FR2843489A1

FR2843489A1 - Support piece for fuel cell comprises two half frames supporting membrane, enabling robot handling during manufacture

Info

Publication number: FR2843489A1
Application number: FR0210038A
Authority: FR
Inventors: Jean Edmond Chaix
Original assignee: Helion SAS
Current assignee: Areva Stockage dEnergie SAS
Priority date: 2002-08-07
Filing date: 2002-08-07
Publication date: 2004-02-13
Anticipated expiration: 2022-08-07
Also published as: FR2843489B1

Abstract

The insert piece (1) for a fuel cell includes a lower half-frame (10) with a peripheral frame (23) and an upper half-frame (20) fitting inside the peripheral frame (23). The peripheral part of the fuel cell membrane (3) is held in a sandwich between the two half-frames (10 and 20), providing a sturdy structure which is easily handled. The insert piece (1) for a fuel cell is intended to be placed between the polar or bipolar plates (30), in order to keep them at a given distance from the base element, the membrane (3) and the electrodes (6). The edge of the membrane is fixed within the inside of the insert piece, the membrane having a greater diameter than that of the electrodes (6). The insert includes a lower half-frame (10) comprising a peripheral frame (23) traversed by functional fluid holes (25), and a support part (14) of reduced thickness traversed by fixing holes (12). An upper half-frame (20) is provided to fit inside the peripheral frame (23), and has clip fitting pins (22) penetrating into the fixing holes (12). The peripheral part of the membrane (3) is thus fixed in a sandwich between the two half-frames (10 and 20). The structure is non-deformable and easily handled.

Description

ii

PIECE INTERCALAIRE DE PILE A COMBUSTIBLE FUEL CELL INSERTION

DESCRIPTIONDESCRIPTION

DOMAINE DE L'INVENTIONFIELD OF THE INVENTION

L'invention concerne les domaines des piles à combustible constituées d'un empilement d'un grand nombre de modules de base comprenant chacun un élément de base électrodes/membrane entouré de deux éléments polaires par lesquels le comburant et le combustible 10 sont acheminés vers l'élément de base électrodes/membrane. Ce type de pile à combustible trouve son application, entre autres, dans les véhicules électriques faisant l'objet de nombreuses études de 15 développement, en particulier les véhicules urbains de transport en commun de surface, tels que les autobus, les tramways et autres trolleybus. D'autres applications sont possibles, notamment sur des installations fixes, telles que des systèmes 20 stationnaires de production d'électricité, comme ceux utilisés dans les hôpitaux ou autres bâtiments de services, o l'éventualité d'une interruption The invention relates to the fields of fuel cells consisting of a stack of a large number of base modules each comprising an electrode / membrane base element surrounded by two polar elements through which the oxidant and fuel 10 are conveyed to the basic element electrodes / membrane. This type of fuel cell finds its application, inter alia, in the electric vehicles which are the subject of numerous development studies, in particular urban surface public transport vehicles, such as buses, trams and other trolleybuses. . Other applications are possible, in particular on fixed installations, such as stationary electricity production systems, such as those used in hospitals or other service buildings, in the event of an interruption.

d'alimentation en électricité doit être exclue. power supply should be excluded.

ART ANTERIEUR ET PROBLEME POSEPRIOR ART AND PROBLEM POSED

De nombreuses piles à combustible sont constituées d'une succession d'éléments de base comprenant, eux-mêmes, deux électrodes, dont une anode et une cathode, auxquelles sont apportés, continment un comburant et un combustible et qui restent séparées par une membrane échangeuse d'ions Many fuel cells consist of a succession of basic elements themselves comprising two electrodes, including an anode and a cathode, to which are continuously supplied an oxidizer and a fuel and which are separated by an exchange membrane. ion

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faisant office d'électrolyte. Du côté de l'anode, se produit l'oxydation du combustible, tel que l'hydrogène, tandis que du côté de la cathode, le comburant, tel que l'oxygène ou l'air, est réduit. Ces 5 deux réactions simultanées s'accompagnent par l'établissement d'une différence de potentiels entre acting as an electrolyte. On the side of the anode, oxidation of the fuel, such as hydrogen, takes place, while on the side of the cathode, the oxidizer, such as oxygen or air, is reduced. These two simultaneous reactions are accompanied by the establishment of a potential difference between

les deux électrodes.the two electrodes.

Chaque élément de base est entouré de deux flasques, appelés "plaques polaires", qui ont plusieurs 10 fonctions. Elles permettent d'amener au contact de l'élément de base, d'un côté le carburant, de l'autre côté le comburant. Elles permettent également de collecter des électrons produits par la réaction d'oxydoréduction, énoncée plus haut. Enfin, ces plaques 15 polaires permettent d'assurer l'évacuation des calories dues à l'élévation en température produite conjointement avec la production d'électrons, lors de Each basic element is surrounded by two flanges, called "pole plates", which have several functions. They allow the fuel to come into contact with the basic element on one side and the oxidant on the other side. They also make it possible to collect the electrons produced by the redox reaction, set out above. Finally, these polar plates 15 ensure the evacuation of calories due to the rise in temperature produced jointly with the production of electrons, during

cette réaction d'oxydoréduction.this redox reaction.

Or, par la demande de brevet FR 2 810 795, on 20 connaît des plaques bipolaires 10 pour pile à combustible qui prennent en sandwich un élément de base 1 constitué d'un assemblage membrane 3/ électrodes 2. A leur périphérie, chacune d'entre elles est en contact avec deux plaques bipolaires qui lui sont 25 adjacentes. Des joints 4 et 5 permettent d'assurer However, by patent application FR 2 810 795, bipolar plates 10 are known for fuel cells which sandwich a basic element 1 consisting of a membrane 3 / electrodes 2 assembly. At their periphery, each of between them is in contact with two bipolar plates which are adjacent to it. Joints 4 and 5 ensure

l'étanchéité de l'ensemble. En effet, l'empilement constituant la pile est traversée par des canalisations verticales formées par des trous 15 placés à la périphérie de chaque plaque bipolaire 10. Le joint 5 30 est donc placé autour de chacun de ces trous 15. the tightness of the assembly. In fact, the stack constituting the stack is traversed by vertical pipes formed by holes 15 placed at the periphery of each bipolar plate 10. The seal 5 30 is therefore placed around each of these holes 15.

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D'autre part, au cours de la fabrication des éléments de base membrane/électrodes, la membrane subit au départ plusieurs bains d'acide, de rinçage et autres. On envisage de réaliser au défilé ces 5 différentes phases, mais les temps de chacune des opérations ne sont pas les mêmes et il s'en suit des opérations supplémentaires vers des stockages On the other hand, during the manufacture of the membrane / electrode basic elements, the membrane is initially subjected to several acid, rinsing and other baths. We plan to carry out these 5 different phases at the parade, but the times for each of the operations are not the same and additional operations follow towards storage.

intermédiaires entre chaque bain.intermediaries between each bath.

Le but de l'invention est donc de remédier à 10 cet inconvénient en proposant de procéder à ces différentes opérations de fabrication, non pas au défilé, mais de façon unitaire, chaque membrane étant The object of the invention is therefore to remedy this drawback by proposing to carry out these various manufacturing operations, not at the parade, but in a unitary manner, each membrane being

découpée avant de subir les différents bains. cut before undergoing the different baths.

RESUME DE L'INVENTIONSUMMARY OF THE INVENTION

A cet effet, l'objet principal de l'invention est une pièce intercalaire de pile à combustible destinée à être placée entre les plaques polaires ou bipolaires pour les maintenir à une distance déterminée 20 et placée autour de l'élément de base membrane/électrodes, et à l'intérieur de laquelle est fixée la périphérie de la membrane dont le diamètre extérieur déterminé est plus grand que le diamètre extérieur des électrodes, la pièce intercalaire 25 constituant ainsi un cadre pour la manipulation de To this end, the main object of the invention is a fuel cell insert intended to be placed between the pole or bipolar plates to keep them at a determined distance and placed around the membrane / electrode base element. , and inside which is fixed the periphery of the membrane, the determined outside diameter of which is greater than the outside diameter of the electrodes, the intermediate piece 25 thus constituting a frame for the manipulation of

l'élément de base, lors de sa fabrication. the basic element, during its manufacture.

Dans la réalisation préférentielle de In the preferential realization of

l'invention, la pièce intercalaire est en deux parties. the invention, the insert is in two parts.

- une première partie méplate constituant un demi-cadre 30 inférieur et comportant en une seule pièce: a first flat part constituting a lower half-frame 30 and comprising in one piece:

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* un cadre périphérique sur toute l'épaisseur de la pièce intercalaire, et * une base support d'Tépaisseur réduite sur une partie inférieure du cadre périphérique, s'étendant vers le 5 centre de la pièce intercalaire avec un diamètre inférieur au diamètre extérieur de la membrane et comportant plusieurs trous de fixation, et - une deuxième partie constituée d'un demi-cadre supérieur faisant office de couvercle, le diamètre 10 extérieur étant supérieur au diamètre extérieur de la * a peripheral frame over the entire thickness of the intermediate piece, and * a reduced thickness support base on a lower part of the peripheral frame, extending towards the center of the intermediate piece with a diameter less than the outside diameter of the membrane and comprising several fixing holes, and - a second part consisting of an upper half-frame serving as a cover, the outside diameter 10 being greater than the outside diameter of the

base support et comportant des picots de clipsage destinés à être insérés dans les trous de fixation, après avoir traversé la membrane pour maintenir cette dernière entre les deux parties de la pièce 15 intercalaire. support base and comprising clip pins intended to be inserted into the fixing holes, after having passed through the membrane to hold the latter between the two parts of the intermediate piece.

Dans ce cas, on prévoit un premier décrochement à la jonction du cadre périphérique et de la base support dont le diamètre correspond au diamètre In this case, a first step is provided at the junction of the peripheral frame and the support base, the diameter of which corresponds to the diameter

extérieur du demi-cadre supérieur. outside of the upper half-frame.

De préférence, on prévoit un deuxième décrochement de la base support du demi-cadre inférieur pour former une partie méplate de diamètre extérieur inférieur au diamètre du premier décrochement et dont Preferably, a second step is provided for the support base of the lower half-frame to form a flat part with an outside diameter smaller than the diameter of the first step and whose

l'épaisseur correspond à celle de la membrane. the thickness corresponds to that of the membrane.

Lorsque le cadre a des trous de fluide de When the frame has fluid holes

fonctionnement le traversant à sa périphérie, il est très avantageux de prévoir une gorge circulaire sur les deux surfaces du cadre périphérique, autour de chaque trou de fluide de fonctionnement, de façon à pouvoir 30 recevoir chacune un joint d'étanchéité. operating through it at its periphery, it is very advantageous to provide a circular groove on the two surfaces of the peripheral frame, around each hole of operating fluid, so that each can receive a seal.

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DESCRIPTION DETAILLEE D'UNE REALISATION DE L'INVENTION DETAILED DESCRIPTION OF AN EMBODIMENT OF THE INVENTION

La figure unique représente en coupe la pièce intercalaire selon l'invention, placée autour d'un The single figure shows in section the insert according to the invention, placed around a

ensemble membrane/électrodes.membrane / electrodes assembly.

La pièce intercalaire 1 est donc réalisée en The insert 1 is therefore produced in

deux parties séparées, un demi-cadre inférieur 10 et un demi-cadre supérieur 20. On voit sur cette figure que ces deux demi-cadres inférieur 10 et supérieur 20 prennent en sandwich la périphérie d'une membrane 3 10 d'un ensemble membrane/électrodes. two separate parts, a lower half-frame 10 and an upper half-frame 20. It can be seen in this figure that these two lower half-frames 10 and upper 20 sandwich the periphery of a membrane 3 10 of a membrane assembly / electrodes.

Plus précisément, le demi-cadre supérieur 20 possède un cadre périphérique 23 dont l'épaisseur correspond à l'épaisseur maximale de la pièce intercalaire. Sur chacune des surfaces de contact 24, 15 viendra se positionner une plaque polaire 30 ou une More specifically, the upper half-frame 20 has a peripheral frame 23 whose thickness corresponds to the maximum thickness of the insert. On each of the contact surfaces 24, 15 will be positioned a pole plate 30 or a

plaque bipolaire de l'empilement de la pile à combustible. Ce cadre périphérique 23 est traversée de plusieurs trous de fluide de fonctionnement 25 destinés à véhiculer, sur toute la hauteur de l'empilement de la 20 pile à combustible, le réfrigérant et les combustibles. bipolar plate of the fuel cell stack. This peripheral frame 23 is traversed by several holes of operating fluid 25 intended to convey, over the entire height of the stack of the fuel cell, the refrigerant and the fuels.

Autour de chacun de ces trous 25, et sur les surfaces de contact 24 se trouve une gorge 2 destinée à recevoir un joint torique 9 pour assurer l'étanchéité de Around each of these holes 25, and on the contact surfaces 24 is a groove 2 intended to receive an O-ring 9 to ensure the tightness of

l'ensemble à ce niveau.the whole at this level.

Le cadre périphérique 23 est relié à une base The peripheral frame 23 is connected to a base

support 14 pour constituer un demi-cadre inférieur 10. support 14 to constitute a lower half-frame 10.

La base support 14 est d'épaisseur moindre que celle du cadre périphérique 23, notamment grâce à un premier décrochement 11 pratiqué dans la partie supérieure du 30 demi-cadre inférieur 10 pour former un évidement laissant la place au demi-cadre supérieur 20. Ce The support base 14 is of less thickness than that of the peripheral frame 23, in particular by virtue of a first recess 11 made in the upper part of the lower half-frame 10 to form a recess giving way to the upper half-frame 20. This

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premier décrochement 11 est donc d'un diamètre correspondant au diamètre extérieur du demi-cadre first step 11 is therefore of a diameter corresponding to the outside diameter of the half-frame

supérieur 20.higher 20.

On prévoit également un deuxième décrochement 5 15, placé dans l'évidement formé par le premier décrochement 11 d'épaisseur correspondant à celle de la membrane et de diamètre inférieur au diamètre du premier décrochement 11. Toutefois, ce diamètre est très légèrement supérieur au diamètre externe de la 10 membrane 3. A second step 5 15 is also provided, placed in the recess formed by the first step 11 of thickness corresponding to that of the membrane and of diameter less than the diameter of the first step 11. However, this diameter is very slightly greater than the diameter outer membrane 3.

Enfin, la base support 14 possède des trous de fixation 12 qui sont positionnés en correspondance avec le positionnement de picots 22 pratiqués sur la surface inférieure du demi-cadre supérieur 20. Ces picots sont 15 destinés à traverser les trous 12 et à venir s'appuyer sur la surface inférieure de la base support 14, par une tête 25 de diamètre légèrement supérieur au Finally, the support base 14 has fixing holes 12 which are positioned in correspondence with the positioning of pins 22 formed on the lower surface of the upper half-frame 20. These pins are intended to pass through the holes 12 and to come press on the lower surface of the support base 14, by a head 25 with a diameter slightly greater than the

diamètre des trous 12.hole diameter 12.

Deux joints de membrane 5 complète le montage. 20 Ils sont placés à l'intérieur de la pièce intercalaire 1, mais autour des électrodes 6 placées de part et d'autre de la membrane 3. Ces joints 5, tout comme des joints d'étanchéité 9 du cadre périphérique 23 doivent dépasser légèrement les surfaces de contact 24 de ce 25 cadre périphérique 23, pour qu'une pression, lors du serrage de l'empilement, puisse procéder à un écrasement des joints et assurer l'étanchéité complète Two membrane seals 5 complete the assembly. 20 They are placed inside the intermediate piece 1, but around the electrodes 6 placed on either side of the membrane 3. These seals 5, like seals 9 of the peripheral frame 23 must protrude slightly the contact surfaces 24 of this peripheral frame 23, so that pressure, when tightening the stack, can crush the seals and ensure complete sealing

de l'ensemble de l'empilement.of the entire stack.

On comprend alors que, lors de la mise en place 30 du demi-cadre supérieur 20 sur le demi-cadre inférieur par clipsage, la membrane 3 se trouve perforée et It is then understood that, during the positioning 30 of the upper half-frame 20 on the lower half-frame by clipping, the membrane 3 is perforated and

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-7 coincée entre ces deux pièces. Une fixation est ainsi réalisée de la pièce intercalaire 1 autour de la membrane 3. Grâce à cette fixation, il est possible de manipuler celle-ci, même lorsque les électrodes 6 ne 5 sont pas encore déposées sur la membrane 3. Il s'ensuit un avantage considérable de la manipulation d'une membrane 3, lors des différents bains destinés à la fabrication des électrodes et de l'ensemble membrane/ électrodes. De plus, l'ensemble constitue une fois fini un objet indéformable et facilement manipulable. On envisage donc une manipulation robotisée dans toutes les opérations de fabrication et de stockage de -7 wedged between these two parts. An attachment is thus produced from the intermediate piece 1 around the membrane 3. Thanks to this attachment, it is possible to manipulate the latter, even when the electrodes 6 are not yet deposited on the membrane 3. It follows a considerable advantage of the manipulation of a membrane 3, during the various baths intended for the manufacture of the electrodes and of the membrane / electrodes assembly. In addition, once finished, it is a non-deformable and easily manipulated object. We therefore consider robotic manipulation in all manufacturing and storage operations of

l'élément membrane/ électrodes.the membrane / electrodes element.

De plus, l'épaisseur déterminée du cadre périphérique 23 de la pièce intercalaire 1 permet de limiter l'écrasement des éléments membrane/électrodes à une valeur déterminée, lors du serrage de l'empilement In addition, the determined thickness of the peripheral frame 23 of the intermediate piece 1 makes it possible to limit the crushing of the membrane / electrode elements to a determined value, when the stack is tightened.

de la pile à combustible.of the fuel cell.

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Claims

1. Fuel cell insert (1) intended to be placed between the polar (30) 5 or bipolar plates to keep them at a determined distance around the base element, membrane (3) / electrodes (6) and inside which is fixed the periphery of the membrane (3) which protrudes by a determined external diameter greater than the diameter of the 10 electrodes (6), the intermediate piece constituting a

frame for handling the basic element.

2. spacer piece (1) according to claim 1, characterized in that it is made up of two parts: - a first flat part constituting a lower half-frame (10) comprising in one piece: * a peripheral frame (23 ) over the entire thickness of the intermediate piece, * a support base (14) of reduced thickness on a lower part of the peripheral frame (23) and comprising several fixing holes (12); - A second part consists of an upper half-frame (20) serving as a cover and an outside diameter greater than the inside diameter of the support base (14) and comprising clip pins (22) intended to be inserted into the fixing holes (12) after passing through the membrane (3), to keep the latter between the two

parts of the insert.

3. spacer (1) according to claim 2, characterized in that it comprises a

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first step (11) on the lower half-frame.

(10), at the junction of the peripheral frame (23) and the support base (14) and whose diameter corresponding to

external diameter of the upper half-frame (20).

4. Intermediate piece according to claim 3, characterized in that it comprises a second recess (15) of the support base (14) of the lower half-frame (10) to form a flat portion of diameter less than the diameter of the first recess 10 (11) and whose thickness corresponds to that of the

membrane (3).

5. A spacer according to claim 1, the peripheral frame. 2-3) having operating fluid holes (25) passing therethrough, characterized in that the peripheral frame (23) has a circular groove (2) on each of the contact surfaces (24), around the operating fluid holes (25)

to each receive a seal (9).

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