Procédé de fabrication d'une plaque bipolaire pour pile à combustible et plaque bipolaire obtenue

La présente invention est relative à la fabrication d'une plaque bipolaire pour pile à combustible du type à membrane échangeuse d'ions, ainsi qu'à la plaque bipolaire obtenue par ce procédé.

Les piles à combustible du type à membrane échangeuse d'ions sont des dispositifs de production d'électricité par un processus électrochimique qui consiste à faire réagir un gaz carburant tel que de l'hydrogène avec un gaz comburant tel que de l'oxygène ou de l'air à travers une membrane échangeuse d'ions appelée assemblage membrane électrode. La production d'électricité est obtenue par une réaction entre le gaz comburant et le gaz carburant qui produit de l'eau et de l'électricité. Une telle pile à combustible est constituée d'un empilement alterné d'ensembles membrane électrode et plaques bipolaires, les plaques bipolaires étant des plaques destinées à assurer l'approvisionnement en gaz carburant ou comburant le long des assemblages membrane électrode et à collecter le courant électrique. Une plaque bipolaire est disposée entre deux assemblages membrane électrode, et cette plaque bipolaire comporte deux faces : une première face destinée à assurer la circulation du gaz carburant le long d'une face anodique d'un premier assemblage membrane électrode, et une deuxième face destinée à assurer la circulation du gaz comburant le long de la face cathodique du deuxième assemblage membrane électrode, les deux faces anodique et cathodique de la plaque bipolaire étant séparées par une paroi étanche destinée à empêcher le contact entre le gaz carburant et le gaz comburant à travers la plaque bipolaire. Cette paroi étanche doit cependant laisser passer l'électricité et elle peut être éventuellement parcourue par un courant d'un fluide caloporteur destiné à assurer le refroidissement de l'ensemble. De telles plaques bipolaires sont fabriquées par exemple à partir de plaques de graphite usinées, ou à partir de plaques métalliques découpées et embouties, accolées et soudées entre elles. Ces procédés classiques de fabrication conduisent à des plaques bipolaires qui sont très rigides et qui doivent être fabriquées par un procédé discontinu relativement coûteux.

Le but de la présente invention est de proposer un moyen pour fabriquer une plaque bipolaire pour pile à combustible du type à membrane échangeuse d'ions qui puisse être fabriquée en continu beaucoup plus économique que les procédés connus et qui conduise à des plaques bipolaires qui n'aient pas les inconvénients liés à la rigidité des plaques bipolaires connues de l'art antérieur, à savoir les difficultés qu'il y a à assurer des étan- chéités au contact entre deux plaques bipolaires adjacentes.

A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une plaque bipolaire pour pile à combustible du type à membrane échangeuse d'ions, caractérisé en ce que :

- on dispose une membrane polymère comprenant au moins deux couches en polymère ayant des températures de fusion différentes, sur un support rigide comportant une pluralité de trous,

- on dispose sur la membrane polymère une couche d'un matériau fi- breux conducteur d'électricité,

- par un procédé d'aiguilletage, on fait passer des fibres du matériau fibreux à travers la membrane polymère, et

- on effectue un chauffage à une température intermédiaire entre les deux températures de fusion des polymères, de façon à assurer l'étanchéité de la membrane polymère aux points traversés par les fibres en remplissant les interstices correspondants par du polymère ayant la plus faible température de fusion.

De préférence, la membrane polymère comporte une pluralité de couches en polymère, et elle incorpore des canaux pour la circulation d'un fluide de refroidissement.

L'invention concerne également une plaque bipolaire pour pile à combustible de type à membrane échangeuse d'ions constituée de deux couches de matériau poreux conducteur d'électricité séparées par une membrane étanche traversée par des fibres conductrices d'électricité. La mem- brane étanche est constituée d'au moins une couche en un premier polymère, et l'étanchéité aux points auxquels la membrane étanche est traversée par des fibres est assurée par un joint en un deuxième polymère dont la température de fusion est inférieure à celle du premier polymère.

De préférence, la membrane étanche est constituée d'une pluralité de couches en polymère, et peut incorporer un réseau de circulation de fluide de refroidissement.

L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise mais non limitative en regard des figures annexées dans lesquelles :

- la figure 1 représente un procédé de fabrication d'un élément de plaque bipolaire pour pile à combustible,

- la figure 2A représente de façon schématique une vue agrandie de fibres conductrices d'électricité traversant une membrane étanche dans une plaque bipolaire de pile à combustible à un stade intermédiaire de la fabrication,

- la figure 2B représente une vue agrandie schématique des fibres conductrices d'électricité traversant une membrane étanche d'une plaque bipolaire d'une pile à combustible au stade final de la fabrication, - la figure 3 est une vue en coupe schématique d'une plaque bipolaire pour pile à combustible obtenue par le procédé de la figure 1.

La plaque bipolaire pour pile à combustible selon l'invention est une plaque bipolaire constituée de deux couches de matériau fibreux 13, 14 séparées par une membrane étanche 3 traversée par des fibres conductrices d'électricité 10. Cette plaque bipolaire est fabriquée par un procédé d'aiguil- letage utilisé par exemple pour fabriquer des tissus non tissés ou pour fabriquer des moquettes. Selon ce procédé, on dispose sur une plaque support 1 percée d'une pluralité de trous 2 une membrane étanche en polymère 3 constituée d'une première couche 4 d'un premier polymère ayant une pre- mière température de fusion Ti et d'une deuxième couche 5 d'un deuxième polymère ayant une deuxième température de fusion T ₂ , la température de fusion T ₂ du deuxième polymère étant sensiblement inférieure à la température de fusion du premier polymère Ti. Sur cette membrane étanche 3 on dispose un lit 6 de matériau fibreux constitué par exemple de fibres de car- bone ou bien de fibres métalliques ou d'autres fibres conductrices d'électricité. Au-dessus de cet empilage, on dispose un plateau 7 comportant une pluralité d'aiguilles 8 disposées en regard des trous 2 de Ia plaque support 1. Par un mouvement alternatif du haut vers le bas du plateau porte-aiguilles 7,

on perce des trous dans la membrane polymère 3 et on entraîne à travers ces trous des fibres qui proviennent de la couche de fibres 6. On obtient ainsi, comme représenté en agrandi à la figure 2A, une membrane polymère 3 comportant des trous 9 dans lesquels passent des fibres 10. On constate qu'à ce stade les trous sont généralement plus larges que les fibres si bien que, dans ces zones de passage de la fibre à travers la membrane étanche, l'étanchéité n'est pas assurée. Afin d'assurer l'étanchéité aux points de passage des fibres à travers la membrane polymère 3, on soumet l'ensemble obtenu à un traitement de recuit à un chauffage à une température T com- prise entre la température de fusion T- _\ de la première couche de polymère et la température de fusion T ₂ de la deuxième couche de polymère. Sous l'effet de ce réchauffage à une température comprise entre les deux températures de fusion, la couche polymère 4 dont la température de fusion est la plus élevée reste solide, tandis que la couche de polymère 5 dont la tempé- rature de fusion est la plus basse et inférieure à la température de réchauffage, se liquéfie. En se liquéfiant, la couche polymère liquéfiée qui est disposée à la partie supérieure, sous l'effet de la gravitation et par des effets de tension superficielle, est attirée à l'intérieur des trous 9 qu'elle vient combler pour former des bouchons 11 qui, après solidification, assurent une parfaite étanchéité de la membrane 3 aux points de passage des fibres conductrices d'électricité 10.

On obtient ainsi une plaque bipolaire telle que représentée en coupe schématiquement à la figure 1 et qui est constituée de deux couches de matériau fibreux 13 et 14 séparées par une membrane étanche 3 traversée par des fibres conductrices d'électricité 10 qui sont telles qu'aux points de traversée 15 de la membrane polymère étanche 3 par les fibres conductrices d'électricité 10, l'étanchéité est assurée par un bouchon constitué d'un polymère ayant une température de fusion plus faible que la température de fusion du polymère dont est constituée la membrane étanche 3. La plaque bipolaire 12 qu'on obtient ainsi a l'avantage d'être souple et donc de pouvoir s'adapter parfaitement dans des empilements sans poser de problème d'étanchéité notamment dans les joints périphériques.

Elle a l'avantage également de pouvoir être fabriquée à l'aide d'un procédé continu. En effet, par le procédé qui vient d'être décrit, on peut fabriquer des nappes entières de plaques bipolaires dans lesquelles il suffit après de découper des éléments correspondant à la taille des plaques bipo- laires que l'on veut incorporer dans une pile à combustible particulière.

La plaque bipolaire telle qu'on vient de la décrire est une plaque bipolaire dans laquelle la membrane polymère est constituée de deux couches de polymère ayant des températures de fusion différentes. Mais on peut utiliser des membranes étanches constituées de plus de trois couches de po- lymère voire plus, pourvu simplement que soient utilisés deux polymères, un polymère à température de fusion élevée et un polymère à température de fusion plus basse.

En outre, lorsque la membrane étanche 3 comporte une pluralité de couches, il est possible d'insérer à l'intérieur un réseau de circulation d'un fluide de refroidissement constitué par exemple de tubes en matériau polymère.

On notera que dans le procédé tel qu'il vient d'être décrit, on a décrit simplement la fabrication d'une première couche de la plaque bipolaire. L'homme du métier comprendra que, une fois que l'on a réalisé l'opération d'aiguilletage pour fixer la première couche de polymère sur la membrane étanche et faire traverser cette membrane étanche par des fibres conductrices, on peut disposer une deuxième couche de matériau fibreux sur la deuxième face de la demi-plaque bipolaire obtenue à la suite de l'opération d'aiguilletage et on peut éventuellement effectuer une deuxième opération d'aiguilletage en retournant la feuille obtenue.