EP4540877A1 - Plaque en trois dimensions pour pile a combustible, pile, utilisation et procede de fabrication correspondants - Google Patents

Plaque en trois dimensions pour pile a combustible, pile, utilisation et procede de fabrication correspondants

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EP4540877A1
EP4540877A1 EP23734233.2A EP23734233A EP4540877A1 EP 4540877 A1 EP4540877 A1 EP 4540877A1 EP 23734233 A EP23734233 A EP 23734233A EP 4540877 A1 EP4540877 A1 EP 4540877A1
Authority
EP
European Patent Office
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plate
channels
section
plates
undulations
Prior art date
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Pending
Application number
EP23734233.2A
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German (de)
English (en)
Inventor
Fabien GUIMARD
Hadrien DUFOUR
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Hopium
Original Assignee
Hopium
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Filing date
Publication date
Application filed by Hopium filed Critical Hopium
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Pending legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/026—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/0265—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant the reactant or coolant channels having varying cross sections
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • TITLE Three-dimensional plate for fuel cell, cell, corresponding use and manufacturing process.
  • the field of the invention is that of hydrogen fuel cells. More precisely, the invention concerns the improvement of such fuel cells, and in particular of the bipolar and monopolar plates of which they are made.
  • a hydrogen fuel cell is based on the principle illustrated in Figure 1, and produces electrical energy through a chemical reaction between dihydrogen (H2) and oxygen (O2). This chemical reaction is described by the equations below:
  • the anode A is therefore the element in which the oxidation occurs: H2 ->2H + + 2e _
  • the cathode C is the element in which the reduction occurs: O2 + 4H + + 4e _ -> 2H2O.
  • the electrons e" circulate (F8) between the anode A and the cathode C, producing an electric current E, which is used to drive an electric motor and/or charge a battery.
  • the structure of a fuel cell, implementing this chemical reaction, is illustrated in Figure 2.
  • the cell 21 is made up of a stack of cells 22, placed between two end plates 23i and 232.
  • the constituent elements of a cell 22 are detailed, exploded, in Figure 3. It comprises two plates, bipolar or monopolar, between which an electrolyte membrane is placed. Monopolar plates are the first and last plates in the stack of cells. They generally have the same design as a bipolar plate, but the inlets are closed so that the plate does not receive any of the gases.
  • the battery thus comprises a cathode monopolar plate not receiving dihydrogen and an anodic monopolar plate not receiving dioxygen.
  • the bipolar plates stacked between the two monopolar plates, are constituted by the assembly of two metal half-plates 31, 32 (an anode half-plate 31 and a cathode half-plate 32), which can be welded, brazed or glued .
  • a space between the two metal half-plates is defined by the forming of these to define on the one hand zones 33, 34 receiving a cooling liquid and on the other hand channels allowing the circulation of gases, respectively hydrogen and oxygen (extracted from the air).
  • MEA 35 membranes are inserted between the half-plates.
  • Such plates are also not easy to manufacture and assemble. In particular, they have poor rigidity along their length, which leads to the use of relatively thick, therefore heavy, strips and requires the use of manufacturing techniques that are poorly suited to mass production, such as brazing or multiple welds.
  • the invention meets at least part of this need using a new type of bipolar or monopolar plate for a proton exchange membrane fuel cell, each having first channels for circulating reactive gases, respectively dihydrogen. and air, and second channels for circulating a heat transfer fluid.
  • said first and said second channels extend in orthogonal directions (DI, D2), respectively along the length and width of said plate and follow a path defining undulations in an undulation plane substantially perpendicular to the main plane of said plate, and said channels have a variable section between a maximum section (S ma x) and a minimum section (S m in), said minimum section (S m in) corresponding to the locations where one of said first channels crosses one of said second channels.
  • the plate and in particular its active surface, that is to say the surface ensuring the exchange of protons, located opposite the membrane, is defined in three dimensions, and not according to a plan. It has undulations, or “hollows” and “bumps”, determined so as to optimize the pressure of said gases and/or the flow rate of said heat transfer fluid.
  • said first channels extend in a direction orthogonal to the direction of said second channels, and parallel to the length and width of the plate respectively, crossing each other and following the undulations.
  • the channels have a variable section, so as to optimize the pressure of said gases and/or the current density delivered by said plate.
  • said lines defining undulations and/or said variable sections are defined by the finite element method, according to at least one criterion belonging to the following group: optimization of the fluid distribution in said channels; optimization of the rigidity of each plate; limitation of the thickness of a battery cell, formed by a first plate, a membrane and a second plate.
  • the plate is made by assembling two complementary half-plates, formed in three dimensions, so as to define said undulations.
  • the half-plates can in particular be obtained by hydroforming.
  • said section varies so that the ratio between the maximum section S ma x and the minimum section S m in is between 1.2 and 2, of the order of 1.6 for example.
  • said half-plates are made from thinner strips than those conventionally used, for example in 316L stainless steel with a double carbon coating, with a thickness of 0.075 mm.
  • the invention also relates to fuel cells comprising a stack of plates as described above.
  • the invention also relates to the uses of such batteries, in particular for at least one of the applications belonging to the group comprising: motor vehicles; utility vehicles; buses or trucks; the boats ; aircraft; railway vehicles; generators;
  • the invention also relates to a method of manufacturing a bipolar or monopolar plate as described above, comprising in particular the following steps: manufacturing two complementary half-plates in which said first and said second channels extend in directions (DI, D2) orthogonal, respectively according to the length and width of said plate and follow a path defining undulations in an undulation plane substantially perpendicular to the main plane of said plate, and said channels have a variable section between a maximum section (S ma x) and a section minimum (S m in), said minimum section (S m in) corresponding to the locations where one of said first channels crosses one of said second channels; assembly of said complementary half-plates, so that said first and/or said second channels follow a path defining undulations in an undulation plane substantially perpendicular to the main plane of said plate.
  • the manufacture of half-plates can in particular be carried out by hydroforming.
  • FIG 2 Figure 2, already described in the preamble, presents the structure of a fuel cell, comprising a stack of cells;
  • FIG 3 Figure 3, already described in the preamble, presents the constituent elements of a cell of Figure 2, exploded;
  • FIG 4 Figure 4 schematically illustrates the main elements of a bipolar plate of the cell of Figure 3;
  • Figures 5A and 5B respectively illustrate the path of the gas flow (dihydrogen or air) and the path of the heat transfer fluid, following undulations (only a portion of the half-plate is represented) ;
  • Figure 6 is another view of a portion of the half-plate, showing the undulations in the two orthogonal directions defined by the channels;
  • FIG 7 Figure 7 schematically illustrates an example of undulation
  • Figure 8 illustrates the variation in the section of a gas channel.
  • the invention applies to the manufacture of bipolar or monopolar plates intended to form a fuel cell.
  • a bipolar plate For information purposes, the main aspects of a bipolar plate are described below.
  • active zone AZ this is the location where the reaction takes place, made up of numerous channels.
  • One of the difficulties in designing these plates is the need to provide homogeneous gas distribution and not to over- or under-feed the channels.
  • the surface of the active zone of the plate is the same as that of the active zone of the AME;
  • HZ homogenization zone location in which the flows mix to supply the channels of the active zone with the same quantity of gas/coolant. It can be compared to a funnel, going from a flow inlet towards the start of the active zone;
  • ABP anti-bypass zone an anti-bypass zone is necessary for mechanical reasons such as good maintenance of the AME and/or good compression of the joint. It is then necessary to avoid a bypass effect for the gases, which could induce drops in gas pressure, and therefore the efficiency of the entire system;
  • M collectors the collectors (“manifolds” in English) are elements affecting the sizing, including inlets and outlets for each gas and the refrigerant fluid. Generally, their position and dimensions define the overall dimensions of the plate;
  • Inlets I The inlets are what allow the gas and refrigerant liquid to go from the manifolds to the gas or refrigerant liquid side of the plate;
  • Guiding interfaces G elements helping to hold the stack in position during the stacking process
  • V measuring electrodes allowing a pin or special device to be connected between the anode and cathode to make measurements;
  • Data matrix allowing precise identification of the plate. It may in particular bear a serial number, a supplier identification number, a time, a date of manufacture, etc. Its dimensions are generally 4x4 or 5x5 mm; Keying device (“Poka-Yoke” in English): mechanical element which constrains the positioning of the half-plates;
  • Welds holding the half-plates together, they can be waterproof or simply intended to reinforce the structure.
  • the invention therefore proposes a new approach to bipolar or monopolar plates, according to which the active zone thereof, that is to say substantially the zone facing the membrane, allows the flows of gas and heat transfer fluid to move in the three dimensions of space.
  • the channels 51 intended for the gas and the channels 52 intended for the heat transfer fluid extend along orthogonal directions DI, D2, respectively according to the length and width of the plate, and intersect.
  • these channels have undulations in both directions, the surface of the active part therefore not being flat, but having "hollows” and "bumps", as can be seen in particular in Figure 6.
  • the inventors determined, taking into account in particular the tangency constraints of the fluid channels, a difference between the radius R and the half-period %P less than or equal to 20% was effective, so as not to make the torque too strong ( radius; half-period) and to obtain a balance between undulations that are too pronounced and undulations that are too slight.
  • the dimensions can be of the order of:
  • %P between 8 and 12 mm;
  • A between 16 and 24 mm.
  • the relative proportions of these geometric constraints allow a significant reduction in the thickness of the assembly of two strips, independently of the material thickness of the strip.
  • the proportional links between the channel sections, their respective directions and the arrangement of the "bumps" allow, while ensuring very good fluid distribution, to obtain a plate rigidity allowing industrialization and classic assembly, a very low thickness of battery cell (bipolar plate - membrane assembly - bipolar plate), which may be less than mm.
  • the dimensions of the half-plate can be of the order of: length: between 250 and 350 mm; width: between 150 and 200 mm.
  • the number of gas channels is for example between 50 and 100.
  • the number of heat transfer fluid channels can also be between 50 and 100.
  • the section of the channels is varied.
  • the active zones according to the prior art which have channels for the conveyance of fluids of constant section, introduce heating and generate inhomogeneous partial pressures. In addition, this affects the rigidity of the plate.
  • the maximum section S ma x corresponds to a location where the maximum height H of the gas channel and the minimum section S m in to a location where the gas channel crosses a heat transfer fluid channel (crossing, or "cross-channel” in English), the height being reduced to the minimum height h.
  • the minimum section corresponds to a location where a first channel crosses a second orthogonal channel.
  • the dimensions can be of the order of: H: between 0.2 and 0.35 mm; h: between 0.1 and 0.15 mm;
  • the plots defining the undulations and/or the variable sections can in particular be defined by the finite element method, so as to maximize one or more criteria, and in particular: optimization of the fluid distribution in said channels; optimization of the rigidity of each plate; limitation of the thickness of a battery cell, formed by a first plate, a membrane and a second plate.
  • the approach of the invention makes it possible to manufacture half-plates from thinner strips than those conventionally used, for example in 316L stainless steel with a double carbon coating, with a thickness of 0.075 mm. Indeed, three-dimensional forming makes it possible to reinforce rigidity (a classic flat plate can tend to deform), and therefore to limit possible alignment defects. This makes it possible to produce batteries requiring less material, and therefore less heavy and less expensive.
  • the three-dimensional shape, the half-plates presenting undulations in two orthogonal directions (corresponding to the directions of the channels) and/or the presence of channels of variable sections require particular care during the production of the half-plates, for example by stamping or molding.
  • a preferred manufacturing method is hydroforming, which has many advantages, such as precision in process repeatability, elasticity after forming, homogeneity of wall thickness, efficiency of contact areas , adaptability...
  • this shape and/or the reduced thickness of the strips can allow a simpler and more reliable assembly of the two half-plates forming each plate, in particular for the joining of the half-plates, for example by welding, and for the assembly of the plates to form a stack.
  • the stack of 300 plates, per example, to form a battery, is therefore simplified and more efficient, which in particular reduces the risk of loss of sealing.
  • the invention thus makes it possible to obtain very efficient plates and batteries, suitable for numerous applications, for example in motor vehicles, and more generally in any type of vehicle or means carrying fuel cells.
  • the invention can also be used with membranes of different formats depending on the cells, so as to define several dimensions of active zones, and therefore cells of different power from identical plates. This is made possible in particular by the homogeneity obtained thanks to the approach of the invention.

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Abstract

L'invention concerne une plaque bipolaire ou monopolaire pour pile à combustible à membrane échangeuse de protons, présentant chacune des premiers canaux de circulation de gaz réactifs, respectivement de dihydrogène et d'air, et des seconds canaux de circulation d'un fluide caloporteur. Lesdits premiers et lesdits seconds canaux s'étendent selon des directions (D1, D2) orthogonales, respectivement selon la longueur et la largeur de ladite plaque et suivent un tracé définissant des ondulations dans un plan d'ondulation sensiblement perpendiculaire au plan principal de ladite plaque, et lesdits canaux présentent une section variable entre une section maximale (Smax) et une section minimale (Smin), ladite section minimale (Smin) correspondant aux emplacements où un desdits premiers canaux croise un desdits seconds canaux.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Plaque en trois dimensions pour pile à combustible, pile, utilisation et procédé de fabrication correspondants.
1. Domaine de l'invention
Le domaine de l'invention est celui des piles à combustible à hydrogène. Plus précisément, l'invention concerne l'amélioration de telles piles à combustible, et en particulier des plaques bipolaires et monopolaires dont elles sont constituées.
De telles plaques, et donc de telles piles, trouvent des applications dans de nombreux domaines, dès lors qu'il est nécessaire de produire de l'énergie électrique, notamment de façon autonome, par exemple dans des véhicules (automobiles, utilitaires, camions, bus, trains, bateaux, aéronefs...), des groupes électrogènes...
2. Art antérieur
Le principe de la pile à combustible est connu depuis de très nombreuses années. Il a été notamment mis en oeuvre dans le domaine spatial, et de nombreux projets ont également été développés par différents constructeurs automobiles.
Une pile à combustible à hydrogène repose sur le principe illustré en Figure 1, et produit de l'énergie électrique par une réaction chimique entre le dihydrogène (H2) et le dioxygène (O2). Cette réaction chimique est décrite par les équations ci-dessous :
[Chem 1] H2 -> 2H+ + 2e
O2 + 4 H+ + 2e -> 2H2O
H2 + I/2O2 -> H2O rH < 0
Le terme facultatif ArH < 0 indique seulement que la réaction est exothermique.
Cette réaction se produit dans ce que l'on appelle une zone active d'un assemblage d'une membrane électrolyte et d'électrodes (AME - ou MEA en anglais, pour "Membrane Electrode Assembly"), c'est-à-dire un empilement de membranes permettant l'échange d'ions H+, placé entre une anode, recevant du dihydrogène depuis un réservoir, et une cathode par recevant du dioxygène (O2) à partir de l'air extérieur. Comme illustré sur la Figure 1, le carburant, le dihydrogène (F ), est introduit (Fl) dans la pile, pour venir en contact avec l'anode A. Une partie du dihydrogène pénètre (F2) dans l'anode A, dans laquelle les molécules de dihydrogène sont séparées en électrons e" et en ions H+ qui traversent l'électrolyte E vers la cathode C. Cette dernière est en contact avec l'air amené depuis l'extérieur (F3) dont les molécules de dioxygène O2 (F4) se combinent avec les ions H+ et les électrons e" pour produire (F5) de l'eau (H2O). Cette eau (F6) et l'air non utilisé (F7) sont évacués.
L'anode A est donc l'élément dans lequel se produit l'oxydation : H2 ->2H+ + 2e_, et la cathode C est l'élément dans lequel se produit la réduction : O2 + 4H+ + 4e_ -> 2H2O. Les électrons e" circulent (F8) entre l'anode A et la cathode C, produisant un courant électrique E, qui est utilisé pour entrainer un moteur électrique et/ou charger une batterie.
Cette réaction est exothermique, et les différents éléments constitutifs de la pile peuvent s'échauffer rapidement. Le système entier doit donc être refroidi. La conception des pièces mécaniques doit en conséquence être adaptée pour être alimentée en liquide de refroidissement, ou liquide caloporteur.
La structure d'une pile à combustible, mettant en oeuvre cette réaction chimique, est illustrée sur la Figure 2. La pile 21 est constituée d'un empilement de cellules 22, placées entre deux plaques d'extrémité 23i et 232.
Les éléments constitutifs d'une cellule 22 sont détaillés, en éclaté, en Figure 3. Elle comprend deux plaques, bipolaires ou monopolaires, entre lesquelles est placée une membrane électrolyte. Les plaques monopolaires sont les premières et les dernières plaques de l'empilement des cellules. Elles ont généralement le même design qu'une plaque bipolaire, mais des entrées sont fermées de sorte que la plaque ne reçoit pas l'un des gaz. La pile comprend ainsi une plaque monopolaire cathodique ne recevant pas de dihydrogène et une plaque monopolaire anodique ne recevant pas de dioxygène.
Les plaques bipolaires, empilées entre les deux plaques monopolaires, sont constituées par l'assemblage de deux demi-plaques métalliques 31, 32 (une demi-plaque anodique 31 et une demi-plaque cathodique 32), qui peuvent être soudées, brasées ou collées. Un espace entre les deux demi-plaques métalliques est défini par le formage de celles-ci pour définir d'une part des zones 33, 34 recevant un liquide de refroidissement et d'autre part des canaux permettant la circulation des gaz, respectivement dihydrogène et dioxygène (extrait de l'air). Des membranes MEA 35 sont intercalées entre les demi-plaques.
Une des difficultés de la conception des piles à combustible, et de ces plaques en particulier, est l'optimisation et l'homogénéisation du trajet de ce liquide de refroidissement, qui est généralement imposé par ce qui a été conçu pour la circulation des gaz des parties anodique et cathodique.
On connaît différents types de canaux pour la circulation des gaz, notamment des canaux droits, parallèles les uns aux autres, en serpentins ou en zig-zag, s'étendant sur une partie active de la plaque.
L'efficacité de ces plaques n'est pas parfaite. Malgré les efforts des concepteurs, on constate des variations significatives de la pression des gaz, notamment de l'oxygène, dans la surface active, et une distribution non homogène du fluide caloporteur, en particulier partielle en milieu de plaque. Ceci introduit une inhomogénéité thermique, notamment la présence de points chauds.
En conséquence, ceci introduit une inhomogénéité de la création du courant électrique dans la plaque.
De telles plaques sont en outre peu aisées à fabriquées et à assembler. Elles présentent notamment une mauvaise rigidité sur leur longueur, ce qui conduit à utiliser des feuillards relativement épais, donc lourds, et impose l'utilisation de techniques de fabrication peu adaptées à la production en série, telles que le brasage ou des soudures multiples.
Il y a donc un besoin d'une nouvelle approche pour la réalisation de telles plaques, pour permettre une production plus adaptée aux exigences de la série et/ou pour améliorer leur efficacité.
3. Caractéristiques principales de l'invention
L'invention répond à au moins une partie de ce besoin à l'aide d'un nouveau type de plaque bipolaire ou monopolaire pour pile à combustible à membrane échangeuse de protons, présentant chacune des premiers canaux de circulation de gaz réactifs, respectivement de dihydrogène et d'air, et des seconds canaux de circulation d'un fluide caloporteur.
Selon l'invention, lesdits premiers et lesdits seconds canaux s'étendent selon des directions (DI, D2) orthogonales, respectivement selon la longueur et la largeur de ladite plaque et suivent un tracé définissant des ondulations dans un plan d'ondulation sensiblement perpendiculaire au plan principal de ladite plaque, et lesdits canaux présentent une section variable entre une section maximale (Smax) et une section minimale (Smin), ladite section minimale (Smin) correspondant aux emplacements où un desdits premiers canaux croise un desdits seconds canaux.
En d'autres termes, la plaque, et en particulier sa surface active, c'est-à-dire la surface assurant l'échange de protons, se trouvant en regard de la membrane, est définie en trois dimensions, et non selon un plan. Elle présente des ondulations, ou des "creux" et des "bosses", déterminées de façon à optimiser la pression desdits gaz et/ou le débit dudit fluide caloporteur.
De plus, lesdits premiers canaux s'étendent dans une direction orthogonale à la direction desdits seconds canaux, et parallèlement à la longueur et à la largeur de la plaque respectivement, en se croisant et en suivant les ondulations.
Enfin, les canaux présentent une section variable, de façon à notamment optimiser la pression desdits gaz et/ou la densité de courant délivrée par ladite plaque.
Cette combinaison de croisement des canaux et de sections variables permet d'améliorer le rendement des plaques, tout en optimisant leur rigidité et en limitant leur épaisseur.
Selon un mode de réalisation particulier, lesdits tracés définissant des ondulations et/ou lesdits sections variables sont définis par la méthode des éléments finis, selon au moins un critère appartenant au groupe suivant : optimisation de la distribution fluidique dans lesdits canaux ; optimisation de la rigidité de chaque plaque ; limitation de l'épaisseur d'une cellule de pile, formée par une première plaque, une membrane et une seconde plaque.
Cette approche permet de caractériser efficacement les dimensions et formes des plaques.
Notamment, il est ainsi possible de produire industriellement une cellule de pile, formée par une première plaque, une membrane et une seconde plaque bipolaire, inférieure à 1 mm. Selon un mode de réalisation particulier, la plaque est réalisée par assemblage de deux demi-plaques complémentaires, formées en trois dimensions, de façon à définir lesdites ondulations.
Les demi-plaques peuvent notamment être obtenues par hydroformage.
Selon un mode de réalisation particulier, lesdites ondulations présentent un rayon (R) et une période (P) tels que R = P ± 20%.
Selon un mode de réalisation particulier, ladite section varie de façon que le ratio entre la section maximale Smax et la section minimale Smin soit compris entre 1,2 et 2, de l'ordre de 1,6 par exemple.
Selon un mode de réalisation particulier, lesdites demi-plaques sont réalisées à partir de feuillards plus fins que ceux classiquement utilisés, par exemple en acier inoxydable 316L avec un double revêtement carbone, d'une épaisseur de 0,075 mm.
L'invention concerne également les piles à combustible comprenant un empilement de plaques telles que décrites ci-dessus.
L'invention concerne encore les utilisations de telles piles, notamment pour au moins une des applications appartenant au groupe comprenant : les véhicules automobiles ; les véhicules utilitaires ; les autobus ou les camions ; les bateaux ; les aéronefs ; les véhicules ferroviaires ; les groupes électrogènes ;
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une plaque bipolaire ou monopolaire telle que décrite ci-dessus, comprenant notamment les étapes suivantes : fabrication de deux demi-plaques complémentaires dans lesquelles lesdits premiers et lesdits seconds canaux s'étendent selon des directions (DI, D2) orthogonales, respectivement selon la longueur et la largeur de ladite plaque et suivent un tracé définissant des ondulations dans un plan d'ondulation sensiblement perpendiculaire au plan principal de ladite plaque, et lesdits canaux présentent une section variable entre une section maximale (Smax) et une section minimale (Smin), ladite section minimale (Smin) correspondant aux emplacements où un desdits premiers canaux croise un desdits seconds canaux ; assemblage desdites demi-plaques complémentaires, de façon que lesdits premiers et/ou lesdits seconds canaux suivent un tracé définissant des ondulations dans un plan d'ondulation sensiblement perpendiculaire au plan principal de ladite plaque.
La fabrication des demi-plaques peut notamment être effectuée par hydroformage.
4. liste des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de mise en oeuvre, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des figures annexées parmi lesquels :
[Fig 1] : la figure 1, déjà décrite en préambule, illustre le principe général d'une pile à combustible ;
[Fig 2] : la figure 2, déjà décrite en préambule, présente la structure d'une pile à combustible, comprenant un empilement de cellules ;
[Fig 3] : la figure 3, déjà décrite en préambule, présente les éléments constitutifs d'une cellule de la figure 2, en éclaté ;
[Fig 4] : la figure 4 illustre schématiquement les principaux éléments d'une plaque bipolaire de la cellule de la figure 3 ;
[Fig 5A], [Fig 5B] : les figures 5A et 5B illustrent respectivement le trajet du flux de gaz (dihydrogène ou air) et le trajet du fluide caloporteur, suivant des ondulations (seule une portion de la demi-plaque est représentée) ;
[Fig 6] : la figure 6 est une autre vue d'une portion de la demi-plaque, faisant apparaître les ondulations selon les deux directions orthogonales définies par les canaux ;
[Fig 7] : la figure 7 illustre schématiquement un exemple d'ondulation ;
[Fig 8] : la figure 8 illustre la variation de la section d'un canal de gaz.
5. Description d'un mode de réalisation particulier
5.1 Éléments principaux d'une plaque bipolaire
L'invention s'applique à la fabrication de plaques, bipolaires ou monopolaires, destinées à former une pile à combustible. A titre indicatif, on décrit ci-après les principaux aspects d'une plaque bipolaire. Comme illustré schématiquement sur l'exemple de la Figure 4, Il existe plusieurs zones essentielles dans une plaque bipolaire : zone active AZ : il s'agit de l'emplacement où la réaction a lieu, constituée de nombreux canaux. Une des difficultés de conception de ces plaques est la nécessité de fournir une répartition homogène du gaz et de ne pas suralimenter ou sous-alimenter les canaux. La surface de la zone active de la plaque est la même que celle de la zone active de l'AME ;
Zone d'homogénéisation HZ : emplacement dans lequel les flux se mélangent pour alimenter les canaux de la zone active avec la même quantité de gaz/liquide de refroidissement. Elle est assimilable à un entonnoir, allant d'une arrivée de flux vers le début de la zone active ;
Zone anti-bypass ABP : une zone anti-by-pass est nécessaire pour des raisons mécaniques telles qu'un bon maintien de l'AME et/ou une bonne compression du joint. Il est ensuite nécessaire d'éviter un effet de dérivation pour les gaz, qui pourrait induire des chutes de pression des gaz, et donc l'efficacité de l'ensemble du système ;
Collecteurs M : les collecteurs ("manifolds" en anglais) sont des éléments agissant sur le dimensionnement, comprenant des entrées et des sorties pour chaque gaz et le fluide réfrigérant. Généralement, leur position et leurs dimensions définissent les dimensions globales de la plaque ;
Entrées I : les entrées sont ce qui permet au gaz et au liquide réfrigérant d'aller des collecteurs vers le côté gaz ou liquide réfrigérant de la plaque ;
Interfaces de guidage G : éléments aidant à maintenir la pile en position pendant le processus d'empilage ;
Électrodes de mesure V : permettant de brancher une broche ou un dispositif spécial entre l'anode et la cathode pour effectuer des mesures ;
Matrice de données : permettant une identification précise de la plaque. Elle peut notamment porter un numéro de série, un numéro d'identification du fournisseur, une heure, une date de fabrication, etc. Ses dimensions sont généralement de 4x4 ou 5x5 mm ; Détrompeur ("Poka-Yoke" en anglais) : élément mécanique qui contraint le positionnement des demies-plaques ;
Soudures : maintenant les demi-plaques ensemble, elles peuvent être étanches ou simplement destinées à renforcer la structure.
5.2 topologie en trois dimensions (3D)
L'invention propose donc une nouvelle approche des plaques bipolaires ou monopolaires, selon laquelle la zone active de celle-ci, c'est-à-dire sensiblement la zone en regard de la membrane, permet aux flux de gaz et de fluide caloporteur de se déplacer dans les trois dimensions de l'espace.
Plus précisément, comme illustré par les figures 5A et 5B, représentant respectivement le trajet du flux de gaz (dihydrogène ou air) et le trajet du fluide caloporteur, les canaux 51 destinés au gaz et les canaux 52 destinés au fluide caloporteur s'étendent selon des directions DI, D2 orthogonales, respectivement selon la longueur et la largeur de la plaque, et se croisent. En outre, ces canaux présentent des ondulations selon les deux directions, la surface de la partie active n'étant donc pas plane, mais présentant des "creux" et des "bosses", comme on le constate notamment sur la figure 6.
Cette approche présente, par rapport à l'art antérieur selon lequel les canaux s'étendent dans un plan, le plan défini par la plaque, peut présenter de nombreux avantages, selon les mises en oeuvre : amélioration de la convection thermique, permettant de diminuer le débit et/ou d'améliorer le rendement du système ; meilleure rigidité de la plaque et/ou gain de poids, rendant possible la réduction de l'épaisseur du feuillard ; amélioration du contact électrique et diminution de la résistance électrique de contact ; facilitation de l'assemblage de la pile, et notamment de l'alignement des cellules entre elles, permettant en particulier d'éviter des problèmes d'étanchéité ; homogénéisation de la pression partielle d'oxygène le long de la surface active ; homogénéisation de la création de courant et amélioration de la densité de courant. La figure 7 illustre schématiquement un exemple d'ondulations, caractérisée par sa longueur, ou période, P et son rayon R, ou hauteur maximale de l'ondulation. Bien sûr, la forme de l'ondulation peut être différente de celle illustrée.
Les inventeurs ont déterminé, en tenant compte notamment des contraintes de tangence des canaux fluides, un écart entre le rayon R et la demi-période %P inférieur ou égal à 20% était efficace, de façon à ne pas faire trop fortement le couple (rayon ; demi-période) et à obtenir un équilibre entre des ondulations trop prononcées et des ondulations trop ténues. On choisit ainsi des valeurs de %P et de R identiques ou proches, par exemple : R = P ± 20%.
A titre indicatif, les dimensions peuvent être de l'ordre de :
%P : compris entre 8 et 12 mm ;
R : compris entre 16 et 24 mm.
Comme illustré sur la figure 7, on pourra par exemple mettre en oeuvre un rayon R de 20 mm et une demi-période de 10 mm.
Les proportions relatives de ces contraintes géométriques permettent une réduction significative de l'épaisseur de l'assemblage de deux feuillards, indépendamment de l'épaisseur matériau du feuillard. Les liens proportionnels entre les sections de canaux, leurs directions respectives et l'agencement des « bosses » permettent, tout en assurant une très bonne distribution fluidique, d'obtenir une rigidité de plaque autorisant une industrialisation et un assemblage classique, une très faible épaisseur de cellule de pile (plaque bipolaire - assemblage membrane - plaque bipolaire), pouvant être inférieure au mm.
Il est important de noter que la détermination de ces dimensions ne repose pas sur de simples choix parmi quelques possibilités, mais reposent sur des résultats de recherches longues et non évidentes, pour répondre à plusieurs exigences d'efficacité et d'industrialisation, bien supérieures aux plaques connues précédemment.
Plus généralement, les dimensions de la demi-plaque peuvent être de l'ordre de : longueur : comprise entre 250 et 350 mm ; largeur : comprise entre 150 et 200 mm.
Le nombre de canaux de gaz est par exemple compris entre 50 et 100. Le nombre de canaux de fluide caloporteur peut également être compris entre 50 et 100. 5.3 canaux de section variable
Selon un autre aspect de l'invention, qui peut le cas échéant être mis en oeuvre indépendamment de la topologie 3D décrite ci-dessus, on fait varier la section des canaux. En effet, les inventeurs ont constaté que les zones actives selon l'art antérieur, qui présentent des canaux pour l'acheminement des fluides de section constante, introduisent des échauffements et génèrent des pressions partielles inhomogènes. En outre, ceci nuit à la rigidité de la plaque.
Pour pallier ces problèmes, on prévoit notamment des canaux de gaz dont la section varie périodiquement, comme illustré par la figure 8, sur laquelle on constate que, le long du trajet 81 du fluide, la section du canal varie entre une section maximale Smax 82 et une section minimale Smin 83.
Ceci permet notamment d'améliorer la rigidité de la plaque, d'obtenir une meilleure convection thermique, d'équilibrer les pressions partielles et/ou d'obtenir un meilleur contact électrique.
Selon un mode de réalisation, la section maximale Smax correspond à un emplacement où la hauteur maximale H du canal de gaz et la section minimale Smin à un emplacement où le canal de gaz croise un canal de fluide caloporteur (croisement, ou "cross-channel" en anglais), la hauteur étant ramené à la hauteur minimale h.
La section minimale correspond à un emplacement ou un premier canal croise un second canal orthogonal.
Le ratio entre H et h est de préférence compris entre 2 et 3, et par exemple tel que H = 2,5 * h.
Par simplification, on considère que la largeur L du canal, qui varie peu, est constante. Ainsi, la section Smax vaut approximativement L * H, et la section Smin approximativement (H - h) * L.
On choisit donc de préférence un ratio de variation de section Smax / Smin compris entre 1,5 et 2, par exemple de l'ordre de 1,6.
Il convient de noter que cette figure 8 illustre une portion d'une demie-plaque, et donc une demi-section des canaux qui sont obtenus par l'assemblage de deux demi-plaques, pour former une plaque complète. Les ratios restent cependant bien évidemment les mêmes.
A titre d'exemple indicatif, les dimensions peuvent être de l'ordre de : H : compris entre 0,2 et 0,35 mm ; h : compris entre 0,1 et 0,15 mm ;
L : compris entre 0,5 et 1,3 mm.
Les tracés définissant les ondulations et/ou les sections variables peuvent notamment être définis par la méthode des éléments finis, de façon à maximiser un ou plusieurs critères, et notamment : optimisation de la distribution fluidique dans lesdits canaux ; optimisation de la rigidité de chaque plaque ; limitation de l'épaisseur d'une cellule de pile, formée par une première plaque, une membrane et une seconde plaque.
Ces tracés peuvent définir un motif de canaux répété plusieurs fois.
5.4 fabrication et assemblage
L'approche de l'invention permet de fabriquer des demi-plaques à partir de feuillards plus fins que ceux classiquement utilisés, par exemple en acier inoxydable 316L avec un double revêtement carbone, d'une épaisseur de 0,075 mm. En effet, le formage en trois dimensions permet de renforcer la rigidité (une plaque plane classique peut avoir tendance à se déformer), et donc de limiter les éventuels défauts d'alignement. Ceci permet de réaliser des piles nécessitant moins de matière, et donc moins lourdes et moins coûteuses.
Bien entendu, la forme en trois dimensions, les demi-plaques présentant des ondulations selon deux directions orthogonales (correspondant aux directions des canaux) et/ou la présence de canaux de sections variables nécessitent un soin particulier lors de la production des demi-plaques, par exemple par emboutissage ou moulage. Un mode de fabrication préféré est l'hydroformage, qui présente de nombreux avantages, tels que la précision dans la répétabilité du processus, l'élasticité après formage, l'homogénéité de l'épaisseur de la paroi, l'efficacité des zones de contact, l'adaptabilité...
En revanche, cette forme et/ou l'épaisseur réduite des feuillards peuvent permettre un assemblage plus simple et plus fiable des deux demi-plaques formant chaque plaque, notamment pour la solidarisation des demi-plaques, par exemple par soudure, et pour l'assemblage des plaques pour former une pile. L'empilement de 300 plaques, par exemple, pour former une pile, est donc simplifié et plus efficace, ce qui permet notamment de réduire le risque de perte d'étanchéité.
Selon l'art antérieur, il est nécessaire d'effectuer une homogénéisation de la surface de la plaque. En revanche, ceci n'est pas nécessaire selon l'approche de l'invention, qui permet d'obtenir un courant homogène, autant que possible, et donc d'éviter la présence de points chauds, introduisant des risques de détérioration et de contamination, sans traitement supplémentaire.
L'invention permet ainsi d'obtenir des plaques et des piles très efficaces, adaptées à de nombreuses applications, par exemple dans les véhicules automobiles, et plus généralement dans tout type de véhicule ou de moyen embarquant des piles à combustible.
L'invention peut par ailleurs être utilisée avec des membranes de différents formats selon les piles, de façon à définir plusieurs dimensions de zones actives, et donc des piles de puissance différentes à partir de plaques identiques. Ceci est notamment rendu possible par l'homogénéité obtenue grâce à l'approche de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Plaque bipolaire ou monopolaire pour pile à combustible à membrane échangeuse de protons, présentant chacune des premiers canaux de circulation de gaz réactifs, respectivement de dihydrogène et d'air, et des seconds canaux de circulation d'un fluide caloporteur, caractérisée en ce que lesdits premiers et lesdits seconds canaux s'étendent selon des directions (DI, D2) orthogonales, respectivement selon la longueur et la largeur de ladite plaque et suivent un tracé définissant des ondulations dans un plan d'ondulation sensiblement perpendiculaire au plan principal de ladite plaque, et en ce que lesdits canaux présentent une section variable entre une section maximale (Smax) et une section minimale (Smin), ladite section minimale (Smin) correspondant aux emplacements où un desdits premiers canaux croise un desdits seconds canaux.
2. Plaque selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits tracés définissant des ondulations et/ou lesdits sections variables sont définis par la méthode des éléments finis, selon au moins un critère appartenant au groupe suivant : optimisation de la distribution fluidique dans lesdits canaux ; optimisation de la rigidité de chaque plaque ; limitation de l'épaisseur d'une cellule de pile, formée par une première plaque, une membrane et une seconde plaque.
3. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'elle est réalisée par assemblage de deux demi-plaques complémentaires, formées en trois dimensions, de façon à définir lesdites ondulations.
4. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que lesdites ondulations présentent un rayon (R) et une période (P) tels que R = P ± 20%.
5. Plaque selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisée en ce que ladite section varie de façon que le ratio entre la section maximale (Smax) et la section minimale (Smin) soit de l'ordre de 1,6.
6. Plaque selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle permet la réalisation d'une cellule de pile, formée par une première plaque, une membrane et une seconde plaque, d'épaisseur inférieure à 1 mm.
7. Pile à combustible comprenant un empilement de plaques selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.
8. Utilisation d'une pile à combustible selon la revendication 7 pour au moins une des applications appartenant au groupe comprenant : les véhicules automobiles ; les véhicules utilitaires ; les autobus ou les camions ; les bateaux ; les aéronefs ; les véhicules ferroviaires ; les groupes électrogènes.
9. Procédé de fabrication d'une plaque bipolaire ou monopolaire pour pile à combustible à membrane échangeuse de protons, présentant chacune des premiers canaux de circulation de gaz réactifs, respectivement de dihydrogène et d'air, et des seconds canaux de circulation d'un fluide caloporteur, caractérisée en ce qu'il comprend les étapes suivantes : fabrication de deux demi-plaques complémentaires dans lesquelles lesdits premiers et lesdits seconds canaux s'étendent selon des directions (DI, D2) orthogonales, respectivement selon la longueur et la largeur de ladite plaque et suivent un tracé définissant des ondulations dans un plan d'ondulation sensiblement perpendiculaire au plan principal de ladite plaque, et lesdits canaux présentent une section variable entre une section maximale (Smax) et une section minimale (Smin), ladite section minimale (Smin) correspondant aux emplacements où un desdits premiers canaux croise un desdits seconds canaux ; assemblage desdites demi-plaques complémentaires, de façon que lesdits premiers et/ou lesdits seconds canaux suivent un tracé définissant des ondulations dans un plan d'ondulation sensiblement perpendiculaire au plan principal de ladite plaque.
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