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WO2001024295A1 - Collecteurs bipolaires pour pile a combustible de type pem - Google Patents

Collecteurs bipolaires pour pile a combustible de type pem Download PDF

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WO2001024295A1
WO2001024295A1 PCT/FR2000/002660 FR0002660W WO0124295A1 WO 2001024295 A1 WO2001024295 A1 WO 2001024295A1 FR 0002660 W FR0002660 W FR 0002660W WO 0124295 A1 WO0124295 A1 WO 0124295A1
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WO
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collector
heat exchanger
bipolar
exchanger according
conductive
Prior art date
Application number
PCT/FR2000/002660
Other languages
English (en)
Inventor
Guy Bronoel
Original Assignee
Sorapec
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to JP2001527384A priority patent/JP2003510785A/ja
Publication of WO2001024295A1 publication Critical patent/WO2001024295A1/fr
Priority to US10/113,465 priority patent/US20020129927A1/en

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Definitions

  • the present invention relates to a bipolar collector-heat exchanger characterized in that it combines both, a main structure made of an electronically and thermally conductive material. discreet collection of charges and calories provided by metallic contacts uniformly distributed on the surface of the electrodes and penetrating into the main structure but not passing right through, and non-conductive open structures allowing the homogenization of the flow gaseous reagents.
  • the resistivity of the polymer-carbon composites is between 3.10 '2 and 1 ⁇ . cm while the graphite has a resistivity of the order of 1.3.10 "J ⁇ .cm. It follows that, for bipolar collectors such as those shown diagrammatically in FIG. 1, the ohmic drop caused by an apparent current density 0.5 A.cm '2 is less than 1 mV when the collector is made of graphite and is 20 mV for a composite collector having a resistivity of 0.05 ⁇ .cm.
  • the nominal power required being for example 50 kW for a total voltage of 140 V
  • the power of an element is of the order of 250 W, or an energy to be evacuated per element close to 200 W.
  • all the bipolar collectors are also heat exchangers.
  • the collector-exchanger should therefore not be considered as a special case but as the standard component.
  • the object of the present invention relates to a bipolar collector-heat exchanger for a fuel cell, characterized in that it combines both: • a main structure in an electronically and thermally conductive material,
  • the bipolar collector-heat exchanger is characterized in that the conductive main structure electronically and thermally consists of two parts one of which comprises at least on one of its faces, grooves allowing circulation of a heat transfer fluid.
  • the two parts of the main structure comprise grooves on one of their faces, said faces are juxtaposed during their assembly to reveal channels allowing the circulation of the heat transfer fluid.
  • the metal contacts are needles which do not entirely pass through each part of the main structure but penetrate into the projecting parts included between the channels, their end being situated between 0.4 and 0.9 mm from the plane separating the two parts constituting the main structure. These needles penetrate into the electrodes with a depth of between 0.1 and 0.2 mm and are distributed uniformly on the surface, in square or rectangular patterns.
  • the bipolar collector-heat exchanger comprises, between each electrode and the surface of the collector-exchanger, a space defined by pins placed on the external faces of the two parts which constitute the main structure. This space, the thickness of which is between 0.8 and 2 mm, is filled by an open, non-conductive structure.
  • This non-conductive open structure consists of:
  • the collector-exchanger according to the invention is characterized by the use of a main electronically and thermally conductive structure consisting of two parts, at least one of which comprises, in addition to the pins provided on one of their faces and used to define the space between the electrodes and the collector-exchanger, on their other face, cylindrical pins of height between 0.5 and 2 mm, having a diameter between 3 and 10 mm.
  • the two parts juxtaposed by putting the pins face to face reveal a space intended for the circulation of the heat transfer fluid.
  • the cylindrical pins serving to provide a space intended for the circulation of the heat-transfer fluid are distributed uniformly over the surface of the collector-exchanger in numbers such that the total surface of their section occupies at least 40% of the apparent surface of the electrodes.
  • the cylindrical pins serving to provide a space intended for the circulation of the heat-transfer fluid are distributed uniformly over the surface of the collector-exchanger and in number such that the total surface of their section is less than 10% of the apparent surface of the electrodes.
  • the space intended for the circulation of the heat-transfer fluid is filled with an open structure foam constituted by a metallic material good conductor of heat and electricity, the strands of which are in contact with the walls of the main structure. .
  • the material of the foam is copper or nickel.
  • the walls in contact with the conductive foam beachmquement and heat are coated with a thin electronically conductive layer such as a metal, a metal alloy or a conductive lacquer.
  • the metal contacts ensuring the discrete collection of charges and calories are needles which partially penetrate into the main structure, their end being located between 0.4 and 0.9 mm from the plane separating the two parts constituting the main structure. These needles penetrate into the electrodes with a depth of between 0.1 and 0.2 mm and are distributed uniformly in square, rectangular or triangular equilateral patterns.
  • FIG. 3 a sectional view of the central part of a bipolar collector-heat exchanger according to a first embodiment, * FIG. 4, a section along the axis MM ′ of the bipolar collector-heat exchanger shown in figure 3,
  • FIG. 5 a sectional view of the central part of a bipolar collector-heat exchanger according to a second embodiment
  • Figure 6 a top view of the bipolar collector-heat exchanger shown in Figure 5.
  • the present invention results from a compromise between • minimization of ohmic drops, “101 lightening of the collectors,
  • FIG. 3 simply represents the central part of the collector-exchanger which is the subject of the present invention, excluding the margins where the fluid inlets and the seals are located.
  • the bipolar collector-heat exchanger essentially consists of two symmetrical parts E and E " whose juxtaposition along the plane MM 'forms the channels F.
  • the material of these two main parts is a polymer-carbon composite whose resistivity is 0.1 ⁇ .cm. This is, for example, the material sold under the reference EMI 0683 by the company RTP France.
  • each of these main parts E and E ' comprises pins C and C' that s' based on the electrodes A and A 'leaving a free vein D or D'.
  • the veins D and D ' are advantageously filled, as claimed in patent application FR 98 09236, by an open structure which acts as a distributor and homogenizer of the flows gaseous.
  • the material constituting the open structure is, for example, a polymer whose surface is advantageously hydrophobic.
  • the height of the channels F is between 1 and 4 mm. These channels allow the circulation of a heat transfer fluid.
  • a copper foam of low surface mass (20 to 50 mg / cm 2 ) can be placed in the channels. By slight compression during assembly, the strands of the foam are in contact with the walls of the collector.
  • the thickness I of the solid part of each half-collector is between 0.5 and 1.5 mm.
  • the cylindrical pins C, and C, ' have a diameter of between 3 and 4 mm, their height being between 0.8 and 2 mm and their distribution is such that the total area of their section represents only a maximum of 3%. of the apparent surface of the electrode on which they bear (i.e. two to three pawns per 10 cm 2 of electrode), which limits the occultation of the active surface.
  • Needles B, or B 'do not pass through the parts E and E' but s 'stop at a distance between 0.4 and 0.9 mm from the plane M-M'.
  • Their diameter is between 0.2 and 0.3 mm. They consist for example of stainless steel 316 L.
  • the end which penetrates into the electrode over a length between 0.1 and 0.2 mm. is coated with a deposit preventing passivation and corrosion.
  • Figure 4 shows the distribution of the needles B and B ': it is a question of a Switchgear rectangular or square patterns, the distance G between B, and B2 being generally greater than the distance H between Bi and B ⁇ ⁇ or B 2 and B * ⁇
  • the width of the channels F is between 1 and 3 mm.
  • the spacing between two channels is between 1.5 and 2.5 mm (1.5 mm when the width of the channel is 3 mm and 2.5 mm when it is only 1 mm). For a channel width of 2 mm, the spacing is 2 mm.
  • the position of the needles being in the middle of the spacing between two channels, it follows that the distance G between two needles (distance B, -B 2 ) is between 3 and 4.5 mm.
  • the distance H in the other axis (distance Bi and B ⁇ ⁇ ) is determined as a function of the current density at the electrodes; it is between 2 and 4.5 mm.
  • the composite material parts are advantageously obtained by molding.
  • the composite material it is interesting to use the reference product EMI 0683 (from RTP France), which contains nickel-plated carbon fibers.
  • the latter can be surfaced or a deposit of a conductive lacquer or a metallic film deposited there.
  • the insertion of needles into the composite parts can be achieved by different means:
  • the electrical contact between the needle and the composite can be improved by interposing a conductive powder or lacquer.
  • FIG. 5 corresponds to the second type of embodiment of the invention and represents the central part of the bipolar-heat exchanger manifold, excluding the margins where the fluid inlets and the seals are located.
  • the collector-exchanger consists of two main parts E and E " . Made of the same electronic conductive composite material as that of the first embodiment, which are juxtaposed on a plane separating the pins J, and J, '.
  • pins have a diameter of between 3 and 10 mm and their number is such that the surface of their section is at most equal to 8% of the apparent surface of the electrodes, their distribution being as uniform as possible.
  • the height of the pins J, and J, ' is between 0.5 and 2 mm. Between these pins is a vein whose surface represents more than 90% of the surface of the electrodes and whose height K is between 1 and 4 mm.
  • the spaces D and D ′ where the gaseous reactants circulate are limited in their height by pawns L, and L, ′ , the characteristics of which are identical to those given for the previous achievement.
  • the essential difference between the two types of embodiment lies, for the second case, in the fact that the internal space allowing the heat exchanges occupies a much larger volume. Therefore, in order not only to ensure good circulation of the heat transfer fluid, good heat exchange, but also good electrical conductivity between the parts E and E ′, the central space is filled with a metallic foam whose strands are in good contact (by compression) with the surfaces of the parts E and E ', surfaces which, advantageously, can be coated with a metallic film such as copper or nickel.
  • FIG. 6 represents a uniform distribution of the needles B "corresponding to a pattern of the equilateral triangle type. the distance between two needles, or side of the triangle, having a dimension between 2.5 and 5 mm.
  • the counters L and L 'which s' based on the electrodes have a diameter such that they are placed between the needles.
  • the distance between the needles can therefore be shorter than in the previous example.
  • the distance O separating the point of the needles from the internal space is between 0.4 and 0.9 mm.
  • the solutions are the same as those described for the first exemplary embodiment.
  • the invention is not limited to the two embodiments described above but embraces all the variants.

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Abstract

Collecteur bipolaire-échangeur thermique pour pile à combustible, comprenant à la fois une collecte discrète des charges électriques et des calories, une structure principale (E,E') en un matériau conducteur électroniquement et thermiquement et l'utilisation d'une structure ouverte non conductrice (Da) assurant l'homogénéisation de l'écoulement des réactifs gazeux. La collecte des charges électriques et des calories est assurée par des contacts métalliques (Bi) répartis uniformément à la surface des électrodes. Ces aiguilles métalliques ne traversent pas de part en part la structure principale, le relais de conduction électronique étant assuré par la structure principale. Deux modes de réalisation sont décrits; ils diffèrent par la dimension des espaces destinés à la circulation du fluide caloporteur. Lorsque les espaces sont de grande dimension, il est avantageux de les remplir d'une structure conductrice de type mousse ouverte permettant une bonne répartition de fluide caloporteur et un bon échange thermique.

Description

COLLECTEURS BIPOLAIRES POUR PILE A COMBUSTIBLE DE TYPE PEM
PERFECTIONNEMENTS APPORTES AUX COLLECTEURS BIPOLAIRES POUR PILE A COMBUSTIBLE DE TYPE PEM
La présente invention concerne un collecteur bipolaire-échangeur thermique caractérisé en ce qu'il associe à la fois, une structure principale réalisée en un matériau conducteur électroniquement et thermiquement. une collecte discrète des charges et des calories assurée par des contacts métalliques uniformément répartis à la surface des électrodes et pénétrant dans la structure principale mais ne la traversant pas de part en part, et des structures ouvertes non conductrices permettant l'homogénéisation de l'écoulement des réactifs gazeux .
La recherche relative à la mise au point de collecteurs bipolaires pour piles, notamment du type PEM-FC, ayant des caractéristiques techniques et économiques intéressantes, est très active depuis quelques années. En premier lieu, les efforts ont été axés sur la sélection de collecteurs d'un coût beaucoup plus faible que les collecteurs réalisés par usinage d'une plaque de graphite. De ce point de vue, les résultats les plus intéressants ont été obtenus par la mise au point de plaques polymère-carbone dont le principal avantage réside dans leur élaboration possible par moulage d'où des coûts de fabrication très bas.
En revanche d'autres solutions consistant en l'emploi de feuillards métalliques cannelés ou de mousses métalliques se révèlent plus onéreuses dans la mesure où la surtace de ces matériaux métalliques doit nécessairement être revêtue par un composé évitant à la fois corrosion et passivation.
Concernant la chute ohmique résultant du passage du courant dans les collecteurs, il faut noter que la résistivité des composites polymère-carbone est comprise entre 3.10'2 et 1 Ω. cm alors que le graphite présente une résistivité de l'ordre de 1,3.10"J Ω.cm. Il en résulte que, pour des collecteurs bipolaires tels que ceux schématisés sur la figure 1, la chute ohmique causée par une densité de courant apparente de 0.5 A.cm'2 est inférieure à 1 mV lorsque le collecteur est réalisé en graphite et est de 20 mV pour un collecteur en composite ayant une résistivité de 0,05 Ω.cm.
En l'état, pour beaucoup d'utilisations où effectivement la densité de courant ne dépasse pas 0.5 A.cπX, on peut admettre qu'une perte de 20 mV. sur une tension de l'ordre de 0,7 V, reste admissible sans toutefois être négligeable. En revanche, la situation est totalement différente si l'on admet que les progrès à espérer dans le domaine des PEM-FC conduisent à opérer avec des densités de courant au moins égales à 1 A. cm" .
Enfin, il convient de revoir totalement ce problème lorsque les collecteurs bipolaires doivent aussi constituer des échangeurs de chaleur. Dans ces conditions, on peut montrer que les dimensions de ces collecteurs-échangeurs, associées aux contraintes liées à la bonne diffusion de la chaleur dans les matériaux les constituant, conduisent à revoir les choix en ce qui concerne la nature et la structure des collecteurs-échangeurs.
Ainsi, pour un collecteur-échangeur dont le schéma est représenté sur la figure 2, réalisé en un matériau composite de résistivité 0.05 Ω.cm. la chute ohmique atteint 50 mV pour une densité de courant de 0,5 A.cm'2, soit une perte de 7 % sur la tension d'un élément opérant à 0,7 V.
Or, pour des applications telles que l'alimentation des véhicules électriques, la puissance nominale requise étant par exemple de 50 kW pour une tension totale de 140 V, on constate que la puissance d'un élément est de l'ordre de 250 W, soit une énergie à évacuer par élément voisine de 200 W. Dans ces conditions (et même pour des piles ayant une puissance deux fois plus faible), il est nécessaire que tous les collecteurs bipolaires soient aussi des échangeurs de chaleur.
Pour des piles de puissance, le collecteur-échangeur ne doit donc pas être considéré comme un cas particulier mais comme le composant standard.
Nous avons déjà montré (demande de brevet FR 99 04277) l'intérêt que présentait une collecte discrète des charges par aiguilles métalliques traversant en partie les collecteurs bipolaires. Le dispositif permettait à la fois d'alléger les collecteurs et de minimiser les chutes ohmiques dans ces collecteurs. Ce concept a été repris et nécessairement adapté pour la réalisation des collecteurs-échangeurs. Nous avons observé que, bien que la section des aiguilles soit faible devant la surface apparente des électrodes, ces aiguilles pouvaient constituer des moyens efficaces pour le drainage des calories engendrées aux électrodes.
L'objet de la présente invention concerne un collecteur bipolaire-échangeur thermique pour pile à combustible caractérisé en ce qu'il associe à la fois : • une structure principale en un matériau conducteur électroniquement et thermiquement,
• une collecte discrète des charges et des calories assurée par des contacts métalliques répartis uniformément à la surface des électrodes et pénétrant dans la structure principale mais ne la traversant pas de part en part.
• l'utilisation de structures ouvertes non conductrices assurant l'homogénéisation de l'écoulement des réactifs gazeux.
Selon un premier mode de réalisation, le collecteur bipolaire-échangeur thermique selon l'invention se caractérise en ce que la structure principale conductrice électroniquement et thermiquement est constituée de deux pièces dont l'une au moins comprend sur une de ses faces, des cannelures permettant la circulation d'un fluide caloporteur.
Dans le cas où les deux pièces de la structure principale comprennent des cannelures sur une de leurs faces, lesdites faces sont juxtaposées lors de leur assemblage pour faire apparaître des canaux permettant la circulation du fluide caloporteur
Selon une autre caractéristique de l'invention, les contacts métalliques sont des aiguilles qui ne traversent pas entièrement chaque pièce de la structure principale mais pénètrent dans les parties saillantes comprises entre les canaux, leur extrémité étant située entre 0.4 et 0,9 mm du plan séparant les deux pièces constituant la structure principale. Ces aiguilles pénètrent dans les électrodes d'une profondeur comprise entre 0,1 et 0,2 mm et sont réparties uniformément à la surface, selon des motifs carrés ou rectangulaires.
Le collecteur bipolaire-échangeur thermique selon l'invention comporte, entre chaque électrode et la surface du collecteur-échangeur, un espace défini par des pions placés sur les faces externes des deux pièces qui constituent la structure principale. Cet espace, dont l'épaisseur est comprise entre 0.8 et 2 mm, est rempli par une structure ouverte non conductrice.
Cette structure ouverte non conductrice est constituée :
•soit par un matériau polymère isolant dont la surface a, de préférence, un caractère hydrophobe. •soit par une mousse, dont l'âme est constituée par un matériau métallique conducteur de la chaleur, revêtue d'une couche anticorrosion ayant un caractère hydrophobe
•soit par un maillage en polymère, ouvert longitudinalement. dont la surface a, de préférence, un caractère hydrophobe.
Selon un autre mode de réalisation, le collecteur-échangeur selon l'invention se caractérise par l'utilisation d'une structure principale conductrice électroniquement et thermiquement constituée de deux pièces dont l'une au moins comprend, outre les pions ménagés sur une de leurs faces et servant à définir l'espace entre les électrodes et le collecteur-échangeur, sur leur autre face, des pions cylindriques de hauteur comprise entre 0,5 et 2 mm, ayant un diamètre compris entre 3 et 10 mm. Les deux pièces juxtaposées en mettant face à face les pions font apparaître un espace destiné à la circulation du fluide caloporteur.
Selon une des caractéristiques de l'invention, les pions cylindriques servant à ménager un espace destiné à la circulation du fluide caloporteur sont répartis uniformément à la surface du collecteur-échangeur en nombre tel que la surface totale de leur section occupe au moins 40 % de la surface apparente des électrodes.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les pions cylindriques servant à ménager un espace destiné à la circulation du fluide caloporteur sont répartis uniformément à la surface du collecteur-échangeur et en nombre tel que la surface totale de leur section soit inférieure à 10 % de la surface apparente des électrodes. Dans ce cas, l'espace destiné à la circulation du fluide caloporteur est rempli par une mousse à structure ouverte constituée par un matériau métallique bon conducteur de la chaleur et de l'électricité dont les brins sont en contact avec les parois de la structure principale. Le matériau constitutif de la mousse est du cuivre ou du nickel.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les parois en contact avec la mousse conductrice électromquement et thermiquement sont revêtues d'une mince couche électroniquement conductrice telle qu'un métal, un alliage métallique ou une laque conductrice.
Selon le deuxième mode de réalisation décrit, les contacts métalliques assurant la collecte discrète des charges et des calories sont des aiguilles qui pénètrent partiellement dans la structure principale, leur extrémité étant située entre 0,4 et 0,9 mm du plan séparant les deux pièces constituant la structure principale. Ces aiguilles pénètrent dans les électrodes d'une profondeur comprise entre 0.1 et 0,2 mm et sont réparties uniformément selon des motifs carrés, rectangulaires ou triangulaires équilatéraux.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures 3 à 6 annexées qui représentent respectivement :
•la figure 3, une vue en coupe de la partie centrale d'un collecteur bipolaire-échangeur thermique selon un premier mode de réalisation, *la figure 4, une coupe selon l'axe M-M' du collecteur bipolaire-échangeur thermique représenté sur la figure 3,
•la figure 5, une vue en coupe de la partie centrale d'un collecteur bipolaire-échangeur thermique selon un deuxième mode de réalisation,
•la figure 6, une vue de dessus du collecteur bipolaire-échangeur thermique représenté sur la figure 5.
Les différentes figures sont représentées sans tenir compte des échelles des dessins.
La présente invention résulte d'un compromis entre •une minimisation des chutes ohmiques, «101 allégement des collecteurs,
•un bon échange thermique, •une fabrication simplifiée.
Deux modes de réalisation ont été particulièrement étudiés, chacun donnant lieu à plusieurs variantes.
Premier mode de réalisation
La figure 3 représente simplement la partie centrale du collecteur-échangeur objet de la présente invention, à l'exclusion des marges où se situent les arrivées de fluides et les joints d'étanchement.
Le collecteur bipolaire-échangeur thermique est essentiellement constitué de deux pièces symétriques E et E" dont la juxtaposition suivant le plan M-M' forme les canaux F. Le matériau constitutif de ces deux pièces principales est un composite polymère-carbone dont la résistivité est de 0.1 Ω.cm. Il s'agit, par exemple, du matériau commercialisé sous la référence EMI 0683 par la société RTP France.
Par ailleurs, chacune de ces pièces principales E et E' comporte des pions C, et C,' qui s'appuient sur les électrodes A et A' pour laisser une veine libre D ou D".
Les veines D et D', d'épaisseur comprise entre 0,8 et 2 mm, sont avantageusement remplies, comme il est revendiqué dans la demande de brevet FR 98 09236, par une structure ouverte qui joue le rôle de répartiteur et homogénéificateur des flux gazeux. Dans le cas de collecteur standard, le matériau constitutif de la structure ouverte est, par exemple, un polymère dont la surface est avantageusement hydrophobe. Afin de faciliter le transfert des calories vers la partie centrale des collecteurs-échangeurs, on peut, sans que cela soit une obligation, utiliser pour le remplissage des veines D et D' une mousse métallique de faible masse surfacique (20 à 30 mg/cm") recouverte sur tous ses brins par un film hydrophobe qui, par ailleurs, évite toute corrosion du matériau constituant la mousse, celui-ci pouvant être, par exemple, du cuivre.
La hauteur des canaux F est comprise entre 1 et 4 mm. Ces canaux permettent la circulation d'un fluide caloporteur. Afin d'amplifier l'échange thermique entre le fluide caloporteur et le collecteur-échangeur, on peut disposer dans les canaux une mousse de cuivre de faible masse surfacique (20 à 50 mg/cm2). Par légère compression au montage, les brins de la mousse sont au contact des parois du collecteur.
L'épaisseur I de la partie pleine de chaque demi-collecteur est comprise entre 0,5 et 1,5 mm.
Les pions cylindriques C, et C,' ont un diamètre compris entre 3 et 4 mm, leur hauteur étant comprise entre 0,8 et 2 mm et leur répartition est telle que la surface totale de leur section ne représente qu'au maximum 3% de la surface apparente de l'électrode sur laquelle ils portent (soit deux à trois pions pour 10 cm2 d'électrode), ce qui limite l'occultation de la surface active.
Les aiguilles B, ou B,' ne traversent pas les pièces E et E' mais s'arrêtent à une distance comprise entre 0,4 et 0.9 mm du plan M-M'. Leur diamètre est compris entre 0.2 et 0.3 mm. Elles sont constituées par exemple d'inox 316 L. L'extrémité qui pénètre dans l'électrode, sur une longueur comprise entre 0.1 et 0.2 mm. est revêtue d'un dépôt évitant passivation et corrosion. La figure 4 montre la répartition des aiguilles B, et B,' : il s'agit d'une distribution suivant des motifs rectangulaires ou carrés, la distance G entre B, et B2 étant généralement supérieure à la distance H entre Bi et Bαι ou B2 et B*^
La largeur des canaux F est comprise entre 1 et 3 mm. L'espacement entre deux canaux est compris entre 1,5 et 2.5 mm ( 1 ,5 mm lorsque la largeur du canal est de 3 mm et 2,5 mm lorsque celle-ci n'est que de 1 mm). Pour une largeur de canal de 2 mm, l'espacement est de 2 mm.
La position des aiguilles étant au milieu de l'espacement entre deux canaux, il en résulte que la distance G entre deux aiguilles (distance B,-B2) est comprise entre 3 et 4,5 mm. La distance H dans l'autre axe (distance Bi et Bαι) est déterminée en fonction de la densité de courant aux électrodes ; elle est comprise entre 2 et 4,5 mm.
Les pièces en matériau composite sont avantageusement obtenues par moulage. Quant au matériau composite, il est intéressant d'utiliser le produit de référence EMI 0683 (de RTP France), qui comporte des fibres de carbone nickelées. Afin d'améliorer la liaison à l'interface entre les deux pièces principales, on pourra surfacer celle-ci ou y effectuer le dépôt d'une laque conductrice ou d'un film métallique.
L'insertion des aiguilles dans les pièces en composite peut être réalisée par différents moyens:
•insertion dans des trous déjà percés, •cloutage à chaud, •insertion au moulage.
Dans le cas d'une insertion dans des trous déjà percés, le contact électrique entre aiguille et composite pourra être amélioré en interposant une poudre ou une laque conductrice.
Deuxième mode de réalisation
La figure 5 correspond au deuxième type de réalisation de l'invention et représente la partie centrale du collecteur bipolaire-échangeur thermique, à l'exclusion des marges où se situent les arrivées de fluide et les joints d'étanchement. Le collecteur-échangeur est là encore constitué de deux pièces principales E et E". en même matériau composite conducteur électronique que celui du premier mode de réalisation, qui sont juxtaposées sur un plan séparant les pions J, et J,'.
Ces pions ont un diamètre compris entre 3 et 10 mm et leur nombre est tel que la surface de leur section soit au plus égale à 8% de la surface apparente des électrodes, leur répartition étant la plus uniforme possible. La hauteur des pions J, et J,' est comprise entre 0,5 et 2 mm. Entre ces pions se situe une veine dont la surface représente plus de 90% de la surface des électrodes et dont la hauteur K est comprise entre 1 et 4 mm.
Comme dans le premier exemple de réalisation décrit (voir la figure 3), les espaces D et D' où circulent les réactifs gazeux sont limités dans leur hauteur par des pions L, et L,' dont les caractéristiques sont identiques à celles données pour la réalisation précédente.
De la même façon, les espaces D et D' sont remplis par une structure ouverte qui assure l'homogénéification des flux gazeux.
La différence essentielle entre les deux types de réalisation réside, pour le deuxième cas, dans le fait que l'espace interne permettant les échanges thermiques occupe un volume beaucoup plus grand. De ce fait, afin non seulement d'assurer une bonne circulation du fluide caloporteur, un bon échange thermique, mais aussi une bonne conductivité électrique entre les pièces E et E', l'espace central est rempli par une mousse métallique dont les brins sont en bon contact (par mise en compression) avec les surfaces des pièces E et E', surfaces qui, avantageusement, peuvent être revêtues d'un film métallique tel que du cuivre ou du nickel.
Comme dans l'exemple précédent, la collecte des charges aux électrodes est assurée par des aiguilles B, en inox dont les pointes, qui pénètrent de 0,1 à 0,2 mm dans les électrodes A et A', sont revêtues par un dépôt évitant passivation et corrosion (voir la demande de brevet FR 98 09236).
La figure 6 représente une répartition uniforme des aiguilles B„ correspondant à un motif de type triangle équilatéral. la distance entre deux aiguilles, ou côté du triangle, ayant une dimension comprise entre 2,5 et 5 mm. Les pions L, et L,' qui s'appuient sur les électrodes ont un diamètre tel qu'ils se placent entre les aiguilles.
Dans cette configuration, la distance entre les aiguilles peut donc être plus faible que dans l'exemple précédent.
La distance O séparant la pointe des aiguilles de l'espace interne est comprise entre 0,4 et 0,9 mm.
En ce qui concerne les caractéristiques des matériaux utilisés comme les moyens de mise en oeuvre (insertion des aiguilles par exemple), les solutions sont les mêmes que celles décrites pour le premier exemple de réalisation.
L'invention ne se limite pas aux deux modes de réalisation décrits ci-dessus mais en embrasse toutes les variantes.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Collecteur bipolaire-échangeur thermique caractérisé en ce qu'il associe à la fois:
• une structure principale en un matériau conducteur électroniquement et thermiquement,
• une collecte discrète des charges et des calories assurée par des contacts métalliques répartis uniformément à la surface des électrodes et pénétrant dans la structure principale mais ne la traversant pas de part en part,
• l'utilisation de structures ouvertes non conductrices assurant l'homogénéisation de l'écoulement des réactifs gazeux .
2 - Collecteur bipolaire-échangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure principale conductrice électroniquement et thermiquement est constituée de deux pièces dont l'une au moins comprend, sur une de ses faces, des cannelures permettant la circulation d'un fluide caloporteur.
3 - Collecteur bipolaire-échangeur thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que, dans le cas où les deux pièces de la structure principale comprennent des cannelures sur une de leurs faces, lesdites faces sont juxtaposées lors de leur assemblage pour faire apparaître des canaux permettant la circulation du fluide caloporteur.
4 - Collecteur bipolaire-échangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les contacts métalliques sont des aiguilles métalliques qui pénètrent dans les parties saillantes comprises entre les canaux prévus pour la circulation du fluide caloporteur, leur extrémité étant située entre 0,4 et 0,9 mm du plan séparant les deux pièces constituant la structure principale.
5 - Collecteur bipolaire-échangeur thermique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les aiguilles pénètrent dans les électrodes d'une profondeur comprise entre 0,1 et 0,2 mm et sont réparties uniformément suivant des motifs carrés ou rectangulaires.
6 - Collecteur bipolaire-échangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est ménagé entre chaque électrode et la surface du collecteur-échangeur, à l'aide de pions placés sur les faces externes des deux pièces qui constituent la structure principale, un espace, dont l'épaisseur est comprise entre 0,8 et 2 mm et qui est rempli par une structure ouverte non conductrice.
7 - Collecteur bipolaire-échangeur thermique selon la revendication 6. caractérisé en ce que la structure ouverte non conductrice est une mousse en polymère dont la surface a, de préférence, un caractère hydrophobe.
8 - Collecteur bipolaire-échangeur thermique selon la revendication 6. caractérisé en ce que la structure ouverte non conductrice est une mousse dont l'âme est constituée par un matériau métallique conducteur de la chaleur et qui est revêtue d'une couche anticorrosion ayant un caractère hydrophobe.
9 - Collecteur bipolaire-échangeur thermique selon la revendication 6. caractérisé en ce que la structure ouverte non conductrice est constituée par un maillage en polymère, ouvert longitudinalement et dont la surface a, de préférence, un caractère hydrophobe.
10- Collecteur bipolaire-échangeur thermique selon la revendication 1. caractérisé en ce que la structure principale conductrice électromquement et thermiquement est constituée de deux pièces dont l'une au moins comprend, outre les pions ménagés sur une de leurs faces et servant à définir l'espace entre les électrodes et le collecteur-échangeur. sur leur autre face, des pions cylindriques de hauteur comprise entre 0,5 et 2 mm. ayant un diamètre compris entre 3 et 10 mm. Les deux pièces juxtaposées font apparaître un espace destiné à la circulation du fluide caloporteur.
11 - Collecteur bipolaire-échangeur thermique selon la revendication 10, caractérisé en ce que les pions cylindriques servant à ménager un espace destiné à la circulation du fluide caloporteur sont répartis uniformément à la surface du collecteur-échangeur en nombre tel que la surface totale de leur section occupe au moins 40 % de la surface apparente des électrodes.
12 - Collecteur bipolaire-échangeur thermique selon la revendication 10, caractérisé en ce que les pions cylindriques servant à ménager un espace destiné à la circulation du fluide caloporteur sont répartis uniformément à la surface du collecteur-échangeur. en nombre tel que la surface totale de leur section soit inférieure à 10 % de la surface apparente des électrodes. 13 - Collecteur bipolaire-échangeur thermique selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'espace destiné à la circulation du fluide caloporteur est rempli par une mousse à structure ouverte constituée par un matériau métallique bon conducteur de la chaleur et de l'électricité dont les brins sont en contact avec les parois de la structure principale.
14 - Collecteur bipolaire-échangeur thermique selon la revendication 13, caractérisé en ce que le matériau constitutif de la mousse est en cuivre ou en nickel.
15 - Collecteur bipolaire-échangeur thermique selon les revendications 10 et 13, caractérisé en ce que les parois en contact avec la mousse sont revêtues d'une mince couche électroniquement conductrice telle qu'un métal, un alliage métallique ou une laque conductrice.
16 - Collecteur bipolaire-échangeur thermique selon les revendications 1 et 10, caractérisé en ce que les contacts métalliques assurant la collecte discrète des charges et des calories sont des aiguilles métalliques qui pénètrent partiellement dans la structure principale, leur extrémité étant située entre 0,4 et 0,9 mm du plan séparant les deux pièces constituant la structure principale.
17 - Collecteur bipolaire-échangeur thermique selon la revendication 12, caractérisé en ce que les aiguilles pénètrent dans les électrodes d'une profondeur comprise entre 0,1 et 0,2 mm et sont réparties uniformément selon des motifs carrés, rectangulaires ou triangulaires équilatéraux.
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