FR2911219A1

FR2911219A1 - Plaque bipolaire pour pile a combustible a membrane polymere

Info

Publication number: FR2911219A1
Application number: FR0700184A
Authority: FR
Inventors: David Olsommer; Richard Herault
Original assignee: Conception et Developpement Michelin SA
Current assignee: Conception et Developpement Michelin SA
Priority date: 2007-01-09
Filing date: 2007-01-09
Publication date: 2008-07-11
Anticipated expiration: 2027-01-09
Also published as: CN101601155A; FR2911219B1; KR20090108625A; EP2122728A1; JP2010516027A; WO2008083836A1; US20100310956A1

Abstract

Plaque de distribution pour pile à combustible, comportant une première plaque (11) en matériau conducteur de l'électricité ayant une face intérieure et ayant une face extérieure (11o) destinée à coopérer avec une membrane échangeuse d'ions, la face extérieure (11o) comportant un réseau de canaux (111) de distribution pour un premier gaz, la plaque de distribution ayant une seconde plaque (12) en matériau conducteur de l'électricité ayant une face extérieure et ayant une face intérieure (12i) destinée à être appliquée contre la face intérieure de la première plaque (11), un réseau de canaux (122) pour la circulation d'un fluide de refroidissement étant aménagé sur la face intérieure soit de la première plaque (11) soit (12i) de la seconde plaque (12), soit sur les deux, les plaques étant réunies par une couche uniforme d'un matériau de liaison conducteur de l'électricité (2) recouvrant la face interne de chacune des première et seconde plaques.

Description

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne les piles à

combustible à membrane polymère échangeuse d'ions. Plus particulièrement, elle concerne les plaques de distribution de fluides utilisées dans de telles piles à combustible, comme par exemple les plaques bipolaires installées entre chacune des cellules électrochimiques élémentaires et les plaques d'extrémité installées de part et d'autre de l'empilage des différentes cellules électrochimiques.

ETAT DE LA TECHNIQUE Les plaques bipolaires utilisées dans les piles à combustible remplissent deux fonctions très différentes. On sait qu'il faut alimenter la pile en gaz carburant et en gaz comburant, c'est-à-dire en hydrogène et en air ou en oxygène pur, et qu'il faut également la refroidir, c'est-à-dire la faire traverser par un fluide de refroidissement comme de l'eau. L'une des fonctions des plaques bipolaires est de permettre l'acheminement de ces différents fluides nécessaires au fonctionnement de la pile à combustible. Par ailleurs, les plaques bipolaires remplissent également une fonction électrique : assurer la conduction électrique entre l'anode et la cathode de chacune des cellules électrochimiques adjacentes. En effet, une pile à combustible est toujours constituée par l'assemblage en série d'un grand nombre de cellules électrochimiques élémentaires ; les cellules électrochimiques élémentaires étant connectées en série, la tension nominale de la pile à combustible est la somme des tensions de chaque cellule électrochimique élémentaire.

Ces différentes fonctions, acheminer les fluides et conduire l'électricité, donnent le cahier des charges auquel doivent satisfaire les matériaux utilisés pour la réalisation de ces plaques bipolaires. Les matériaux utilisés doivent présenter une très grande conductibilité électrique. Les matériaux utilisés doivent aussi être étanches aux fluides utilisés et faire preuve d'une très grande stabilité chimique vis-à-vis de ces fluides.

En outre, les plaques bipolaires doivent présenter les caractéristiques mécaniques suffisantes pour permettre la juxtaposition d'un grand nombre de cellules électrochimiques élémentaires et plaques bipolaires associées et le maintien de P10-1924-FR -1- -2- l'ensemble par compression entre des plaques d'extrémité grâce à des tirants. Les plaques bipolaires doivent présenter des caractéristiques mécaniques suffisantes pour supporter cette compression. Le graphite est couramment utilisé car ce matériau offre tout à la fois une grande conductibilité électrique et est chimiquement inerte aux fluides utilisés. La demande de brevet WO 2005/006472 montre une réalisation possible de telles plaques bipolaires. On voit qu'elles sont constituées par la superposition de deux plaques en graphite relativement rigides avec interposition d'une feuille réalisée en matière graphite assez souple afin de s'accommoder des tolérances d'épaisseur des différentes couches. Les plaques en graphite comportent les réseaux de canaux nécessaires à la distribution des gaz carburant et comburant, c'est-à-dire en hydrogène et en air ou en oxygène pur, et le réseau de canaux permettant de faire traverser chaque plaque bipolaire par un fluide de refroidissement comme de l'eau.

Malheureusement, les éléments rigides participant à la constitution des plaques bipolaires en graphite sont assez fragiles aux chocs, en particulier pendant les manipulations lors de l'assemblage de la pile. La couche réalisée en matériau graphite souple, dont il a été fait état précédemment, est en outre tout particulièrement difficile à manipuler de façon industrielle. Tout ceci obère de façon importante les coûts de fabrication de telles plaques bipolaires.

Le brevet US 6,379,476 propose de réaliser des plaques bipolaires en acier inoxydable revêtu d'un film passivé en surface et ayant des inclusions en carbure faisant protubérance à la surface. Selon le déposant de ce brevet, le produit proposé devrait présenter une résistance électrique de contact suffisamment basse pour en faire des plaques bipolaires. Cependant, si cette solution peut présenter quelques avantages par rapport aux plaques bipolaires entièrement réalisées en graphite, notamment quant aux propriétés mécaniques, elle reste complexe à mettre en oeuvre et la résistivité électrique peut s'avérer trop importante surtout si l'on vise à atteindre une très grande densité de puissance pour la pile à combustible.

D'autres demandes de brevet proposent de réaliser des plaques bipolaires en matériau non métallique, par exemple en matière plastique, en raison de la très grande insensibilité de beaucoup de ces matières aux agressions chimiques dues aux gaz utilisés ainsi qu'au fluide de refroidissement. On citera par exemple la demande de brevet WO 2006/100029. P10-1924-FR L'utilisation de plaques métalliques comme plaques bipolaires offre plusieurs avantages sur les plaques en graphite. Le principal avantage à citer est la résistance mécanique supérieure du métal qui permet de réduire les épaisseurs des plaques, et d'éviter les problèmes de fissures de plaques.

En revanche, les plaques métalliques, notamment celles en acier inoxydable, ont des résistances de contact électrique plus élevées que des plaques en graphite. La conséquence est l'obtention de performances moins élevées qu'avec des plaques en graphite ou même qu'avec des plaques dont le substrat est en matière plastique, la conduction électrique étant assurée par des éléments conducteurs rapportés. Dans le cas des plaques bipolaires en acier inoxydable, les pertes ohmiques électriques surviennent aux contacts électriques : entre les couches de diffusion des gaz (communément appelées GDL pour Gaz Diffusion Layer) et la plaque métallique elle-même ; entre les deux plaques métalliques juxtaposées pour inclure un circuit de refroidissement.

L'objectif de la présente invention est de proposer un agencement pour plaque bipolaire ou pour plaque d'extrémité qui soit aussi facile à fabriquer que possible, qui permette d'atteindre de très hauts rapports de puissance délivrée par rapport au poids et à l'encombrement de la pile à combustible, c'est-à-dire qui permette notamment le refroidissement par un liquide de refroidissement, afin de rendre l'utilisation de la pile à combustible dans un véhicule automobile nettement plus aisée. L'objet de la présente invention est de perfectionner les plaques bipolaires métalliques, en raison de leur grande robustesse, tout en supprimant le problème de perte électrique au contact b) cité ci dessus.

BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION

L'invention propose une plaque de distribution pour pile à combustible, comportant une première plaque en matériau conducteur de l'électricité ayant une face intérieure et ayant une face extérieure destinée à coopérer avec une membrane échangeuse d'ions, la face extérieure comportant un réseau de canaux de distribution pour P10-1924- FR

-4- un premier gaz, la plaque de distribution ayant une seconde plaque en matériau conducteur de l'électricité ayant une face extérieure et ayant une face intérieure destinée à être appliquée contre la face intérieure de la première plaque, un réseau de canaux pour la circulation d'un fluide de refroidissement étant aménagé sur la face intérieure soit de la première plaque soit de la seconde plaque, soit sur les deux, les plaques étant réunies par une couche d'un matériau de liaison conducteur de l'électricité recouvrant la face interne de chacune des première et seconde plaques.

L'invention s'applique bien entendu aux plaques bipolaires, c'est-à-dire aux plaques dont un côté forme l'anode d'une cellule électrochimique élémentaire d'une pile à combustible et l'autre côté forme la cathode d'une cellule électrochimique élémentaire adjacente. Mais l'invention s'applique aussi aux plaques d'extrémité. En fait, l'invention s'applique chaque fois que l'on veut réaliser une plaque de distribution comportant un réseau interne de canaux destiné à faire circuler un fluide de refroidissement. La suite de la description traite uniquement, de façon non limitative, de plaque bipolaire, dans laquelle la face extérieure de la seconde plaque est destinée à coopérer avec une membrane échangeuse d'ions et comporte un réseau de canaux de distribution pour un gaz.

De préférence, le matériau conducteur de l'électricité utilisé pour les première et seconde plaques est un matériau métallique. Comme couche d'un matériau de liaison conducteur de l'électricité entre première et seconde plaques, on utilise une feuille recouvrant tout ou partie de la face interne de chacune des première et seconde plaques pour réaliser une brasure qui permet d'assurer un excellent contact électrique et qui offre en outre un autre avantage : cela garantit une étanchéité optimale entre le circuit de fluide de refroidissement et l'extérieur et entre le circuit de fluide de refroidissement et le ou les circuits de gaz.

L'invention s'étend aussi à un procédé de fabrication d'une plaque de distribution en acier, pour pile à combustible, ladite plaque de distribution comportant une première plaque en matériau conducteur de l'électricité ayant une face intérieure et ayant une face extérieure destinée à coopérer avec une membrane échangeuse d'ions, la plaque de distribution ayant une seconde plaque en matériau conducteur de l'électricité ayant une face extérieure et ayant une face intérieure destinée à être appliquée contre la face intérieure de la première plaque, un réseau de canaux pour la circulation d'un P10-1924-FR -5- fluide de refroidissement étant aménagé sur la face intérieure soit de la première plaque soit de la seconde plaque, soit des deux, consistant à superposer lesdites première et seconde plaques en interposant une feuille d'un matériau de liaison conducteur de l'électricité, à faire chauffer l'assemblage obtenu jusqu'à la température de fusion du matériau de liaison tout en maintenant lesdites première et seconde plaques en pression l'une contre l'autre, à laisser refroidir l'assemblage puis à libérer la pression de maintien des plaques pour obtenir ladite plaque de distribution.

L'invention permet l'utilisation d'acier inoxydable, matériau inerte chimiquement aux fluides utilisés, au moins en surface, plus précisément au moins pour la surface en contact avec lesdits fluides. En effet, il est très important que la surface du matériau ne soit pas attaquée par l'hydrogène, par l'oxygène, par l'eau qui se reforme, par toute autre substance véhiculée dans les canaux, et en particulier que le matériau reste inerte en surface aux conditions sévères régnant dans une pile à combustible en fonctionnement.

La suite décrit en détails une plaque bipolaire. Bien entendu comme déjà dit, l'invention ne se limite pas aux plaques bipolaires ; elle s'étend aussi aux plaques de distribution disposées de part et d'autre de l'empilage des cellules élémentaires. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES La présente invention sera mieux comprise grâce à la description détaillée d'un mode 25 de réalisation illustré avec les figures jointes dans lesquelles :

La figure 1 est un éclaté montrant les différents éléments constitutifs d'une plaque bipolaire selon l'invention ; La figure 2 est un éclaté montrant, sous un autre angle de vue, les différents éléments 30 constitutifs d'une plaque bipolaire selon l'invention ; La figure 3 est une perspective montrant une plaque bipolaire selon l'invention telle qu'elle apparaît lorsqu'elle est assemblée ; La figure 4 est une perspective montrant, sous un autre angle de vue, une plaque bipolaire selon l'invention telle qu'elle apparaît lorsqu'elle est assemblée ; P10-1924-FR20

-6- La figure 5 est une vue en élévation d'une des faces extérieures d'une plaque bipolaire selon l'invention ; La figure 6 est une coupe selon AA à la figure 5 ; La figure 7 est un agrandissement de la partie identifiée par le cercle B à la figure 6 ; La figure 8 montre de façon schématique une cellule électrochimique élémentaire d'une pile à combustible utilisant une plaque de distribution selon l'invention.

DESCRIPTION DU MODE DE REALISATION PREFERE DE L'INVENTION Aux figures 1 et 2, on voit les éléments constitutifs d'une plaque bipolaire 1 formée par l'assemblage d'une première plaque 11 et d'une seconde plaque 12. La plaque bipolaire 1 une fois assemblée est visible aux figures 3 et 4.

15 La première plaque 11 et la deuxième plaque 12 comportent d'un côté une zone présentant trois ouvertures 31, 32 et 33 de section relativement importante, ainsi que sur le côté opposé une autre zone présentant également trois ouvertures 34, 35 et 36 de section relativement importante. Toutes les ouvertures 31 sont alignées d'une plaque 11 à l'autre 12. De même, toutes les ouvertures 32, respectivement 33, 34, 35 20 et 36 sont alignées d'une plaque 11 à l'autre 12. L'ensemble des ouvertures 31, respectivement 33, forme une nourrice pour l'acheminement d'un des gaz : les ouvertures 31 et 33 acheminent les unes (par exemple 31) l'hydrogène et les autres (par exemple 33) l'oxygène. L'ensemble des ouvertures 34, respectivement 36, forme une nourrice pour le retour d'un des gaz : les ouvertures 34 et 36 assurent le retour les 25 unes (34) de l'hydrogène non consommé par la pile et les autres (36) de l'oxygène non consommé par la pile. Toutes les ouvertures 32 forment une nourrice qui achemine le fluide de refroidissement tandis que toutes les ouvertures 35 forment une nourrice qui assure le retour du fluide de refroidissement servant à réguler la pile à combustible en température. 30 L'une des faces 110 de la première plaque 11 comporte un premier canal de distribution 111 tracé pour répartir sur la totalité de la section utile de la première plaque 11 l'un des deux gaz utilisés par la pile à combustible. Le premier canal de distribution 111 débute par un orifice 111 a traversant l'épaisseur de la première plaque 35 11, et se termine par un orifice 111b traversant lui aussi la première plaque 11. P10-1924-FR10 -7- L'une des faces 12i de la seconde plaque 12 comporte un canal interne 122, tracé pour répartir sur la totalité de la section utile de la seconde plaque 12 le fluide de refroidissement utilisé pour réguler la pile à combustible en température. Le fluide de refroidissement peut être un liquide ou pourrait être de l'air. Dans ce dernier cas, la section de passage du fluide devrait normalement être plus importante.

L'orifice 111 a est aligné avec le bout d'un tronçon de canal 111c creusé sur la face 12i. L'orifice 111 b est aligné avec le bout d'un tronçon de canal 111d creusé sur la même face 12i. Chacun de ces tronçons de canal 111c et 111d communique avec les ouvertures 31 et 34. Ceci assure la communication entre le premier canal de distribution 111 et les nourrices concernées.

Sur l'autre 12o de ces faces, visible à la figure 2, la seconde plaque 12 présente un deuxième canal de distribution 121, semblable au canal de distribution 111 et lui aussi tracé pour répartir sur la totalité de la section utile de la seconde plaque 12 l'autre des deux gaz utilisés par la pile à combustible. Les ouvertures 33 et 36 de la seconde plaque 12 sont en communication avec, respectivement, un tronçon de canal 121c et avec un tronçon de canal 121d creusés tous deux sur la face 12i. Chacun des tronçons de canal 121c et 121d se termine par un orifice 121a, respectivement 121b, traversant l'épaisseur de la seconde plaque 12, pour mettre en communication le deuxième canal 121 avec les nourrices concernées.

Le mode d'assemblage selon l'invention est le suivant. Entre la première plaque 11 et la seconde plaque 12, on interpose une feuille (ou une pâte) de brasure 2. Une solution avantageuse est l'utilisation d'acier inoxydable pour les plaques de distribution, et de cuivre (pur ou allié) pour la feuille de brasure. On chauffe cet ensemble jusqu'à la température de fusion du métal de brasure, et on obtient, après refroidissement, une plaque bipolaire 1 comportant sur une face des canaux 111, par exemple du circuit de gaz anode, sur l'autre face des canaux 121, dans cet exemple du circuit de gaz cathode, et entre les plaques des canaux 122, non visibles après assemblage, du circuit de fluide de refroidissement.

Il n'est pas nécessaire de prévoir de joint au sein même de la plaque bipolaire, c'est-à- dire entre les deux plaques de distribution 11 et 12. Seul un joint 8 entre une plaque P10-1924-FR -8- bipolaire et une membrane échangeuse d'ions est nécessaire. Les figures 5, 6 et 7 montrent l'implantation d'un tel joint. En particulier, l'agrandissement que montre la figure 7 permet de voir en coupe la disposition d'un tel joint.

Une plaque bipolaire selon l'invention est destinée à être associée à des éléments formant une cellule électrochimique. A la figure 8, on voit une cellule électrochimique 9 associée à deux plaques bipolaires identiques 1A et 1B. On sait qu'une cellule électrochimique 9 élémentaire est à l'heure actuelle (sans que ceci ne limite en aucune façon l'invention) habituellement constituée de la superposition de cinq couches : une membrane polymère 91 échangeuse d'ions, deux électrodes 92 (une seule visible au dessin) comportant des éléments chimiques nécessaires au déroulement de la réaction électrochimique, comme par exemple du platine, et deux couches de diffusion des gaz 93 (une seule visible au dessin) permettant d'assurer une diffusion homogène des gaz acheminés par les réseaux de canaux des plaques bipolaires sur la totalité de la surface de la membrane échangeuse d'ions.

Des ouvertures 31, respectivement 32, 33, 34, 35 et 36 sont également réalisées sur les membranes polymères 91 et sont alignées avec les ouvertures des plaques de distribution. Chacune des faces 11 o et 12o des plaques bipolaires peut coopérer avec une des couches de diffusion des cellules électrochimiques 9 adjacentes. On superpose un grand nombre de cellules électrochimiques 9 avec interposition de plaques bipolaires 1, et on dispose aux extrémités des plaques de distribution simples (non bipolaires) pour former une pile à combustible.

Ainsi, grâce à l'invention, on peut choisir comme matériau constitutif de base de chacune des plaques élémentaires un matériau conducteur de l'électricité et présentant des caractéristiques mécaniques suffisantes pour permettre non seulement la transmission des sollicitations de service pour la pile à combustible, mais également pour permettre l'automatisation de la fabrication des plaques bipolaires. En effet, une telle automatisation suppose des manipulations par des robots de fabrication et si ces manipulations requièrent peu de précautions grâce à la solidité du matériau constitutif des plaques de base, la réalisation de la fabrication automatique n'en sera que plus simple, plus robuste et plus économique. P10-1924-FR35

Claims

REVENDICATIONS

1. Plaque de distribution (1) pour pile à combustible, comportant une première plaque (11) en matériau conducteur de l'électricité ayant une face intérieure (11i) et ayant une face extérieure (110) destinée à coopérer avec une membrane échangeuse d'ions, la face extérieure (110) comportant un réseau de canaux (111) de distribution pour un premier gaz, la plaque de distribution ayant une seconde plaque (12) en matériau conducteur de l'électricité ayant une face extérieure (120) et ayant une face intérieure (12i) destinée à être appliquée contre la face intérieure (11i) de la première plaque (11), un réseau de canaux (122) pour la circulation d'un fluide de refroidissement étant aménagé sur la face intérieure soit (11i) de la première plaque (11) soit (12i) de la seconde plaque (12), soit sur les deux, les plaques étant réunies par une couche d'un matériau de liaison conducteur de l'électricité (2) recouvrant la face interne de chacune des première et seconde plaques.

2. Plaque de distribution selon la revendication 1, formant plaque bipolaire, dans laquelle la face extérieure (120) de la seconde plaque (12) est destinée à coopérer avec une membrane échangeuse d'ions et comporte un réseau de canaux (121) de distribution pour un second gaz.

3. Plaque de distribution selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle lesdites première et seconde plaques sont en matériau métallique.

4. Plaque de distribution selon la revendication 3 dans laquelle lesdites première et seconde plaques sont en acier inoxydable.

5. Plaque de distribution selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle le matériau de liaison est un alliage à base de cuivre.

6. Plaque de distribution selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle le matériau de liaison est en cuivre pur. P10-1924-FR - 10 -

7. Procédé de fabrication d'une plaque de distribution en acier, pour pile à combustible, ladite plaque de distribution comportant une première plaque (11) en matériau conducteur de l'électricité ayant une face intérieure (Ili) et ayant une face extérieure (110) destinée à coopérer avec une membrane échangeuse d'ions, la plaque de distribution ayant une seconde plaque (12) en matériau conducteur de l'électricité ayant une face extérieure (12o) et ayant une face intérieure (12i) destinée à être appliquée contre la face intérieure (Ili) de la première plaque (11), un réseau de canaux (122) pour la circulation d'un fluide de refroidissement étant aménagé sur la face intérieure soit (Ili) de la première plaque (11) soit (12i) de la seconde plaque (12), soit des deux, consistant à superposer lesdites première et seconde plaques en interposant une feuille d'un matériau de liaison conducteur de l'électricité (2), à faire chauffer l'assemblage obtenu jusqu'à la température de fusion du matériau de liaison tout en maintenant lesdites première et seconde plaques en pression l'une contre l'autre, à laisser refroidir l'assemblage puis à libérer la pression de maintien des plaques pour obtenir ladite plaque de distribution.

8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel lesdites première et seconde plaques sont en acier inoxydable.

9. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le matériau de liaison est un alliage à base de cuivre. 25

10. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le matériau de liaison est en cuivre pur. P10-1924-FR