bipolaires de la ;
La est une représentation schématique d’une vue rapprochée du système de solidarisation de la selon une forme de réalisation alternative pour l’assemblage de deux plaques bipolaires de la ;
Les figures 13 à 18 sont des représentations schématiques des étapes d’un procédé de solidarisation de deux plaques bipolaires selon l’invention.
Il faut noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour mettre en œuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant.
 DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
L’invention concerne un système de solidarisation de deux plaques bipolaires en matériau composite d’un dispositif électrochimique.
Par la suite, tel que décrit précédemment, le terme « dispositif électrochimique » désigne tout aussi bien une pile à combustible, un électrolyseur membranaire à échange de protons, une batterie à flux d’oxydo-réduction ou tout autre dispositif permettant de mettre en œuvre une réaction électrochimique.
Comme décrit précédemment, un dispositif électrochimique comprend un empilement d’une pluralité de cellules, comprenant chacune un assemblage membrane-électrodes et deux plaques bipolaires, également appelées plaques séparatrices, qui prennent en sandwich l’assemblage membrane-électrodes. Chaque cellule est alimentée en fluide caloporteur pour la régulation thermique du dispositif électrochimique. Pour cela, deux plaques bipolaires adjacentes de deux cellules adjacentes sont solidarisées ensemble de manière à former un module bipolaire définissant plusieurs canaux internes qui permettent le passage du fluide caloporteur entre les cellules.
L’invention vise un système de solidarisation de deux plaques bipolaires d’un module bipolaire pour garantir l’étanchéité des canaux internes qui permettent le passage du fluide caloporteur.
En référence à la , chaque plaque bipolaire 1 s’étend longitudinalement selon un axe X, latéralement selon un axe Y et verticalement selon un axe Z, de manière à former un repère orthogonal (X, Y, Z).
Selon l’invention, chaque plaque bipolaire 1 est fabriquée en matériau composite et comprend des fibres de renfort conductrices imprégnées dans une résine polymère. Dans une forme de réalisation préférée, chaque plaque bipolaire 1 comprend des fibres de carbone imprégnées dans une résine thermoplastique, formant une matrice polymère. Les fibres de carbone sont électriquement conductrices de manière à conduire les charges électriques nécessaires ou produites par la réaction d’oxydo-réduction dans le dispositif électrochimique.
En référence aux figures 4 à 6, chaque plaque bipolaire 1 comprend une portion centrale 2 électriquement conductrice et une portion périphérique 3 électriquement non conductrice. La portion centrale 2 est de préférence rectangulaire.
La portion centrale 2 est destinée à réaliser des échanges dans le dispositif électrochimique et comprend pour cela des fibres de renfort conductrices exposées en surface de manière à permettre une haute conductivité électrique.
La portion centrale 2 présente une épaisseur Ec comprise entre 0,1 et 1mm, définie selon l’axe vertical Z et représentée sur la et permettant de conférer à la plaque bipolaire 1 une zone renforcée fine et légère. La plaque bipolaire 1 comprenant une pluralité de canaux pour permettre le passage de fluides, comme décrit précédemment, son épaisseur Ec varie tout en étant inférieure à 1mm.
La portion périphérique 3 s’étend extérieurement à la portion centrale 2 de manière à former le pourtour de la plaque bipolaire 1, comme cela est représenté sur la . La portion périphérique 3 comprend des fibres de renfort non exposées, de manière à former une portion non conductrice. Pour cela, la portion périphérique 3 comprend un surplus de matière, désigné couche résiduelle de matrice polymère 31, de préférence de part et d’autre de l’épaisseur de la plaque bipolaire 1 (autrement dit dans cet exemple suivant l’axe Z au-dessus et en-dessous de la plaque bipolaire 1), qui sera utilisé pour la solidarisation de deux plaques bipolaires 1 comme cela sera décrit plus en détails par la suite. De préférence, la couche résiduelle de matrice polymère 31 présente une épaisseur Er comprise entre 0,03 et 0,1mm. Aussi, la portion périphérique 3 présente une épaisseur Ep selon l’axe vertical Z représentée sur les figures 4 et 5, strictement supérieure à l’épaisseur Ec de la portion centrale 2. La portion périphérique 3 comporte de préférence un bord intérieur rectangulaire et un bord extérieur rectangulaire.
Autrement dit, l’épaisseur globale de chaque plaque bipolaire 1 est comprise entre 0,1 et 1,2 mm, ce qui permet une plaque bipolaire 1 légère et peu encombrante dans le dispositif électrochimique.
Dans une forme de réalisation préférée de l’invention, la portion périphérique 3 s’étend sur une largeur L (représentée sur les figures 4 et 6) de préférence comprise entre 10 et 100 mm, permettant une surface suffisante pour permettre le contact du système de solidarisation S tout en assurant une quantité suffisante de surplus de matrice polymère 31 pour permettre la solidarisation de deux plaques bipolaires 1.
Dans une forme de réalisation préférée, en référence à la , la portion périphérique 3 comprend une portion de soudage 32 correspondant à la portion qui sera en contact avec un organe de chauffage du système de solidarisation S, comme cela sera décrit plus en détails par la suite. Une telle portion de soudage 32 s’étend sur toute la portion périphérique 3 de la plaque bipolaire 1. Autrement dit, la portion de soudage 32 présente une forme périphérique. De préférence, la portion de soudage 32 s’étend sur une largeur e comprise entre 0,1 et 15mm, de préférence inférieure à 5mm.
En outre, la portion de soudage 32 est positionnée de préférence dans la portion périphérique 3 à une distance d comprise entre 0,5 et 30 mm, de préférence encore supérieure à 0,8 mm de la portion centrale 2. Une telle distance d permet avantageusement de limiter le risque que le système de solidarisation S n’affecte la matrice thermoplastique de la portion centrale 2 et n’altère ainsi ses propriétés conductrices.
Comme décrit précédemment, le système de solidarisation S selon l’invention permet de solidariser une première plaque bipolaire 1A et une deuxième plaque bipolaire 1B, pour former un module bipolaire M.
En référence à la , le système de solidarisation S selon l’invention comprend un premier dispositif d’assemblage 4 et un deuxième dispositif d’assemblage 5, monté en vis-à-vis du premier dispositif d’assemblage 4. Lors de la solidarisation des deux plaques bipolaires 1A, 1B, le premier dispositif d’assemblage 4 est configuré pour être en contact avec la première plaque bipolaire 1A (dans cet exemple la plaque supérieure) et le deuxième dispositif d’assemblage 5 pour être en contact avec la deuxième plaque bipolaire 1B (dans cet exemple la plaque inférieure).
En référence à la , présentant une vue en coupe du premier dispositif d’assemblage 4, ce dernier comprend un organe de soudage 41, configuré pour permettre le soudage des deux plaques bipolaires 1A, 1B. L’organe de soudage 41 permet de réaliser un chauffage selon une zone de chauffage C périphérique sur la portion périphérique 1A de la première plaque bipolaire 1A comme cela sera décrit plus en détails par la suite.
Dans une forme de réalisation préférée, en référence aux figures 7C à 9, le premier dispositif d’assemblage 4 comprend un organe de pression 42, configuré pour maintenir les deux plaques bipolaires 1A, 1B immobiles. L’organe de pression 42 est configuré pour appliquer un effort de pression F selon une zone de pression P au moins sur une partie de la portion périphérique 3A de la première plaque bipolaire 1A. Dans cette forme de réalisation, l’organe de chauffage 41 est monté sur l’organe de pression 42 et la zone de chauffage C est au voisinage de la zone de pression P.
De préférence, l’effort de pression F est compris entre 0,1 et 1,5 MPa, de manière à éviter une pression trop importante qui pourrait entrainer le déplacement de matière hors de la portion de soudage.
Dans une forme de réalisation, représentée sur les figures 7C et 7D, l’organe de pression 42 présente une forme parallélépipédique. La zone de pression P s’étend à la fois sur la portion centrale 2A et sur une partie de la portion périphérique 3A de la première plaque bipolaire 1A, et la zone de chauffage C périphérique s’étend sur la portion périphérique 3A de la première plaque bipolaire 1A extérieurement à la zone de pression P, comme représenté sur la .
Dans une forme de réalisation préférée, représentée sur les figures 8 et 9, l’organe de pression 42 présente une forme périphérique. L’organe de pression 42 est configuré pour appliquer l’effort de pression F selon une zone de pression P s’étendant de manière périphérique sur la portion périphérique 3A de la première plaque bipolaire 1A, comme cela est représenté sur la . De préférence encore, la zone de pression P est configurée pour s’étendre uniquement sur la portion périphérique 3A de la première plaque bipolaire 1A.
Dans cet exemple, l’organe de chauffage 41 est de préférence monté sur l’organe de pression 42. La zone de chauffage C est ainsi au voisinage de la zone de pression P. La zone de chauffage C s’étend intérieurement ou extérieurement à la zone de pression P. Dans une forme de réalisation préférée, représentée sur la , la zone de chauffage C est incluse dans la zone de pression P, comme cela sera décrit plus en détails par la suite.
Le système de solidarisation S est décrit par la suite selon cette dernière forme de réalisation préférée, dans laquelle le premier dispositif d’assemblage 4 comprend un organe de pression 42 et dans lequel la zone de chauffage C périphérique est strictement incluse dans la zone de pression P périphérique.
Dans cet exemple, en référence aux figures 9 et 10, l’organe de pression 42 comprend un corps principal 421 de forme périphérique et une cavité intérieure 422 s’étendant dans cet exemple verticalement dans tout l’organe de pression 42. Ce document présente l’exemple d’un organe de pression 42 selon une zone de pression P rectangulaire (comme représenté sur la ), cependant il va de soi que l’organe de pression 42 pourrait tout aussi bien présenter une forme périphérique différente, de manière à pouvoir être adapter à toute forme de plaque bipolaire 1 (circulaire, ovoïde, trapézoïdale ou même une forme plus complexe).
L’organe de pression 42 présente, dans cet exemple, sur toute la périphérie, une épaisseur k comprise de préférence entre 10 et 100mm. Une telle épaisseur k permet avantageusement de s’assurer que l’organe de pression 42 applique un effort de pression F selon une zone de pression P périphérique présentant une surface suffisante pour maintenir les plaques bipolaires 1A, 1B en compression, tout en s’assurant que l’effort de pression F n’est appliqué que sur la portion périphérique 3A de la première plaque bipolaire 1A.
L’organe de pression 42 est configuré pour être maintenu à une température de fonctionnement inférieure ou égale à la température de fusion de la résine polymère du matériau composite de chaque plaque bipolaire 1, abaissée de 20°C, afin de ne pas faire fondre la résine lors de la pression. Dans une première forme de réalisation, l’organe de pression 42 est réalisé dans un matériau thermiquement non conducteur, de manière à limiter le transfert de chaleur entre l’organe de chauffage 41 et l’organe de pression 42. A titre d’exemple, de manière non exhaustive, l’organe de pression 42 est réalisé dans un matériau thermoplastique tel que du polyétheréthercétone (PEEK), polysulfure de phénylène (PPS), polyéthercétone (PEK), Teflon ®, ou dans un matériau composite organique, un matériau réfractaire inorganique, ou par usinage de MICA, graphite, céramiques. Dans une deuxième forme de réalisation, l’organe de pression 42 comprend un dispositif de refroidissement (non représenté), par exemple un circuit de refroidissement liquide ou gazeux intégré ou externe à l’organe de pression 42, pour réguler la température de fonctionnement de l’organe de pression 42 en la maintenant par exemple à la température ambiante. Un tel dispositif de refroidissement permet également de limiter le transfert de chaleur entre l’organe de chauffage 41 et l’organe de pression 42.
En référence à la , dans cet exemple, l’organe de chauffage 41 est monté dans la cavité intérieure 422 de l’organe de pression 42. Cela permet de réaliser un chauffage selon une zone de chauffage C qui est compressée de manière optimale comme cela sera présenté par la suite.
Dans une forme de réalisation préférée, l’organe de chauffage 41 est monté coulissant dans la cavité intérieure 412 de l’organe de pression 42, de manière à pouvoir être facilement éloigné et mis en contact avec la première plaque bipolaire 1A lors de la mise en œuvre du procédé de solidarisation.
De manière analogue à l’organe de pression 42, comme cela est représenté sur la , l’organe de chauffage 41 selon l’invention présente une forme périphérique et est configuré pour réaliser un chauffage selon une zone de chauffage C périphérique de manière à faire fondre la couche résiduelle de matrice polymère 31 de la portion périphérique 3A de la première plaque bipolaire 1A pour solidariser la première plaque bipolaire 1A avec la deuxième plaque bipolaire 1B. De manière alternative, l’organe de chauffage 41 peut permettre de faire fondre la couche résiduelle de matrice polymère 31 à la fois de la portion périphérique 3A de la première plaque bipolaire 1A et de la portion périphérique 3B de la deuxième plaque bipolaire 1B.
Dans cet exemple, la zone de chauffage C périphérique est strictement incluse dans la zone de pression P périphérique de manière à former sur le module bipolaire M un cordon de soudage périphérique s’étendant extérieurement à la portion centrale 2A et étant strictement inclus dans la portion périphérique 3A de la première plaque bipolaire 1A. Autrement dit, la zone de pression P de l’organe de pression 42 englobe la zone de chauffage C de l’organe de chauffage 41 de manière à comprimer localement la première plaque bipolaire 1A et la deuxième plaque bipolaire 1B de part et d’autre de l’organe de chauffage 41 autour de la zone de chauffage C.
En référence à la , l’organe de chauffage 41 comprend un corps principal 411 et une tête de soudage 412. La tête de soudage 412 forme la zone de chauffage C et est configurée pour venir en contact de la portion de soudage 32 de la portion périphérique 3A de la première plaque bipolaire 1A lors d’une opération de soudage comme cela sera décrit plus en détail par la suite. La tête de soudage 412 présente de préférence une largeur g comprise entre 0,1 et 10mm, de préférence inférieure à 5mm. L’organe de chauffage 41 est de préférence centré par rapport à l’organe de pression 42 de manière à ce que la zone de chauffage C soit centrée dans la zone de pression P comme illustré sur les figures 9 et 10.
De préférence, l’organe de chauffage 41 est configuré pour réaliser un chauffage par exemple par convection, radiation, induction, conduction ou vibration ultrasonique.
De manière préférée, l’organe de chauffage 41 est configuré pour être maintenu à une température comprise entre la température de fusion de la résine polymère et la température de dégradation de ladite résine polymère. Une telle température permet avantageusement de faire fondre localement la couche résiduelle de matrice polymère 31 de la première plaque bipolaire 1A.
Dans une forme de réalisation préférée, l’organe de chauffage 41 est configuré pour appliquer sur la portion de soudage 32 de la portion périphérique 3A de la première plaque bipolaire 1A, un effort de pression, désigné effort de pression de soudage, compris entre 0,1 et 1,5MPa Un tel effort de pression permet de maintenir les plaques bipolaires jointes pendant la phase de soudage, sans que l’effort de pression ne les endommage. L’effort de pression permet également de minimiser les effets de déconsolidation dans chaque plaque bipolaire liés à la fusion du polymère et au relâchement des contraintes résiduelles dans le matériau composite de chaque plaque bipolaire. Cela permet en outre d’éviter un déplacement indésirable de la résine en dehors de la zone de soudage.
Dans une forme de réalisation préférée, toujours en référence à la , l’organe de chauffage 41 comprend un dispositif de positionnement 43 configuré pour venir en butée contre l’organe de pression 42 lorsque l’organe de chauffage 41 coulisse dans la cavité intérieure 422 de l’organe de pression 42. Dans cet exemple, le dispositif de positionnement 43 se présente sous la forme d’un épaulement faisant saillie latéralement de l’organe de chauffage 41. Un tel dispositif de positionnement 43 permet avantageusement de contrôler la position de l’organe de chauffage 41 par rapport à la première plaque bipolaire 1A durant l’opération de soudage. Autrement dit, lorsque l’organe de chauffage 41 coulisse dans la cavité intérieure 422 de l’organe de pression 42, le dispositif de positionnement 43 permet à l’organe de chauffage 41 de venir en contact avec la portion périphérique 3A de la première plaque bipolaire 1A, sans que la tête de soudage 412 ne traverse la première plaque bipolaire 1A, de manière à limiter l’endommagement des fibres de renfort et la résistance du matériau composite.
En référence à la , selon une première forme de réalisation, le deuxième dispositif d’assemblage 5 est monté en vis-à-vis du premier dispositif d’assemblage 4 et est configuré pour venir en contact de la deuxième plaque bipolaire 1B, de manière à permettre avec le premier dispositif d’assemblage 4 de comprimer simultanément la première plaque bipolaire 1A et la deuxième plaque bipolaire 1B.
Dans cet exemple, le deuxième dispositif d’assemblage 5 se présente simplement sous la forme d’un support, configuré pour soutenir la deuxième plaque bipolaire 1B disposée sous la première plaque bipolaire 1A afin de résister à la pression appliquée par le premier dispositif d’assemblage 4.
Dans cette forme de réalisation, l’organe de chauffage 41 du premier dispositif d’assemblage 4 est configuré pour faire fondre l’épaisseur Ep de la portion périphérique 3A de la première plaque bipolaire 1A et l’épaisseur Ep de la portion périphérique 3B de la deuxième plaque bipolaire 1B. L’organe de chauffage 41 du premier dispositif d’assemblage 4 est alors configuré pour former le module bipolaire M.
Les dispositifs d’assemblage 4, 5 du système de solidarisation S peuvent être différents, comme cela est représenté sur la , ou similaires, comme cela est représenté sur la .
Dans une deuxième forme de réalisation, représentée sur la , le deuxième dispositif d’assemblage 5 est similaire au premier dispositif d’assemblage 4. A ce titre, le deuxième dispositif d’assemblage 5 comprend un organe de chauffage 51. De préférence le deuxième dispositif d’assemblage 5 comprend en outre un organe de pression 52 et un organe de positionnement 53. L’organe de chauffage 51, l’organe de pression 52 et l’organe de positionnement 53 du deuxième dispositif d’assemblage 5 présentent dans ce cas la pluralité de caractéristiques décrites précédemment pour l’organe de chauffage 41, l’organe de pression 42 et l’organe de positionnement 43 du premier dispositif d’assemblage 4. Aussi ceux-ci ne seront pas décrits plus en détails.
Dans cette forme de réalisation, le premier dispositif d’assemblage 4 et le deuxième dispositif d’assemblage 5 sont montés de manière symétrique par rapport à la première plaque bipolaire 1A et à la deuxième plaque bipolaire 1B. Autrement dit, le premier dispositif d’assemblage 4 et le deuxième dispositif d’assemblage 5 sont configurés pour comprimer la première plaque bipolaire 1A et la deuxième plaque bipolaire 1B de part et d’autre entre l’organe de pression 42 du premier dispositif d’assemblage 4 et l’organe de pression 52 du deuxième dispositif d’assemblage 5, comme cela est représenté sur la .
La tête de soudage 512 du deuxième dispositif d’assemblage 5 est alors montée en vis-à-vis de la tête de soudage 412 du premier dispositif d’assemblage 4, de manière à faire fondre simultanément l’épaisseur Ep de la première plaque bipolaire 1A au moyen de la tête de soudage 412 du premier dispositif d’assemblage 4 et l’épaisseur Ep de la deuxième plaque bipolaire 1B au moyen de la tête de soudage 512 du deuxième dispositif d’assemblage 5, comme cela est représenté sur la . Un chauffage simultané du premier organe de chauffage 41 et du deuxième organe de chauffage 51 sur les deux plaques bipolaires 1A, 1B permet avantageusement de réduire la durée d’application des organes de chauffage 41, 51 sur la portion périphérique 3A, 3B de chaque plaque bipolaire 1A, 1B.
De manière préférée, le système de solidarisation S comprend en outre un dispositif électronique 6 (représenté sur les figures 11 et 12), relié électriquement au premier dispositif d’assemblage 4 et au deuxième dispositif d’assemblage 5. Un tel dispositif électronique 6 est configuré par exemple pour :
  • contrôler l’effort de pression F de chaque organe de pression 42, 52 appliqué sur la première plaque bipolaire 1A et la deuxième plaque bipolaire 1B,
  • commander le coulissement de chaque organe de chauffage 41, 51 dans la cavité intérieure 422, 522 de chaque organe de pression 42, 52, ou bien encore
  • commander la durée d’application de l’organe de chauffage 41, 51 sur la portion de soudage 32 des plaques bipolaires 1A, 1B.
Dans une forme de réalisation, le dispositif électronique 6 est en outre configuré pour contrôler la position de chaque organe de chauffage 41, 51 par rapport à l’organe de pression 42, 52 sur lequel il est monté, de manière à contrôler l’effort de pression appliqué par l’organe de chauffage 41, 51 sur la portion périphérique 3A, 3B de chaque plaque bipolaire 1A, 1B, sans nécessiter l’ajout de butée 43, 53.
Le système de solidarisation S selon l’invention permet simultanément un maintien sur toute la périphérie des plaques bipolaires 1A, 1B et un chauffage local permettant une refonte partielle de la couche résiduelle de matrice thermoplastique présente sur chaque face de la portion périphérique 3 de chaque plaque bipolaire 1A, 1B, sans détériorer la portion centrale 2 de chacune. Un tel système de solidarisation S permet également de s’affranchir de l’ajout de matière supplémentaire lors de la formation du module bipolaire M, ce qui représente un gain de temps et limite le nombre d’étapes nécessaires à la formation du module bipolaire M.
Il va dorénavant être décrit un procédé de solidarisation de deux plaques bipolaires1A, 1B, de manière à former un module bipolaire M, en référence aux figures 13 à 18. Dans cet exemple, le système de solidarisation S comprend un premier dispositif d’assemblage 4 et un deuxième dispositif d’assemblage 5 similaires, montés en vis-à-vis l’un de l’autre, de part et d’autre des deux plaques bipolaires 1A, 1B comme illustré à la . Dans cet exemple, le premier dispositif d’assemblage 4 et le deuxième dispositif d’assemblage 5 sont montés verticalement suivant l’axe Z, c’est-à-dire de manière à ce que les deux plaques bipolaires 1A, 1B s’étendent horizontalement dans le plan (X, Y).
Le procédé de solidarisation est décrit pour l’exemple d’un système de solidarisation S dans lequel chaque dispositif d’assemblage 4, 5 comprend un organe de pression 42, 52 configuré pour appliquer un effort de pression F selon une zone de pression P périphérique uniquement sur la portion périphérique 3A, 3B de chaque plaque bipolaire 1A, 1B et dans lequel l’organe de chauffage 41, 51 est configuré pour chauffer selon une zone de chauffage C strictement incluse dans la zone de pression P.
Le premier dispositif d’assemblage 4 et le deuxième dispositif d’assemblage 5 sont commandés de manière analogue, de préférence, simultanément. Par souci de clarté et de concision, il ne sera présenté que les étapes relatives au premier dispositif d’assemblage 4, celles-ci étant analogues pour le deuxième dispositif d’assemblage 5.
Le procédé comprend une première étape de positionnement E1 (représentée sur la ) du premier dispositif d’assemblage 4 par rapport à la portion périphérique 3A de la première plaque bipolaire 1A de manière à ce que l’organe de chauffage 41 soit aligné avec la portion de soudage 32 de la première plaque bipolaire 1A décrite précédemment.
Comme illustré à la , le premier dispositif d’assemblage 4 est positionné de préférence de manière à placer la cavité intérieure 422 (et de manière incidente l’organe de chauffage 41) de l’organe de pression 42 à une distance h comprise entre 0,5 et 30 mm de la portion centrale 2A de la première plaque bipolaire 1A. Un tel positionnement permet avantageusement de limiter les risques de chauffage de la portion centrale 2A conductrice de chaque plaque bipolaire 1A, 1B permettant ainsi de limiter les risques de faire fondre la matrice thermoplastique de chaque portion centrale 2A, 2B pendant la solidarisation des deux plaques bipolaires 1A, 1B. Ainsi les propriétés conductrices de chaque portion centrale 2A, 2B ne sont pas altérées et les risques liés à la déconsolidation de chaque plaque bipolaire 1A, 1B en composite sont minimisés. Le deuxième dispositif d’assemblage 5 est positionné de manière analogue.
En référence à la , au cours d’une étape de compression E2, l’organe de pression 42 du premier dispositif d’assemblage 4 et l’organe de pression 52 du deuxième dispositif d’assemblage 5 appliquent un effort de pression F similaire selon chaque zone de pression P périphérique contre la plaque bipolaire 1A, 1B avec laquelle il est en contact, de manière à maintenir immobiles la première plaque bipolaire 1A contre la deuxième plaque bipolaire 1B. Autrement dit, les deux plaques bipolaires 1A, 1B sont compressées au moins en partie sur l’ensemble de leur portion périphérique 3A, 3B entre l’organe de pression 42 du premier dispositif d’assemblage 4 et l’organe de pression 52 du deuxième dispositif d’assemblage 5. Lors de l’étape de compression E2, l’organe de chauffage 41 est en position décalée par rapport à l’organe de pression 42 et ne réalise ainsi pas de chauffage.
Comme illustré à la , dans cet exemple, l’organe de chauffage 41 coulisse alors dans la cavité intérieure 422 de l’organe de pression 42, au cours d’une étape de déplacement E3. Le déplacement est stoppé lorsque le dispositif de positionnement 43 vient en butée contre l’organe de pression 42 de manière à positionner l’organe de chauffage 41 en contact optimal avec la plaque bipolaire 1A. L’organe de chauffage 41 est en position alignée par rapport à l’organe de pression 42 afin d’agir de manière synergique. Dans une telle position, chaque organe de chauffage 41, 52 applique un effort de pression selon la zone de chauffage C périphérique sur chaque portion de soudage 32 de chaque plaque bipolaire 1A, 1B.
En référence à la , chaque organe de chauffage 41, 52 chauffe, dans une étape de chauffage E4, selon la zone de chauffage C périphérique de manière à faire fondre la matrice de chaque plaque bipolaire 1A, 1B pour solidariser la première plaque bipolaire 1A avec la deuxième plaque bipolaire 1B et former le module bipolaire M.
Dans un mode de mise en œuvre préféré, chaque organe de chauffage 41, 52 chauffe à une température comprise entre la température de fusion de la résine polymère et la température de fusion augmentée de 40°C, pendant une première durée prédéterminée de chauffage inférieure ou égale à 20 secondes, de manière à faire fondre la résine polymère pour souder les plaques bipolaires 1A, 1B sans déconsolider l’assemblage thermoplastique de chacune, ce qui pourrait l’endommager.
De manière alternative, les étapes E3 et E4 sont réalisées simultanément. Dans un tel mode de mise en œuvre, chaque organe de chauffage 41, 52 chauffe et est pressé, une fois avoir atteint une température prédéterminée, contre chaque plaque bipolaire 1A, 1B pendant la première durée prédéterminée.
Après la première durée prédéterminée de chauffage, en référence à la , au cours d’une étape de déplacement E5, chaque organe de chauffage 41, 51 est déplacé de manière inverse à l’étape E3 de manière à retirer l’organe de chauffage 41, 51 de chaque plaque bipolaire 1A, 1B. La portion de soudage 32 de chaque plaque bipolaire 1A, 1B refroidit pendant une deuxième durée prédéterminée de refroidissement au cours de laquelle chaque organe de pression 42, 52 maintient l’effort de pression F. La deuxième durée prédéterminée est de préférence inférieure ou égale à 5 secondes, de manière à permettre la consolidation du cordon de soudure formé par chaque organe de chauffage 41, 51.
En référence à la , après la deuxième durée prédéterminée de refroidissement, au cours d’une étape de retrait E6, chaque organe de pression 42, 52 est déplacé de manière inverse à l’étape E2. Chaque organe de pression 42, 52 est retiré de chaque plaque bipolaire 1A, 1B, de manière à ne plus les compresser.
Un tel procédé de solidarisation permet avantageusement un soudage simple et rapide de deux plaques bipolaires pour former le module bipolaire. Le procédé selon l’invention permet de s’assurer du soudage de deux plaques bipolaires tout en garantissant de conserver les caractéristiques de conductivité de la portion centrale de chaque plaque bipolaire comprenant des fibres de renfort imprégnées dans une résine polymère et présentant une portion centrale comprenant des fibres de renfort exposées. Grâce à l’invention, le soudage de deux plaques bipolaires telles que décrites dans ce document est également réalisé de manière fiable en s’assurant de l’étanchéité des canaux internes au module bipolaire. En outre, le soudage est réalisé sans ajout de matière, ce qui permet de s’affranchir du positionnement précis de joint adhésif par exemple et limite le nombre d’étapes nécessaires à la formation du module bipolaire. Le procédé de solidarisation selon l’invention permet en outre de réduire de façon très importante la durée du soudage de deux plaques bipolaires.

Claims (15)

  1. Système de solidarisation (S) d’une première plaque bipolaire (1A) et d’une deuxième plaque bipolaire (1B) de manière à former un module bipolaire (M) d’un dispositif électrochimique, le dispositif électrochimique étant configuré pour mettre en œuvre une réaction électrochimique, chaque plaque bipolaire (1A, 1B) étant réalisée dans un matériau composite comprenant des fibres de renfort conductrices imprégnées dans une résine polymère, chaque plaque bipolaire (1A, 1B) comprenant :
    • une portion centrale (2A, 2B), électriquement conductrice, destinée à réaliser des échanges dans le dispositif électrochimique, et
    • une portion périphérique (3A, 3B), électriquement non conductrice, s’étendant extérieurement à la portion centrale (2A, 2B),
    • le système de solidarisation (S) comprenant :
      • un premier dispositif d’assemblage (4) configuré pour être en contact avec la première plaque bipolaire (1A), et
      • un deuxième dispositif d’assemblage (5) configuré pour être en contact avec la deuxième plaque bipolaire (1B),
      • le premier dispositif d’assemblage (4) comprenant un organe de chauffage (41) ayant une forme périphérique et configuré pour réaliser un chauffage selon une zone de chauffage (C) périphérique sur la portion périphérique (3A) de la première plaque bipolaire (1A) de manière à faire fondre la matrice pour solidariser la première plaque bipolaire (1A) avec la deuxième plaque bipolaire (1B) et former un cordon de soudage périphérique s’étendant extérieurement à la portion centrale (2A) et étant strictement inclus dans la portion périphérique (3A) de la première plaque bipolaire (1A).
  2. Système de solidarisation (S) selon la revendication 1, dans lequel le premier dispositif d’assemblage (4) comprend un organe de pression (42) configuré pour appliquer un effort de pression (F) selon une zone de pression (P) au moins sur une partie de la portion périphérique (3A) de la première plaque bipolaire (1A) de manière à comprimer la première plaque bipolaire (1A) et la deuxième plaque bipolaire (1B) entre le premier dispositif d’assemblage (4) et le deuxième dispositif d’assemblage (5), l’organe de chauffage (41) étant monté sur l’organe de pression (42), la zone de chauffage (C) étant au voisinage de la zone de pression (P).
  3. Système de solidarisation (S) selon la revendication 2, dans lequel, l’organe de pression (42) présentant une forme périphérique, la zone de pression (P) s’étend de manière périphérique uniquement sur la portion périphérique (3A) de la première plaque bipolaire (1A), et la zone de chauffage (C) périphérique est strictement incluse dans la zone de pression (P) périphérique.
  4. Système de solidarisation (S) selon l’une des revendications 2 et 3, dans lequel, l’organe de pression (42) du premier dispositif d’assemblage (4) comprenant une cavité intérieure (412), l’organe de chauffage (41) du premier dispositif d’assemblage (4) est monté coulissant dans la cavité intérieure (412) de l’organe de pression (42).
  5. Système de solidarisation (S) selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel, l’organe de chauffage (41) étant configuré pour venir en contact de la première plaque bipolaire (1A), l’organe de chauffage (41) comprend un dispositif de positionnement (43) configuré pour venir en butée contre l’organe de pression (42) de manière à définir précisément la position de l’organe de chauffage (41).
  6. Système de solidarisation (S) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel l’organe de chauffage (41) comprenant une tête de soudage (422), la tête de soudage (422) présente une section (g) inférieure ou égale à 5mm.
  7. Système de solidarisation (S) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel l’organe de chauffage (41) est configuré pour appliquer un effort de pression compris entre 0,1 et 1,5MPa selon la zone de chauffage (C) périphérique.
  8. Système de solidarisation (S) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le deuxième dispositif d’assemblage (5) comprend un organe de chauffage (51) ayant une forme périphérique, l’organe de chauffage (51) étant configuré pour réaliser un chauffage selon une zone de chauffage périphérique sur la portion périphérique (3B) de la deuxième plaque bipolaire (1B) de manière à faire fondre la matrice de la deuxième plaque bipolaire (1B) et former un cordon de soudage périphérique s’étendant extérieurement à la portion centrale (2B) et étant strictement inclus dans la portion périphérique (3B) de la deuxième plaque bipolaire (1B).
  9. Procédé de solidarisation d’une première plaque bipolaire (1A) et d’une deuxième plaque bipolaire (1B) de manière à former un module bipolaire (M) d’un dispositif électrochimique, le dispositif électrochimique étant configuré pour mettre en œuvre une réaction électrochimique, le procédé de solidarisation étant réalisé au moyen du système de solidarisation (S) selon l’une des revendications 1 à 8, le procédé de solidarisation comprenant :
    • une étape de chauffage (E4), au moins par l’organe de chauffage (41) du premier dispositif d’assemblage (4), pendant une première durée prédéterminée de chauffage, l’étape de chauffage (E4) étant réalisée selon une zone de chauffage (C) périphérique sur la portion périphérique (3A) de la première plaque bipolaire (1A) de manière à former un cordon de soudage périphérique s’étendant extérieurement à la portion centrale (2A) et étant strictement inclus dans la portion périphérique (3A) de la première plaque bipolaire (1A).
  10. Procédé de solidarisation selon la revendication 9, comprenant précédemment à l’étape de chauffage (E4), une étape d’application (E2), au moins par un organe de pression (42) du premier dispositif d’assemblage (4), d’un effort de pression (F), l’effort de pression (F) étant appliqué selon une zone de pression (P) au moins sur une partie de la portion périphérique (3A) de la première plaque bipolaire (1A), de manière à comprimer la première plaque bipolaire (1A) et la deuxième plaque bipolaire (1B).
  11. Procédé de solidarisation selon la revendication 10, dans lequel, postérieurement à l’étape de chauffage (E4), l’organe de pression (42) du premier dispositif d’assemblage (4) maintient l’effort de pression (F) selon la zone de pression (P) pendant une deuxième durée prédéterminée de refroidissement.
  12. Procédé de solidarisation selon la revendication 11, dans lequel la deuxième durée prédéterminée de refroidissement est inférieure ou égale à 5 secondes.
  13. Procédé de solidarisation selon l’une des revendications 9 à 12, dans lequel l’étape de chauffage (E4) est réalisée simultanément par l’organe de chauffage (41) du premier dispositif d’assemblage (4) sur la portion périphérique (3A) de la première plaque bipolaire (1A) et par l’organe de chauffage (51) du deuxième dispositif d’assemblage (5) sur la portion périphérique (3B) de la deuxième plaque bipolaire (1B).
  14. Procédé de solidarisation selon l’une des revendications 9 à 13, dans lequel la distance entre la zone de chauffage (C) périphérique et la portion centrale (2A, 2B) de chaque plaque bipolaire (1A, 1B) est supérieure ou égale à 0,5mm.
  15. Procédé de solidarisation selon l’une des revendications 9 à 14, dans lequel la première durée prédéterminée de chauffage est inférieure ou égale à 20 secondes.
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