combustible comprenant un tel dispositif

La présente invention concerne un dispositif d'étanchéité pour pile à combustible ainsi qu'une cellule et une pile à combustible comprenant un tel dispositif.

Une pile à membrane échangeuse de protons est un assemblage (empilement appelé « Stack ») d'un nombre déterminé de cellules élémentaires.

Comme illustré schématiquement à la figure 8, une cellule élémentaire comprend généralement un empilement qui contient les éléments suivants :

- des plaques anodique 6 et cathodique 66,

- un Assemblage Membrane Electrodes (AME) 5,

- un système d'étanchéité 3 du côté du réseau de distribution du carburant (hydrogène gazeux),

- un système d'étanchéité 3 du côté du réseau de distribution de comburant (air).

- un système d'étanchéité d'un réseau de distribution de fluide de refroidissement (liquide ou air) (non visible à la figue 8 par soucis de simplification),

L'empilement est mis en compression afin d'assurer d'une part l'étanchéité des cellules mais également afin de comprimer l'assemblage membrane électrodes (« AME ») à un taux de compression optimum pour le fonctionnement de la cellule. Le maintien en pression est généralement assuré par des éléments d'extrémité ou des tirants.

Les cellules de piles à combustibles nécessitent des joints pour assurer l'étanchéité des divers réactifs gazeux ou liquides ainsi que du fluide de refroidissement.

Ces joints doivent satisfaire à différentes contraintes parmi lesquelles :

- être facilement manipulables pour le montage/démontage,

- permettre un positionnement relatif précis entre l'Assemblage Membrane Electrodes et la plaque de pile correspondante (polaire ou bipolaire),

- ne pas polluer l'assemblage membrane électrodes,

- résister à l'environnement ambiant (réactifs, pression température...)... Le coût de tels joints doit également être compatible avec les contraintes économiques.

Les solutions connues de dispositifs d'étanchéité pour piles à combustible sont multiples. Ainsi, par exemple, il est connu de réaliser un surmoulage d'un joint directement sur les plaques de la pile. Il est également connu de réaliser des plaques bipolaires par injection du matériau d'étanchéité. Ces solutions ne permettent cependant pas une maintenance aisée des assemblages membrane électrodes ou du dispositif d'étanchéité lui-même. En effet, en cas de défaillance de l'étanchéité, la plaque avec son joint doivent être remplacées entraînant un surcoût de maintenance.

Le document US6231053 décrit un dispositif d'étanchéité solidaire de l'Assemblage Membrane Electrodes (AME) qui comprend une feuille rigide sur laquelle est vulcanisé un joint souple, le joint étant également vulcanisé sur ΑΜΕ.

Ce dispositif ne satisfait cependant pas suffisamment les contraintes ci- dessous, notamment en ce que concerne la facilité de maintenance différenciée des AME et du système d'étanchéité. En effet, en cas de défaillance de l'étanchéité, ΑΜΕ avec son joint doivent être remplacés entraînant un surcoût de maintenance. Il en est de même en cas de défaillance du cœur de pile.

Une autre solution connue consiste à prévoir des joints souples indépendants possédant des systèmes d'attache afin de les maintenir sur les plaques lors de l'assemblage. Cette solution augmente cependant considérablement le temps de montage. De plus, lors du montage, le joint peut vriller et ainsi menacer la fiabilité du montage.

L'industrialisation du procédé de fabrication des piles à combustible et la nécessité de réduire les coûts de fabrication nécessitent la réduction du temps de montage de l'ensemble tout en garantissant une bonne fiabilité.

Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus.

En particulier, un but de la présente invention est de proposer un dispositif d'étanchéité pour pile à combustible satisfaisant à tout ou partie des contraintes ci- dessous :

- le dispositif d'étanchéité doit pouvoir être facilement manipulé manuellement ou de façon automatique, - permettre le positionnement et le maintien d'un joint dans une gorge de joint,

- permettre un stockage, un emballage et une préparation aisés pour les étapes de montage,

- le dispositif d'étanchéité doit pouvoir être positionnable sur une pièce ne disposant pas de gorge de joint (tel que sur l'Assemblage Membrane Electrodes),

- permettre l'assemblage et la mise en compression de l'empilement de cellules,

- assurer l'étanchéité des réseaux de distribution et d'évacuation des fluides les uns des autres et par rapport à l'extérieur,

- permettre la maintenance cellule par cellule des AME et la réutilisation des éléments de l'empilement,

- réduire le nombre de dispositifs d'étanchéité différents par cellule,

- permettre l'alignement de ΑΜΕ par rapport à la plaque, et l'alignement de la plaque par rapport à ΑΜΕ,

A cette fin, le dispositif d'étanchéité pour pile à combustible, destiné à être interposé entre un Assemblage Membrane Electrodes et une plaque polaire ou bipolaire d'une cellule de pile à combustible, est constitué d'un cadre rigide et d'un cordon d'étanchéité solidaire du cadre, le cadre muni du cordon d'étanchéité définissant une pluralité d'ouvertures au travers du dispositif, les ouvertures étant délimitées par le cordon d'étanchéité.

Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

- le cadre comprend en outre des trous de serrage prévus pour le passage d'un système de serrage tel que des tirants,

- le cadre comprend en outre des trous de centrage et des pions de centrage, les pions de centrages étant perpendiculaires au plan du cadre et étant destinés à coopérer avec des trous de centrage conjugués d'un élément adjacent tel qu'un assemblage Membrane Electrodes, et éventuellement avec des logements d'une plaque anodique ou cathodique, les trous de centrage étant prévus pour accueillir les pions de centrage du cadre d'un dispositif d'étanchéité adjacent de la même cellules de pile à combustible, - le dispositif comporte des portions de cordon d'étanchéité de part et d'autre du plan défini par le cadre et, en section selon un plan perpendiculaire au plan du cadre, le cadre étant situé entre les extrémités du cordon d'étanchéité situées de part et d'autre du plan du cadre,

- en section selon un plan perpendiculaire au plan du cadre, le cadre est situé à mi-épaisseur du cordon d'étanchéité,

- au moins une partie d'un bord délimitant au moins une ouverture est constituée uniquement d'un cordon d'étanchéité,

- le dispositif comprend une pluralité d'ouvertures périphériques formées autour d'une ouverture centrale, l'ouverture centrale étant destinée à être superposée à une surface active d'un Assemblage Membrane Electrodes, au moins une partie de la bordure délimitant l'ouverture centrale étant commune avec des bordures respectives des ouvertures périphériques et en ce que les portions de la bordures communes à l'ouverture centrale et aux ouvertures périphériques sont constituée uniquement d'un cordon d'étanchéité,

- le cordon d'étanchéité comprend un joint dur ou mou, par exemple un joint déformable élastiquement ou plastiquement,

- le cadre est plan ou non,

- le cadre rigide plan ou non comprend des nervures de rigidification,

- l'épaisseur du cadre rigide est comprise entre 0,1 et 0,9 mm et de préférence entre 0,2 et 0,5mm,

- l'épaisseur du cordon d'étanchéité (selon une direction perpendiculaire au plan du cadre) et comprise entre 0,4. mm et 4 mm et de préférence entre 1 et 1 ,5 mm et encore plus préférentiellement entre 1 ,20mm et 1 ,30mm,

- la largueur du cordon d'étanchéité (selon une direction parallèle au plan du cadre) et comprise entre 1 ,5. mm et 2,5mm et de préférence entre 2mm et 2,35 mm,

- en section transversale le cadre rigide est centré dans le cordon d'étanchéité de façon à ne pas déborder dans les collecteurs de la cellule en position assemblée.

L'invention concerne également une cellule élémentaire de pile à combustible comprenant deux plaques de pile polaires ou bipolaires prenant en sandwich un Assemblage Membrane Electrodes, la cellule comprenant deux dispositifs d'étanchéité disposés respectivement de part et d'autre de l'Assemblage Membrane Electrodes et en vis-à-vis d'une plaque correspondante, pour assurer la séparation étanche des circuits de fluides réactifs au niveau de la cellule et assurer un écartement déterminé au sein de la cellule.

Selon des modes de réalisations possibles :

- la cellule comprend deux plaques de pile polaires, utilisant au moins un dispositif d'étanchéité positionné entre les deux faces des plaques dédiées au refroidissement,

- le cadre de chaque dispositif d'étanchéité comprend des trous de centrage et des pions de centrage, les pions de centrage de l'un des dispositif d'étanchéité coopérant avec des trous de centrage formés sur l'autre dispositif d'étanchéité au travers d'orifices formés au travers de l'Assemblage Membrane Electrodes pour assurer un centrage de l'Assemblage Membrane Electrode vis-à-vis des plaques,

- les deux dispositifs d'étanchéité sont de structure identique,

- les deux dispositifs d'étanchéité sont solidaires au niveau d'une jonction souple pliable,

- les deux dispositifs d'étanchéité sont rendus solidaires au niveau d'une jonction démontable,

- les périphéries des plaques situées en vis-à-vis présentent chacune une découpe, par exemple biseautée, au niveau de la bordure de ΑΜΕ,

- dans le plan du cadre, le cadre et le cordon d'étanchéité sont symétriques par rapport au centre du cadre.

L'invention concerne également une pile à combustible, notamment du type à membrane échangeuse de protons, comprenant un empilement de plusieurs cellules élémentaires conformes à l'une quelconque des caractéristiques ci- dessus ou ci-après.

L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous.

D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :

- la figure 1 représente une vue de dessus d'un dispositif d'étanchéité selon un exemple de réalisation possible de l'invention,

- la figure 2 représente une vue de dessus d'un détail du dispositif d'étanchéité de la figure 1 illustrant uniquement son cadre rigide, - la figure 3 représente une vue en perspective d'un détail du dispositif d'étanchéité de la figure 1 illustrant uniquement le cordon d'étanchéité (de type joint dur ou mou) et des pions de centrage,

- la figure 4 représente une vue en perspective, schématique et partielle, illustrant un exemple d'empilement de cellule de pile à combustible selon une réalisation possible de l'invention,

- la figure 5 représente une vue en perspective d'un détail du dispositif d'étanchéité de la figure 1 monté sur une plaque de pile,

- la figure 6 représente une vue ne coupe d'un détail d'un détail du dispositif d'étanchéité de la figure 1 monté sur une plaque de pile,

- la figure 7 illustre une vue en coupe d'une cellule de pile à combustible munie d'un dispositif d'étanchéité selon l'invention de part et d'autre de la membrane échangeuse de proton,

- la figure 8 illustre schématiquement un exemple d'architecture de cellule de pile à combustible pouvant mettre en œuvre l'invention,

- la figure 9 illustre une vue en coupe d'une cellule de pile à combustible munie d'un dispositif d'étanchéité selon l'invention illustrant l'agencement d'un pion de centrage.

Le dispositif d'étanchéité illustré à la figure 1 comprend un cadre 1 préférentiellement rigide (peut-être ductile) de forme générale plane (cf. figure 2). Le cadre 1 est constitué par exemple de l'un au moins des matériaux suivants : un élastomère, un thermoplastique, un thermodurcissable, un élastomère thermoplastique , un métal, un alliage, du graphite. De préférence, le cadre 1 a une épaisseur inférieure à 3mm. Par exemple, le cadre 1 a une épaisseur comprise entre 0,1 et 0.5 mm et de préférence 0,2mm. Comme illustré, le cadre 1 peut avoir une forme sensiblement carrée. Un cordon 2 d'étanchéité est surmoulé sur le cadre 1 (cf. figure 3).

Le cordon 2 d'étanchéité est constitué par exemple de l'un au moins parmi : un élastomère, un thermoplastique, un thermodurcissable, un élastomère thermoplastique. De préférence, le cordon 2 d'étanchéité est surmoulé de part et d'autre du cadre 1 (cf. figures 5 et 6).

Comme visible aux figures 5 et 6, le cordon 2 d'étanchéité peut être profilé afin de faciliter sa compression. Par exemple, le cordon 2 d'étanchéité peut avoir une forme du type à double lèvres. La figure 7 illustre une vue en coupe d'une cellule de pile à combustible dans laquelle deux plaques 6, 66 de pile prennent en sandwich un AME (Assemblage Membrane Electrode) 5. Un dispositif d'étanchéité 3 est disposé de part et d'autre de l'Assemblage Membrane Electrode (AME), entre ΓΑΜΕ et la plaque 6, 66 correspondante. La figure 7 représente également, disposé sur la plaque 6 supérieure, un joint 14 de circuit de refroidissement et la plaque inférieure 66 de la cellule adjacente.

Comme visible notamment à la figure 6 en coupe transversale, le cadre 1 rigide est situé de préférence au milieu du cordon 2 d'étanchéité. De cette façon, le cadre 1 peut être placé à distance des éléments adjacents de l'empilement (cf. figures 6 et 7) et ainsi le cadre 1 n'est jamais en contact avec les gaz réactifs, les produits de réaction, le fluide de refroidissement et/ou la surface active de la cellule. Cela permet de réduire considérablement les contraintes de compatibilité chimique du cadre 1 rigide avec la pile et d'en réduire le coût de façon significative. Le cadre 1 rigide n'est donc pas en contact avec les éléments réactifs de la cellule car il est centré sur le cordon d'étanchéité et ne déborde pas dans les collecteurs de la cellule.

Le cordon 2 d'étanchéité a par exemple une épaisseur de chaque côté du cadre 1 préférentiellement comprise entre 0.2 mm et 2 mm donc une épaisseur globale préférentiellement comprise entre 0.4 mm et 4 mm. Le cordon 2 d'étanchéité a par exemple une largeur (dans le plan du cadre 1 ) comprise par exemple entre 2 et 3 mm.

La rigidité du cadre 1 permet un positionnement manuel facilité sur une plaque de pile ou sur un AME. Cette même rigidité permet d'envisager une automatisation du positionnement du joint lors de l'assemblage sans modification de celui-ci.

Comme visible à la figure 1 , le cadre 1 comprend, de préférence à proximité de sa périphérie, des trous 10 de serrage prévus pour le passage du système de serrage de l'empilement, comme par exemple des tirants. Par exemple, le cadre 1 comprend quatre trous 10 de serrage disposés respectivement à proximité du milieu des quatre côtés cadre 1 . La présence de trous 10 de serrage à travers le cadre 1 permet le cas échéant de s'affranchir de l'utilisation d'un promoteur d'adhérence avant le surmoulage du cordon 2 d'étanchéité et permet ainsi de préserver l'intégrité chimique de ΑΜΕ 5. Le cadre 1 peut comprendre également un ou des pions 12 de centrage et des trous de centrage 1 1 . Ces pions 12 de centrage permettent un alignement de ΑΜΕ sur une plaque 6 de pile et inversement selon l'étape d'assemblage. Ces pions 12 de centrage permettent également un détrompage du joint 3 sur la plaque 6, 66 ainsi qu'un détrompage de l'AME sur la plaque 6, 66 pour que le coté anode de l'AME soit bien du coté de la plaque anodique et pour que le coté cathode de l'AME soit bien du coté de la plaque cathodique.

Avantageusement, chaque dispositif d'étanchéité 3 comprend des trous 1 1 de centrage et des pions de centrage 12. De cette façon, et comme illustré à la figure 9, les pions 12 de centrage de l'un des dispositifs 3 d'étanchéité d'une cellule peuvent coopérer avec des trous 1 1 de centrage formés sur l'autre dispositif 3 d'étanchéité de la cellule (et inversement). Les pions 12 de centrage peuvent notamment traverser des d'orifices formés au travers de l'Assemblage Membrane Electrodes 5 situé entre les deux dispositifs d'étanchéité. Comme illustré à la figure 9, le ou les pions 12 peuvent coopérer également avec un logement correspondant dans les plaques 6, 66 de la cellule.

Ceci permet de réaliser un alignement et un positionnement précis de l'AME 5 vis-à-vis des plaques 6, 66.

Comme visible aux figures 1 à 3, le dispositif 3 d'étanchéité comprend une pluralité d'ouvertures 7, 8, 9, 13 délimitées par le cordon 2 d'étanchéité. Ces ouvertures 7, 8, 9, 13 forment des passages respectifs pour des fluides. Par exemple, le dispositif comprend une pluralité d'ouvertures 7, 8, 9 périphériques formées autour d'une ouverture 13 centrale. L'ouverture centrale 13 est destinée à être superposée à une surface active d'un Assemblage Membrane Electrodes. Les ouvertures 7, 8, 9 périphériques comprennent par exemple deux ouvertures 7 diamétralement opposées formant des collecteurs respectivement d'entrée et de sortie pour de l'air, deux autres ouvertures 8 diamétralement opposées formant des collecteurs respectivement d'entrée et de sortie pour de l'hydrogène et deux paires d'ouvertures 9 opposées formant des collecteurs d'entrée/sortie pour le fluide de refroidissement.

Comme illustré, la bordure délimitant l'ouverture centrale 13 peut être commune avec des bordures respectives des ouvertures 7, 8, 9 périphériques. De préférence, comme visible aux figures 2 et 3, les portions de bordures communes à l'ouverture centrale 13 et aux ouvertures 7, 8, 9 périphériques sont constituées uniquement d'un cordon 2 d'étanchéité, c'est à dire que le cadre 1 n'est pas présent à ces endroits. Comme visible à la figure 5, cette configuration permet, en position assemblée, de disposer le cordon 2 d'étanchéité dans une gorge de joint d'une plaque 6 au plus près entre un collecteur et la surface active d'une cellule.

Comme visible à la figure 6, afin d'éviter une reprise de force par le cadre 1 lors du serrage de l'empilement et pour faciliter le positionnement du dispositif 3 d'étanchéité, la surface de la plaque 6 (par exemple monopolaire) en regard avec le cadre 1 peut être localement abaissée ou diminuée. Cela est possible de préférence uniquement pour les zones de la plaque qui s'étendent depuis la périphérie du cordon 2 d'étanchéité jusque vers l'extérieur de la cellule (vers la gauche sur la figure 5). En effet, un abaissement de la hauteur de la surface de la plaque 6 en regard avec l'AME risquerait de favoriser les fuites internes de gaz. De plus, afin d'isoler électriquement les deux plaques 6, 66 polaires entre lesquelles se trouve l'AME, et comme visible aux figures 6 et 7, les extrémités périphériques desdites plaques peuvent être biseautées. Ceci permet d'éviter de faire dépasser le joint de l'AME. et permet l'alignement des éléments de l'empilement lors du montage.

La figure 4 illustre de façon schématique une cellule élémentaire de pile à combustible comprenant deux plaques 6, 66 de pile polaires ou bipolaires prenant en sandwich un Assemblage Membrane Electrodes 5. Deux dispositifs 3 d'étanchéité tels que décrits ci-dessus sont disposés respectivement de part et d'autre de l'Assemblage Membrane Electrodes 5 et en vis-à-vis d'une plaque 6, 66 correspondante.

Les dispositifs 3 d'étanchéité assurent ainsi la séparation étanche des différents circuits de fluides réactifs au niveau de la cellule.

L'absence de contact avec l'AME 5 lors de l'assemblage diminue fortement les risques de contaminations chimiques du cœur de pile. L'architecture du dispositif et le cas échéant les matériaux utilisés y contribuent également.

En disposant le cadre 1 rigide à mi-hauteur du cordon 2 d'étanchéité, un dispositif 3 d'étanchéité identique peut être utilisé côté anodique et du côté cathodique. Le nombre de pièces constitutives différentes de la pile peut ainsi être réduit et les risques d'erreurs de montage sont diminués. Dans une variante possible, les deux dispositifs 3 d'étanchéité des deux côtés de ΑΜΕ peuvent être reliés par un matériau flexible et former ainsi une seule pièce.

Par exemple, deux dispositifs 3 d'étanchéité sont rendus solidaires au niveau d'une jonction démontable (à l'extérieur ou au travers des pions 12 de centrage). Ceci permet d'emprisonner des éléments et former ainsi des sous- assemblages de pile à combustible.

On conçoit donc aisément que, tout en étant de structure simple et peu coûteuse, le dispositif permet à la fois

- de maintenir une distance constante entre deux plaques 6, 66 de pile (par exemple composites),

- d'assurer l'étanchéité et de réaliser un assemblage et un démontage aisé et précis de la pile à combustible.

Le dispositif est compatible avec différents AME

Le dispositif permet également un alignement de l'AME sur la plaque 6, 66 ou inversement (via le système de pions 12 et trous 1 1 ).

Ce type de dispositif d'étanchéité peut être utilisé également pour assurer l'étanchéité d'un réseau de refroidissement liquide.