FR3158196A3 - Plaque de pile à combustible - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne une plaque (1) de pile à combustible comportant une face de refroidissement (10) munie d’un circuit de refroidissement (3) comportant une pluralité de cavités (28) et des dents (2), la pluralité de cavités (28) comportant une première cavité (8) formant la périphérie du circuit de refroidissement (6) et comportant une première portion axiale (31) s’étendant selon un premier axe (22) et une deuxième portion axiale (32) s’étendant selon un deuxième axe (23) orthogonal au premier axe, le circuit de refroidissement (3) étant configuré de sorte qu’il existe au moins une des dents (2) dont la largeur est variable entre un premier segment axial et un deuxième segment axial, les premier et deuxième segments s’étendant selon le premier axe (22) et qu’il existe au moins une autre des dents (2) dont la largeur est constante au moins lorsqu’il s’étend axialement le long du premier axe (22). Figure d’abrégé : Fig. 1

Description

Plaque de pile à combustible
La présente invention porte sur une plaque de pile à combustible, une cellule de pile à combustible et une pile à combustible.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse avec les piles à combustible dont les plaques sont usinées. L’invention trouve une application particulièrement avantageuse avec les plaques en graphite.
De façon connue en soi, une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui permet de convertir l'énergie chimique en énergie électrique à partir d'un carburant, généralement du dihydrogène, et d'un comburant, généralement du dioxygène ou un gaz en contenant tel que l'air, le produit de la réaction étant l'eau accompagnée d'un dégagement de chaleur et d'une production d'électricité.
Selon une configuration connue, les plaques comportent sur chaque face, des reliefs et des creux, les creux étant obtenus par usinage de la plaque. Ces reliefs et ces creux servent notamment à la réalisation de circuits pour la circulation de fluides.
Lors de la conception de la géométrie de la plaque, il convient de trouver un bon compromis pour loger les circuits de circulation des fluides, formant notamment la surface active, mais aussi les zones qui ne sont pas dédiées à la réaction électrochimique, à savoir : collecteurs, gorges de joint, orifices de liaison entre collecteur et surface active.
Il convient aussi de prévoir la place pour le passage d’un joint ou d’un cordon de colle pour l’assemblage de deux plaques entre elles, pour former une plaque bipolaire.
Une solution connue est d’éloigner les orifices de liaison de la périphérie des circuits de circulation des fluides. Un problème est qu’une telle disposition augmente inutilement la surface globale de la plaque, ce qui augmente significativement l’encombrement de la pile à combustible.
Inversement, en rapprochant les orifices de liaison de la périphérie des circuits de circulation des fluides, la surface globale du circuit de refroidissement se retrouve réduite par rapport à celle du circuit de réactif et la gestion thermique s’en retrouve affectée.
La présente invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposant une plaque de pile à combustible du type à membrane échangeuse de protons, la plaque comportant un premier bord, un deuxième bord opposé au premier bord, un troisième bord, un quatrième bord opposé au troisième bord, la plaque comportant une face réactive et une face de refroidissement opposées l'une par rapport à l’autre, la face réactive étant destinée à faire face à un Assemblage Membrane Électrodes et étant munie de reliefs et de creux formant un circuit de réactif pour la circulation d’un fluide réactif, le circuit de réactif comportant une entrée débouchant dans un orifice de distribution, la plaque comprenant un orifice collecteur d’entrée de réactif distinct de l’orifice de distribution, l’orifice collecteur d’entrée de réactif étant agencé pour alimenter en réactif l’entrée du circuit de réactif via un passage d’entrée mettant en communication fluidique l’orifice collecteur d‘entrée de réactif et l’orifice de distribution, le circuit de réactif comportant une sortie débouchant dans un orifice d’évacuation de réactif, la plaque comprenant un orifice collecteur de sortie de réactif distinct de l’orifice d’évacuation, l’orifice collecteur de sortie étant agencé pour récupérer le réactif à la sortie du circuit de réactif via un passage de sortie mettant en communication fluidique l’orifice collecteur de sortie et l’orifice d’évacuation, le circuit de réactif comportant une pluralité de cavités de réactif ménagées sur la face réactive, la face de refroidissement étant notamment destinée à faire face à la face de refroidissement d’une autre plaque de pile à combustible, la face de refroidissement étant munie de reliefs et de creux formant un circuit de refroidissement pour la circulation d’un fluide de refroidissement, le circuit de refroidissement comportant une pluralité de cavités de refroidissement et une pluralité de dents, deux cavités de refroidissement adjacentes étant séparées entre elles par une des dents, la pluralité de cavités de refroidissement comportant une première cavité de refroidissement et une dernière cavité de refroidissement formant chacune au moins en partie la périphérie du circuit de refroidissement, la première cavité de refroidissement comportant une première portion axiale s’étendant selon un premier axe et une deuxième portion axiale s’étendant selon un deuxième axe orthogonal au premier axe, la dernière cavité de refroidissement comportant une troisième portion axiale s’étendant selon le premier axe et une quatrième portion axiale s’étendant selon le deuxième axe, la pluralité de cavités de réactif comportant une première cavité de réactif et une dernière cavité de réactif formant chacune au moins en partie la périphérie du circuit de réactif, la première cavité de réactif comportant une cinquième portion axiale s’étendant selon le deuxième axe et une sixième portion axiale s’étendant selon le premier axe, la dernière cavité de réactif comportant une septième portion axiale s’étendant selon le premier axe et une huitième portion axiale s’étendant selon le deuxième axe, la plaque étant configurée de sorte qu’il existe un premier plan orthogonal au plan dans lequel s’étend la plaque, la plaque étant configurée de sorte que :
  • le premier plan coupant la première portion axiale dans le sens du premier axe, ledit premier plan étant situé entre la sixième portion axiale et une portion de la cavité de réactif adjacente à la sixième portion axiale ;
  • le premier plan coupant la deuxième portion axiale dans le sens du deuxième axe, ledit premier plan étant situé entre la huitième portion axiale et une portion de la cavité de réactif adjacente à la huitième portion axiale ;
  • le premier plan coupant la troisième portion axiale dans le sens du premier axe, ledit premier plan étant situé entre la septième portion axiale et une portion de la cavité de réactif adjacente à la septième portion axiale ;
  • le premier plan coupant la quatrième portion axiale dans le sens du deuxième axe, ledit premier plan étant situé entre la cinquième portion axiale et une portion de la cavité de réactif adjacente à la cinquième portion axiale ;
  • le premier plan coupant, dans le sens du premier axe, une portion axiale de la première cavité de refroidissement située en vis-à-vis de l’orifice de distribution, ledit premier plan étant séparé de la première cavité de réactif par au moins deux cavités de réactif.
Ceci permet à la plaque de présenter un encombrement réduit tout en disposant d’une place suffisante pour positionner un joint de colle, un adhésif ou de la soudure afin de fixer deux plaques entre elles, tout en évitant d’avoir des orifices de distribution et/ou d’évacuation en retrait par rapport à la surface active. Ceci est réalisé sans réduire significativement l’efficacité du refroidissement de la cellule.
L'invention permet ainsi de permettre une gestion thermique optimale tout en réduisant l’encombrement de la pile à combustible.
Selon une réalisation, la plaque est usinée.
Selon une réalisation, la plaque est en graphite usiné ou en graphite expansé usiné ou en métal usiné.
En variante, la plaque est composée d’un matériau moulé, en étant par exemple en graphite composite moulé.
Selon une réalisation, la périphérie du circuit de refroidissement est configurée pour délimiter une surface inférieure strictement à celle délimitée par la périphérie du circuit de réactif.
Selon une réalisation, la périphérie du circuit de réactif est configurée pour délimiter une surface sensiblement égale à la surface d’une couche de diffusion de l’Assemblage Membrane Électrodes.
Selon une réalisation, la périphérie du circuit de réactif est configurée pour délimiter une surface inférieure à 99,9% de la surface d’une couche de diffusion de l’Assemblage Membrane Électrodes.
Selon une réalisation, le premier axe s’étend selon l’axe dans lequel s’étend la plaque.
Selon une réalisation, le premier plan coupant, dans le sens du premier axe, une portion axiale de la dernière cavité de refroidissement située en vis-à-vis de l’orifice d’évacuation, ledit premier plan est séparé de la dernière cavité de réactif par au moins deux cavités de réactif.
Selon une réalisation, l’orifice de distribution est disposé par rapport à la périphérie du circuit de réactif qui se trouve en vis-à-vis de ce dernier, à une distance inférieure à la largeur de deux cavités de réactif.
Selon une réalisation, l’orifice de distribution est disposé par rapport à la périphérie du circuit de réactif qui se trouve en vis-à-vis de ce dernier, à une distance :
  • inférieure à la largeur de deux cavités de réactif, et
  • supérieure à 1 mm.
Selon une réalisation, l’orifice de d’évacuation est disposé par rapport à la périphérie du circuit de réactif qui se trouve en vis-à-vis de ce dernier, à une distance inférieure à la largeur de deux cavités de réactif.
Selon une réalisation, l’orifice de d’évacuation est disposé par rapport à la périphérie du circuit de réactif qui se trouve en vis-à-vis de ce dernier, à une distance :
  • inférieure à la largeur de deux cavités de réactif, et
  • supérieure à 1 mm.
Selon une réalisation, le premier bord et le deuxième bord sont chacun un bord longitudinal de la plaque.
Selon une réalisation, le troisième bord et le quatrième bord sont chacun un bord transversal de la plaque.
Selon une réalisation, la largeur de chaque cavité de la pluralité de cavités de refroidissement est constante, au moins sur les portions s’étendant axialement selon le premier axe et sur les portions s’étendant axialement selon le deuxième axe.
Selon une réalisation, la largeur de chaque dent est constante, sur toutes les portions s’étendant axialement selon le deuxième axe.
Selon une réalisation, le circuit de refroidissement est configuré de sorte qu’il existe au moins une des dents dont la largeur est variable entre un premier segment axial et un deuxième segment axial, les premier et deuxième segments s’étendant selon le premier axe et de sorte qu’il existe au moins une autre des dents dont la largeur est constante au moins lorsqu’il s’étend axialement le long du premier axe.
Selon une réalisation, le premier segment est adjacent à la première cavité.
Selon une réalisation, l’orifice d’évacuation, l'orifice collecteur de sortie, l’orifice collecteur d‘entrée de réactif et l'orifice de distribution de réactif sont chacun formés par un trou traversant la plaque.
L’invention concerne en outre une plaque bipolaire de pile à combustible comportant deux plaques telles que décrites ci-dessus, les plaques étant assemblées l’une à l’autre via leur face de refroidissement, notamment par soudure ou collage.
L’invention concerne en outre une cellule de pile à combustible, notamment de pile à combustible à membrane échangeuse de protons, la cellule comportant deux plaques telles que décrites ci-dessus et un Assemblage Membrane Électrodes interposé en sandwich entre les plaques.
L’invention concerne en outre une pile à combustible, notamment à membrane échangeuse de protons, comportant un empilement de cellules telles que décrites ci-dessus.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.
FIG. 1est une représentation schématique de la face réactive d’une plaque selon l’invention ; et
FIG. 2est une représentation schématique de la face de refroidissement de la plaque de laFIG. 1.
En référence à laFIG. 1et à laFIG. 2, on a représenté une plaque 1 de pile à combustible. La plaque 1 comporte une face réactive 16 et une face de refroidissement 10 opposées l'une par rapport à l’autre.
LaFIG. 1représente la face réactive 16 de la plaque 1 tandis que laFIG. 2représente la face de refroidissement 10 de la plaque 1.
La plaque 1 de pile à combustible est du type à membrane échangeuse de protons.
La plaque 1 comporte un premier bord 21, un deuxième bord 20 opposé au premier bord 21, un troisième bord 19, un quatrième bord 18 opposé au troisième bord 19.
La face réactive 16 est destinée à faire face à un Assemblage Membrane Électrodes (AME).
La face réactive 16 est munie de reliefs et de creux formant un circuit de réactif 11 pour la circulation d’un fluide réactif. Le circuit de réactif 11 comporte une entrée débouchant dans un orifice de distribution 17.
La plaque 1 comprend un orifice collecteur d’entrée de réactif 14 distinct de l’orifice de distribution 17. L’orifice collecteur d’entrée de réactif 14 est agencé pour alimenter en réactif l’entrée du circuit de réactif 11 via un passage d’entrée 13 mettant en communication fluidique l’orifice collecteur d‘entrée de réactif 14 et l’orifice de distribution 17.
Le circuit de réactif 11 comporte une sortie débouchant dans un orifice d’évacuation 7 de réactif.
La plaque 1 comprend un orifice collecteur de sortie 4 de réactif distinct de l’orifice d’évacuation 7. L’orifice collecteur de sortie 4 est agencé pour récupérer le réactif à la sortie du circuit de réactif 11 via un passage de sortie 5 mettant en communication fluidique l’orifice collecteur de sortie 4 et l’orifice d’évacuation 7.
Le circuit de réactif 11 comporte une pluralité de cavités de réactif 27 ménagées sur la face réactive 16.
La face de refroidissement 10 est destinée à faire face à la face de refroidissement 10 d’une autre plaque 1 de pile à combustible.
La face de refroidissement 10 est munie de reliefs et de creux formant un circuit de refroidissement 3 pour la circulation d’un fluide de refroidissement.
Le circuit de refroidissement 3 comporte une pluralité de cavités de refroidissement 28 et une pluralité de dents 2. Deux cavités de refroidissement 28 adjacentes sont séparées entre elles par une des dents 2.
La pluralité de cavités de refroidissement 28 comporte une première cavité de refroidissement 8 et une dernière cavité de refroidissement 9 formant chacune au moins en partie la périphérie du circuit de refroidissement 6.
La première cavité de refroidissement 8 comporte une première portion axiale 31 s’étendant selon un premier axe 22 et une deuxième portion axiale 32 s’étendant selon un deuxième axe 23 orthogonal au premier axe 22. Comme représenté sur laFIG. 1et sur laFIG. 2, le premier axe 22 s’étend selon l’axe dans lequel s’étend la plaque 1. Le deuxième axe 23 s’étend perpendiculairement au premier axe 22.
La dernière cavité de refroidissement 9 comporte une troisième portion axiale 33 s’étendant selon le premier axe 22 et une quatrième portion axiale 34 s’étendant selon le deuxième axe 23.
La pluralité de cavités de réactif 27 comporte une première cavité de réactif 41 et une dernière cavité de réactif 42 formant chacune au moins en partie la périphérie du circuit de réactif 12.
La première cavité de réactif 41 comporte une cinquième portion axiale 35 s’étendant selon le deuxième axe 23 et une sixième portion axiale 36 s’étendant selon le premier axe 22.
La dernière cavité de réactif 42 comporte une septième portion axiale 37 s’étendant selon le premier axe 22 et une huitième portion axiale 38 s’étendant selon le deuxième axe 23.
La plaque 1 est configurée de sorte qu’il existe un premier plan orthogonal au plan dans lequel s’étend la plaque 1, la plaque 1 étant configurée de sorte que :
  • le premier plan coupant la première portion axiale 31 dans le sens du premier axe 22, ledit premier plan étant situé entre la sixième portion axiale 36 et une portion de la cavité de réactif adjacente à la sixième portion axiale 36 ;
  • le premier plan coupant la deuxième portion axiale 32 dans le sens du deuxième axe 23, ledit premier plan étant situé entre la huitième portion axiale 38 et une portion de la cavité de réactif adjacente à la huitième portion axiale 38 ;
  • le premier plan coupant la troisième portion axiale 33 dans le sens du premier axe 22, ledit premier plan étant situé entre la septième portion axiale 37 et une portion de la cavité de réactif adjacente à la septième portion axiale 37 ;
  • le premier plan coupant la quatrième portion axiale 34 dans le sens du deuxième axe 23, ledit premier plan étant situé entre la cinquième portion axiale 35 et une portion de la cavité de réactif adjacente à la cinquième portion axiale 35 ;
  • le premier plan coupant, dans le sens du premier axe 22, une portion axiale de la première cavité de refroidissement 8 située en vis-à-vis de l’orifice de distribution 17, ledit premier plan étant séparé de la première cavité de réactif 41 par au moins deux cavités de réactif 27.
Le premier plan coupant, dans le sens du premier axe 22, une portion axiale de la dernière cavité de refroidissement 9 située en vis-à-vis de l’orifice d’évacuation 7, ledit premier plan est séparé de la dernière cavité de réactif 42 par au moins deux cavités de réactif 27.
L’orifice de distribution 17 est disposé par rapport à la périphérie du circuit de réactif 12 qui se trouve en vis-à-vis de ce dernier, à une distance inférieure à la largeur de deux cavités de réactif 27.
L’orifice de d’évacuation 7 est disposé par rapport à la périphérie du circuit de réactif 12 qui se trouve en vis-à-vis de ce dernier, à une distance inférieure à la largeur de deux cavités de réactif 27.
La largeur de chaque cavité de la pluralité de cavités de refroidissement 28 est constante, au moins sur les portions s’étendant axialement selon le premier axe 22 et sur les portions s’étendant axialement selon le deuxième axe 23.
La largeur de chaque dent 2 est constante, sur toutes les portions s’étendant axialement selon le deuxième axe 23.
Le circuit de refroidissement 3 est configuré de sorte qu’il existe au moins une des dents 2 ayant une largeur variable entre un premier segment axial et un deuxième segment axial, le premier segment axial et le deuxième segment axial s’étendant selon le premier axe 22 et de sorte qu’il existe au moins une autre des dents 2 ayant une largeur constante au moins lorsqu’il s’étend axialement le long du premier axe 22.

Claims (9)

  1. Plaque (1) de pile à combustible du type à membrane échangeuse de protons, la plaque (1) comportant un premier bord (21), un deuxième bord (20) opposé au premier bord (21), un troisième bord (19), un quatrième bord (18) opposé au troisième bord (19), la plaque (1) comportant une face réactive (16) et une face de refroidissement (10) opposées l'une par rapport à l’autre, la face réactive (16) étant destinée à faire face à un Assemblage Membrane Électrodes et étant munie de reliefs et de creux formant un circuit de réactif (11) pour la circulation d’un fluide réactif, le circuit de réactif (11) comportant une entrée débouchant dans un orifice de distribution (17), la plaque (1) comprenant un orifice collecteur d’entrée de réactif (14) distinct de l’orifice de distribution (17), l’orifice collecteur d’entrée de réactif (14) étant agencé pour alimenter en réactif l’entrée du circuit de réactif (11) via un passage d’entrée (13) mettant en communication fluidique l’orifice collecteur d‘entrée de réactif (14) et l’orifice de distribution (17), le circuit de réactif (11) comportant une sortie débouchant dans un orifice d’évacuation (7) de réactif, la plaque (1) comprenant un orifice collecteur de sortie (4) de réactif distinct de l’orifice d’évacuation (7), l’orifice collecteur de sortie (4) étant agencé pour récupérer le réactif à la sortie du circuit de réactif (11) via un passage de sortie (5) mettant en communication fluidique l’orifice collecteur de sortie (4) et l’orifice d’évacuation (7), le circuit de réactif (11) comportant une pluralité de cavités de réactif (27) ménagées sur la face réactive (16), la face de refroidissement (10) étant notamment destinée à faire face à la face de refroidissement (10) d’une autre plaque (1) de pile à combustible, la face de refroidissement (10) étant munie de reliefs et de creux formant un circuit de refroidissement (3) pour la circulation d’un fluide de refroidissement, le circuit de refroidissement (3) comportant une pluralité de cavités de refroidissement (28) et une pluralité de dents (2), deux cavités de refroidissement (28) adjacentes étant séparées entre elles par une des dents (2), la pluralité de cavités de refroidissement (28) comportant une première cavité de refroidissement (8) et une dernière cavité de refroidissement (9) formant chacune au moins en partie la périphérie du circuit de refroidissement (6), la première cavité de refroidissement (8) comportant une première portion axiale (31) s’étendant selon un premier axe (22) et une deuxième portion axiale (32) s’étendant selon un deuxième axe (23) orthogonal au premier axe (22), la dernière cavité de refroidissement (9) comportant une troisième portion axiale (33) s’étendant selon le premier axe (22) et une quatrième portion axiale (34) s’étendant selon le deuxième axe (23), la pluralité de cavités de réactif (27) comportant une première cavité de réactif (41) et une dernière cavité de réactif (42) formant chacune au moins en partie la périphérie du circuit de réactif (12), la première cavité de réactif (41) comportant une cinquième portion axiale (35) s’étendant selon le deuxième axe (23) et une sixième portion axiale (36) s’étendant selon le premier axe (22), la dernière cavité de réactif (42) comportant une septième portion axiale (37) s’étendant selon le premier axe (22) et une huitième portion axiale (38) s’étendant selon le deuxième axe (23), la plaque (1) étant configurée de sorte qu’il existe un premier plan orthogonal au plan dans lequel s’étend la plaque (1), la plaque (1) étant configurée de sorte que :
    • le premier plan coupant la première portion axiale (31) dans le sens du premier axe (22), ledit premier plan étant situé entre la sixième portion axiale (36) et une portion de la cavité de réactif adjacente à la sixième portion axiale (36) ;
    • le premier plan coupant la deuxième portion axiale (32) dans le sens du deuxième axe (23), ledit premier plan étant situé entre la huitième portion axiale (38) et une portion de la cavité de réactif adjacente à la huitième portion axiale (38) ;
    • le premier plan coupant la troisième portion axiale (33) dans le sens du premier axe (22), ledit premier plan étant situé entre la septième portion axiale (37) et une portion de la cavité de réactif adjacente à la septième portion axiale (37) ;
    • le premier plan coupant la quatrième portion axiale (34) dans le sens du deuxième axe (23), ledit premier plan étant situé entre la cinquième portion axiale (35) et une portion de la cavité de réactif adjacente à la cinquième portion axiale (35) ;
    • le premier plan coupant, dans le sens du premier axe (22), une portion axiale de la première cavité de refroidissement (8) située en vis-à-vis de l’orifice de distribution (17), ledit premier plan étant séparé de la première cavité de réactif (41) par au moins deux cavités de réactif (27).
  2. Plaque selon la revendication précédente, le premier plan coupant, dans le sens du premier axe (22), une portion axiale de la dernière cavité de refroidissement (9) située en vis-à-vis de l’orifice d’évacuation (7), ledit premier plan étant séparé de la dernière cavité de réactif (42) par au moins deux cavités de réactif (27).
  3. Plaque (1) selon l’une des revendications précédentes, l’orifice de distribution (17) étant disposé par rapport à la périphérie du circuit de réactif (12) qui se trouve en vis-à-vis de ce dernier, à une distance inférieure à la largeur de deux cavités de réactif (27).
  4. Plaque (1) selon l’une des revendications précédentes, l’orifice de d’évacuation (7) étant disposé par rapport à la périphérie du circuit de réactif (12) qui se trouve en vis-à-vis de ce dernier, à une distance inférieure à la largeur de deux cavités de réactif (27).
  5. Plaque (1) selon l’une des revendications précédentes, la largeur de chaque cavité de la pluralité de cavités de refroidissement (28) étant constante, au moins sur les portions s’étendant axialement selon le premier axe (22) et sur les portions s’étendant axialement selon le deuxième axe (23).
  6. Plaque (1) selon l’une des revendications précédentes, la largeur de chaque dent (2) étant constante, sur toutes les portions s’étendant axialement selon le deuxième axe (23).
  7. Plaque (1) selon l’une des revendications précédentes, le circuit de refroidissement (3) étant configuré de sorte qu’il existe au moins une des dents (2) dont la largeur est variable entre un premier segment axial et un deuxième segment axial, les premier et deuxième segments s’étendant selon le premier axe (22) et de sorte qu’il existe au moins une autre des dents (2) dont la largeur est constante au moins lorsqu’il s’étend axialement le long du premier axe (22).
  8. Cellule de pile à combustible, notamment de pile à combustible à membrane échangeuse de protons, la cellule comportant deux plaques (1) selon l’une des revendications précédentes et un Assemblage Membrane Électrodes interposé en sandwich entre les plaques (1).
  9. Pile à combustible, notamment à membrane échangeuse de protons, comportant un empilement de cellules selon la revendication précédente.
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