PRESSION L'invention concerne les réacteurs électrochimiques incluant un empilement de cellules électrochimiques, et plus particulièrement des plaques bipolaires d'un empilement avec des membranes échangeuses de protons. De tels réacteurs électrochimiques constituent par exemple des piles à combustible ou des électrolyseurs.

Les piles à combustible sont notamment envisagées comme source d'énergie pour des véhicules automobiles produits à grande échelle dans le futur ou comme sources d'énergie auxiliaire dans l'aéronautique. Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui convertit de l'énergie chimique directement en énergie électrique. Une pile à combustible comprend un empilement en série de plusieurs cellules. Chaque cellule génère typiquement une tension de l'ordre de 1 Volt, et leur empilement permet de générer une tension d'alimentation d'un niveau plus élevé, par exemple de l'ordre d'une centaine de volts.

Parmi les types de piles à combustible connus, on peut notamment citer la pile à combustible à membrane d'échange de protons, dite PEM, fonctionnant à basse température. De telles piles à combustible présentent des propriétés de compacité particulièrement intéressantes. Chaque cellule comprend une membrane électrolytique permettant seulement le passage de protons et non le passage des électrons. La membrane comprend une anode sur une première face et une cathode sur une deuxième face pour former un assemblage membrane/électrodes dit AME.

Au niveau de l'anode, du dihydrogène utilisé comme carburant est ionisé pour produire des protons traversant la membrane. La membrane forme ainsi un conducteur ionique. Les électrons produits par cette réaction migrent vers une plaque d'écoulement, puis traversent un circuit électrique externe à la cellule pour former un courant électrique. Au niveau de la cathode, de l'oxygène est réduit et réagit avec les protons pour former de l'eau.

La pile à combustible peut comprendre plusieurs plaques dites bipolaires, par exemple en métal, empilées les unes sur les autres. La membrane est disposée entre deux plaques bipolaires. Les plaques bipolaires peuvent comprendre des canaux et orifices d'écoulement pour guider en continu les réactifs et les produits vers/depuis la membrane. Les plaques bipolaires comprennent aussi des canaux d'écoulement pour guider du liquide de refroidissement évacuant la chaleur produite. Les produits de réactions et les espèces non réactives sont évacués par entraînement par l'écoulement jusqu'à la sortie des réseaux de canaux d'écoulement. Les canaux d'écoulement des différents écoulements sont séparés par l'intermédiaire des plaques bipolaires notamment.

Les plaques bipolaires sont également électriquement conductrices pour collecter des électrons générés au niveau de l'anode. Les plaques bipolaires ont également une fonction mécanique de transmission des efforts de serrage de l'empilement, nécessaire à la qualité du contact électrique. Des couches de diffusion gazeuse sont interposées entre les électrodes et les plaques bipolaires et sont en contact avec les plaques bipolaires.

Une conduction électronique est réalisée à travers les plaques bipolaires, une conduction ionique étant obtenue à travers la membrane.

On distingue principalement trois modes de circulation des réactifs dans les canaux d'écoulement:

-les canaux en serpentin: un ou plusieurs canaux parcourent l'ensemble de la surface active en plusieurs allers-retours.

-les canaux parallèles: un faisceau de canaux parallèles et traversants parcourent la surface active de part en part. Les canaux d'écoulement peuvent être rectilignes ou légèrement ondulés.

-les canaux interdigités: un faisceau de canaux parallèles et bouchés parcourt la surface active de part en part. Chaque canal est bouché soit du côté de l'entrée, soit du côté de la sortie de fluide. Le fluide entrant dans un canal est alors contraint à traverser localement la couche de diffusion gazeuse pour rejoindre un canal adjacent et ensuite atteindre la sortie de fluide de ce canal adjacent.

Pour favoriser la compacité et les performances, la conception implique de réduire les dimensions des canaux d'écoulement. Le mode de circulation par canaux parallèles est alors généralement favorisé, pour limiter les pertes de charge dans de tels canaux d'écoulement de dimensions réduites, et éviter des problèmes d'écoulement de liquide de refroidissement pouvant conduire à des points chauds.

Avec des canaux d'écoulement parallèles, la distribution des réactifs aux électrodes doit être la plus homogène possible sur toute leur surface, sous peine d'altérer le fonctionnement du réacteur électrochimique. A cet effet, les plaques bipolaires comportant des canaux d'écoulement parallèles utilisent fréquemment des zones d'homogénéisation pour raccorder des collecteurs d'entrée et de sortie aux différents canaux d'écoulement des plaques bipolaires. Les réactifs sont amenés au contact des électrodes à partir de collecteurs d'entrée et les produits sont évacués à partir de collecteurs de sortie connectés aux différents canaux d'écoulement. Les collecteurs d'entrée et les collecteurs de sortie traversent généralement l'épaisseur de l'empilement de part en part. Les collecteurs d'entrée et de sortie sont usuellement obtenus par :

-des orifices respectifs traversant chaque plaque bipolaire à sa périphérie ;

-des orifices respectifs traversant chaque membrane à sa périphérie ; -par des joints, chacun interposé entre une plaque bipolaire et une membrane. Chaque joint entoure un orifice de sa membrane et un orifice de sa plaque bipolaire. La surface de contact avec une membrane est généralement plane pour bien maintenir cette membrane souple.

Différentes solutions techniques sont connues pour mettre en communication les collecteurs d'entrée et de sortie avec les différents canaux d'écoulement. Il est notamment connu de réaliser des passages entre deux tôles métalliques d'une plaque bipolaire. Ces passages débouchent d'une part dans des orifices de collecteurs respectifs, et d'autre part dans des orifices d'injection. Une zone d'homogénéisation comprend des canaux qui mettent en communication des orifices d'injection avec des canaux d'écoulement.

La zone d'homogénéisation comprend : une zone de transfert de fluide de refroidissement, une zone d'homogénéisation de circuit de comburant et une zone d'homogénéisation de circuit de carburant superposées et débouchant respectivement vers un collecteur de liquide de refroidissement, un collecteur de circuit de comburant et un collecteur de circuit de carburant. Ces trois collecteurs étant nécessairement décalés pour être isolés les uns des autres, les canaux d'homogénéisation des circuits de carburant et de comburant présentent des orientations très différentes.

La zone d'homogénéisation ne participant que rarement à la réaction électrochimique, sa dimension doit être limitée autant que possible pour ne pas altérer la compacité et le poids de la pile à combustible. Par conséquent, il est fréquent que la zone d'homogénéisation présente des canaux présentant une déviation angulaire importante par rapport aux canaux d'écoulement de la zone réactive des électrodes, afin de gagner en compacité. Cependant, de tels canaux d'homogénéisation induisent des pertes de charge très disparates. Les pressions à l'entrée ou à la sortie de canaux d'écoulement opposés peuvent ainsi présenter d'importantes variations, au détriment du fonctionnement du réacteur électrochimique. Pour obtenir des zones d'homogénéisation compactes, un canal d'homogénéisation communique avec deux ou trois canaux d'écoulement. Un plus grand nombre de canaux d'écoulement pour chaque canal d'homogénéisation accroît les pertes de charge ainsi que les disparités entre celles-ci. Le document US2010/0239931 décrit une structure de pile à combustible. Une plaque bipolaire définit des zones d'homogénéisation en entrée et en sortie pour l'écoulement de l'oxygène comburant et de l'eau générée. Les zones d'homogénéisation d'entrée et de sortie sont reliées par des canaux d'écoulement d'une zone de réaction. Les zones d'homogénéisation comportent des canaux d'homogénéisation dans un exemple. Les canaux d'homogénéisation en sortie sont plus longs que les canaux d'homogénéisation en entrée. Dans cet exemple, des canaux d'homogénéisation se subdivisent avant leur jonction aux canaux d'écoulement.

On peut constater que les différents canaux d'homogénéisation ne présentent pas une même section transversale, les conditions de réaction étant alors hétérogènes suivant les chemins d'écoulement suivis. De plus, certaines parties des zones d'homogénéisation sont potentiellement sujettes à des bouchages par de l'eau accumulée.

L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients.

L'invention porte ainsi sur une plaque bipolaire telle que définie dans les revendications annexées. L'invention porte également sur un réacteur électrochimique, tel que défini dans les revendications annexées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

-la figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un exemple d'empilement d'assemblages membrane/électrodes et de plaques bipolaires pour une pile à combustible;

-la figure 2 est une vue en perspective éclatée de plaques bipolaires et d'un assemblage membrane/électrodes destinés à être empilés pour former des collecteurs d'écoulement à travers l'empilement ;

-la figure 3 est une vue partielle de dessus d'une face d'une plaque bipolaire selon un premier exemple de mise en œuvre de l'invention ;

-la figure 4 est une vue en coupe d'un empilement incluant des plaques bipolaires selon l'invention ;

-la figure 5 est un diagramme illustrant les pressions d'entrée au niveau de différents canaux d'écoulement selon différentes configurations ;

-les figures 6 à 8 sont des vues de dessus de différentes tôles de plaques bipolaires utilisant des conceptions différentes de zones d'homogénéisation ;

-la figure 9 est une vue partielle de dessus d'une face d'une plaque bipolaire selon un deuxième exemple de mise en œuvre de l'invention ; -la figure 10 est une vue partielle de dessus d'une tôle de plaque bipolaire utilisant une autre variante de conception de zone d'homogénéisation.

La figure 1 est une vue en perspective éclatée schématique d'un empilement de cellules 1 d'une pile à combustible 4. La pile à combustible 4 comprend plusieurs cellules 1 superposées. Les cellules 1 sont du type à membrane échangeuse de protons ou membrane à électrolyte polymère.

La pile à combustible 4 comprend une source de carburant 40. La source de carburant 40 alimente ici en dihydrogène une entrée de chaque cellule 1 . La pile à combustible 4 comprend également une source de comburant 42. La source de comburant 42 alimente ici en air une entrée de chaque cellule 1 , l'oxygène de l'air étant utilisé comme oxydant. Chaque cellule 1 comprend également des canaux d'échappement. Une ou plusieurs cellules 1 présentent également un circuit de refroidissement.

Chaque cellule 1 comprend un assemblage membrane/électrodes 1 10 ou

AME 1 10. Un assemblage membrane/électrodes 1 10 comprend un électrolyte 1 13, une cathode (non illustrée) et une anode 1 1 1 placées de part et d'autre de l'électrolyte et fixées sur cet électrolyte 1 13. La couche d'électrolyte 1 13 forme une membrane semi-perméable permettant une conduction protonique tout en étant imperméable aux gaz présents dans la cellule. La couche d'électrolyte empêche également un passage des électrons entre l'anode 1 1 1 et la cathode.

Entre chaque couple d'AME adjacents, une plaque bipolaire 5 est disposée. Chaque plaque bipolaire 5 définit des canaux d'écoulement anodiques et des canaux d'écoulement cathodiques sur des faces externes opposées. Des plaques bipolaires 5 définissent avantageusement également des canaux d'écoulement de liquide de refroidissement entre deux assemblages membrane/électrodes successifs. Les plaques bipolaires 5 peuvent être formées chacune de façon connue en soi à partir deux tôles métalliques conductrices assemblées, par exemple en acier inoxydable, ou en alliage de titane, en alliage d'aluminium, en alliage de nickel ou en alliage de tantale. Chaque tôle définit alors une face externe respective. Les plaques bipolaires 5 peuvent également être obtenues par tout autre procédé, par exemple le moulage ou l'injection à partir de composites carbone-polymère. Les plaques bipolaires 5 peuvent ainsi également être formées d'un seul tenant. Les faces externes de la plaque bipolaire 5 sont alors définies par une telle pièce d'un seul tenant.

L'empilement peut également comprendre des joints d'étanchéité périphériques et des renforts de membrane non illustrés ici. Chaque cellule 1 peut en outre comprendre une couche de diffusion de gaz (non illustrée) disposée entre l'anode et une plaque bipolaire, et une autre couche de diffusion de gaz disposée entre la cathode et une autre plaque bipolaire.

De façon connue en soi, durant le fonctionnement de la pile à combustible 4, de l'air s'écoule entre une AME et une plaque bipolaire, et du dihydrogène s'écoule entre cette AME et une autre plaque bipolaire. Au niveau de l'anode, le dihydrogène est ionisé pour produire des protons qui traversent ΑΜΕ. Les électrons produits par cette réaction sont collectés par une plaque bipolaire 5. Les électrons produits sont ensuite appliqués sur une charge électrique connectée à la pile à combustible 1 pour former un courant électrique. Au niveau de la cathode, de l'oxygène est réduit et réagit avec les protons pour former de l'eau. Les réactions au niveau de l'anode et de la cathode sont régies comme suit :

¾→ 2H + 2e ^"~ _au niveau de l'anode ;

4H ^"1" + 4e + 0 ₂ → 2¾0 _au niveau de la cathode.

Durant son fonctionnement, une cellule de la pile à combustible génère usuellement une tension continue entre l'anode et la cathode de l'ordre de 1 V. La figure 2 est une vue en perspective éclatée schématique de deux plaques bipolaires 5 et d'un assemblage membrane/électrodes destinés à être inclus dans l'empilement de la pile à combustible 4. L'empilement des plaques bipolaires 5 et des assemblages membrane/électrodes 1 10 est destiné à former une pluralité de collecteurs d'écoulement, dont la disposition est illustrée ici uniquement de manière schématique. À cet effet, des orifices respectifs sont ménagés à travers les plaques bipolaires 5 et à travers les assemblages membrane/électrodes 1 10. Les plaques bipolaires 5 comportent ainsi des orifices 591 , 593 et 595 au niveau d'une première extrémité, et des orifices 592, 594 et 596 au niveau d'une deuxième extrémité opposée à la première. L'orifice 591 sert par exemple pour former un collecteur d'alimentation en carburant, l'orifice 596 sert par exemple pour former un collecteur d'évacuation de résidus de combustion et de carburant non utilisé, l'orifice 593 sert par exemple pour former un collecteur d'alimentation en liquide de refroidissement, l'orifice 594 sert par exemple pour former un collecteur d'évacuation de liquide de refroidissement, l'orifice 592 sert par exemple pour former un collecteur d'alimentation en comburant, et l'orifice 595 sert par exemple pour former un collecteur d'évacuation d'eau produite et de comburant non utilisé.

Les orifices des plaques bipolaires 5 et des assemblages membrane/électrodes 1 10 sont disposés en vis-à-vis afin de former les différents collecteurs d'écoulement. Des orifices 12, 14 et 16 sont par exemple ménagés dans les assemblages membrane/électrodes 1 10 et sont disposés en vis-à-vis respectivement des orifices 592, 594 et 596. Dans un but de simplification, l'orifice 596 sera assimilé à un collecteur d'évacuation de résidus de combustion de l'empilement.

La figure 3 est une vue schématique partielle de dessus d'une tôle 61 d'un exemple de mise en œuvre d'une plaque bipolaire 5 selon l'invention, au niveau des collecteurs 592, 594 et 596. La figure 4 est une vue en coupe d'une telle plaque bipolaire 51 , empilée avec une autre plaque bipolaire identique 52, et entre lesquelles une membrane 1 13 d'un assemblage membrane/électrodes est disposée. La coupe est ici illustrée au niveau du collecteur 596 d'évacuation des résidus de combustion.

Chacune des plaques bipolaires 5, 51 et 52 illustrées inclut deux tôles conductrices 61 et 62 solidarisées. Les tôles conductrices 61 et 62 sont avantageusement réalisées en acier inoxydable, matériau très courant et adapté à de nombreux procédés de transformation industriels largement répandus, par exemple l'emboutissage, l'estampage et/ou le poinçonnage. Les tôles conductrices 61 et 62 illustrées à la figure 4 sont solidarisées par l'intermédiaire de soudures 513. Les tôles conductrices 61 et 62 sont en relief, de façon à ménager des canaux d'écoulement de fluide au niveau des faces externes de chaque plaque bipolaire, et avantageusement entre les tôles conductrices 61 et 62 à l'intérieur de chacune de ces plaques bipolaires. Ainsi, pour chaque plaque bipolaire, des canaux d'écoulement de liquide de refroidissement (non illustrés) sont ménagés entre les tôles conductrices 61 et 62, des canaux d'écoulement de carburant 618 sont ménagés sur une face externe de la tôle 61 , et des canaux d'écoulement (non illustrés) de comburant et d'eau sont ménagés sur une face externe de la tôle 62. Les canaux d'écoulement 618 sont ici de type parallèle et s'étendent selon une même direction. Les canaux d'écoulement de comburant et de liquide de refroidissement sont également avantageusement de type parallèle et s'étendent selon une même direction. Ces différents canaux d'écoulement ne sont pas nécessairement rectilignes (ces canaux peuvent présenter une ondulation), leur direction étant définie par une droite reliant leur entrée à leur sortie.

De façon connue en soi, les différents collecteurs traversant l'empilement communiquent avec des zones d'injection respectives. Dans l'exemple illustré à la figure 3, le collecteur 596 communique avec une zone d'injection 586, le collecteur 594 communique avec une zone d'injection 584 et le collecteur 592 communique avec une zone d'injection 582. Chaque zone d'injection comporte des orifices d'injection respectifs en communication avec des canaux d'écoulement respectifs. Les zones d'injection 586, 584 et 582 sont décalées latéralement. Les zones d'injection 582 et 586, comprenant des orifices d'injection respectifs, sont notamment disposées de part et d'autre d'un plan P perpendiculaire à leur plaque bipolaire et incluant la direction des canaux d'écoulement 618, de façon à pouvoir loger plusieurs collecteurs au niveau d'une même extrémité d'une plaque bipolaire.

Des orifices d'injection 512 sont ménagés dans la tôle 61 dans la zone d'injection 586. Comme illustré à la figure 4, des orifices 512 communiquent avec le collecteur 596 par l'intermédiaire d'un passage 51 1 :

-traversant des nervures 612 et 622 ;

-traversant des nervures 61 1 et 621 de support de joints 2, les nervures 61 1 et 621 entourant le collecteur 596 ; et

-traversant des nervures 613 et 623.

Les nervures 612 et 613 sont ménagées de part et d'autre de la nervure 61 1 dans la tôle 61 , les nervures 622 et 623 étant ménagées de part et d'autre de la nervure 621 dans la tôle 62.

Des communications de fluide non détaillées et non illustrées sont également ménagées d'une part entre le collecteur 594 et la zone d'injection 584, et d'autre part entre le collecteur 592 et la zone d'injection 582.

Les orifices d'injection 512 de la zone d'injection 586 communiquent avec les canaux d'écoulement 618 par l'intermédiaire d'une zone d'homogénéisation 614 également ménagée sur la face externe de la tôle 61 . Une zone d'homogénéisation se différencie généralement d'une zone réactive 619 incluant les canaux d'écoulement 618 :

-par l'absence d'électrode surplombant cette zone de modélisation dans l'assemblage membrane-électrodes ; et/ou

-par la présence de canaux d'homogénéisation présentant une inclinaison par rapport aux canaux d'écoulement 618, de façon à rendre la zone d'homogénéisation 614 plus compacte.

La fonction des zones d'homogénéisation 614 est notamment de limiter les différences de débits entre les différents canaux d'écoulement 618 et d'homogénéiser les pertes de charges pour les différents chemins d'écoulement possibles.

Avantageusement, une zone d'homogénéisation est ménagée dans la face externe définie par la tôle 62, pour mettre en communication des orifices d'injection de la zone d'injection 582 avec des canaux d'écoulement de cette face externe. Avantageusement, cette zone d'homogénéisation est positionnée en superposition avec la zone d'homogénéisation 614. La zone d'homogénéisation 614 comprend des canaux d'homogénéisation séparés les uns des autres par des parois latérales. Chaque canal d'homogénéisation met en communication au moins un orifice 512 avec plusieurs canaux d'écoulement 618. L'alimentation de plusieurs canaux d'écoulement 618 par un même canal d'homogénéisation permet de façon générale d'augmenter la compacité de la zone d'homogénéisation 614. Afin d'obtenir un tel résultat sans altérer excessivement les différences de débit entre canaux d'écoulement les plus éloignés, et sans induire de trop grands gradients de pression à l'entrée de canaux d'écoulement, l'invention propose de subdiviser des canaux d'homogénéisation en plusieurs branches, en partant d'un orifice d'injection 512 jusqu'à un canal d'écoulement 618.

Dans l'exemple illustré, la zone d'homogénéisation 614 est scindée en une zone d'homogénéisation 616 et une zone d'homogénéisation 617. La zone d'homogénéisation 616 forme un premier tronçon et comporte des canaux d'homogénéisation dans lesquels débouchent les orifices d'injection 512. La zone d'homogénéisation 617 forme un deuxième tronçon comportant des branches débouchant dans des canaux d'écoulement 618.

Avantageusement, chaque branche de la zone 617 débouche dans un unique canal de la zone 616. Ainsi, une éventuelle accumulation d'eau dans la zone 616 est plus facilement évacuée car :

-l'écoulement dans les canaux d'écoulement 618 en aval de cet éventuel canal bouché doit nécessairement passer par ce canal bouché, ce qui garantit une pression de débouchage appliquée sur l'éventuelle accumulation d'eau ;

-l'homogénéité de perte de charge entre les différents chemins d'écoulement garantit une pression suffisante sur l'éventuelle accumulation d'eau pour favoriser le débouchage.

De même, une éventuelle accumulation d'eau dans la zone 617 est plus facilement évacuée car le canal de la zone 616 dans lequel débouchent les branches de la zone 617 applique une pression homogène sur ces branches. Du fait de l'homogénéité de perte de charge des chemins d'écoulement passant par les différentes branches, on favorise une pression de débouchage sur une éventuelle accumulation d'eau.

La ligne L illustrée permet de situer les embranchements entre les canaux d'homogénéisation de la zone 616 et leurs branches de la zone 617. Au niveau d'un embranchement, un canal d'homogénéisation se scinde ici en deux branches. Avantageusement, un canal d'homogénéisation se scinde au maximum en trois branches au niveau d'un embranchement, afin de ne pas accroître excessivement la perte de charge dans les canaux d'homogénéisation. Avantageusement chacun desdits embranchements est disposé dans son canal d'homogénéisation à une distance d'un orifice d'injection 512 comprise entre 0,3 ^* Lch et 0,7 ^* Lch, avec Lch la longueur du canal d'homogénéisation dans lequel est situé cet embranchement.

Dans l'exemple illustré, chaque branche de la zone 617 débouche avantageusement dans plusieurs canaux d'écoulement 618. Avantageusement, chaque branche de la zone 617 débouche dans au plus trois canaux d'écoulement 618, afin de ne pas accroître les pertes de charges dans la zone 616.

Comme les canaux d'homogénéisation de la zone 616 sont moins nombreux que leurs branches dans la zone 617, les canaux d'homogénéisation de la zone 616 peuvent présenter une inclinaison par rapport aux canaux d'écoulement 618 supérieure à celle de leurs branches. Une telle inclinaison accrue permet de limiter la dimension de la zone d'homogénéisation 614, et donc de limiter l'encombrement général de la plaque bipolaire et de l'empilement. Les branches de la zone 617 forment avantageusement un angle d'au moins 20° par rapport aux canaux d'écoulement 618. Les canaux d'homogénéisation de la zone 616 forment avantageusement un angle d'au moins 40° par rapport aux canaux d'écoulement 618, et un angle d'au moins 20° par rapport aux branches de la zone 617. Une inclinaison des canaux d'homogénéisation par rapport aux canaux d'écoulement permet d'autre part d'utiliser une même section transversale pour les canaux d'écoulement et les canaux d'homogénéisation, alors que ces derniers sont moins nombreux. De même, une inclinaison des canaux du premier tronçon par rapport aux branches du deuxième tronçon permet de ménager un premier tronçon avec des canaux ayant la même section transversale que les branches dans le deuxième tronçon. En utilisant de mêmes sections transversales, il est possible de définir aisément de mêmes conditions d'écoulement à travers tous les chemins d'écoulement, en particulier lorsque les canaux d'homogénéisation plus courts en entrée sont compensés par des canaux d'homogénéisation plus longs en sortie de canaux d'écoulement communs.

La figure 5 est un diagramme illustrant un différentiel de pression de sortie de canaux d'écoulement en fonction de leur position transversale. L'abscisse correspond à un indice de canal, l'ordonnée à une différence de pression en Pascal. La figure 5 illustre des résultats de simulation avec une zone d'homogénéisation selon l'état de la technique comportant des canaux d'homogénéisation sans embranchement alimentant quatre canaux d'écoulement (courbe du haut), avec une zone d'homogénéisation selon l'état de la technique comportant des canaux d'homogénéisation sans embranchement alimentant deux canaux d'écoulement (courbe du bas) et avec une zone d'homogénéisation 614 selon l'invention (courbe du milieu). On constate qu'une zone d'homogénéisation 614 selon l'invention permet de maintenir une disparité de pressions dans les canaux d'écoulement 618 relativement réduite, tout en permettant de réduire sensiblement son encombrement.

Avantageusement, la section transversale de chacun des canaux d'homogénéisation dans la zone 616 est identique à la section transversale de chacun des canaux d'écoulement 618, ce qui permet d'obtenir une compacité maximale avec un angle d'inclinaison maximal entre les canaux d'homogénéisation de la zone 616 et les canaux d'écoulement 618. Une même section transversale entre les canaux d'homogénéisation de la zone 616 permet en outre d'obtenir une bonne maîtrise des conditions d'écoulement et une homogénéité des conditions d'écoulement comme détaillé auparavant. Avantageusement, la section transversale des canaux d'homogénéisation dans la zone ou tronçon 616 est égale à la section transversale des branches dans la zone ou tronçon 617, toujours pour favoriser la maîtrise des conditions d'écoulement et l'homogénéisation des conditions d'écoulement.

À l'aplomb de la zone d'homogénéisation 614, la plaque bipolaire peut comporter une zone d'homogénéisation pour les canaux d'écoulement de comburant et d'eau, cette zone d'homogénéisation pouvant présenter une forme symétrique de la zone d'homogénéisation 614 par rapport à une droite perpendiculaire à la plaque bipolaire et passant par son centre. Il est aussi possible de prévoir des zones d'homogénéisation non symétriques, pour tenir compte des différences de pertes de charges des différents écoulements. Par exemple, les canaux d'homogénéisation pour du carburant de type dihydrogène peuvent présenter une inclinaison supérieure aux canaux d'homogénéisation du comburant. Ainsi, les collecteurs 592 et 594 illustrés à la figure 3 peuvent être intervertis, comme illustré dans un exemple à la figure 9.

La figure 6 est une vue de dessus d'une variante de plaque bipolaire permettant d'équilibrer les pertes de charges dans les différents trajets d'écoulement passant par les canaux d'écoulement 618. Une zone d'homogénéisation 634 est formée à l'opposé de la zone d'homogénéisation 614 par rapport aux canaux d'écoulement 618 de la zone de réaction 619. La zone d'homogénéisation 634 présente une forme sensiblement symétrique de la zone 614 par rapport à un axe perpendiculaire à la plaque bipolaire. Un tel axe est identifié par le point O sur cette figure. Ainsi, un trajet d'écoulement passant par un quelconque canal d'écoulement 618 est identique au trajet d'écoulement passant par le canal positionné de façon symétrique par rapport à un plan médian parallèle au plan P. Avantageusement, la longueur de l'ensemble des trajets d'écoulement à travers la zone d'homogénéisation 614, les canaux d'écoulement 618 et la zone d'homogénéisation 634 est identique. Une telle homogénéité de conditions d'écoulement est encore renforcée par une même section transversale dans les différents canaux d'écoulement, canaux d'homogénéisation et branches des canaux d'homogénéisation.

Pour tenir compte de conditions d'écoulement légèrement différentes entre l'entrée et la sortie de trajets d'écoulement (augmentation de la quantité d'eau par exemple), la zone d'homogénéisation 614 peut présenter une géométrie différente de la zone d'homogénéisation 634, par exemple avec des angles différents des canaux d'homogénéisation dans ces deux zones d'homogénéisation. Du fait des angles entre les canaux et branches des zones d'homogénéisation et les canaux d'écoulement, certains canaux et branches d'homogénéisation sont plus courts que d'autres. Pour conserver une longueur très proche entre les trajets d'écoulement, aux extrémités d'un canal d'écoulement, plus le canal et la branche d'homogénéisation de la zone 614 débouchant dans ce canal d'écoulement est court, plus le canal et la branche d'homogénéisation de la zone 634 débouchant dans ce canal d'écoulement est long. En pratique, pour un canal d'écoulement 618 donné, le canal et la branche d'homogénéisation de la zone 614, et le canal et la branche d'homogénéisation de la zone 634 débouchant dans ce canal d'écoulement 618 sont positionnés de côtés opposés d'un plan perpendiculaire à la plaque bipolaire et s'étendant selon la direction de ce canal d'écoulement 618.

La figure 6 illustre un premier exemple de conception de la géométrie d'une zone d'homogénéisation 614 ou 634. Cette conception permet d'optimiser la compacité des zones d'homogénéisation. Dans cet exemple, une ligne A-B passe par les extrémités des canaux d'écoulement 618. Une ligne A-C est tracée, séquente à la ligne A-B au point A. Les embranchements sont ménagés le long de la ligne A-C. La zone d'homogénéisation 617 est donc positionnée entre les lignes A-B et A-C, et plus précisément délimitée par un triangle ABC. Dans cet exemple, une ligne A-D définit la jonction entre la zone d'injection 586 et la zone d'homogénéisation 616, cette ligne étant sécante à la ligne A-B au point A. La zone d'homogénéisation 616 est donc positionnée entre les lignes A- D et A-C, et plus précisément délimitée par un triangle ADC. De façon similaire, la zone d'homogénéisation 634 est scindée en une zone d'homogénéisation 636 délimitée par un triangle A'B'C, et une zone d'homogénéisation 637 délimitée par un triangle A'D'C. Les zones d'injection pour le liquide de refroidissement et pour le comburant peuvent être positionnées respectivement sur les segments BC et CD par exemple. La figure 7 illustre un deuxième exemple de conception de la géométrie d'une zone d'homogénéisation 614 ou 634. Comme dans l'exemple précédent, la zone d'homogénéisation 634 présente une forme sensiblement symétrique de celle de la zone 614 par rapport à un axe perpendiculaire à la plaque bipolaire. Un tel axe est identifié par le point O sur la figure. Ainsi, un trajet d'écoulement passant par un quelconque canal d'écoulement 618 est identique au trajet d'écoulement passant par le canal positionné de façon symétrique par rapport à un plan médian de la plaque bipolaire parallèle au plan P. Les zones d'homogénéisation 616 et 617 sont ici délimitées par des quadrilatères. Les canaux d'homogénéisation de la zone homogénéisation 614 présentent alors des longueurs dont l'ordre de grandeur est relativement proche, de sorte que les pertes de charges de l'écoulement les traversant sont relativement proches.

La figure 8 illustre un troisième exemple de conception de la géométrie d'une zone d'homogénéisation 614 ou 634. Dans cet exemple, les embranchements entre les canaux d'homogénéisation de la zone 616 et les branches de la zone d'homogénéisation 617 sont positionnés sur une ligne courbe. Une telle configuration est par exemple destinée à s'adapter à des collecteurs 596 ou 591 de section circulaire ou ovale, comme illustré sur cette figure.

La figure 10 illustre un quatrième exemple de conception de la géométrie d'une zone d'homogénéisation 614 ou 634. Cette conception permet également d'optimiser la compacité des zones d'homogénéisation et de garantir une même section transversale dans les différents canaux d'homogénéisation et branches des canaux d'homogénéisation. Dans cet exemple, une ligne A-B passe par les extrémités des canaux d'écoulement 618. Une ligne A-C est tracée, sécante à la ligne A-B au point A. Les embranchements sont ménagés le long de la ligne A- C. La zone d'homogénéisation 617 est donc positionnée entre les lignes A-B et A-C, et plus précisément délimitée par un triangle ABC. Dans cet exemple, une ligne A-D définit la jonction entre une zone d'injection (non illustrée) et la zone d'homogénéisation 616, cette ligne étant sécante à la ligne A-B au point A. La zone d'homogénéisation 616 est donc positionnée entre les lignes A-D et A-C, et plus précisément délimitée par un triangle ADC. De façon similaire, la zone d'homogénéisation 634 peut présenter une conception similaire, non illustrée.

La valeur h définit la largeur totale des canaux d'écoulement de la zone 619. Le ratio entre la largeur des canaux de la zone 617 et celui des canaux de la zone 619 vaut ε1 (ε1 sera avantageusement compris entre 0,95 et 1 ,25 si les canaux n'ont pas une largeur rigoureusement égale). Le ratio entre le pas des canaux de la zone 616 et celui des canaux de la zone 617 vaut ε2 (ε2 sera avantageusement compris entre 0,95 et 1 ,25 si les canaux n'ont pas une largeur rigoureusement égale). Dans l'exemple illustré, un décalage de dy est ménagé entre la ligne A-B (matérialisant l'extrémité des canaux d'homogénéisation de la zone 617) et les canaux de la zone 619. Le point A est également ici décalé latéralement d'une distance dx, afin de faciliter le tracé des changements d'angle des canaux des zones 616 et 617 proches du point A.

Le segment BC peut être tracé à partir du point B, en traçant la tangente au cercle de centre A et de diamètre h/2 x ε1 + dx (par exemple ici ε1 =1 ,1 ). Le point C est obtenu en choisissant une valeur d'angle a1 entre AB et AC (ici 10°). Le segment CD est tracé à partir de C, et en traçant la tangente au cercle de centre A et de diamètre h/4 x ε1 x ε2 + dx (par exemple ici ε2=1 ,1 ). Le point D est obtenu en choisissant une valeur d'angle o2 entre AC et AD (ici 20°).

Les grandeurs dx, dy, ε1 , ε2, α1 , α2 sont des paramètres qui permettent d'ajuster la géométrie de la zone d'homogénéisation 614 afin d'obtenir un compromis entre les critères suivants :

- Surface du quadrilatère ABCD ;

Pertes de charges dans la zone d'homogénéisation 614 ;

Ecart par rapport au débit moyen dans chaque canal de la zone

619 ;

Coïncidence éventuelle avec une zone d'homogénéisation située en vis-à-vis, sur l'autre tôle de la plaque bipolaire ;

Cohérence avec les dimensions des collecteurs d'échappement des autres fluides circulant dans la plaque.

Les valeurs pourront avantageusement être les suivantes :

dx=0

- dy=0

ε1 =1

ε2=1

α1 +α2=30°

De façon générale, on respectera avantageusement les règles suivantes : - 0<dx<h/10

0<dy<5 mm

10°<α1 +α2<60°

La figure 9 est une vue schématique partielle de dessus d'une tôle 61 d'un autre exemple de mise en œuvre d'une plaque bipolaire 5 selon l'invention. Dans cet exemple, la zone d'homogénéisation est scindée en trois zones d'homogénéisation : une zone 616, une zone 641 et une zone 617. La zone d'homogénéisation 616 forme un premier tronçon et comporte des canaux d'homogénéisation dans lesquels débouchent les orifices d'injection 512. La zone d'homogénéisation 617 forme un deuxième tronçon comportant des branches débouchant dans des canaux d'écoulement 618. La zone d'homogénéisation 641 forme un troisième tronçon. La zone 641 forme un intermédiaire entre la zone d'homogénéisation 616 et la zone d'homogénéisation 617. Chaque canal d'homogénéisation de la zone 616 se scinde en plusieurs branches dans la zone 641 . Chaque branche de la zone 641 se scinde encore en plusieurs branches dans la zone 617. La ligne L1 illustrée est située au niveau des embranchements entre les canaux d'homogénéisation de la zone 616 et les branches de la zone 641 . La ligne L2 illustrée est située au niveau des embranchements entre les branches de la zone 641 et les branches de la zone 617. Avec une telle configuration, on peut accroître l'angle entre les canaux d'homogénéisation de la zone 616 et les canaux d'écoulement 618, de façon à rendre la zone d'homogénéisation 614 encore plus compacte. Au niveau de chaque embranchement, il y a dans cet exemple une scission en deux branches. Par ailleurs, chaque branche de la zone 617 débouche dans deux canaux d'écoulement 618.

L'invention a été décrite en référence à une injection d'un carburant de type dihydrogène dans une pile à combustible. L'invention s'applique bien en entendu également à l'injection d'autres types de carburants, par exemple du méthanol. L'invention a été décrite en référence à une injection d'un comburant tel que l'air. L'invention s'applique bien entendu également à l'injection d'autres types de comburants, par exemple de l'oxygène.

L'invention a été décrite en référence à un réacteur électrochimique de type pile à combustible à membrane échangeuse de protons. L'invention peut bien entendu également s'appliquer à d'autres types de réacteurs électrochimiques, par exemple un électrolyseur comprenant également un empilement de plaques bipolaires et de membranes échangeuse de protons.

L'invention a été décrite en référence à des exemples dans lesquels une face externe de la plaque bipolaire, comportant les canaux d'écoulement et les canaux d'homogénéisation, sont définies par le relief d'une tôle. Des canaux d'écoulement et des canaux d'homogénéisation tels que décrits peuvent également être réalisés dans un composant monobloc définissant les deux faces externes de la plaque bipolaire.