FR3166759A1 - Structure de plaque bipolaire à deux plans de soudure pour pile à combustible - Google Patents

Structure de plaque bipolaire à deux plans de soudure pour pile à combustible

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Abstract

Plaque bipolaire (BP) adaptée à une pile (FC) à combustible, formée d’un assemblage de deux plaque élémentaires (Pl1, Pl2) superposées et soudées, et comprenant : des premières ouvertures d’arrivée et de sortie (H2In, H2Out) d’un premier fluide ; des deuxièmes ouvertures (O2In, (O2+H20)Out) d’arrivée et de sortie d’un deuxième fluide ; des troisièmes ouvertures (CoolIn, CoolOut) d’arrivée et de sortie d’un troisième fluide destiné à circuler entre les deux plaques élémentaires ; des premières et des deuxièmes lignes de soudure (WeldOp) solidarisant respectivement les deux plaques élémentaires autour des premières et deuxièmes ouvertures, et des premières et deuxièmes soudures (WldCool) solidarisant les deux plaques élémentaires autour, respectivement, de troisièmes ouvertures, les premières et deuxièmes lignes de soudure étant formées dans un premier (HPlane) et un deuxième (LPlane) plan, respectivement, et les soudures associées à l’une des troisième ouvertures sont formées, exclusivement, dans l’un ou l’autre de ces plans. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 8(A)

Description

Structure de plaque bipolaire à deux plans de soudure pour pile à combustible DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
L'invention concerne le domaine des piles à combustibles, et plus spécifiquement la structure des plaques bipolaires qui forment un élément essentiel des empilements de cellules électrochimiques formant de telles piles.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE
Les piles à combustible sont des dispositifs capables de générer une tension électrique en combinant un réactif oxydable (dénommé combustible) et un réactif réductible (dénommé oxydant) au cours d’une réaction électrochimique. Les réactifs sont des fluides, habituellement amenés à partir de sources externes séparées. La pile à combustible elle-même est essentiellement constituée par des électrodes espacées les unes des autres, ioniquement connectées par un électrolyte.
Chaque électrode, anode ou cathode, est électriquement conductrice, adsorbe le combustible ou l'oxydant utilisé, présente un catalyseur en vue de la réaction à l'électrode, et ne s'oxyde pas indûment dans les conditions de fonctionnement de la pile.
Quand du combustible et de l'oxydant sont concurremment et séparément amenés jusqu'aux différentes électrodes de la pile à combustible, un potentiel électrique apparaît entre les bornes de ces dernières.
Quand une charge électrique est connectée aux électrodes, un courant électrique s'écoule entre elles, l'énergie électrique ainsi obtenue étant engendrée par l'oxydation électro-catalytique du combustible à une anode et par la réduction électro-catalytique simultanée de l'oxydant à une cathode.
LaFIG. 1illustre ce principe de fonctionnement à l’échelle d’une cellule électrochimique Cell élémentaire, utilisant de l’hydrogène H2comme combustible, de l’oxygène O2comme oxydant et rejetant les réactifs non utilisés ainsi de de l’eau H2O. Cette membrane emploie une membrane échangeuse de protons PrEx, souvent désignée par son acronyme en langue anglaise PEM pour Proton-Exchange Membrane ou Polymer-Electrolyte Membrane.
En fonctionnement, un flux d'hydrogène H2est acheminé jusqu’à l'anode An et est scindé de manière catalytique au niveau d’une couche de matériau CatAncatalytique d’anode, par une réaction d’oxydation, en protons H+et en électrons e-. Les protons traversent la membrane échangeuse de protons PrEx qui a pour fonction de transporter sélectivement les protons H+jusqu'à la cathode Ca. Les électrons sont collectés par l’anode An qui les conduit vers un circuit électrique externe qui relie l’anode An à la cathode Ca via une charge électrique Ld.
En parallèle, un flux d'oxygène O2est acheminé jusqu’à la cathode Ca. Au niveau d’une couche de matériau CatCacatalytique de cathode, les molécules d'oxygène O2réagissent avec (i) les protons H+ayant traversé l’électrolyte El et (ii) les électrons e-qui arrivent par le circuit électrique externe. Le produit de cette réaction de réduction est composé de molécules d'eau H2O.
Alternativement, au lieu d’une membrane échangeuse de protons, une cellule électrochimique comprenant une membrane échangeuse d'anions peut être employée, comme dans une pile à combustible à membrane échangeuse d'anions. Le fonctionnement est similaire à celui exposé ci-dessus, des ions OH-de charge électrique négative traversant la membrane et se combinant avec les l’hydrogène apporté comme combustible du côté de l’anode.
Les réactions d’oxydation et de réduction prenant place au sein de la cellule développent une tension électrique de l’ordre de 0,7 V entre les deux électrodes, anode et cathode. Afin d’obtenir une tension de sortie exploitable, il est nécessaire de relier en série des cellule uniques telles que celle de laFIG. 1. Pour ce faire, on forme des empilements, ou stacks en terminologie anglaise, de cellules électrochimiques élémentaires. Un empilement peut compter plusieurs centaines de cellules électrochimiques.
Les réactions d’oxydation et de réduction, outre une tension électrique, génèrent également de la chaleur, qu’il est crucial d’évacuer de manière active lorsqu’un empilement de cellules électrochimiques est considéré.
LaFIG. 2représente un schéma de principe du fonctionnement d’un empilement Stck de cellules électrochimiques Cell, du point de vue de la gestion des fluides, réactifs et produits de réactions.
Chacune des cellules électrochimiques intègre un ensemble Ass qui comprend, dans cet ordre selon la direction d’empilement X, une couche DiffAnde diffusion d’anode, une couche CATAnde matériau catalytique d’anode, une membrane PrEx échangeuse de protons, une couche CATCade matériau catalytique de cathode, et une couche DiffCade diffusion de cathode. L’ensemble Ass est aussi désigné par Membrane Electrode Assembly ou MEA en terminologie anglaise. Une zone périphérique de l’ensemble Ass est libre de matériau catalytique et de couche de diffusion. Cette zone périphérique est arrangée pour former une étanchéité aux fluides à son interface avec les plaques bipolaires, par exemple par collage, au moyen d’un joint ou par contact direct, autour des arrivées des fluides. On désigne parfois alors cette portion comme « sub-gasket » en terminologie anglaise.
Les couches de diffusion, souvent désignées par l’acronyme en langue anglaise GDL pour Gas Diffusion Layer permettent le passage des fluides réactifs et des produits de réaction, et sont conductrices du courant électrique. Ainsi, la couche DiffAnde diffusion d’anode et la couche DiffCade diffusion de cathode remplissent les fonctions d’anode et de cathode, respectivement, et permettent d’amener les réactifs aux matériaux catalytiques et d’en évacuer les produits de réaction.
Des plaques bipolaires BP sont d’ordinaire faites de matériaux électriquement conducteurs comme du carbone ou de l’acier inox. Elles séparent fluidiquement les ensembles Ass les uns des autres mais les relient électriquement. Des contacts électriques, nécessaire au fonctionnement pratique d’une pile à combustible, peuvent être pris au niveau de ces plaques bipolaires. Ainsi, les cellules électrochimiques Cell d’un empilement sont électriquement connectées en série.
L’empilement Stck est conçu de manière à amener les fluides réactifs, hydrogène H2et oxygène O2, de manière séparée aux couches DiffAnet DiffCade diffusion d’anode et de cathode, respectivement, et en évacuer les réactifs en excès et l’eau H2O produite. L’empilement est également conçu pour permettre la circulation, au sein de l’empilement Stack, d’un fluide caloporteur Cool en tant que liquide de refroidissement, par exemple de l’eau sous forme liquide. Les cellules Cell sont fluidiquement connectées en parallèle.
Ainsi, l’empilement Stck doit comprendre trois circuits de fluide isolés les uns des autres et capables de remplir les fonctions d’amenées de réactifs aux couches de diffusion, d’extraction des réactifs en excès et des produits de réaction, et de circulation d’un fluide de refroidissement. A ces fins, un circuit Circ(H2) amène l’hydrogène H2à la couche de diffusion DiffAnet en récupère l’hydrogène en excès. Un circuit Circ(O2) amène l’oxygène O2à la couche de diffusion DiffCaet en récupère l’oxygène en excès et l’eau H2O produite. Un circuit Circ(Cool) fait circuler un fluide de refroidissement Cool dans l’empilement.
Ces fonctions sont conventionnellement réalisées au moyen de plaques bipolaires BP, de structures illustrées par les Figures 3 à 5.
Ces plaques bipolaires BP sont généralement constituées de deux plaques élémentaires métalliques Pl1 et Pl2 embouties pour les structurer et assemblées l’une à l’autre. Elles sont retenues entre elles par une ligne de soudure WeldExtsuivant leurs contours périphériques, et donc le contour périphérique de la plaque bipolaire obtenue. Une plaque bipolaire séparant une première cellule et une seconde cellule comprend une première face dirigée du côté anode de la première cellule et une seconde face dirigée du côté cathode de la seconde cellule.
La structuration des plaques élémentaires consiste à y former des reliefs constituant des canaux Ch de circulation des fluides. LaFIG. 3est une représentation très schématique d’un empilement Stck, avec des ensemble Ass séparés par des plaques bipolaires BP. Aux extrémités de l’empilement se situent des plaques monopolaires MP, dont une seule face est effectivement utilisée d’un point de vue réactionnel, qui enserrent le reste de l’empilement. Au niveau des surfaces extérieures des plaques bipolaires, l’hydrogène circulera du côté d’une face de la plaque et l’oxygène du côté de la face opposée. Le fluide de refroidissement circulera dans des canaux aménagés entre les surfaces intérieures de la plaque bipolaire, c’est-à-dire entre deux plaques élémentaires, parfois appelées « demi-plaques ». On peut se référer à laFIG. 5. Les plaques élémentaires sont assemblées de manière à assurer l’étanchéité du liquide de refroidissement vis-à-vis de l’extérieur, au moyen d’une soudure périphérique, désignée comme WldExtsur laFIG. 6.
LaFIG. 4illustre une configuration générique d’une plaque bipolaire, vue dans le plan d’extension de la plaque, perpendiculaire à la direction X, avec des ouvertures H2In, CoolInet O2Informant des arrivées de fluide, H2, Cool et O2, respectivement, et des ouvertures H2Out, CoolOutet (O2+H2O)Outformant des sorties de fluide, H2, Cool et un mélange d’O2et d’H2O, respectivement. Dans cet exemple, les fluides, H2, Cool et O2, sont respectivement des fluides comprenant de l’hydrogène, de l’eau et de l’oxygène (air ambiant par exemple). Les flèches représentent schématiquement les flux d’hydrogène H2, de liquide de refroidissement Cool et d’oxygène O2, respectivement, qui circulent dans une cellule Cell, guidés par les reliefs de la plaque bipolaire BP.
Les plaques bipolaires comprennent les arrivées de fluide d’un côté et les sorties de fluide du côté opposé. Entre les arrivées et les sorties de fluide d’une plaque bipolaire se situe une zone active Act de la plaque. La zone active est destinée à accueillir un ensemble Ass au niveau duquel les réactions électrochimiques se dérouleront. Des zones de distribution des fluides peuvent être interposées entre la zone active Act, et les arrivées de fluide d’une part et les sorties de fluide d’autre part.
Dans un empilement, les ouvertures des plaque bipolaires se font face dans la direction d’empilement, formant des amenées de fluide traversant l’empilement Stck dans la direction d’empilement X et permettant la connexion fluidique parallèle des cellules Cell les unes aux autres.
On constate du schéma de laFIG. 4que les fluides se croisent, et les reliefs des plaque élémentaires Pl1 et Pl2 sont configurées de manière à permettre ce croisement sans mélange entre les fluides et sans que le passage d’un premier fluide bloque le passage d’un second fluide. Afin d’assurer la tenue mécanique d’une plaque bipolaire et l’étanchéité des circuits de fluide qu’elle définit, on utilise des joints Slnt et des lignes de soudure Wld, comme illustré par laFIG. 5.
LaFIG. 5illustre que l’assemblage de plaques bipolaires BP and d’ensembles Ass permet d’obtenir des canaux de circulation de fluide, O2et H2, entre une plaque bipolaire BP et les deux ensembles Ass entre lesquels elle est interposée. Ces canaux permettent d’acheminer les réactifs O2et H2jusqu’à ces ensembles, au sein desquels les réactions électrochimiques se déroulent, générant un potentiel électrique entre deux plaques bipolaires.
Les plaques élémentaires Pl1 et Pl2 ont une structure symétrique, et l’ensemble des soudures se fait dans un plan unique BPPlaneparallèle au plan d’extension de la membrane PrEx échangeuse de protons. La hauteur du plan BPPlaneest définie par les points de contact des deux plaques élémentaires dans la zone active Act de la plaque bipolaire.
On peut se reporter par exemple aux documents de brevet EP2715846B1, EP3985766B1, WO2019025701A1, US10615430B2 et US2006054664A1, qui décrivent des structures classiques de plaques bipolaire et expliquent leurs principes de fonctionnement.
Les principes généraux de fonctionnement de piles à combustibles sont connus, mais les caractéristiques de ces piles, et en particulier la géométrie des plaques bipolaires et leurs procédés de fabrication, font toujours l’objet de développement en vue de leur optimisation.
Dans ce contexte, l’objet de la présente demande est une plaque bipolaire de géométrie et de procédé de fabrication améliorés vis-à-vis des géométries et procédés de fabrication connus.
Un premier objet de l’invention est une plaque bipolaire présentant une géométrie permettant d’obtenir de bonnes caractéristiques dans le transport de fluides tout en pouvant être fabriquée au moyen d’un équipement restreint.
En vue de la réalisation de ces objectifs, un premier aspect de l’invention est une plaque bipolaire apte à former un empilement de cellules électrochimiques élémentaires dans une pile à combustible, la plaque bipolaire étant formée d’un assemblage de deux plaque élémentaires superposées soudées l’une à l’autre, la plaque bipolaire comprenant : des premières ouvertures formant une arrivée et une sortie d’un premier fluide, et des premiers canaux de circulation du premier fluide entre l’arrivée et la sortie du premier fluide, d’un premier côté de la plaque bipolaire ; des deuxièmes ouvertures formant une arrivée et une sortie d’un deuxième fluide, et des deuxièmes canaux de circulation du deuxième fluide entre l’arrivée et la sortie du deuxième fluide, d’un deuxième côté de la plaque bipolaire opposée au premier côté ; et des troisièmes ouvertures formant une arrivée et une sortie d’un troisième fluide, et des troisièmes canaux de circulation du troisième fluide entre l’arrivée et la sortie du troisième fluide, entre les deux plaques élémentaires, des premières et des deuxièmes lignes de soudure solidarisant les deux plaques élémentaires forment des boucles respectives autour des premières ouvertures et des deuxièmes ouvertures, les premières et les deuxièmes lignes de soudure étant configurées de manière à isoler le premier fluide et le deuxième fluide du troisième fluide, respectivement, et des premières soudures solidarisant les deux plaques élémentaires et entourant une première des troisièmes ouvertures, et des secondes soudures solidarisant les deux plaques élémentaires et entourant une seconde des troisièmes ouvertures, dans laquelle les premières lignes de soudure sont formées dans un premier plan, les deuxièmes lignes de soudure sont formées dans un deuxième plan, distinct du premier plan, les premières soudures sont formées, exclusivement, dans l’un ou l’autre du premier plan et du deuxième plan, et les secondes soudures sont formées, exclusivement, dans l’un ou l’autre du premier plan et du deuxième plan.
Un avantage de cette plaque bipolaire est que, tout en assurant le fonctionnement normal d’une plaque bipolaire conventionnelle, elle est compatible avec une amélioration de la régularité des sections hydrauliques, en particulier des troisièmes canaux de circulation.
Un second avantage est que les lignes de soudure et les soudures peuvent être faites dans leur intégralité en employant uniquement deux machines de soudure, par exemple deux machines de soudure par laser à focales fixes, réglées respectivement sur les deux plans de soudure.
Selon des caractéristiques additionnelles non-limitatives du premier aspect de l’invention, considérées individuellement ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
- le premier plan et le deuxième plan peuvent être situés de part et d’autre d’un plan défini par des points de contact entre les deux plaques élémentaires dans une zone active de la plaque bipolaire ;
- la zone active peut être interposée entre les premières ouvertures, entre les deuxièmes ouvertures, et entre les troisièmes ouvertures, et les premières soudures peuvent être pour partie formées entre la zone active et la première des troisièmes ouvertures, et les secondes soudures peuvent être pour partie formées entre la zone active et la seconde des troisièmes ouvertures ;
- la plaque bipolaire peut comprendre une soudure périphérique entre les deux plaques élémentaires, la soudure périphérique peut suivre un contour périphérique de la plaque bipolaire, et peut être formée dans l’un ou l’autre du premier plan et du deuxième plan ;
- les lignes de soudure et les soudures peuvent être réparties entre le premier plan et le deuxième plan de manière à minimiser une différence de temps de soudure nécessaire entre le premier plan et le deuxième plan ;
- les lignes de soudure et les soudures peuvent être réparties entre le premier plan et le deuxième plan de manière à minimiser une différence entre une somme de longueurs des lignes de soudure et des soudures formées dans le premier plan et une somme des lignes de soudure et des soudures formées dans le deuxième plan ;
- une arrivée et une sortie d’un fluide peuvent chacune être constituées d’un nombre arbitraire d’ouvertures comprises dans la plaque bipolaire ;
- l’une des deux plaques élémentaires peut présenter une région plane arrangée de manière à recevoir des nervures ou des gorges de l’autre des deux plaques élémentaires.
Un deuxième aspect de l’invention porte sur un empilement de plaques bipolaires selon le premier aspect de l’invention, configuré de manière à être intégré dans une pile à combustible, l’empilement comprenant des ensembles comprenant chacun, dans cet ordre, une couche de diffusion d’anode, une couche de matériau catalytique d’anode, une membrane échangeuse de protons, une couche de matériau catalytique de cathode, et une couche de diffusion de cathode, chaque ensemble étant interposé entre deux des plaques bipolaires.
Un troisième aspect de l’invention porte sur une pile à combustible comprenant un empilement selon le deuxième aspect de l’invention, compressé entre deux plaques monopolaire, la pile à combustible étant configurée de manière à, en fonctionnement, produire de l’énergie électrique.
Le deuxième aspect et le troisième aspect de l’invention bénéficient des avantages du premier aspect.
 BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée de l’invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquels :
FIG. 1LaFIG. 1illustre le principe de fonctionnement d’une cellule élémentaire de pile à combustible ;
FIG. 2LaFIG. 2illustre le principe de fonctionnement d’un empilement de cellules élémentaire de pile à combustible ;
FIG. 3LaFIG. 3illustre le principe de la structure d’un empilement de pile à combustible ;
FIG. 4LaFIG. 4illustre une structure générique d’une plaque bipolaire de pile à combustible ;
FIG. 5LaFIG. 5illustre une coupe d’un empilement de pile à combustible conventionnelle ;
FIG. 6LaFIG. 6illustre la structure d’une plaque bipolaire particulière ;
FIG. 7LaFIG. 7illustre des coupes transversales de canaux de circulation de fluides dans des empilements de plaques bipolaires de diverses géométries ;
FIG. 8LaFIG. 8illustre un empilement de plaques bipolaires selon l’invention ; et
FIG. 9LaFIG. 9représente une pile à combustible.
 DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
L’invention est détaillée en relation avec les Figures 1 à 9. Les descriptions s’appliquant à des éléments identifiés par un certain identifiant dans une figure donnée s’appliquent également aux éléments identifiés par le même identifiant dans les autres figures.
LaFIG. 6représente une vue plane d’une plaque bipolaire BP particulière dans son plan d’extension, perpendiculaire à la direction X d’empilement pour former un empilement Stck. Dans ce cas particulier, une ouverture est prévue pour former chacune des arrivées et des sorties des trois fluides, donc six ouvertures au total. Le nombre d’ouvertures pour les arrivées et les sorties peut être modulé pour contrôler plus finement les écoulements des fluides, et n’est pas limité à ce cas particulier.
La plaque bipolaire est structurée de manière à former des canaux s’étendant entre les arrivées et les sorties de fluides, et prenant la forme de méandres sinusoïdaux, en particulier dans la zone Act dite active de la plaque bipolaire.
LaFIG. 6illustre qu’un un joint SlntExfait une boucle fermée suivant la périphérie extérieure de la plaque bipolaire BP. En outre, chacune des ouvertures H2In, CoolIn, O2In, H2Out, CoolOutet (O2+H2O)Outest entourée d’un joint d’ouverture SlntOprespectif. De manière connue, ces joints sont interposés entre deux plaques bipolaires lorsqu’elles sont intégrées à un empilement Stck, comme illustré par laFIG. 5, éventuellement superposés à des nervures ou a des gorges des plaques bipolaires.
LaFIG. 6illustre également des lignes de soudure WldOpsolidarisant les deux plaques élémentaires Pl1 et Pl2 formant une plaque bipolaire.
Les lignes de soudure WldOpforment chacune une boucle continue autour des ouvertures respectives H2In, O2In, H2Outet (O2+H2O)Out, à l’extérieur des joints SlntOprespectifs. Elles ont pour fonction de sceller de manière étanche ces ouvertures, qui amènent les réactifs à la zone active Act ou les en évacuent, vis-à-vis du liquide de refroidissement Cool.
Une ligne de soudure WldExt, sensiblement parallèle au joint SlntExt, maintient les deux plaques élémentaires formant la plaque bipolaire mécaniquement solidaires entre elles, et assure l’étanchéité entre le volume défini entre ces plaques et l’extérieur.
Des soudures WldCoolforment des boucles respectivement autour des ouvertures CoolInet CoolOut, à proximité de ces ouvertures, par exemple des côtés intérieurs des joints SlntOpentourant ces ouvertures. Les soudures WldCoolpourraient également être formées des côtés extérieurs de ces joints. Ces soudures ont pour fonction la rigidification de la plaque bipolaire à proximité des ouvertures CoolInet CoolOut. Ainsi, les soudures WldCooln’ont pas à former des lignes continues en boucles fermées : de simples points de soudure ou des traits de soudure formant des lignes en pointillés peuvent suffire.
Les soudures WldCool peuvent pour partie être situées entre les ouvertures CoolInet CoolOutet la zone active Act. Le cas échéant, ces soudures peuvent plus spécifiquement se situer entre des canaux de distribution, comme discuté plus bas et illustré en (A2) de laFIG. 8.
La géométrie de plaque bipolaire illustré par laFIG. 6, et reprise dans laFIG. 7(A) nécessite un alignement latéral précis entre les deux plaques élémentaires Pl1 et Pl2 afin de former les canaux de circulation du liquide Cool de refroidissement selon la configuration prévue au niveau des arrivées et des sorties de fluides. Dans ces régions, hors de la zone active Act, les membranes PrEx ne sont pas recouvertes des couches de matériaux catalytiques et de couches de diffusions, et forment des éléments dit « sub-gaskets » en contact avec les plaques bipolaires, identifiés par SubGask dans laFIG. 7.
LaFIG. 7(B) illustre la géométrie entraînée par un désalignement Mis entre les deux plaques élémentaires. Outre que procéder à un alignement précis entre les deux plaques élémentaires complique la fabrication de la plaque bipolaire, tout désalignement entraîne une géométrie sous-optimale pour les sections des canaux de circulation du liquide de refroidissement, perturbant la circulation de ce liquide.
LaFIG. 7(C) illustre une géométrie alternative, ayant pour avantage d’éliminer le problème de désalignement des plaques élémentaires Pl1 et Pl2. Le principe est d’employer des plaques élémentaires asymétriques, avec, par exemple, des régions R planes de Pl2, libres de gorges ou de nervures, ces régions planes étant aptes à recevoir des nervures ou des gorges de Pl1. Ainsi, on peut obtenir des canaux de circulation des fluides de géométries bien définies, insensibles à d’éventuelles erreurs d’alignement tant qu’elles ne dépassent pas un certain seuil. Ce seuil peut correspondre à une distance d séparant les bords des régions R de l’emplacement de Pl2 prévu pour être en contact avec un bord de nervure ou de gorge de Pl1. On améliore ainsi la régularité de la section hydraulique des canaux, avec donc moins de turbulence et un flux laminaire facilitant le déplacement du fluide transporté.
D’ordinaire, les plaque élémentaires Pl1 et Pl2 sont symétriques et les soudures solidarisant ces plaques sont toutes faites dans un même plan BPPlanemédian de plaque bipolaire. Cependant, la géométrie illustrée par laFIG. 7(C) n’autorise pas une telle géométrie : une telle solution aboutirait au blocage de certains des canaux Ch de circulation de fluides en raison de conflits au niveau des croisements entre les différents circuits de fluides Circ(H2), Circ(O2) et Circ(Cool) illustrés par laFIG. 2. Afin d’éviter de tels conflits, les soudures scellant les ouvertures du circuit de fluide Circ(H2) doivent être d’un premier côté du plan médian, tandis que les soudures scellant les ouvertures du circuit de fluide Circ(O2) doivent être d’un second côté du plan médian, opposé au premier côté.
Une solution consiste à former les soudures associées à chacun des trois circuits dans des plans de soudure respectifs et distincts. Chacun des trois plans de soudure se distingue des deux autres par sa distance à un plan de référence, telle que la distance à la membrane d’échange de proton PrEx.
Du point de vue de la fabrication, les inventeurs ont pu déterminer que l’emploi d’un ensemble fixe composé d’un outillage et d’une machine de soudure par niveau de soudure est la configuration la plus avantageuse en termes de productivité. Chaque outillage, adapté spécifiquement à des soudures dans un plan donné, est monté sur une machine de soudure. Avec une machine par plan de soudure, les changements d’outillage sur les machines de soudure sont inutiles, chaque ensemble fixe étant adapté et dédié à un plan de soudure particulier.
Cette solution fonctionne. En revanche, sa mise en œuvre dans des conditions de production industrielle est peu efficace. Si l’on prend en particulier le cas d’une soudure par laser, la mise en œuvre la plus pratique nécessite trois machines de soudure, chacune à focale fixe et paramétrée pour former des soudures à l’un respectif des trois plans de soudure. Cette solution, pourtant préférable à l’emploi d’une machine de soudure par laser à focale variable, reste insatisfaisante.
Afin d’améliorer l’efficacité de formation des lignes de soudure WldOpet des soudures WldCoolpour assurer l’étanchéité des circuits Circ(H2), Circ(O2) et Circ(Cool) de circulation de fluides formés par les ouvertures H2In, CoolIn, O2In, H2Out, CoolOutet (O2+H2O)Outainsi que l’intégrité mécanique de la plaque bipolaire, il est possible de définir des géométries de la plaque bipolaire qui ne nécessitent que deux plans de soudure. Cette réduction s’accompagne automatiquement d’une réduction avantageuse du nombre de machines de soudure, qui passe de trois à deux.
Plus spécifiquement, une étude des contraintes géométriques concernant les positionnements possibles des plans de soudure pour les différents circuits de circulation de fluides a été menée, en considérant trois hauteurs pour ces trois plans : au niveau du plan de BPPlanedéfini plus haut, un plan bas LPlaneet un plan haut HPlanesitués respectivement au-dessous et au-dessus du plan BPPlanedans les représentations employées dans cette description. Il en a été conclu que les géométries possibles sont celles qui consistent à former (i) les soudures associées à l’un des deux circuits de réactifs Circ(O2) et Circ(H2) dans l’un des deux plans LPl aneet HPl ane, (ii) les soudures concernant l’autre des deux circuits de réactifs Circ(O2) et Circ(H2) dans l’autre des deux plans LPlaneet HP lane, et (iii) parmi les soudures associées aux troisièmes ouvertures du circuit Circ(Cool), les soudures associées à une même des troisièmes ouvertures sont formées dans un même plan, qui peut être l’un ou l’autre des deux plans LPlaneet HP lane. Plus spécifiquement, les soudures entourant une ouverture d’arrivée de fluide de refroidissement sont formées dans l’un ou l’autre des deux plans LPlaneet HPlaneet, indépendamment de ce plan de formation, les soudures entourant une ouverture d’une sortie de fluide de refroidissement sont formées dans l’un ou l’autre des deux plans LPlaneet HPlane.
Dans ce document, il est considéré que les soudures associées à l’un des circuits de réactif sont celles qui forment des boucles fermées destinées à isoler les ouvertures formant les arrivées ou les sorties destinées à ce réactif vis-à-vis du liquide de refroidissement, et que les soudures associées au circuit de liquide de refroidissement sont celles qui sont situées à proximité des ouvertures d’arrivée et de sortie du fluide de refroidissement, sur le pourtour de ces ouvertures, éventuellement entre deux canaux de circulation destinés à ce fluide de refroidissement.
LaFIG. 8illustre des empilements Stck comprenant une paire de plaques bipolaires BP telles qu’illustrées par laFIG. 6, et pour laquelle (i) les soudures concernant le circuit de réactifs Circ(O2) sont formées dans le plan bas LPlane, (ii) les soudures concernant le circuit de réactifs Circ(H2) sont formées dans le plan haut HPlane, et (iii) les soudures concernant le circuit Circ(Cool) sont formées dans le plan bas LPlane.
LaFIG. 8(A) illustre en (A1) une vue plane de l’ouverture CoolOuttirée de laFIG. 6, et en (A2) une vue en coupe de cette version agrandie au niveau de l’ellipse en trait pointillé, coupe perpendiculaire aux canaux Ch débouchant dans l’ouverture CoolOut. La même structure se retrouve du côté de l’ouverture CoolIn.
Dans cette région, les soudures WldCoolsont situées entre deux canaux Ch de circulation fluidique qui sont prévus pour amener le fluide de refroidissement Cool de la zone active d’une plaque bipolaire à l’ouverture CoolOutd’évacuation du fluide de refroidissement après qu’il soit passé par la zone active Act. Symétriquement, les canaux amenant le fluide de refroidissement de l’ouverture CoolInà la zone active de la plaque bipolaire sont associés de la même manière à d’autres lignes de soudure, comme illustré par laFIG. 6.
La coupe illustrée en (A2) correspond à un plan de coupe parallèle au joint SlntOpcomprenant des soudures WldCool(les échelles ne sont pas respectées), destinées à solidariser mécaniquement les plaques élémentaires Pl1 et Pl2 formant une plaque bipolaire BP. Les soudures peuvent également se situer hors de ce plan de coupe particulier, par exemple du côté extérieur du joint SlntOp. Dans le plan de coupe illustré, deux plaques bipolaires BP identiques empilées l’une sur l’autre sont représentées. La zone périphérique de l’ensemble Ass est interposé entre les deux plaques bipolaires BP, cette zone périphérique Ass formant le sub-gasket, qui ne comprend pas de matériau catalytique et de couche de diffusion. Dans cette représentation, la plan bas LPlaneest situé au-dessous du plan de référence BPPlane. On peut aussi dire que le plan bas LPlaneest situé entre le plan BPPlaneet le plan PrExPlan ed’extension de la membrane PrEx d’échange de protons qui est situé sous la couche bipolaire BP considérée qui limite la cellule électrolytique dont fait partie cette membrane.
La figure montre les soudures WldCoolqui concernent le circuit Circ(Cool) : elles maintiennent l’intégrité physique des canaux Ch dans lesquels circulent le liquide de refroidissement Cool dans une zone qui sera soumise à des forces de pression. Ces soudures sont, dans cet exemple, situées dans le plan bas LPlane. Dans le présent exemple, les soudures WldCoolsont de simples points de soudure, mais ces points pourraient plus généralement former des lignes de soudure continues ou formées de traits interrompus.
Les soudures situées à proximité immédiate d’une ouverture, CoolInou CoolOut, sont considérées comme associées à cette ouverture : elles ont pour fonction de renforcer mécaniquement l’assemblage au niveau de l’ouverture à proximité de laquelle ils se trouvent. On peut aussi considérer que les soudures situées entre la zone active Act et l’une des ouvertures CoolInet CoolOutsont associées à cette ouverture.
Les soudures WldCoolassociés à une même ouverture CoolInou CoolOutdoivent être formés dans un même plan, HPlaneou LPlane. Les soudures associées à deux ouvertures différentes peuvent être formées dans un même plan ou dans deux plans différents. Par exemple, les soudures associées à l’ouverture CoolInpeuvent être formées dans le plan HPlaneet les soudures associées à l’ouverture CoolOutpeuvent être formées dans le plan LPlane, ou inversement. Alternativement, toutes les soudures peuvent être formées dans le même plan, HPlaneou LPlane. LaFIG. 8(A) illustre en (A2) des soudures WldCoolassociées à l’ouverture CoolOutet formées dans le plan LPlane.
LaFIG. 8(B) illustre une vue en coupe le long de l’axe BB’ défini sur laFIG. 6, qui traverse les ouvertures O2In, (O2+H2O)Outet la zone active Act comprise entre ces deux ouvertures. On y voit en particulier les soudures WeldOpsituées de part et d’autre de chacune des deux ouvertures, à la hauteur du plan bas LPlanesitué au-dessous du plan BPPlane.
LaFIG. 8(C) illustre une vue en coupe le long de l’axe CC’ défini sur laFIG. 6, qui traverse les ouvertures H2In, H2Outet la zone active Act comprise entre ces deux ouvertures. On y voit en particulier les soudures WeldOpsituées de part et d’autre de chacune des deux des ouvertures, à la hauteur du plan haut HPlanesitué au-dessus du plan BPPlane.
On peut dire que le plan bas LPlaneet le plan haut HPlanesont situés de part et d’autre du plan BPPlanedéfini par les points de contacts entre les plaques Pl1 et Pl2 dans la zone de la plaque bipolaire destinée à former une zone active d’une cellule électrochimique, c’est-à-dire la zone de la plaque bipolaire BP destinée à entrer en contact avec un ensemble Ass comprenant les éléments nécessaires aux réactions d’oxydation et de réduction.
Avec la géométrie illustrée par laFIG. 8, l’étanchéité des circuits Circ(H2) et Circ(O2) vis-à-vis du liquide de refroidissement Cool est assurée, tout en maintenant les fonctions normales de l’empilement Stack qui est d’assurer la circulation des fluides jusqu’à et au sein des ensembles Ass.
En outre, cette géométrie permet d’avoir des régions planes dans les plaques élémentaires de la plaque bipolaire, permettant d’obtenir une immunisation au moins partielle à un désalignement des plaques élémentaires l’une par rapport à l’autre, comme expliqué en relation avec laFIG. 7(C). Cette caractéristique réduit les pertes de charge du circuit Circ(Cool), et donc la pression requise pour la circulation du fluide de refroidissement et les risques de fuite. En outre, on obtient également une immunité vis-à-vis de la compression des joints en cas de mauvais positionnement de SlntOpau moment de l’assemblage de la plaque bipolaire : un léger désalignement est tolérable.
Dans le cas spécifique de la plaque bipolaire illustrée par laFIG. 6, une seule ouverture dans la plaque bipolaire est prévue par arrivée ou sortie de fluide. Cependant, plus généralement, chaque arrivée ou sortie de fluide peut être formée d’un nombre arbitraire d’ouvertures dans la plaque bipolaire.
Lors de l’assemblage de deux plaque élémentaires PL1 et PL2 pour former une plaque bipolaire BP, deux machines de soudure peuvent fonctionner en parallèle pour former les différentes lignes de soudure et les différentes soudures mentionnées ci-dessus (WldOp, WldExt, WldCool) dans les deux plans LPlaneet HPlane, chaque machine de soudure étant dédiée à l’un des deux plans. Du point de vue de la minimisation du temps pour effectuer les soudures, il y a intérêt à répartir les lignes de soudure et les soudures entre les deux plans HPlaneet LPlanede manière à minimiser l’écart du temps de soudure nécessaire pour chacun de ces plans.
De cette manière, on réduit le temps nécessaire à la formation des lignes de soudure d’une plaque bipolaire. Ainsi, les soudures (les lignes WldOpet WldExtet les soudures WldCool) peuvent être réparties entre le premier plan HPlaneet le deuxième plan LPlanede manière à minimiser une différence de temps de soudure nécessaire entre le premier plan et le deuxième plan. Cette répartition peut se caractériser par le fait que les lignes de soudure WldOpet WldExtet les soudures WldCoolpeuvent être réparties entre le premier plan HPlaneet le deuxième plan LPlanede manière à minimiser une différence entre une somme des longueurs des lignes de soudure WldOpet WldExtet des soudures WldCoolformées dans le premier plan et une somme des longueurs des lignes de soudure WldOpet WldExtet des soudures WldCoolformées dans le deuxième plan.
Cette démarche peut être associée à d’autres géométries et d’autres configurations, et peut se résumer par la condition selon laquelle le circuit de refroidissement est associé au plan de soudure de celui du circuit de réactif qui minimise la longueur cumulée de lignes de soudure à effectuer dans le plan de soudure associé à ce réactif.
Un système FC de génération d’énergie électrique dit « pile à combustible » est formé d’un empilement Stck pouvant comprendre plusieurs centaines de plaque bipolaires chacune interposées entre deux ensembles Ass, souvent désignés par l’acronyme MEA en terminologie anglaise.
LaFIG. 9illustre de manière simplifiée une telle pile telle que vu de l’extérieur, avec des plaques monopolaires MP enserrant un empilement Stck tel que celui illustré par laFIG. 3. Des tiges R associées à des boulons CB de compression permettent d’appliquer une pression à l’empilement Stck par l’intermédiaire des plaques monopolaires MP de manière à comprimer les joints de l’empilement et assurer l’étanchéité des circuits de circulation de fluides. Des éléments extérieurs non représentés permettent de gérer les fluides (réactifs, liquide de refroidissement) et de connecter électriquement la pile à une charge extérieure à alimenter en courant électrique. Cette charge peut être un véhicule ou tout autre élément consommateur d’énergie électrique.
La pile de laFIG. 9peut être configurée de manière à être alimentée en hydrogène en tant que combustible, en air comprenant de l’oxygène en tant qu’oxydant, et en eau en tant que liquide de refroidissement.
Dans ce document, les figures ne sont pas nécessairement à l'échelle. Certaines caractéristiques et certains composants peuvent être représentés exagérés par rapport à d’autres composants ou sous une forme quelque peu schématique, et certains détails d'éléments conventionnels peuvent ne pas être représentés dans l'intérêt de la clarté et de la concision.
Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de mise en œuvre décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications.

Claims (10)

  1. Plaque bipolaire (BP) apte à former un empilement de cellules (Cell) électrochimiques élémentaires dans une pile (FC) à combustible, la plaque bipolaire étant formée d’un assemblage de deux plaque élémentaires (Pl1, Pl2) superposées soudées l’une à l’autre, la plaque bipolaire comprenant :
    - des premières ouvertures (H2In, H2Out) formant une arrivée et une sortie d’un premier fluide, et des premiers canaux de circulation (Ch) du premier fluide entre l’arrivée et la sortie du premier fluide, d’un premier côté de la plaque bipolaire ;
    - des deuxièmes ouvertures (O2In, (O2+H20)Out) formant une arrivée et une sortie d’un deuxième fluide, et des deuxièmes canaux (Ch) de circulation du deuxième fluide entre l’arrivée et la sortie du deuxième fluide, d’un deuxième côté de la plaque bipolaire opposée au premier côté ; et
    - des troisièmes ouvertures (CoolIn, CoolOut) formant une arrivée et une sortie d’un troisième fluide, et des troisièmes canaux (Ch) de circulation du troisième fluide entre l’arrivée et la sortie du troisième fluide, entre les deux plaques élémentaires (Pl1, Pl2),
    - des premières et des deuxièmes lignes de soudure (WeldOp) solidarisant les deux plaques élémentaires forment des boucles respectives autour des premières ouvertures (H2In, H2Out) et des deuxièmes ouvertures (O2In, (O2+H20)Out), les premières et les deuxièmes lignes de soudure (WeldOp) étant configurées de manière à isoler le premier fluide et le deuxième fluide du troisième fluide, respectivement, et
    - des premières soudures (WldCool) solidarisant les deux plaques élémentaires et entourant une première des troisièmes ouvertures (CoolIn,), et des secondes soudures (WldCool) solidarisant les deux plaques élémentaires et entourant une seconde des troisièmes ouvertures (CoolOut),
    dans laquelle les premières lignes de soudure sont formées dans un premier plan (HPlane), les deuxièmes lignes de soudure sont formées dans un deuxième plan (LPlane), distinct du premier plan, les premières soudures sont formées, exclusivement, dans l’un ou l’autre du premier plan (HPlane) et du deuxième plan (LPlane), et les secondes soudures sont formées, exclusivement, dans l’un ou l’autre du premier plan (HPlane) et du deuxième plan (LPlane).
  2. La plaque bipolaire selon la revendication 1, dans laquelle le premier plan (HPlane) et le deuxième plan (LPlane) sont situés de part et d’autre d’un plan (BPPlane) défini par des points de contact entre les deux plaques élémentaires (Pl1, Pl2) dans une zone active (Act) de la plaque bipolaire.
  3. 3. La plaque bipolaire selon la revendication 2, dans laquelle la zone active (Act) est interposée entre les premières ouvertures (H2In, H2Out), entre les deuxièmes ouvertures (O2In, (O2+H20)Out), et entre les troisièmes ouvertures (CoolIn, CoolOut), et dans laquelle les premières soudures sont pour partie formées entre la zone active (Act) et la première (CoolIn) des troisièmes ouvertures, et les secondes soudures sont pour partie formées entre la zone active et la seconde (CoolOut) des troisièmes ouvertures.
  4. 4. La plaque bipolaire selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant une soudure périphérique (WedlExt) entre les deux plaques élémentaires, dans laquelle la soudure périphérique suit un contour périphérique de la plaque bipolaire, et est formée dans l’un ou l’autre du premier plan (HPlane) et du deuxième plan (LPlane).
  5. 5. La plaque bipolaire selon la revendication 4, dans laquelle les lignes de soudure et les soudures sont réparties entre le premier plan (HPlane) et le deuxième plan (LPlane) de manière à minimiser une différence de temps de soudure nécessaire entre le premier plan et le deuxième plan.
  6. 6. La plaque bipolaire selon la revendication 5, dans laquelle les lignes de soudure et les soudures sont réparties entre le premier plan (HPlane) et le deuxième plan (LPlane) de manière à minimiser une différence entre une somme de longueurs des lignes de soudure et des soudures formées dans le premier plan et une somme des lignes de soudure et des soudures formées dans le deuxième plan.
  7. 7. La plaque bipolaire selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle une arrivée et une sortie d’un fluide sont chacune constituées d’un nombre arbitraire d’ouvertures comprises dans la plaque bipolaire.
  8. 8. La plaque bipolaire selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle l’une (Pl1) des deux plaques élémentaires (Pl1, Pl2) présente une région plane (R) arrangée de manière à recevoir des nervures ou des gorges de l’autre (Pl2) des deux plaques élémentaires (Pl1, Pl2).
  9. 9. Empilement (Stck) de plaques bipolaires définies par l’une quelconques des revendications 1 à 8 configuré de manière à être intégré dans une pile à combustible (FC), l’empilement comprenant des ensembles (Ass) comprenant chacun, dans cet ordre, une couche (DiffAn) de diffusion d’anode, une couche (CATAn) de matériau catalytique d’anode, une membrane (PrEx) échangeuse de protons, une couche (CATCa) de matériau catalytique de cathode, et une couche (DiffCa) de diffusion de cathode, chaque ensemble (Ass) étant interposé entre deux des plaques bipolaires (BP).
  10. 10. Une pile à combustible (FC) comprenant un empilement (Stck) selon la revendication 9, compressé entre deux plaques monopolaire (MP), la pile à combustible étant configurée de manière à, en fonctionnement, produire de l’énergie électrique.
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