WO2016150740A1 - Bande separatrice cathodique pour pile a combustible enroulee et pile comportant une telle bande separatrice - Google Patents

Bande separatrice cathodique pour pile a combustible enroulee et pile comportant une telle bande separatrice Download PDF

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separating
strips
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Mario ABADIE
Pierre Forte
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Pragma Industries SAS
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a cathodic separator strip for coiled-type fuel cells comprising a complex provided in particular with a tension strip or support strip, a hydrogen conduit, a strip carrying electrochemical cells in series and a separating strip provided. air passage channels transverse to the longitudinal axis of the carrier web of the cells.
  • the invention further relates to the fuel cell having such a separator band.
  • Examples of coiled fuel cells are described, for example, in EP 1 846 976 B1, EP 2 556 555 B1, WO 2011/124863 A1, WO 2013/164438 A1 and the applications FR13 62685, FR13 62687 and FR13 62689 filed on 16/12/2013 all in the name of the applicant and incorporated herein by reference.
  • the present invention proposes to improve the battery in particular to make it more efficient on these two points.
  • the present invention proposes a corrugated cathodic separator strip for a fuel cell which comprises a first corrugated strip on a first of its faces and a second corrugated strip on a second of its faces, said corrugated strips being arranged on the opposite faces of a central smooth strip.
  • the corrugated strips are advantageously glued or welded to the smooth strip.
  • the first corrugated strip intended to be brought into contact with the cathodes of the cell is metallic and covered on the cathode side by an electrical insulating layer.
  • the electrical insulating layer is advantageously in the form of a film or a surface coating of the first strip.
  • the first corrugated strip intended to be brought into contact with the cathodes of the cell is made of an electrically insulating plastic material.
  • This material is advantageously of thermal conductivity adapted to allow sufficient heat dissipation on the cathode side of the cell.
  • the smooth strip is advantageously made of steel or an aluminum alloy with a low coefficient of elongation under tension.
  • the second corrugated strip intended to be on the face of the separating strip opposite the face in contact with the cathodes is preferably metallic.
  • the second corrugated strip may in particular be made of aluminum alloy or steel.
  • the materials of the corrugated strips and the corrugations are advantageously adapted to resist crushing or deformation of the corrugations during the winding of the battery and its use.
  • the stack of corrugated strips is adapted to resist, in particular by calculating the slopes of the corrugations, a calculation that uses the ratio of the pitch (P) and the height (h), the thickness of the strips and / or the stiffness of the material, at a pressure of 1 to 5 N / mm2.
  • the corrugations of the two corrugated strips separated by the central smooth strip advantageously have pitch (Pa, Pc) and / or the different peak / peak heights (ha, hc) to obtain a cooling air flow rate greater than the air flow rate. cathodic reaction.
  • the height of the first strip is advantageously chosen between 1 mm and 3 mm.
  • the height of the second strip is advantageously chosen between 1 mm and 5 mm.
  • the thickness of the smooth strip may in particular be chosen between 0.03 mm and
  • the thicknesses of the corrugated strips can be chosen in particular between 0.05 mm and 0.3 mm
  • the pitch (Pa) of the first strip is advantageously chosen between 1 mm to 5 mm.
  • the pitch (P c ) of the second strip is advantageously chosen between 1 mm to 8 mm.
  • the invention furthermore proposes a wound fuel cell comprising a support strip, an H 2 diffusion strip, a carrier strip comprising electrochemical cells and a three-strip corrugated cathodic separation strip of the invention, for which the first corrugated strip , in contact with the cathodes of the cell, makes an air passage at said cathodes and the second strip, in contact with a support strip of the cell, provides a cooling air passage of the cell.
  • the corrugations of the first strip on the central strip side also contribute to the cooling air passage of the stack.
  • the ratio of cathode feed air flow, passing between the corrugations of the first corrugated strip on the cathode side of the separator strip, on the cooling air flow, passing through the corrugations of the second corrugated strip on the other side central smooth strip and between the corrugations of the first corrugated strip and the central smooth strip, is advantageously less than 1 to obtain a good cooling of the battery without drying the cathodes of the cells.
  • FIG. 1 a schematic view of a complex for producing a wound cell of the invention
  • FIG. 2 a side view of a segment of a cathodic separation band according to the invention
  • Figure 3 an exploded side view of an assembly of a winding mandrel of a battery of the invention
  • Figure 4 a view of a detail of the embodiment of a connection subassembly of a battery of the invention
  • FIG. 5 a schematic view of a beginning of mandrel winding adapted to the production of a battery according to the invention
  • Figure 6 a schematic view of a step of making a termination of a battery according to the invention.
  • Figure 7 a schematic view of an exemplary winding machine of a stack of the invention.
  • the invention relates to a fuel cell wound from a complex which comprises, as represented in FIG. 1, a support strip 10, an anode insulating strip 20, an H 2 diffusion strip 30, here in the form of a grid, an carrier strip 40, comprising electrochemical cells 41, which is here made with three layers 40a, 40b, 40c.
  • the cells are in series on the band and have their anodes A on one side of the band their cathodes K on a second side of the band, a previous anode being electrically connected to a next cathode by interconnection means cells in the form of strips 42 which pass through the band by sealed passages.
  • a hydrogen transport pipe is formed between the anode insulating strip 20 and the face carrying the anodes A of the carrier strip 40 by means of shims 5a, 5b along the anodes of the carrier strip and connecting said face and said anodic insulating tape 20.
  • the H 2 diffusion band 30 between the anode insulating band 20 and the carrier band of the cells 40.
  • the anode insulating strip 20 is separated from the support strip 10 whose function is to regulate the voltage on the cells during winding.
  • gluing is done at the winding of these elements on the mandrel during the winding of the stack rather than flat. This makes it possible to avoid the fact that the thickness of the complex causes a difference in length between its outer layer and its inner layer during the winding of the complex.
  • the invention proposes a corrugated cathodic separation strip 50 shown in FIG. 2.
  • This corrugated strip is located on the cathode side of the carrier strip 40 as represented in FIG. 1.
  • the cathodic separating strip comprises two faces. The first face is in contact with the cathodes and carries an air passage at the cathodes of the carrier strip for the operation of the battery. The second face is in contact with the support strip 10 and provides a cooling air passage of the stack.
  • the separating strip 50 comprises, according to the invention, three layers consisting of a first corrugated strip 50a on the first side and a second corrugated strip 50c on the second side, the corrugated strips being deposited and glued or welded on opposite sides of a central smooth strip 50b to prevent slippage between the layers and the crushing of the strips by deformation of the corrugations.
  • the three strips are metallic.
  • the smooth strip is made of steel or an aluminum alloy having a low coefficient of extension under longitudinal traction.
  • the corrugated strip 50c on the face in contact with the support strip 10 is for example made of aluminum alloy to allow good dissipation of the heat produced by the battery and a good heat exchange with the air circulating between the convective corrugations , suction or blowing.
  • the corrugated strip 50a in contact with the cathodes is also metallic, it is covered by an electrical insulating layer 500 in the form of a film or a surface coating so as not to create a short circuit between these cathodes.
  • the corrugated strip 50a on the cathode side may be a strip made of an electrically insulating plastic material but still offering sufficient thermal conduction to cool the cathode face of the cell.
  • the materials used for the corrugated strips must also be sufficiently strong to avoid crushing or deformation of the corrugations during the winding of the battery and its use.
  • This constitution of the three-layer corrugated separator strip has several advantages.
  • the separating strip 50 in the first place, can not crush and is rendered virtually incompressible under the pressures obtained during the winding of the stack because the two corrugated strips 50a, 50c are press against the central smooth strip 50b which prevents them from crashing by spring effect at the corrugations.
  • the central smooth strip also prevents the separating strip from lengthening due to the elasticity of the corrugated strip during the winding operation of the stack.
  • cooling air flow / cathodic air flow allows a significant cooling air flow while limiting the flow of cathodic air not to dry the cells.
  • the pitch P has corrugations of the strip 50a in contact with the cathodes will be chosen small enough to achieve several lines of contact with the latter, to increase the support surface of the strip on the cathodes and to ensure good compression of the cells between the support strip 10 and the corrugated separating strip.
  • the ratio of the pitch P has corrugations of the strip 50a in contact with the cathodes on the pitch P b of the corrugations of the strip 50c on the support strip side can be less than or equal to 1.
  • the height h is for example defined between 1mm and 3mm whereas the height h b is defined between 1mm and 5mm.
  • the thickness E of the smooth strip is of the order of 0.03 mm to 0.3 mm.
  • the thicknesses of the corrugated strips being of the order of 0.05mm to 0.3mm.
  • the pitch P a of the strip 50a is of the order of 1mm to 5mm, the pitch P c of the strip 50c being 1mm to 8mm.
  • the goal is to obtain a sufficient minimum cooling and air flow rate for the electrochemical reaction while offering sufficient strength of the strip to withstand crushing stresses during winding and withstand the effects of thermal expansion of the materials. in use.
  • the thicknesses of the corrugated straps, the shape of the corrugations and the material used must allow the corrugated straps to withstand a pressure of 1 to 5 N / mm 2 applied on the opposite sides of the separating strip.
  • the stack is wound from a central mandrel shown in exploded form in FIG. 3.
  • the support strip 10 fixed to a central holding flange 11 will be the core of the winding and will be secured to the winding axis of the winding. stack by the holding flange.
  • the central mandrel comprises a first subassembly 200 which comprises the holding flange 11 possibly in two parts for trapping the beginning of the support strip 10.
  • the mandrel comprises, above the holding flange, a second subassembly 300 which comprises a compartment module H 2 / electrical connection 70 comprising a hydrogen splitter fluid coupling device H 2 60 for supplying hydrogen into a sealed channel of the battery anode side and a first electrical contact 61 for connecting a first electrode of the battery, anode or cathode.
  • the compartment module H 2 / electrical connection 70 receives a first end end of the anode insulating strip 20, a first end of the diffusion band H 2 and a first end of the carrier strip 40 of the cells, as shown in FIG. , where the layers are shown apart for the purpose of the drawing, whereas they are actually assembled and glued tightly on the fluidic connection device for producing the sealed channel carrying the hydrogen to the anodes of the cell.
  • the H 2 diffusion band 30 and the anodic insulating strip 20, with its shims 5a, 5b around the diffusion band H 2 are positioned in front of a hydrogen distribution light 62 shown in dotted lines to start the channel. which will be realized between the carrier band and the anodic insulating band, this channel containing the H 2 diffusion band.
  • the lumen 62 is part of the fluidic splitter device H 2 60 which receives, for example, a nozzle to which a hydrogen delivery tube (not shown) is connected.
  • a pressing device such as, for example, rolls 1200a, 1200b helps to bond the layers of the hydrogen channel.
  • the mandrel comprises a third subassembly 400 comprising a cathode support element 74 on which the corrugated cathodic separation band 50 is fixed, for example by means of staples or other means. fasteners such as pins inserted into holes at the end of the band.
  • the second 300 and third 400 subassemblies are assembled on either side of the first subassembly 200 to form the mandrel around which the stack is wound and the support strip is fixed to the center of the winding so as to ensure and check the tension of the winding.
  • the outer surface of the first subassembly comprising the compartment module H 2 / electrical connection, and the third subassembly are complementary to form the surface of the winding mandrel of the battery.
  • the various constituent parts of the mandrel may be glued together or include assembly means such as clips carried by some of the elements snapping into housings made in other elements.
  • FIG. 5 illustrates the positioning of the assembly 63, a complex group comprising the carrier strip 40, the H 2 diffusion band 30 and the anodic insulating strip 20 with its shims 5a, 5b; the positioning of the support strip 10 and the positioning of the strip corrugated cathode separator 50 around the mandrel.
  • the mandrel which according to this figure has performed 3/4 of a turn, has recesses 81, 82 and 83 to catch:
  • the thickness of the corrugated separating strip 50 schematized in the figure according to its envelope, for the recess 82 and,
  • This form of mandrel having recesses allows to obtain from the beginning of the winding of the stack a homogeneous winding and regular thickness.
  • FIG. 6 schematically shows the connection of a second compartment module H 2 / electrical connection 310 for terminating the stack.
  • This module 310 for terminating the wound battery allows the electrical connection of the end of the battery and allows the hydrogen channel to be terminated.
  • This device comprises in the same manner as the compartment module H 2 / electrical connection 70 from the beginning of the stack a hydrogen collecting light in communication with a second fluid connection device 60 '.
  • the second compartment module H 2 / electrical connection 310 is provided with a curved underside conforming to the surface of the end of the stack and a curved upper face on which end towers of the stack will rest.
  • the anodic insulating tape 20, H 2 diffusion tape 30 and carrier tape 40 are cut off at an end station of the battery terminator which has said second module before being connected to this battery terminating device.
  • the connection is made while maintaining the tightness of the channel H 2 which is placed in communication with the fluid connection device 60 'while the last cell of the strip is electrically connected to a second electrical contact 61'. Once the connection is made, the tape terminations and the second module apply to the wound cell.
  • the corrugated separating strip is then cut off so as to be applied to the end of the apparent carrier belt 40 and one or more additional turns of the support strip 10 are made to consolidate and protect the stack, then the support strip 10 is cut and its end is for example glued to the outside of the stack.
  • An example of a machine for manufacturing coiled fuel cells for winding the battery of the invention is shown schematically in FIG.
  • the machine comprises a central winding device 100, strip feeders 1010, 1020, 1030, 1040, 1050 angularly distributed around the central winding device and work stations 1110, 1120, 1130 on the strips between the reels and the device central winding.
  • the reels are voltage controlled to allow a regular winding of the various layers of the stack, the reel 1010 distributing the support foil being voltage controlled depending on the rotation of the winding device to ensure the constant compression on the layers of the carrier tape cells.
  • winders 1021, 1041 and 1051 are provided.
  • a first workstation 1110 comprises means 1110a for laying the holding flange on the support roll 10 and means 1110b for cutting the end of said roll.
  • a second workstation 1120 comprises means 1120a on the one hand assembly of the first subassembly 300 to make the electrical connection and the connection H 2 of the battery core and secondly assembly of the second compartment module H 2 / Electrical connection 310 to make the end of battery connection.
  • This station further comprises cutting means 1120b of the anodic insulating strip 20, H 2 diffusion band 30 and carrier strip 40 at the completion of the stack.
  • a third workstation 1130 comprises means 1130a for producing the third subassembly with the corrugated cathodic separating band 50 and cutting means 1130b for cutting the separating band at the end of the band.
  • the angular positioning of the unwinders 1010, 1020, 1030, 1040 and 1050 with respect to the central station is determined to ensure space for the intermediate workstations, a station for assembling the connection devices at the beginning and end of the stack. , cutting stations of the strips and strips constituting the stack and assembly station of the conduit in contact with the winding positioned to ensure that the gluing of the carrier strip and the conduit H 2 is made on the point of contact with the mandrel.
  • the winding 600 is performed on the number of turns required to obtain the desired voltage of the battery.
  • the bands to be positioned are unrolled whereas a controlled tension of the support strip by a regulator of the tension 1100 slaved with respect to the radius of the mandrel makes it possible to apply a homogeneous pressure on the electrodes carried by the support strip so that the Electrochemical cells are compressed between the support strip 10 and the corrugated strip 50 to improve electrical contact between the layers of the electrochemical cells and to increase the efficiency of the cell.
  • the support strip acts here as a compression strip.
  • the cathodic separator strip forming a support strip for the cells compressed by the support strip.
  • a sensor such as an optical sensor or a contact detector as represented diagrammatically under the reference 1001 in FIG. 7 continuously measures the radius of the battery during winding and slaving.
  • the motor driving the mandrel at the winder 1000 and the resistive force applied by the brake device 1100 to the unwinder 1010 of the support strip 10.
  • the reel 1000 and unwinder 1010, unwinder of the support strip 10 are set to achieve the voltage of the winding of the battery as seen above.
  • the unwinders 1020, 1030, 1040 respectively unwinding of the anodic insulating strip 20 equipped with shims 21, the H 2 diffusion band 30 and the carrier strip 40 are set to keep these strips sufficiently taut during winding for correctly guide them, avoid homogeneity defects of the winding, ensure the proper assembly of the constituent parts of the hydrogen pipe and maintain the thickness of the hydrogen pipe constant.
  • the unwinder 1050 adjusts the tension of the corrugated cathodic splitter strip.
  • the support strip 10 and the corrugated cathodic separation strip 50 are made of thermal conductive materials adapted to be wound and preferably metal materials to prevent any extension of these elements during winding.
  • the anodic insulating strip 20 is advantageously produced by means of a plastic film that is not very extensible, such as for example a polyimide or aramid film, the H 2 diffusion band is in particular made of plastic material and comprises in the form of of a wide mesh fabric or a grid which may comprise weft yarns and warp yarns, the carrier web 40 is a multilayer complex.
  • a plastic film that is not very extensible such as for example a polyimide or aramid film
  • the H 2 diffusion band is in particular made of plastic material and comprises in the form of of a wide mesh fabric or a grid which may comprise weft yarns and warp yarns
  • the carrier web 40 is a multilayer complex.
  • the pitch of the undulations of the corrugated strips can be adapted according to the cooling or cathodic airflow requirements.

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Abstract

La présente invention concerne une bande séparatrice cathodique ondulée (50) pour pile à combustible qui comporte un premier feuillard ondulé (50a) sur une première de ses faces et un second feuillard ondulé (50c) sur seconde de ses faces, lesdits feuillards ondulés étant disposés sur les faces opposées d'un feuillard lisse central (50b). Les matériaux des feuillards ondulés et la géométrie des ondulations sont préférablement adaptés à résister à l'écrasement ou la déformation des ondulations lors du bobinage de la pile et de son utilisation.

Description

BANDE SEPARATRICE CATHODIQUE POUR PILE A COMBUSTIBLE ENROULEE ET PILE
COMPORTANT UNE TELLE BANDE SEPARATRICE
Domaine de l'invention
La présente invention concerne une bande séparatrice cathodique pour piles à combustibles du type enroulées comportant un complexe pourvu en particulier d'un feuillard de tension ou feuillard support, d'un conduit hydrogène, une bande porteuse de cellules électrochimiques en série et une bande séparatrice pourvue de canaux de passage d'air transversaux par rapport à l'axe longitudinal de la bande porteuse des cellules. L'invention concerne en outre la pile à combustible comportant une telle bande séparatrice.
Arrière plan technologique
Des exemples de piles à combustible enroulées sont par exemple décrits dans les documents EP 1 846 976 Bl, EP 2 556 555 Bl, WO 2011/124863 Al, WO 2013/164438 Al et les demandes FR13 62685, FR13 62687 et FR13 62689 déposées le 16/12/2013 tous au nom de la demanderesse et incorporés ici par référence.
Pour obtenir un bon rendement avec de telles piles, la régularité de l'enroulement des couches, la régularité de la pression sur les cellules et sur les bandelettes traversant la bande porteuse et reliant les cellules électrochimiques de la bande porteuse en série et l'étanchéité au niveau du canal hydrogène sont des points primordiaux.
De même réaliser un bon refroidissement de la pile sans assécher les cellules est un point essentiel.
La présente invention propose de perfectionner la pile notamment pour la rendre plus performante sur ces deux points.
Brève description de l'invention Pour ce faire la présente invention propose une bande séparatrice cathodique ondulée pour pile à combustible qui comporte un premier feuillard ondulé sur une première de ses faces et un second feuillard ondulé sur seconde de ses faces, lesdits feuillards ondulés étant disposés sur les faces opposées d'un feuillard lisse central.
Les feuillards ondulés sont avantageusement collés ou soudés sur le feuillard lisse.
Selon un mode de réalisation préféré, le premier feuillard ondulé destiné à être mis en contact avec les cathodes de la pile est métallique et recouvert côté cathodes par une couche isolante électrique.
La couche isolante électrique est avantageusement sous forme d'un film ou d'un revêtement de surface du premier feuillard.
Selon un mode de réalisation alternatif, le premier feuillard ondulé destiné à être mis en contact avec les cathodes de la pile est réalisé dans un matériau plastique isolant électrique. Ce matériau est avantageusement de conductivité thermique adaptée à autoriser une dissipation thermique suffisante côté face cathodique de la pile.
Le feuillard lisse est avantageusement réalisé en acier ou dans un alliage d'aluminium à faible coefficient d'allongement sous traction.
Le second feuillard ondulé destiné à se trouver sur la face de la bande séparatrice opposée à la face en contact avec les cathodes est préférablement métallique.
Le second feuillard ondulé peut notamment être réalisé en alliage d'aluminium ou en acier.
Les matériaux des feuillards ondulés et les ondulations sont avantageusement adaptés pour résister à l'écrasement ou la déformation des ondulations lors du bobinage de la pile et de son utilisation.
L'empilage des feuillards ondulés est adapté à résister, notamment par calcul des pentes des ondulations, calcul qui utilise le rapport du pas (P) et de la hauteur (h), de l'épaisseur des feuillards et/ou de la raideur du matériau, à une pression de 1 à 5 N/mm2.
Les ondulations des deux feuillards ondulés séparés par le feuillard lisse central ont avantageusement des pas (Pa, Pc) et/ou les hauteurs crête/crête (ha, hc) différents pour obtenir un débit d'air de refroidissement supérieur au débit d'air de réaction cathodique.
La hauteur du premier feuillard est avantageusement choisie entre 1mm et 3mm. La hauteur du second feuillard est avantageusement choisie entre 1mm et 5mm. L'épaisseur du feuillard lisse peut notamment être choisies entre 0,03mm et
0,3mm
Les épaisseurs des feuillards ondulés peuvent notamment être choisies entre 0,05mm et 0,3mm
Le pas (Pa) du premier feuillard est avantageusement choisi entre 1mm à 5mm. Le pas (Pc) du second feuillard est avantageusement choisi entre 1mm à 8mm. L'invention propose en outre une pile à combustible enroulée comportant un feuillard support, une bande de diffusion H2, une bande porteuse comportant des cellules électrochimiques et une bande séparatrice cathodique ondulée à trois feuillards de l'invention, pour laquelle le premier feuillard ondulé, en contact avec les cathodes de la pile, réalise un passage d'air au niveau desdites cathodes et le second feuillard, en contact avec un feuillard support de la pile, réalise un passage d'air de refroidissement de la pile. Les ondulations du premier feuillard côté feuillard central contribuent aussi au passage d'air de refroidissement de la pile.
Un conduit de transport d'hydrogène dans lequel se trouve la bande de diffusion H2 étant constitué entre la bande isolante anodique et la face portant les anodes A de la bande porteuse, le conduit de transport d'hydrogène et la bande porteuse des cellules sont comprimés entre la bande séparatrice cathodique ondulée et le feuillard support.
Le rapport du débit d'air d'alimentation des cathodes, passant entre les ondulations du premier feuillard ondulé côté cathodes de la bande séparatrice, sur le débit d'air de refroidissement, passant dans les ondulations du second feuillard ondulé de l'autre côté du feuillard lisse central et entre les ondulations du premier feuillard ondulé et le feuillard lisse central, est avantageusement inférieur à 1 pour obtenir un bon refroidissement de la pile sans assécher les cathodes des cellules.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront apparents à la lecture de la description qui suit d'un exemple non limitatif de réalisation de l'invention en référence aux dessins qui représentent:
En figure 1: une vue schématique d'un complexe de réalisation d'une pile enroulée de l'invention; en figure 2: une vue de côté d'un segment d'une bande séparatrice cathodique selon l'invention;
En figure 3: une vue éclaté de côté d'un assemblage d'un mandrin de bobinage d'une pile de l'invention;
En figure 4: une vue d'un détail de la réalisation d'un sous ensemble de raccordement d'une pile de l'invention;
En figure 5: une vue schématiques d'un début de bobinage sur mandrin adapté à la réalisation d'une pile selon l'invention;
En figure 6: une vue schématique d'une étape de réalisation d'une terminaison d'une pile selon l'invention;
En figure 7: une vue schématique d'un exemple de machine de bobinage d'une pile de l'invention;
Description détaillée de modes de réalisation de l'invention
L'invention concerne une pile à combustible enroulée à partir d'un complexe qui comprend comme représenté en figure 1 un feuillard support 10, une bande isolante anodique 20, une bande de diffusion H2 30, ici sous forme d'une grille, une bande porteuse 40, comportant des cellules électrochimiques 41, qui est ici réalisée avec trois couches 40a, 40b, 40c.
Les cellules sont en série sur la bande et ont leurs anodes A d'un premier côté de la bande leurs cathodes K d'un second côté de la bande, une anode précédente étant reliée électriquement à une cathode suivante par des moyens d'interconnexion des cellules sous forme de bandelettes 42 qui traversent la bande par des passages étanches.
Un conduit de transport d'hydrogène est constitué entre la bande isolante anodique 20 et la face portant les anodes A de la bande porteuse 40 au moyen de cales d'épaisseur 5a, 5b longeant les anodes de la bande porteuse et reliant ladite face et ladite bande isolante anodique 20.
Dans le conduit se trouve la bande de diffusion H2 30 entre la bande isolante anodique 20 et la bande porteuse des cellules 40.
La bande isolante anodique 20 est séparée du feuillard support 10 qui a pour fonction de réguler la tension sur les cellules lors de l'enroulement. la bande isolante anodique 20 par exemple équipée des cales 5a, 5b de la figure 4, la bande de diffusion H2 30 et la bande porteuse 40 sont collées de manière à former un complexe garantissant l'étanchéité du canal de diffusion H2. Pour éviter que le complexe collé gondole ou se plisse, le collage se fait au niveau de l'enroulement de ces éléments sur le mandrin pendant l'enroulement de la pile plutôt qu'à plat. Ceci permet d'éviter en effet que l'épaisseur du complexe cause un différentiel de longueur entre sa couche externe et sa couche interne lors de l'enroulement du complexe.
L'invention propose une bande séparatrice cathodique ondulée 50 représentée en figure 2. Cette bande ondulée se trouve côté cathodes de la bande porteuse 40 comme représenté en figure 1. La bande séparatrice cathodique comporte deux faces. La première face est en contact avec les cathodes et réalise un passage d'air au niveau des cathodes de la bande porteuse pour le fonctionnement de la pile. La seconde face est en contact avec le feuillard support 10 et réalise un passage d'air de refroidissement de la pile. De retour à la figure 2, la bande séparatrice 50 comprend selon l'invention trois couches, constituées d'un premier feuillard ondulé 50a côté première face et d'un second feuillard ondulé 50c côté seconde face, les feuillards ondulés étant déposés et collés ou soudés sur les faces opposées d'un feuillard lisse central 50b pour éviter un glissement entre les couches et l'écrasement des feuillards par déformation des ondulations.
Préférablement les trois feuillards sont métallique. En particulier le feuillard lisse est réalisé en acier ou dans un alliage d'aluminium présentant un faible coefficient d'extension sous traction longitudinale.
Le feuillard ondulé 50c sur la face en contact avec le feuillard support 10 est par exemple réalisé en alliage d'aluminium pour permettre une bonne dissipation de la chaleur produite par la pile et un bon échange thermique avec l'air circulant entre les ondulations par convexion, aspiration ou soufflage.
Dans le cas où le feuillard ondulé 50a en contact avec les cathodes est aussi métallique, il est recouvert par une couche isolante électrique 500 sous forme d'un film ou d'un revêtement de surface pour ne pas créer de court circuit entre ces cathodes.
Le feuillard ondulé 50a côté cathodes peut toutefois être un feuillard réalisé dans un matériau plastique isolant électrique mais offrant tout de même une conduction thermique suffisante pour refroidir la face cathodique de la pile. Les matériaux utilisés pour les feuillards ondulés doivent en outre être suffisamment résistants pour éviter un écrasement ou une déformation des ondulations lors du bobinage de la pile et de son utilisation.
Cette constitution de la bande séparatrice ondulée en trois couches offre plusieurs avantages.
En premier lieu, la bande séparatrice 50 bien qu'elle soit ondulée, ne peut pas s'écraser et est rendue pratiquement incompressible sous les pressions obtenues lors de l'enroulement de la pile du fait que les deux feuillards ondulés 50a, 50c s'appuient sur le feuillard lisse central 50b ce qui les empêche de s'écraser par effet ressort au niveau des ondulations. Le feuillard lisse central évite aussi que la bande séparatrice ne s'allonge du fait de l'élasticité des feuillard ondulés lors de l'opération d'enroulement de la pile.
En second lieu, il est possible de faire varier le rapport d'air d'alimentation des cathodes passant entre les ondulations du premier feuillard ondulé 50a côté cathodes de la bande séparatrice par rapport au débit d'air de refroidissement passant dans les ondulations du second feuillard ondulé 50c de l'autre côté du feuillard lisse central 50b en choisissant des pas Pa, Pc et des hauteurs crête/crête ha, hc différents entre les ondulations des deux feuillards ondulés 50a, 50c séparés par le feuillard lisse central.
Le but de cette différenciation débit d'air refroidissement/débit d'air cathodique permet d'avoir un flux d'air de refroidissement important tout en limitant le flux d'air cathodique pour ne pas assécher les cellules.
En outre le pas Pa des ondulations du feuillard 50a en contact avec les cathodes va être choisi suffisamment petit pour réaliser plusieurs lignes de contact avec ces dernières, pour accroître la surface d'appui du feuillard sur les cathodes et pour garantir une bonne compression des cellules entre le feuillard support 10 et la bande séparatrice ondulée.
Par exemple, le rapport du pas Pa des ondulations du feuillard 50a en contact avec les cathodes sur le pas Pb des ondulations du feuillard 50c côté feuillard support peut être inférieur ou égal à 1.
Avoir un pas réduit côté cathodes au niveau du feuillard 50a et un pas plus grand côté refroidissement au niveau du feuillard 50c permet d'accroître la propension de la bande séparatrice à s'enrouler lorsque le feuillard 50a se trouve à l'intérieur de l'enroulement et le feuillard 50c à l'extérieur. Il y a lieu de noter que les ondulations du premier feuillard ondulé 50a situées entre ce feuillard et le feuillard lisse participent au refroidissement de la pile dans une moindre mesure que les ondulations du second feuillard ondulé 50c.
La hauteur ha est par exemple définie entre 1mm et 3mm alors que la hauteur hb est définie entre 1mm et 5mm.
l'épaisseur E du feuillard lisse est de l'ordre de 0,03mm à 0,3mm.
Les épaisseurs des feuillards ondulés étant de l'ordre de 0,05mm à 0,3mm.
Le pas Pa du feuillard 50a est de l'ordre de 1mm à 5mm, le pas Pc du feuillard 50c étant de 1mm à 8mm. Le but étant d'obtenir un débit minimum suffisant en refroidissement et en air destiné à la réaction électrochimique tout en offrant une solidité suffisante du feuillard pour résister aux contraintes d'écrasement lors de l'enroulement et résister aux effets de la dilatation thermique des matériaux en utilisation.
Les épaisseurs des feuillards ondulés, la forme des ondulations et le matériau employé doivent permettre aux feuillards ondulés de résister à une pression de 1 à 5 N/mm2 s'appliquant sur les faces opposées de la bande séparatrice.
La pile est enroulée à partir d'un mandrin central représenté en éclaté en figure 3. Le feuillard support 10 fixé à une bride de maintien centrale 11 va être le cœur de l'enroulement et être solidarisé à l'axe d'enroulement de la pile par la bride de maintien.
Le mandrin central comporte un premier sous ensemble 200 qui comporte la bride de maintien 11 éventuellement en deux parties pour emprisonner le début du feuillard support 10. Le mandrin comporte au dessus de la bride de maintien un deuxième sous ensemble 300 qui comporte un module compartiment H2/connexion électrique 70 regroupant un dispositif de raccordement fluidique répartiteur d'hydrogène H2 60 permettant d'apporter de l'hydrogène dans un canal étanche de la pile côté anodes et un premier contact électrique 61 de raccordement d'une première électrode de la pile, anode ou cathode.
Le module compartiment H2/connexion électrique 70 reçoit une première extrémité de début de la bande isolante anodique 20, une première extrémité de la bande de diffusion H2 30 et une première extrémité de la bande porteuse 40 des cellules, comme représenté en figure 4, où les couches sont montrées écartées pour le besoin du dessin, alors qu'elles sont en réalité assemblées et collées de manière étanche sur le dispositif de raccordement fluidique pour réaliser le canal étanche transportant l'hydrogène aux anodes de la pile. La bande de diffusion H2 30 et la bande isolante anodique 20, avec ses cales 5a, 5b autour de la bande de diffusion H2, sont positionnées en face d'une lumière 62 de distribution d'hydrogène vue en pointillés pour débuter le canal qui va être réalisé entre la bande porteuse et la bande isolante anodique, ce canal contenant la bande de diffusion H2. La lumière 62 fait partie du dispositif de raccordement fluidique répartiteur H2 60 qui reçoit par exemple un embout auquel un tube apporteur d'hydrogène non représenté est raccordé. Un dispositif presseur, tel que par exemple des rouleaux 1200a, 1200b aide au collage des couches du canal hydrogène.
De retour à la figure 3, au dessous de la bride de maintien 11, le mandrin comporte un troisième sous ensemble 400 comprenant un élément support cathode 74 sur lequel est fixée la bande séparatrice cathodique ondulée 50 par exemple au moyen d'agrafes ou autres moyens de fixations tels que des pions s'insérant dans des trous en fin de bande.
Les deuxième 300 et troisième 400 sous ensembles sont assemblés de part et d'autre du premier sous ensemble 200 pour former le mandrin autour duquel la pile est enroulée et le feuillard support est fixé au centre de l'enroulement en sorte d'assurer et de contrôler la tension de l'enroulement.
La surface extérieure du premier sous ensemble comportant le module compartiment H2/raccordement électrique, et du troisième sous ensemble sont complémentaires pour former la surface du mandrin de bobinage de la pile. Les diverses parties constituantes du mandrin peuvent être collées ensemble ou comprendre des moyens d'assemblage tels que des clips portés par certains des éléments s'encliquetant dans des logements réalisés dans d'autres des éléments.
Les diverses couches de la pile, bande porteuse 40 assemblée avec au dessous la bande de diffusion H2 30 et la bande isolante anodique 20, feuillard support 10 et bande séparatrice 50 sont positionnées angulairement sur le mandrin pour respecter l'ordre des couches de la pile lors du bobinage.
La figure 5 illustre le positionnement de l'ensemble 63, complexe regroupant la bande porteuse 40, la bande de diffusion H2 30 et la bande isolante anodique 20 avec ses cales 5a, 5b; le positionnement du feuillard support 10 et le positionnement de la bande séparatrice cathodique ondulée 50 autour du mandrin. Le mandrin, qui selon cette figure a effectué 3/4 de tour, comporte des décrochements 81, 82 et 83 permettant de rattraper:
- l'épaisseur de l'ensemble 63 pour le décrochement 81,
- l'épaisseur de la bande séparatrice ondulée 50, schématisée sur la figure selon son enveloppe, pour le décrochement 82 et,
- l'épaisseur du feuillard support 10 pour le décrochement 83.
Cette forme de mandrin comportant des décrochements permet d'obtenir dès le début du bobinage de la pile un enroulement homogène et d'épaisseur régulière.
La figure 6 représente schématiquement le raccordement d'un second module compartiment H2/connexion électrique 310 de terminaison de la pile.
Ce module 310 de terminaison de la pile enroulée permet le raccordement électrique de la fin de pile et permet de terminer le canal hydrogène.
Ce dispositif comporte de la même façon que le module compartiment H2/connexion électrique 70 de début de pile une lumière collectrice d'hydrogène en communication avec un second dispositif de raccordement fluidique 60'.
Le second module compartiment H2/connexion électrique 310 est pourvu d'une face inférieure courbe épousant la surface de la fin de la pile et une face supérieure courbe sur laquelle vont appuyer des tours de terminaison de la pile.
Les bande isolante anodique 20, bande de diffusion H2 30 et bande porteuse 40 sont coupées sur un poste de réalisation du dispositif de terminaison de pile qui comporte ledit second module avant d'être raccordées sur ce dispositif de terminaison de pile. Le raccordement se fait en conservant l'étanchéité du canal H2 qui est mis en communication avec le dispositif de raccordement fluidique 60' alors que la dernière cellule de la bande est électriquement raccordée à un second contact électrique 61'. Une fois le raccordement fait, les terminaisons de bande et le second module s'appliquent sur la pile bobinée.
La bande séparatrice ondulée est ensuite coupée pour venir s'appliquer sur la fin de bande porteuse 40 apparente et, un ou plusieurs tours supplémentaires du feuillard support 10 sont effectués pour consolider et protéger la pile puis le feuillard support 10 est coupé et sa fin est par exemple collée sur l'extérieur de la pile. Un exemple de machine de fabrication de piles à combustible enroulées permettant de réaliser le bobinage de la pile de l'invention est schématisée à la figure 7.
La machine comporte un dispositif de bobinage central 100, des dévidoirs de bandes 1010, 1020, 1030, 1040, 1050 répartis angulairement autour du dispositif de bobinage central et des postes de travail 1110, 1120, 1130 sur les bandes entre les dévidoirs et le dispositif de bobinage central. Les dévidoirs sont à tension contrôlée pour permettre un bobinage régulier des diverses couches de la pile, le dévidoir 1010 distribuant le feuiilard support étant contrôlé en tension en fonction de la rotation du dispositif de bobinage pour assurer la compression constante sur les couches de la bande porteuse des cellules.
Pour récupérer d'éventuels films de protection des bandes, des enrouleurs 1021, 1041 et 1051 sont prévus.
Un premier poste de travail 1110 comporte des moyens 1110a de pose de la bride de maintien sur le feuiilard support 10 et des moyens 1110b de coupe de la fin dudit feuiilard. Un deuxième poste de travail 1120 comporte des moyens 1120a d'une part d'assemblage du premier sous ensemble 300 pour réaliser la connexion électrique et le raccordement H2 du cœur de pile et d'autre part d'assemblage du second module compartiment H2/connexion électrique 310 pour réaliser le raccordement de fin de pile. Ce poste comporte en outre des moyens de coupe 1120b des bande isolante anodique 20, bande de diffusion H2 30 et bande porteuse 40 en fin de réalisation de la pile. Un troisième poste de travail 1130 comporte des moyens 1130a de réalisation du troisième sous ensemble avec la bande séparatrice cathodique ondulée 50 et de moyens de coupe 1130b pour couper cette bande séparatrice en fin de bande.
Le positionnement angulaire des dérouleurs 1010, 1020, 1030, 1040 et 1050 par rapport au poste central est déterminé pour assurer de l'espace pour les postes de travail intermédiaires, poste permettant l'assemblage des dispositifs de connexion de début et de fin de pile, postes de coupe des bandes et feuillards constitutifs de la pile et poste d'assemblage du conduit au contact de l'enroulement positionné pour assurer que l'encollage de la bande porteuse et du conduit H2 se fasse sur le point de contact avec le mandrin. Le bobinage 600 est effectué sur le nombre de tours nécessaires pour obtenir la tension électrique voulue de la pile.
Les bandes à positionner sont déroulées alors qu'une tension contrôlée du feuillard support par un dispositif de régulation de la tension 1100 asservie par rapport au rayon du mandrin permet d'appliquer une pression homogène sur les électrodes portées par la bande support de sorte que les cellules électrochimiques sont compressées entre le feuillard support 10 et la bande séparatrice ondulée 50 pour améliorer le contact électrique entre les couches des cellules électrochimiques et accroître le rendement de la pile. Le feuillard support agit ici comme un feuillard de compression. La bande séparatrice cathodique formant une bande d'appui pour les cellules comprimées par le feuillard support.
Pour permettre l'asservissement de la tension du feuillard support 10, un capteur tel qu'un capteur optique ou un détecteur à contact tel que schématisé sous la référence 1001 en figure 7 mesure en continu le rayon de la pile en cours de bobinage et asservit le moteur entraînant le mandrin au niveau de l'enrouleur 1000 et l'effort résistif appliqué par le dispositif frein 1100 au dérouleur 1010 du feuillard support 10.
L'enrouleur 1000 et le dérouleur 1010, dérouleur du feuillard support 10, sont réglés pour réaliser la tension de l'enroulement de la pile comme vu précédemment. Les dérouleurs 1020, 1030, 1040 respectivement dérouleur de la bande isolante anodique 20 équipée des cales d'épaisseur 21, de la bande de diffusion H2 30 et de la bande porteuse 40 sont réglés pour garder ces bandes suffisamment tendues pendant l'enroulement pour correctement les guider, éviter des défauts d'homogénéité de l'enroulement, assurer le bon assemblage des parties constitutives du conduit hydrogène et maintenir l'épaisseur du conduit hydrogène constante. Le dérouleur 1050 règle la tension de la bande séparatrice cathodique ondulée.
Le feuillard support 10 et la bande séparatrice cathodique ondulée 50 sont réalisés dans des matériaux conducteurs thermiques adaptés à être bobinés et préférablement des matériaux métalliques pour éviter toute extension de ces éléments lors du bobinage.
La bande isolante anodique 20 est avantageusement réalisée au moyen d'un film plastique peu extensible comme par exemple un film de polyimide ou aramide, la bande de diffusion H2 est notamment réalisée en matériau plastique et comporte sous forme d'un tissu à mailles larges ou une grille qui peut comporter des fils de trame et des fils de chaîne, la bande porteuse 40 est un complexe multicouche.
L'invention définie par les revendications n'est pas limitée à l'exemple représenté et notamment comme vu plus haut le pas des ondulations des feuillards ondulés peuvent être adaptés selon les besoins en refroidissement ou en flux d'air cathodique.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1 - Bande séparatrice cathodique ondulée (50) pour pile à combustible caractérisée en ce qu'elle comporte un premier feuillard ondulé (50a) sur une première de ses faces et un second feuillard ondulé (50c) sur seconde de ses faces, lesdits feuillards ondulés étant disposés sur les faces opposées d'un feuillard lisse central (50b).
2 - Bande séparatrice cathodique ondulée selon la revendication 1 pour laquelle, pour s'opposer à l'écrasement de la bande séparatrice lors du bobinage de la pile et de son utilisation, au moins l'un des feuillards ondulés est réalisé en matériau métallique et les ondulations des deux feuillards ondulés (50a, 50c) s'appuient sur le feuillard lisse central (50b).
3 - Bande séparatrice cathodique ondulée selon la revendication 2 pour laquelle l'empilage des feuillards ondulés est adapté à résister à une pression de 1 à 5 N/mm2.
4 - Bande séparatrice cathodique ondulée selon la revendication 1, 2 ou 3 pour laquelle les feuillards ondulés (50a, 50c) sont collés ou soudés sur le feuillard lisse
(50b).
5 - Bande séparatrice cathodique ondulée selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 pour laquelle le premier feuillard ondulé (50a) destiné à être mis en contact avec les cathodes de la pile est métallique et recouvert côté cathodes par une couche isolante électrique.
6 - Bande séparatrice cathodique ondulée selon la revendication 5 pour laquelle la couche isolante électrique (500) est sous forme d'un film ou d'un revêtement de surface du premier feuillard.
7 - Bande séparatrice cathodique ondulée selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 pour laquelle le premier feuillard ondulé (50a) destiné à être mis en contact avec les cathodes de la pile est réalisé dans un matériau plastique isolant électrique de conductivité thermique adaptée à autoriser une dissipation thermique côté face cathodique de la pile. 8 - Bande séparatrice cathodique ondulée selon l'une quelconque des revendications précédentes pour laquelle le feuillard lisse (50b) est réalisé en acier ou dans un alliage d'aluminium.
9 - Bande séparatrice cathodique ondulée selon l'une quelconque des revendications précédentes pour laquelle le second feuillard ondulé (50c) destiné à se trouver sur la face de la bande séparatrice opposée à la face en contact avec les cathodes est métallique.
10 - Bande séparatrice cathodique ondulée selon la revendication 9 pour laquelle le second feuillard ondulé (50c) est réalisé en alliage d'aluminium ou en acier.
11 - Bande séparatrice cathodique ondulée selon l'une quelconque des revendications précédentes pour laquelle les ondulations des deux feuillards ondulés (50a, 50c) séparés par le feuillard lisse central ont des pas (Pa, Pc) et/ou les hauteurs crête/crête (ha, hc) différents.
12 - Bande séparatrice cathodique ondulée selon l'une quelconque des revendications précédentes pour laquelle la hauteur (h3) du premier feuillard est entre 1mm et 3mm et la hauteur (hb) du second feuillard est entre 1mm et 5mm.
13 - Bande séparatrice cathodique ondulée selon l'une quelconque des revendications précédentes pour laquelle l'épaisseur (E) du feuillard lisse (50c) est de 0,03mm et 0,3mm et les épaisseurs des feuillards ondulés entre 0,05mm et 0,3mm.
14 - Bande séparatrice cathodique ondulée selon l'une quelconque des revendications précédentes pour laquelle le pas (Pa) du premier feuillard (50a) est de 1mm à 5mm et le pas (Pc) du second feuillard (50c)est de 1mm à 8mm.
15 - Pile à combustible enroulée comportant un feuillard support (10), une bande de diffusion H2 (30), une bande porteuse (40), comportant des cellules électrochimiques (41) et une bande séparatrice cathodique ondulée (50) selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle le premier feuillard ondulé (50a) en contact avec les cathodes de la pile réalise un passage d'air au niveau desdites cathodes et le second feuillard (50c) est en contact avec un feuillard support (10) de la pile et réalise un passage d'air de refroidissement de la pile.
16 - Pile à combustible enroulée selon la revendication 15 pour laquelle un conduit de transport d'hydrogène dans lequel se trouve la bande de diffusion H2 (30) est constitué entre la bande isolante anodique (20) et la face portant les anodes A de la bande porteuse (40) et pour laquelle le conduit de transport d'hydrogène et la bande porteuse des cellules (40) sont comprimés entre la bande séparatrice cathodique ondulée (50) et le feuillard support (10).
17 - Pile à combustible enroulée selon la revendication 16 ou 17 pour laquelle le rapport du débit d'air d'alimentation des cathodes, passant entre les ondulations du premier feuillard ondulé (50a) côté cathodes de la bande séparatrice, sur le débit d'air de refroidissement, passant dans les ondulations du second feuillard ondulé (50c) de l'autre côté du feuillard lisse central (50b) et entre les ondulations du premier feuillard ondulé et le feuillard lisse central, est inférieur à 1.
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