EP4540878A1 - Procede de de fabrication de piles a combustible de differentes puissances, et piles a combustible correspondantes - Google Patents

Procede de de fabrication de piles a combustible de differentes puissances, et piles a combustible correspondantes

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Publication number
EP4540878A1
EP4540878A1 EP23736612.5A EP23736612A EP4540878A1 EP 4540878 A1 EP4540878 A1 EP 4540878A1 EP 23736612 A EP23736612 A EP 23736612A EP 4540878 A1 EP4540878 A1 EP 4540878A1
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EP
European Patent Office
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plates
channels
membrane
fuel cells
fuel cell
Prior art date
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Pending
Application number
EP23736612.5A
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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
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Pending legal-status Critical Current

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    • H01M8/1065—Polymeric electrolyte materials characterised by the form, e.g. perforated or wave-shaped
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • TITLE process for manufacturing fuel cells of different powers, and corresponding fuel cells.
  • 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.
  • the invention relates to the manufacture of batteries delivering power adapted to a given application or need, in an efficient and economical manner.
  • 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:
  • This reaction occurs in what is called an active zone of an assembly of an electrolyte membrane and electrodes (AME - or MEA in English, for "Membrane Electrode Assembly"), i.e. a stack of membranes allowing the exchange of H + ions, placed between an anode, receiving dihydrogen from a tank, and a cathode receiving dioxygen (O2) from the outside air.
  • AME - or MEA electrolyte membrane and electrodes
  • the fuel, dihydrogen (H2) is introduced (Fl) into the cell, to come into contact with anode A.
  • Part of the dihydrogen enters (F2) into anode A, into which the dihydrogen molecules are separated into electrons e" and H + ions which pass through the electrolyte E towards the cathode C.
  • the latter is in contact with the air brought from the outside (F3) including the dioxygen molecules O2 (F4) combine with H + ions and e" electrons to produce (F5) water (H2O).
  • This water (F6) and the unused air (F7) are evacuated.
  • 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 dihydrogen and dioxygen (extracted from the air).
  • MEA 35 membranes are inserted between the half-plates.
  • the plates are designed to be assembled and form a battery of a defined power.
  • the design of a battery is complex and specific. The designer of each plate must design it, specifically, to deliver the required power.
  • the invention proposes a solution making it possible to simplify the manufacture of batteries of different powers, or intensities, at constant voltage, and to reduce manufacturing costs, in the form of a process for manufacturing several types of fuel cells, delivering different powers depending on said types of cells, said fuel cells having a stack of plates each comprising first channels for circulating reactive gases, respectively dihydrogen and air, and second channels for circulating a heat transfer fluid, a proton exchange membrane being interposed between two neighboring plates.
  • the invention implements the following steps: plates of a single format are obtained; at least two types of membrane are obtained having at least two membrane formats each having different dimensions; said plates are assembled with a first of said membrane formats, so as to produce a first type of fuel cell, delivering a first power; said plates are assembled with a second of said membrane formats, so as to produce a second type of fuel cell, delivering a second power, so as to have several types of batteries, delivering different powers, from identical plates and membranes specific to each type of battery, each battery of a given type of battery using membranes of the same formats, intended for said type of batteries.
  • the first channels and the second channels of said plates extend in orthogonal directions (DI, D2), respectively along the length and width of said plate, and at least two of said types of membrane have identical heights covering all of said first channels over part of their length.
  • each type of battery uses all of the first channels, or reagent channels, over all or part of their length, depending on the power required.
  • the membrane may not cover all the second channels carrying the heat transfer fluid.
  • the term “height” of the membrane is used to designate the distance in the direction in which the first channels extend.
  • said first channels all have the same pattern in the direction Dl.
  • the geometry of the plate channels is thus adapted to allow optimized use of the same plate for each membrane format, in particular formats using the entire height of the plate.
  • said plates be designed so as to ensure substantially constant diffusion of said reactive gases and said heat transfer fluid in a zone coinciding with the membrane used, whatever the surface of the membrane. this.
  • 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 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 no longer according to a map. 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.
  • said channels can extend parallel to the length and width of the plate respectively, crossing each other and following the undulations.
  • said channels have a variable section.
  • said minimum section may correspond to the locations where one of said first channels crosses one of said second channels.
  • the invention also relates to fuel cells manufactured according to the method described above.
  • Some of these batteries have a first predetermined power, corresponding to a first membrane format covering a maximum active surface of said plates.
  • Other batteries may have a second predetermined power, corresponding to a second membrane format with a surface area less than said maximum active surface area of said plates.
  • these batteries may belong to the group comprising membranes having: a second format covering substantially 75% of said active surface; or a third format covering substantially 50% of said active surface; or a fourth format covering substantially 25% of said active surface.
  • each of said membrane formats can cover a distinct number of patterns.
  • FIG 1 Figure 1, already described in the preamble, illustrates the general principle of a fuel cell
  • 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
  • FIG 9 Figure 9 illustrates an example of a plate allowing the implementation of the invention
  • Figure 10A Figure 10A illustrates a first use of the plate of Figure 9, in which the membrane covers 100% of the active surface
  • Figure 10B illustrates a first use of the plate of Figure 9, in which the membrane covers 75% of the active surface;
  • Figure 10C illustrates a first use of the plate of Figure 9, in which the membrane covers 50% of the active surface
  • Figure 10D illustrates a first use of the plate of Figure 9, in which the membrane covers 25% of the active surface;
  • FIG 11 illustrates the process of the invention, in the form of a block diagram.
  • the invention is therefore based on a completely new approach to the design and manufacture of fuel cells. According to the prior art, those skilled in the art develop a specific plate design for the required power, and in particular for the active part of the plate, opposite which the membrane allowing proton exchange will be placed.
  • a single plate and several (at least two) dimensions of membrane which can be placed between two plates are provided.
  • plates of a single rectangular format are obtained, the first channels and the second channels of which extend in orthogonal directions (DI, D2), respectively according to the length and width of said plate ;
  • at least two types of membrane corresponding to at least two membrane formats each defined by a height and a length, the heights being identical for all types of membrane and chosen so as to cover all of said first channels, and the lengths being different depending on the types of membranes.
  • plates 90 represented in a simplified manner, and comprising first channels 91 transporting the reagents and second channels 92 transporting the heat transfer fluid, and orthogonal to the first channels 91.
  • first channels 91 extend horizontally in the direction Dl
  • second channels 92 orthogonally, in the direction D2.
  • the first channels follow the same curves.
  • a pattern is repeated, on the first channels, in the direction Dl, and that the zones, here 4 in number, include an integer number of patterns.
  • each pattern makes it possible to optimize the fluid distribution in the channels, and it is therefore desirable that each type of battery uses an integer number of patterns (that is to say that the membranes cover an integer number of patterns) .
  • the preferred approach of the invention provides for using all of the available reagents.
  • the membrane covers all of the reagent channels (that is to say it extends over the entire height, in direction D2), as illustrated in Figures 1OA to 10D.
  • the plate 90 can be cut into four portions 901, 902, 903 and 904, in the identical or similar direction Dl.
  • each zone is optimized in terms of fluid distribution (and therefore efficiency in terms of power production), it is possible to use several types of membranes covering one or more portions: figure 10A: the membrane 101 covers the 4 portions (100% of the active surface); Figure 10B: membrane 102 covers 3 portions (75% of the active surface); Figure 10C: membrane 103 covers 2 portions (50% of the active surface); Figure 10D: membrane 104 covers a single portion (25% of the active surface).
  • 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. There is therefore a need for a new approach for the production of such plates, to allow production more adapted to the requirements of the series and/or to improve their efficiency.
  • bipolar plate For information purposes, the main aspects of a bipolar plate are described below. As illustrated schematically in the example of Figure 4, There are several essential zones in a bipolar plate: 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 carry a serial number, an identification number of the supplier, time, date of manufacture, etc. Its dimensions are generally 4x4 or 5x5 mm;
  • Welds holding the half-plates together, they can be waterproof or simply intended to reinforce the structure.
  • the invention therefore proposes, according to a particular embodiment, 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 flow of gas and heat transfer fluid to move in 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.
  • This approach presents, compared to the prior art according to which the channels extend in a plane, the plane defined by the plate, can present numerous advantages, depending on the implementations: improvement of thermal convection, making it possible to reduce flow and/or improve system performance; better rigidity of the plate and/or weight gain, making it possible to reduce the thickness of the strip; improvement of electrical contact and reduction of electrical contact resistance; facilitation of the assembly of the battery, and in particular of the alignment of the cells between them, making it possible in particular to avoid sealing problems; homogenization of the partial pressure of oxygen along the active surface; homogenization of current creation and improvement of current density.
  • Figure 7 schematically illustrates an example of undulation, characterized by its length, or period, P and its radius R, or maximum height of the undulation.
  • the shape of the ripple may be different from that shown.
  • the dimensions can be of the order of:
  • %P between 8 and 12 mm;
  • A between 16 and 24 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, and the number of heat transfer fluid channels 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 max corresponds to a location where the maximum height H of the gas channel 84 and the minimum section Smin to a location where the gas channel 84 crosses a heat transfer fluid channel 85 (crossing, or "crosschannel” in English), the height being reduced to the minimum height h.
  • this Figure 8 illustrates a portion of a half-plate, and therefore a half-section of the channels which are obtained by assembling two half-plates, to form a complete plate.
  • the ratios however, obviously remain the same.
  • 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 bipolar plate, a membrane and a second bipolar plate.
  • 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 method of manufacturing 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 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.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication de plusieurs types de piles à combustible, délivrant des puissances différentes selon lesdits types de piles, lesdites piles présentant un empilement de plaques comprenant 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, une membrane échangeuse de protons étant intercalée entre deux plaques voisines, selon lequel : - on obtient des plaques d'un format unique; - on obtient au moins deux types de membrane présentant au moins deux formats de membrane présentant chacun des dimensions différentes; - on assemble lesdites plaques avec un premier desdits formats de membrane, de façon à produire un premier type de pile à combustible, délivrant une première puissance; - on assemble lesdites plaques avec un deuxième desdits formats de membrane, de façon à produire un deuxième type de pile à combustible, délivrant une deuxième puissance, de façon à disposer de plusieurs types de piles, délivrant des puissances différentes, à partir de plaques identiques et de membranes spécifiques à chaque type de piles, chaque pile d'un type de piles donné mettant en œuvre des membranes de mêmes formats, destinées audit type de piles.

Description

DESCRIPTION
TITRE : procédé de de fabrication de piles à combustible de différentes puissances, et piles à combustible correspondantes.
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...
En particulier, l'invention concerne la fabrication de piles délivrant une puissance adaptée à une application ou un besoin donné, de façon efficace et économique.
2. Art antérieur
Le principe de la pile à combustible est connu depuis de très nombreuses années. Il a été notamment mis en œuvre 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
Hz + 1/202 -> HzO ArH < 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 (H2), 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 œuvre 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.
Les plaques sont conçues pour être assemblées et former une pile d'une puissance définie. La conception d'une pile est complexe et spécifique. Le concepteur de chaque plaque doit la concevoir, spécifiquement, pour délivrer la puissance requise.
Selon les applications, des puissances différentes peuvent être nécessaires. Ainsi, il est nécessaire de concevoir une pluralité de plaques adaptées. Cette conception nécessite de caractériser précisément les formes et les dimensions de la plaque et de ses différents éléments, notamment les canaux, pour obtenir l'intensité requise aux bornes de la pile, de la façon la plus efficace possible. Il est ensuite nécessaire de développer un outillage spécifique pour fabriquer chaque plaque. Ceci est coûteux et complexe.
3. Caractéristiques principales de l'invention
L'invention propose une solution permettant de simplifier la fabrication de piles de différentes puissances, ou intensités, à tension constante, et de réduire les coûts de fabrication, sous la forme d'un procédé de fabrication de plusieurs types de piles à combustible, délivrant des puissances différentes selon lesdits types de piles, lesdites piles à combustible présentant un empilement de plaques comprenant 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, une membrane échangeuse de protons étant intercalée entre deux plaques voisines.
L'invention met en œuvre les étapes suivantes : on obtient des plaques d'un format unique ; on obtient au moins deux types de membrane présentant au moins deux formats de membrane présentant chacun des dimensions différentes ; on assemble lesdites plaques avec un premier desdits formats de membrane, de façon à produire un premier type de pile à combustible, délivrant une première puissance ; on assemble lesdites plaques avec un deuxième desdits formats de membrane, de façon à produire un deuxième type de pile à combustible, délivrant une deuxième puissance, de façon à disposer de plusieurs types de piles, délivrant des puissances différentes, à partir de plaques identiques et de membranes spécifiques à chaque type de piles, chaque pile d'un type de piles donné mettant en œuvre des membranes de mêmes formats, destinées audit type de piles.
Ainsi, on met en œuvre des plaques d'un format unique et au moins deux formats de membrane présentant chacun des dimensions différentes, et on assemble lesdites plaques avec l'un desdits formats de membrane, de façon à produire au moins deux types de pile à combustible, délivrant des puissances différentes, à partir de plaques identiques. De cette façon, il est possible de disposer de plusieurs types de piles, et donc d'adapter efficacement la pile utilisée en fonction des besoins, à l'aide d'un seul type de plaques, uniquement en faisant varier le format de la membrane. Il est ainsi rapide et simple de produire plusieurs types de piles, sans devoir concevoir et produire différents types de plaques, ce qui est complexe et coûteux. En outre, des économies d'échelle sont obtenues, sur la fabrication de ces plaques destinées à plusieurs puissances de pile.
Chaque type de pile est équipé, pour l'ensemble de ces plaques, du même type de membrane (le type de membrane ne variant que d'une pile à l'autre). On obtient ainsi un gain industriel, en réduisant la complexité et le coût de production de plusieurs types de piles.
Selon un mode de réalisation particulier, les premiers canaux et les seconds canaux desdites plaques s'étendent selon des directions (DI, D2) orthogonales, respectivement selon la longueur et la largeur de ladite plaque, et au moins deux desdits types de membrane présentent des hauteurs identiques couvrant l'ensemble desdits premiers canaux sur une partie de leur longueur.
Ainsi, chaque type de piles exploite l'ensemble des premiers canaux, ou canaux de réactifs, sur toute ou portion de leur longueur, en fonction de la puissance requise. Selon les types de piles, la membrane peut ne pas couvrir tous les seconds canaux transportant le fluide caloporteur.
Le terme « hauteur » de la membrane est utilisée pour désigner la distance selon la direction selon laquelle s'étendent les premiers canaux.
Selon un mode de réalisation particulier, lesdits premiers canaux présentent tous un même motif selon la direction Dl. La géométrie des canaux des plaques est ainsi adaptée pour permettre une utilisation optimisée d'une même plaque pour chaque format de membrane, notamment des formats utilisant toute la hauteur de la plaque.
Bien sûr, d'autres formats et d'autres dimensions sont possibles, en fonction des besoins. Pour mettre en œuvre le procédé de façon efficace, il est souhaitable que lesdites plaques soient conçues de façon à assurer une diffusion sensiblement constante desdits gaz réactifs et dudit fluide caloporteur dans une zone coïncidant avec la membrane utilisée, quelle que soit la surface de celle-ci.
Selon une mise en œuvre particulière, 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.
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 plus 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.
Selon un mode de réalisation particulier, lesdits premiers canaux s'étendent dans une direction orthogonale à la direction desdits seconds canaux.
En particulier, lesdits canaux peuvent s'étendre parallèlement à la longueur et à la largeur de la plaque respectivement, en se croisant et en suivant les ondulations.
Selon un autre aspect, qui peut le cas échéant être mis en œuvre indépendamment du premier, lesdits canaux présentent une section variable.
Ceci permet notamment d'optimiser la pression desdits gaz et/ou la densité de courant délivrée par ladite plaque.
Notamment, ladite section minimale peut correspondre aux emplacements où un desdits premiers canaux croise un desdits seconds canaux.
L'invention concerne également les piles à combustible fabriquées selon le procédé décrit ci-dessus.
Certaines de ces piles présentent une première puissance prédéterminée, correspondant à un premier format de membrane couvrant une surface active maximale desdites plaques. D'autres piles peuvent présenter une deuxième puissance prédéterminée, correspondant à un deuxième format de membrane de surface inférieure à ladite surface active maximale desdites plaques.
Notamment, ces piles peuvent appartenir au groupe comprenant des membranes présentant : un deuxième format couvrant sensiblement 75% de ladite surface active ; ou un troisième format couvrant sensiblement 50% de ladite surface active ; ou un quatrième format couvrant sensiblement 25% de ladite surface active.
Notamment, lorsque lesdits premiers canaux présentent un motif répété au moins deux fois, chacun desdits formats de membrane peut couvrir un nombre distinct de motifs.
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 œuvre, 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 ;
[Fig 9] : la figure 9 illustre un exemple de plaque permettant la mise en œuvre de l'invention ; [Fig 10A] : la figure 10A illustre une première utilisation de la plaque de la figure 9, dans laquelle la membrane recouvre 100% de la surface active ;
[Fig 10B] : la figure 10B illustre une première utilisation de la plaque de la figure 9, dans laquelle la membrane recouvre 75% de la surface active ;
[Fig 10C] : la figure 10C illustre une première utilisation de la plaque de la figure 9, dans laquelle la membrane recouvre 50% de la surface active ;
[Fig 10D] : la figure 10D illustre une première utilisation de la plaque de la figure 9, dans laquelle la membrane recouvre les 25% de la surface active ;
[Fig 11] : la figure 11 illustre le procédé de l'invention, sous la forme d'un synoptique.
5. Description d'un mode de réalisation particulier
5.1 procédé de l'invention
L'invention repose donc sur une approche tout à fait nouvelle de la conception et de la fabrication des piles à combustible. Selon l'art antérieur, l'homme du métier développe un design de plaque spécifique pour la puissance requise, et notamment de la partie active de la plaque, en regard de laquelle sera placée la membrane permettant l'échange de proton.
Selon l'invention, en revanche, on prévoit une plaque unique et plusieurs (au moins deux) dimensions de membrane pouvant être placées entre deux plaques. Ainsi, il est possible de fabriquer aisément plusieurs piles, de puissances différentes, à partir d'un type unique de plaques.
Ainsi, selon un mode de réalisation particulier : on obtient des plaques d'un format rectangulaire unique, dont les premiers canaux et les seconds canaux s'étendent selon des directions (DI, D2) orthogonales, respectivement selon la longueur et la largeur de ladite plaque ; on obtient au moins deux types de membrane, correspondant à au moins deux formats de membrane définis chacun par une hauteur et une longueur, les hauteurs étant identiques pour tous les types de membrane et choisies de façon à couvrir l'ensemble desdits premiers canaux, et les longueurs étant différentes selon les types de membranes.
Comme illustré dans l'exemple de la figure 9, on dispose de plaques 90, représentées de façon simplifiée, et comprenant des premiers canaux 91 transportant les réactifs et des seconds canaux 92 transportant le fluide caloporteur, et orthogonaux aux premiers canaux 91. Sur cette figure, les premiers canaux 91 s'étendent horizontalement selon la direction Dl, et les seconds canaux 92 orthogonalement, selon la direction D2.
Ces canaux, et au moins les premiers canaux 91, présentent avantageusement un motif (ondulations et/ou sections, comme illustré par la suite) répété. Ainsi, les premiers canaux suivent les mêmes courbes.
On peut également prévoir qu'un motif se répète, sur les premiers canaux, dans la direction Dl, et que les zones, ici au nombre de 4, comprennent un nombre entier de motifs.
De préférence, chaque motif permet d'optimiser la distribution fluidique dans les canaux, et il est donc souhaitable que chaque type de piles utilisent un nombre entier de motifs (c'est-à-dire que les membranes recouvrent un nombre entier de motifs).
Par ailleurs, quel que soit le type de piles, et donc le format de la membrane, l'approche préférée de l'invention prévoit d'exploiter l'intégralité des réactifs disponibles. Ainsi, avantageusement, la membrane couvre l'ensemble des canaux de réactifs (c'est-à-dire qu'elle s'étend sur toute la hauteur, selon la direction D2), comme illustré sur les figures lOA à 10D.
La plaque 90 peut être découpée en quatre portions 901, 902, 903 et 904, dans la direction Dl identiques ou similaires. On peut prévoir que chaque zone est optimisée sur le plan de la distribution fluidique (et donc de l'efficacité en termes de production de puissance), il est possible d'utiliser plusieurs types de membranes recouvrant une ou plusieurs portions : figure 10A : la membrane 101 recouvre les 4 portions (100% de la surface active) ; figure 10B : la membrane 102 recouvre 3 portions (75% de la surface active) ; figure 10C : la membrane 103 recouvre 2 portions (50% de la surface active) ; figure 10D : la membrane 104 recouvre 1 seule portion (25% de la surface active).
On dispose ainsi de quatre puissances de pile, à partir d'une plaque unique, c'est-à-dire sans qu'il soit nécessaire de concevoir des plaques spécifiques ni des outillages spécifiques.
Le procédé de fabrication de l'invention, selon une mise en œuvre, est illustré sur la figure
11. On fabrique des plaques (El) selon une unique dimension et un unique format. On fabrique par ailleurs des membranes de dimensions différentes, dans cet exemple selon trois formats distincts (E2A, E2B et E2C). En fonction de la puissance requise. On assemble ensuite les plaques et les membranes sélectionnées (E3A, E3B et E3C), pour fabriquer des piles de puissances différentes PA, PB ou PC.
Cette approche va à l'encontre des habitudes de l'homme du métier, qui a toujours développer des plaques et des piles pour une puissance maximale, c'est-à-dire en exploitant 100% de la surface active. Il n'est pas évident, pour l'homme du métier, de décider de n'exploiter qu'une portion de la surface active.
Bien entendu, il convient que les plaques utilisées soient le plus efficacement possible. 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 décrit ci-après un mode de réalisation particulier de plaques adapté à la mise en œuvre de l'invention.
5.2 Éléments principaux d'une plaque bipolaire
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.
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.
5.3 topologie en trois dimensions (3D)
L'invention propose donc, selon un mode de réalisation particulier, 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 œuvre : 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'ondulation, 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 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, 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 œuvre un rayon R de 20 mm et une demi-période de 10 mm.
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, et le nombre de canaux de fluide caloporteur entre 50 et 100.
5.4 canaux de section variable
Selon un autre aspect de l'invention, qui peut le cas échéant être mis en œuvre 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 84 et la section minimale Smin à un emplacement où le canal de gaz 84 croise un canal de fluide caloporteur 85 (croisement, ou "crosschannel" en anglais), la hauteur étant ramené à la hauteur minimale h.
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 demi-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 bipolaire, une membrane et une seconde plaque bipolaire.
Ces tracés présentent de préférence un motif de canaux répété plusieurs fois, comme illustré en figure 9.
5.5 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. 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'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.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication de plusieurs types de piles à combustible, délivrant des puissances différentes selon lesdits types de piles, lesdites piles présentant un empilement de plaques comprenant 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, une membrane échangeuse de protons étant intercalée entre deux plaques voisines, caractérisé en ce que : on obtient des plaques d'un format unique ; on obtient au moins deux types de membrane présentant au moins deux formats de membrane présentant chacun des dimensions différentes ; on assemble lesdites plaques avec un premier desdits formats de membrane, de façon à produire un premier type de pile à combustible, délivrant une première puissance ; on assemble lesdites plaques avec un deuxième desdits formats de membrane, de façon à produire un deuxième type de pile à combustible, délivrant une deuxième puissance, de façon à disposer de plusieurs types de piles, délivrant des puissances différentes, à partir de plaques identiques et de membranes spécifiques à chaque type de piles, chaque pile d'un type de piles donné mettant en œuvre des membranes de mêmes formats, destinées audit type de piles.
2. Procédé de fabrication de piles à combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premiers canaux et les seconds canaux desdites plaques s'étendent selon des directions (DI, D2) orthogonales, respectivement selon la longueur et la largeur de ladite plaque, et en ce qu'au moins deux desdits types de membrane présentent des largeurs identiques couvrant l'ensemble desdits premiers canaux sur une partie de leur longueur.
3. Procédé de fabrication de piles à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits premiers canaux présentent tous un même motif selon la direction Dl.
4. Procédé de fabrication de piles à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdites plaques sont conçues de façon à assurer une diffusion sensiblement constante desdits gaz réactifs et dudit fluide caloporteur dans une zone coïncidant avec la membrane utilisée, quelle que soit la surface de celle-ci.
5. Procédé de fabrication de piles à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce 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.
6. Procédé de fabrication de piles à combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé 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.
7. Pile à combustible fabriquée selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 6.
8. Pile à combustible selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle présente une première puissance prédéterminée, correspondant à un premier format de membrane couvrant une surface active maximale desdites plaques.
9. Pile à combustible selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle présente une deuxième puissance prédéterminée, correspondant à un deuxième format de membrane de surface inférieure à ladite surface active maximale desdites plaques.
10. Pile à combustible selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle appartient au groupe comprenant des membranes présentant : un deuxième format couvrant sensiblement 75% de ladite surface active ; ou un troisième format couvrant sensiblement 50% de ladite surface active ; ou - un quatrième format couvrant sensiblement 25% de ladite surface active.
11. Pile à combustible selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que, lesdits premiers canaux présentent un motif répété au moins deux fois, chacun desdits format de membrane couvre un nombre distinct de motifs.
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