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WO2024218062A1 - Empilement pour une pile à combustible, pile à combustible et véhicule associés - Google Patents

Empilement pour une pile à combustible, pile à combustible et véhicule associés Download PDF

Info

Publication number
WO2024218062A1
WO2024218062A1 PCT/EP2024/060240 EP2024060240W WO2024218062A1 WO 2024218062 A1 WO2024218062 A1 WO 2024218062A1 EP 2024060240 W EP2024060240 W EP 2024060240W WO 2024218062 A1 WO2024218062 A1 WO 2024218062A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
plate
assembly
stack
supply
stacking direction
Prior art date
Application number
PCT/EP2024/060240
Other languages
English (en)
Inventor
Clément Guillaume SANTINI
Florian Sébastien GHIO
Original Assignee
Symbio France
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Symbio France filed Critical Symbio France
Publication of WO2024218062A1 publication Critical patent/WO2024218062A1/fr

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0265—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant the reactant or coolant channels having varying cross sections
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/242—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes comprising framed electrodes or intermediary frame-like gaskets
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    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
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    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
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    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/2432—Grouping of unit cells of planar configuration

Definitions

  • TITLE Stack for a fuel cell, associated fuel cell and vehicle
  • the present invention relates to a stack for a fuel cell, as well as an associated fuel cell and vehicle.
  • CN10796821 OA describes the use of cathode and anode plates forming bipolar plates and membrane-electrode assemblies with fluid supply and discharge ports which form fluid supply and discharge galleries.
  • the anode and cathode plates and the membrane-electrode assemblies comprise reactive gas and coolant supply and discharge ports arranged on either side of the anode, cathode plates and the membrane-electrode assemblies, these ports being asymmetrical relative to the center of the separator plates and the membrane-electrode assemblies respectively.
  • the aim of the invention is to resolve the drawbacks of the prior art by proposing a new stack for a fuel cell making it possible to optimize the fluid flow without imposing a geometry of the orifices of the bipolar plates or a particular orientation of the bipolar plates.
  • the invention relates to a stack for a fuel cell.
  • the stack comprises a separator plate extending parallel to a median plane, the median plane being perpendicular to a stacking direction, the separator plate comprising: o a circulation field, and o a peripheral zone which surrounds the circulation field and which comprises a pair of plate orifices, the pair of plate orifices comprising a plate supply orifice and a plate discharge orifice, the plate supply and discharge orifices of the pair of plate orifices being fluidically connected by the circulation field, such that a functional fluid flowing through the plate supply orifice also flows through the plate discharge orifice of the pair of plate orifices, and a membrane-electrode assembly, extending parallel to the median plane, being superimposed on the separator plate and comprising: o a central portion facing the circulation field in the stacking direction, and o a peripheral portion, surrounding the central portion, facing the peripheral area in the stacking direction, the peripheral portion comprising a pair of
  • the pair of plate holes are symmetrical by rotation of 180 angle degrees about a plate central axis parallel to the stacking direction and passing through a plate center, and the two assembly holes belonging to the pair of assembly holes are asymmetrical with respect to an MEA central axis parallel to the stacking direction and passing through a MEA center.
  • An idea underlying the invention is to provide that the separator plate is symmetrical with respect to the plate center, at least for its pair of plate orifices, and that the membrane-electrode assembly is asymmetrical with respect to a central axis of MEA, parallel to the stacking direction and passing through the center of MEA, at least for its pair of assembly ports corresponding to the same functional fluid.
  • the supply and discharge ports of each pair of assembly ports are diametrically opposed to each other, thus the membrane-electrode assembly is asymmetrical with respect to a central MEA axis parallel to the stacking direction and passing through a MEA center.
  • the fluid flow is therefore optimized, and this, independently of the geometry of the plate ports, or of the orientation of the separator plates with respect to each other.
  • the stack comprises one or more of the following characteristics, taken in isolation or in all technically possible combinations:
  • An area of the section of the supply orifice of the assembly is less than an area of the section of the discharge orifice of the assembly, advantageously by a factor of between 5% and 50%, preferably between 8% and 33%.
  • Each orifice of the assembly is delimited by a respective peripheral edge, formed by the peripheral part,
  • the peripheral edge of the feed port of the assembly comprises a superimposed portion and an overhanging portion
  • the peripheral edge of the assembly discharge port comprises a superimposed portion and a recessed portion
  • the superimposed portion of the assembly's supply port is identical in shape to the superimposed portion of the assembly's discharge port
  • the overhanging portion being more offset towards the inside of the supply port of the assembly than the recessed portion towards the inside of the discharge port of the assembly.
  • the overlapping portion of the assembly feed port is arranged between the overhanging portion and the central part.
  • the recessed portion forms at least one of the corners of the peripheral edge of the discharge port of the assembly; and none of the corners of the peripheral edge of the supply port of the assembly is formed by the overhanging portion.
  • the central part comprises a proton exchange polymer membrane, the central part being surrounded by the peripheral part and being superimposed on the circulation field according to the stacking direction.
  • the separator plate is a bipolar plate which comprises an anodic polar plate and a cathodic polar plate superimposed.
  • This stack comprises several membrane-electrode assemblies, and several separator plates, alternately superimposed in the stacking direction.
  • the separator plates are identical and, for each separator plate in the stack, the immediately successive separator plate in the stack according to the stacking direction, is arranged, relative to said separator plate, in a position pivoted by 180 degrees of angle around the central plate axis.
  • This stack further comprises a stiffening or sealing element, which is interposed between, on the one hand, the peripheral part of one of the membrane-electrode assemblies, near the overhanging portion, and, on the other hand, the peripheral part of the membrane-electrode assembly immediately following in the stacking direction, near the overhanging portion, the stiffening or sealing element passing through the plate feed orifice of the separator plate which separates these two membrane-electrode assemblies.
  • the sections of the feed orifices of the assembly forming part of the same feed gallery are of different area for at least two different membrane-electrode assemblies of the stack.
  • Each separator plate comprises a connector, on a peripheral edge of the separator plate, each connector being configured to receive a pin of a measurement module, and for each separator plate in the stack, the connector of the separator plate and the connector of the immediately successive separator plate in the stack according to the stacking direction, are arranged symmetrically according to an axial symmetry with respect to the central axis.
  • the invention also relates to a fuel cell comprising a stack as described above.
  • the fuel cell comprises one or more of the following characteristics, taken in isolation or in all technically possible combinations:
  • This fuel cell further comprises a functional fluid supply line, connected to the supply gallery to supply the supply gallery with functional fluid, and an evacuation line, connected to the evacuation gallery to evacuate the functional fluid from the evacuation gallery, the supply and evacuation lines being connected to the same end of the stack.
  • the invention also relates to a vehicle comprising at least one fuel cell as described above.
  • Figure 1 represents a schematic perspective view of a fuel cell according to one embodiment of the invention
  • Figure 2 shows a schematic view of a stack of the fuel cell of Figure 1;
  • Figure 3 shows a schematic and perspective view of the connection between the modules and the cells of the bipolar plate stack of the fuel cell of Figure 1;
  • Figure 4 schematically represents the stack of Figure 1, shown in partially exploded perspective
  • Figure 5 is a top view of a bipolar plate and membrane-electrode assembly.
  • Figure 6 is a sectional view along plane A-A’ of the fuel cell stack of Figure 4.
  • Figure 7 is a sectional view along plane B-B’ of the fuel cell stack of Figure 4.
  • Figure 8 is a top view of a membrane-electrode assembly according to another embodiment of the invention.
  • a fuel cell 10 according to a first embodiment of the invention is shown.
  • the fuel cell 10 is for example intended to be used in a motor vehicle, in particular an electric motor, the electrical energy supplying the engine being essentially, if not totally, provided by the fuel cell 10.
  • the fuel cell 10 comprises a stack 11 comprising separator plates, here bipolar plates 12.
  • Each bipolar plate 12 has two opposite external faces: an anodic face and a cathodic face.
  • Each bipolar plate 12 is here formed by two monopolar plates 13, superimposed, the two monopolar plates 13 including a first polar plate 13A, here a cathode plate, and a second polar plate 13B, here an anode plate.
  • the expression “two successive monopolar plates 13” designates the two monopolar cathode 13A and anode 13B plates associated to form the same bipolar plate 12.
  • the monopolar plates 13 are also simply called “polar plates 13”.
  • the anodic monopolar plate 13B forms the anodic face of the bipolar plate 12
  • the cathodic monopolar plate 13A forms the cathodic face of the bipolar plate 12.
  • the anodic and cathodic faces of the bipolar plate 12 are external faces of the bipolar plate 12.
  • Each bipolar plate 12 has a substantially flat shape which extends along a median plane P12.
  • the two associated monopolar plates 13, which form the same bipolar plate 12, are made of metal and are welded or glued to each other, or even clamped against each other by a compressive force applied, in the stacking direction A11, on the stack 11.
  • the stack 10 comprises a plurality of cells 14 produced in the form of a stack of bipolar plates 12, a cell 14 being formed between two consecutive bipolar plates 12.
  • the stack 11, comprising several stacked bipolar plates 12, is thus constituted by several individual cells 14 electrically connected in series.
  • the fuel cell 10 also comprises a membrane-electrode assembly 50, belonging to the stack 11, which is intercalated between the two bipolar plates 12 associated with this cell 14.
  • the membrane-electrode assembly 50 is also designated MEA 50 (abbreviation of the expression “membrane electrode assembly”).
  • the stack 11 comprises several stacked bipolar plates 12 and several stacked MEA 50, a MEA 50 being stacked between two successive bipolar plates 12.
  • a MEA 50 is in contact on the one hand with the face cathode of a first bipolar plate 12, on the other hand with the anodic face of the following bipolar plate 12 in the stack 11, according to the stacking direction A11.
  • Each bipolar plate 12 is thus common to two neighboring cells 14.
  • Each membrane-electrode assembly 50 extends along a mean plane P50, which is parallel to the two median planes P12 associated with the bipolar plates 12 between which this membrane-electrode assembly 50 is intercalated.
  • the bipolar plates 12 and the MEAs 50 are stacked in a stacking direction A11.
  • the stacking direction A11 is orthogonal to the median plane P12 of the stacked bipolar plates 12 and to the mean plane P50 of the MEAs 50.
  • the median plane P12 is a plane transverse to the stacking direction A11.
  • a longitudinal direction L and a transverse direction T are also defined, which form an orthogonal reference frame with the stacking direction A11.
  • a plate center C12 of this bipolar plate 12 is defined, located in the median plane P12.
  • the fuel cell 10 also comprises two end plates 16, which are arranged on either side of the stack 11.
  • the stack 11 is sandwiched between the two end plates 16 and is compressed in the stacking direction A11 between the end plates 16.
  • the end plates 16 are for example made of aluminum.
  • Supply lines 17a, 17b, 17c and discharge lines 19a, 19b and 19c shown in dotted lines in FIG. 1 are connected to the fuel cell 10 at one of the end plates 16.
  • the supply lines 17a, 17b, 17c and discharge lines 19a, 19b, 19c are located at the same end of the stack 11.
  • the supply lines 17a, 17b, 17c supply the fuel cell 10 with functional fluids and the discharge lines 19a, 19b, 19c discharge the functional fluids and any reaction products formed in the fuel cell 10. More particularly, there are three functional fluids: two reactive gases and a cooling fluid.
  • the reactive gases are hydrogen and air.
  • the air may optionally be replaced by oxygen.
  • the supply lines 17a, 17b and 17c supply the fuel cell 10 with hydrogen, coolant and air respectively.
  • the supply lines 19a, 19b and 19c respectively evacuate the hydrogen, the coolant and the air possibly enriched with the reaction products from the fuel cell 10.
  • conduits 17a, 17b, 17c, 19a, 19b and 19c shown in Figure 1 is given as an example and may be modified depending on the application.
  • modules 18 for measuring at least one electrical characteristic of the cells 14 are connected to the stack 11 of bipolar plates 12. Each module 18 makes it possible to monitor the state of the stack 11 in order to adapt the operation of the fuel cell system 10.
  • Two successive monopolar plates 13, therefore belonging to the same bipolar plate 12, are advantageously arranged back to back and form between them at least one pocket 20 on one edge of the bipolar plate 12, for example on a peripheral edge of the bipolar plate 12 which extends parallel to the transverse direction T.
  • Each pocket 20 is configured to receive a pin 22 of a module 18 for measuring electrical characteristics of the cells 14.
  • a separator plate may comprise an electrical connector, male or female, preferably arranged on a peripheral edge of the separator plate.
  • the pocket 20 is an example of such a female electrical connector.
  • the 12 bipolar plates are identical to each other.
  • two successive bipolar plates 12 are stacked head to tail, that is to say that one of the bipolar plates 12 is arranged relative to the other bipolar plate 12, in a position which is pivoted by 180 degrees of angle relative to a central axis of plate A12, parallel to the stacking direction A11 and passing through the center of plate C12, as visible in FIG. 2.
  • the modules 18 can be located on either side of the stack 11, such that each pocket 20 is flush with the vicinity of a module 18.
  • each bipolar plate 12 forms exactly two pockets 20 for receiving a pin 22 each.
  • the pockets 20 for receiving this bipolar plate 12 are arranged in the vicinity of each other, forming a connection zone 24A of this bipolar plate 12.
  • Each bipolar plate 12 also comprises a complementary zone 24B.
  • the complementary zone 24B of the bipolar plate 12 is a portion of the bipolar plate 12 in which the material constituting the plate extends, preferably a smooth portion.
  • the complementary zone 24B is located symmetrically opposite the connection zone 24A relative to the central plate axis A12, parallel to the stacking direction A11 and passing through the plate center C12 of this bipolar plate 12.
  • the connection zone 24A of one of the two plates 12 is arranged in facing, in the stacking direction A11, the complementary zone 24B of the other bipolar plate 12.
  • connection zone 24A of one of the two plates 12, which is located between the two other bipolar plates 12 which frame it in the stacking direction A11, is arranged facing, in the stacking direction A11, the complementary zone 24B of each of the two other bipolar plates 12 which frame it in the stacking direction A11.
  • the stack 11 comprises two rows 23 of connection zones 24A, each of the rows 23 extending in the stacking direction A11.
  • the two rows 23 are located symmetrically to each other with respect to the central plate axis A12 parallel to the stacking direction A11 and passing through the plate center C12 of each of the bipolar plates 12.
  • the two rows 23 are located on either side of a transverse plane of the stack, the transverse plane being orthogonal to the longitudinal direction L.
  • the modules 18 are connected to only one of the rows 23, located at the top of FIG. 2, the other row being left unused.
  • other modules of the type 18 modules are connected to the other row of connection zones 24A.
  • connection zones 24A What is valid for one of the rows 23 of connection zones 24A is transposable to the other row 23 of connection zones 24A.
  • the second pocket 20 allows the measurement of four wires per group of twenty cells 14. It is used for an impedance measurement.
  • each pocket 20 is shaped to cooperate with said pin 22.
  • Each module 18 here comprises ten aligned pins 22 configured to connect ten pockets 20 to said module 18, i.e. twenty cells 14, and an additional pin 25 to connect the second pocket 20 of one of the twenty cells 14, as visible in FIG. 3.
  • the ten aligned pins 22 make it possible to measure between two consecutive pins 22 the voltage at the terminals of two consecutive cells 14.
  • the pins 22, 25 of a module 18 are preferably identical.
  • each connection area 24A comprises two pockets 20, one of the pockets 20 being associated with one of the pins 22 of the module 18, while the other pocket 20 is configured to receive the additional pin 25.
  • the example shown comprises two modules 18, however the fuel cell 10 is not limited to two modules but can comprise more, for example ten modules 18 to connect two hundred cells 14.
  • the number of pins 22 for each module 10 is not limiting.
  • the additional pin 25 is arranged substantially parallel to the alignment of pins 20 and preferably at a longitudinal end of the module 18.
  • the additional pin 25 is configured to inject current into the pocket 20 in which it is received, and thus makes it possible to carry out an impedance measurement on twenty cells 14.
  • each bipolar plate 12 includes plate supply ports 31a, 31b and 31c and plate exhaust ports 33a, 33b and 33c.
  • a row of three plate orifices 31a, 33b and 33c is located on one side of the bipolar plate 12 relative to the transverse direction T, the three plate orifices 31a, 33b and 33c being aligned in the transverse direction T.
  • Another row, comprising three further plate orifices 31c, 31b and 33a is located on the other side of the bipolar plate 12, the three further plate orifices 31c, 31b and 33a also being aligned in the transverse direction T.
  • each of the two rows is provided near a respective longitudinal end of the bipolar plate 12.
  • each bipolar plate 12 comprises a peripheral zone 35, three circulation fields 36 and six homogenization fields 38.
  • the peripheral zone 35 extends around the entire circumference of the bipolar plate 12, and here comprises the plate orifices 31 a, b, c and 33a, b, c, the homogenization fields 38 and the circulation fields 36.
  • the plate orifices 31 a, b, c, 33a, b and c are located in the peripheral zone, the homogenization fields 38 and the circulation fields 36 are surrounded by the peripheral zone 35.
  • the peripheral zone 35 extends in a plane perpendicular to the stacking direction A11, that is to say in a plane parallel to the median plane P12.
  • a first circulation field 36 is formed on the anode face of the bipolar plate 12, and extends, between two first homogenizing fields 38 in the longitudinal direction L, on the anode face of the bipolar plate 12.
  • the two first homogenizing fields 38 are respectively arranged between the first circulation field 36 and the plate ports 31a, b, c, respectively the plate ports 33a, b and c, in the longitudinal direction L.
  • Hydrogen flows from the plate supply port 31a through one of the two first homogenizing fields, the first circulation field 36, the other of the two first homogenizing fields 38 to the plate discharge port 33a.
  • the plate supply port 31a is intended for the injection of hydrogen, and the plate discharge orifice 33a, for the discharge of hydrogen, possibly enriched with reaction products.
  • a second circulation field 36 is formed on the cathode surface of the bipolar plate 12. It extends between two second homogenization fields 38, in the longitudinal direction L on the cathode face of the bipolar plate 12.
  • the two second homogenization fields 38 are arranged respectively between the second circulation field 36 and the plate orifices 31a, b, c, respectively the plate orifices 33a, b and c, in the longitudinal direction L.
  • the plate feed port 31c is intended for the injection of air, and the plate discharge port 33c, for the discharge of air, possibly enriched with reaction products.
  • a third circulation field 36 is formed inside the bipolar plate 12. It extends between the last two homogenization fields 38, in the longitudinal direction L, between the two polar plates 13 of the bipolar plate 12.
  • the last two homogenization fields 38 are respectively arranged between the third circulation field 36 and the plate orifices 31a, b, c, respectively the plate orifices 33a, b and c, in the longitudinal direction L.
  • Cooling fluid circulates from the plate supply orifice 31b through one of the last two homogenization fields 38, the third circulation field 36, the last homogenization field 38, to the plate discharge orifice 33b.
  • the plate feed port 31b is intended for the injection of cooling fluid, and the plate discharge port 33b, for its discharge.
  • Each homogenization field 38 generally comprises channels, which connect one of the plate orifices 31 a, b, c or 33a, b or c to the circulation field 36.
  • the channels of the homogenization fields 38 are similar and shaped in the same way as those of the circulation field 36, except for their orientation, here fan-shaped. This geometry makes it possible to distribute the functional fluid throughout the circulation field 36, or to recover the functional fluid from the circulation field 36 and then evacuate it through the plate evacuation orifice 33a, b or c corresponding to the circulation field 36.
  • the two homogenization fields 38 are symmetrical according to an axial symmetry, that is to say according to a rotation at 180 degrees of angle, relative to the central axis of plate A12, both in the geometry of the fields homogenization 38 as in the arrangement of the channels of the homogenization fields 38.
  • the plate feed ports 31a, b, c are each respectively delimited by a peripheral edge 37a, b, c, and the plate discharge ports 33a, b and c are each respectively delimited by a peripheral edge 41a, b, and c, the peripheral edges 37a, b, c and 41a, b, c being closed.
  • the plate supply ports 31a, 31b and 31c are located symmetrically opposite relative to the plate central axis A12, relative to the plate discharge ports 33a, 33b and 33c respectively.
  • the plate ports 31a and 33a, 31b and 33b and 31c and 33c respectively form pairs of plate ports 39a, 39b and 39c.
  • the bipolar plate 12 comprises three pairs of plate ports 39a, b and c, in which hydrogen, coolant and air respectively circulate.
  • a pair of plate ports 39a, 39b and 39c is therefore associated with a given functional fluid.
  • the two plate orifices 31a, b or c and 33a, b or c belonging to the pair of plate orifices 39a, b or c are of symmetrical geometry, in other words of symmetrical shape, according to an axial symmetry with respect to the central plate axis A12.
  • the two plate orifices 31a, b or c and 33a, b or c have in particular an identical area and the peripheral edges 37a, b or c and 41a, b or c have a symmetrical shape according to an axial symmetry with respect to the central plate axis A12.
  • the plate holes 31a, b, c and 33a, b, c belonging to different plate hole pairs 39a, b, c may have different areas, as shown in FIGS. 4 to 6.
  • the MEA 50 comprises a peripheral portion 52, assembly feed ports 51 a, b and c, assembly discharge ports 53a, b and c, and a central portion 56.
  • the peripheral portion 52 extends in a plane perpendicular to the stacking direction A11, parallel to the median plane P12.
  • the peripheral portion 52 extends around the entire circumference of the MEA 50, and includes the assembly orifices 51 a, b, c, 53a, b, c and the central portion 56, which are located within the peripheral portion 52.
  • the assembly supply orifices 51 a, b, c are each respectively delimited by a peripheral edge 57a, 57b and 57c
  • the assembly discharge orifices 53a, b and c are each respectively delimited by a peripheral edge 61 a, 61 b and 61 c
  • the peripheral edges 57a, b, c and 61 a, b, c being closed.
  • the peripheral edges 57a, b, c and 61 a, b, c are broken lines forming polygons with corners, for example four corners. More generally, the peripheral edges 57a, b, c and 61a, b, c are closed curves.
  • the assembly feed and discharge ports 51a, b, c and 53a, b, c of the MEA 50 are formed in the membrane-electrode assembly 50 to allow the circulation of the functional fluids through the MEA 50 in the stacking direction A11.
  • Each assembly feed opening 51a, b, c extends one of the plate feed ports 31a, b or c of the bipolar plate 12 in the stacking direction A11.
  • each assembly discharge port 53a, b, c extends one of the plate discharge ports 33a, b or c in the stacking direction A11, respectively. That is, the plate feed ports 31a, b, c respectively face the assembly feed ports 51a, b, and c in the stacking direction A11.
  • each assembly feed and discharge port 51a, b, c and 53a, b, and c delimits a section, parallel to the plane of the MEA P50.
  • the assembly orifices 51a, b, c and 53a, b, c located symmetrically opposite each other with respect to a central axis of MEA A50 parallel to the stacking direction A11 and passing through a center of MEA C50, respectively form pairs of assembly orifices 59a, b, c.
  • the MEA 50 comprises three pairs 59a, 59b and 59c of assembly orifices. Hydrogen circulates in the pair of assembly orifices 59a, cooling fluid in the pair of assembly orifices 59b and air, possibly enriched with reaction products in the pair of assembly orifices 59c.
  • the two assembly orifices 51a, b or c and 53a, b or c belonging to this pair of assembly orifices 59a, b, c are asymmetrical with respect to the central axis of MEA A50.
  • the two orifices of the assembly 51 a, b, or c and 53a, b or c of this given pair of orifices of the assembly 59a, b, c are advantageously of different area, an area of the section of the supply orifice of the assembly 51a, b or c is less than an area of the section of the discharge orifice of the assembly 53a, b or c.
  • the area of the section of the supply orifice of the assembly 51a, b or c is advantageously less than the area of the section of the discharge orifice of the assembly 53a, b or c by a factor of between 5% and 50%, and preferably between 8% and 33%.
  • the reduction factor between the areas of the cross-sections of the supply and discharge ports of the assembly 51a, b, c and 53a, b, c may be different from one pair of ports of the assembly 59a, b, c to the other.
  • the area reduction factor for the pair of ports of the assembly 59a may be between 5% and 20%
  • the area reduction factor for the pair of ports of the assembly 59b may be between 15% and 35%
  • the area reduction factor for the pair of ports of the assembly 59c may be between 10% and 30%. This makes it possible in particular to adjust the flow conditions for each functional fluid and to ensure on the one hand optimal reaction conditions for the two reactive gases, and on the other hand optimal cooling by the cooling fluid.
  • the peripheral edges 41a, b, c and 61a, b, c of the plate and assembly discharge ports 33a, b, c and 53a, b, c that are superimposed in the stack 11 may not coincide exactly, such that the cross-sectional area of the assembly discharge ports 53a, b or c is, for example, less than a cross-sectional area of the plate discharge port 33a, b or c.
  • the peripheral edges 41a, b, c and 61a, b, c of the superimposed plate and assembly discharge ports 33a, b, c and 53a, b, c may have the same shape.
  • a shape of the peripheral edge 61a of the discharge orifice of the assembly 53a may be a homothety of a factor less than 1 of a shape of the peripheral edge 41a of the discharge orifice of plate 33a. This arrangement is particularly advantageous because it limits the risk of short circuits between two bipolar plates 12.
  • each supply port of the assembly 51a, b, c includes a superimposed portion and an overhanging portion, i.e., each includes a superimposed portion 64a, 64b, 64c and an overhanging portion 65a, 65b, and 65c, respectively.
  • the peripheral edge 61a, b, c of each discharge port of the assembly 53a, b, c includes a superimposed portion and a recessed portion, i.e., each includes a superimposed portion 68a, 68b, 68c and a recessed portion 69a, 69b, 69c, respectively.
  • the following explanation is given for the pair 59a, but is also valid for the pairs 59b and 59c.
  • the superimposed portion 64a of the feed port of the assembly 51a is of identical shape to that of the superimposed portion 68a of the discharge port of the assembly 53a after a rotation of 180 degrees of angle about the central axis of MEA A50.
  • the superimposed portions 64a and 68a are symmetrical according to an axial symmetry with respect to the central axis of MEA A50.
  • the overhanging portion 65a overhangs more towards the inside of the feed port of the assembly 51a than the recessed portion 69a towards the inside of the discharge port of the assembly 53a.
  • the overhanging portion 65a would be offset towards the inside of the orifice relative to the recessed portion 69a, as visible by comparing FIGS. 6 and 7.
  • the overhanging portion 65a is therefore more offset towards the inside of the supply orifice of the assembly 51a than is the recessed portion 69a towards the inside of the discharge orifice of the assembly 53a.
  • the overhanging portion 65a makes it possible to form a supply orifice of the assembly 51a of smaller area than that of the discharge orifice of the assembly 53a, and it is the overhanging portion 65a and the recessed portion 68a which are asymmetrical with respect to each other.
  • the two holes of the assembly 51 a, b, or c and 53a, b or c of a given pair of holes of the assembly 59a, b, c are therefore of different shape, in the sense of different geometry, in addition to being of different area, as mentioned previously.
  • the overhanging portion 65a is, in the example of FIGS. 4 and 5, a straight line connecting two ends of the superimposed portion 64a.
  • the overhanging portion 65a does not form corners, unlike the recessed portion 68a which is a broken line, with one or more breaks forming one or more corners.
  • the overhanging portion 65a does not form any of the corners of the peripheral edge 57a. More precisely, the overhanging portion 65a forms corners of the peripheral edge 57a only by its intersection with the superimposed portion 64a, but does not form one or more corners of the peripheral edge 57a on its own.
  • the straight line shape makes it possible to maintain a geometry of the peripheral edge 57a which is as simple as possible, in order to limit pressure losses and to optimize the circulation of functional fluids, here air, through the supply orifices of the assembly 51a.
  • the superimposed portion 64a is ideally located between the overhanging portion 65a and the central portion 56.
  • the overhanging portion 65a is the portion of the peripheral edge 57a which is furthest from the central portion 56. This makes it possible to keep potential turbulence away from the central portion 56 and to limit any supply disparities which could result therefrom.
  • the central portion 56 faces the circulation field 36 and completely covers the circulation field 36 in the stacking direction A11.
  • a peripheral periphery of the central portion 56 may optionally overlap an inner periphery of the peripheral portion 52, as can be understood from the following description.
  • the central portion 56 comprises a membrane 58, which is a proton exchange polymer membrane.
  • the membrane 58 extends parallel to the median plane P12, facing the circulation field 36 in the stacking direction A11, and is substantially planar.
  • the membrane 58 is preferably coplanar with the peripheral portion 52.
  • the membrane 58 may be covered with a layer of catalyst on its two faces parallel to the median plane P12. In the example illustrated, the membrane 58 extends beyond the circulation field 36, in particular in the case where the central portion 56 overlaps a portion of the peripheral portion 52.
  • each MEA 50 is taken between two gas diffusion layers 77, also called GDL, acronym for “Gas Diffusion Layer”, visible in figures 6 and 7.
  • GDL gas diffusion layers 77
  • Each gas diffusion layer 77 extends parallel to the median plane P12 and is interposed between the central part 56 of the MEA 50 and the bipolar plate 12 opposite, following the stacking direction A11.
  • the MEA 50 advantageously comprises a holding frame 76 for supporting the central part 56, in particular for supporting the membrane 58.
  • the holding frame 76 then forms the peripheral part 52.
  • the holding frame 76 pinches an external peripheral periphery of the membrane 58, in the stacking direction A11, in order to hold the membrane 58.
  • the holding frame 76 then encloses an entire part of the membrane 58 which overlaps the peripheral part 52 in the stacking direction A11.
  • the holding frame 76 is preferably made up of two half-frames of substantially identical shapes which are intended to come into plane support against each other, and which are, for example, made of polymer film, for example of polyethylene terephthalate, known by the abbreviation PET, or of poly(ethylene naphthalate), known by the abbreviation PEN. In the latter case, the two half-frames are for example assembled to each other by gluing.
  • each gas diffusion layer 77 completely covers the central portion 56 opposite, in particular covers the membrane 58, and advantageously overflows onto the peripheral portion 52, namely onto the inner periphery of the holding frame 76 pinching the membrane 58.
  • the gas diffusion layer 77 is advantageously formed from a porous material, and allows the reactive gas to diffuse from the circulation fields 36 to the membrane 58 when the cell 14 is in operation.
  • one of the two GDLs 77 is in contact with the cathode face of one of the bipolar plates 12 of the stack 11, thus air can diffuse through the GDL 77 until reaching the membrane 58, and the other GDL 77 is in contact with the anodic face of the following bipolar plate 12 in the stack, allowing hydrogen to diffuse through the GDL 77 until reaching the membrane 58.
  • the central part 56 taken between the GDLs 77, extends along the mean plane P50.
  • Seals 79 interposed between the bipolar plates 12 and the MEA 50 in the direction of the stack A11, allow the functional fluids to circulate only in the circulation fields 36 dedicated to them, for example the reactive field 36 of the cathode face of the bipolar plate 12 for air or oxygen, and the reactive field 36 of the anodic face of the bipolar plate 12 for hydrogen, and prevent the functional fluids from mixing.
  • the stack 11 may further comprise spacers 80, as shown in FIGS. 4 to 6.
  • a given spacer 80 is associated with a given overhanging portion 65a, b or c of the MEA 50.
  • These spacers 80 are interposed in the stacking direction A11 between the peripheral portions 52 of two successive MEAs 50 in the stack 11, near the overhanging portion 65a, b or c of the MEA 50 with which it is associated, so as to be opposite that of the plate feed orifices 31a, b or c, which belongs to the bipolar plate 12 separating these two MEAs 50, and which corresponds to the feed orifice of the assembly 51a, b, c.
  • such a spacer 80 has an axial dimension such that it passes through that of the plate feed orifices 31 a, b or c of the bipolar plate 12 which separates these two MEAs 50 and which is opposite the feed orifice of the associated assembly 51 a, b, c.
  • each spacer 80 bears against the two MEAs 50 between which it is interposed.
  • the spacers 80 make it possible to limit or even eliminate a potential vibration of the peripheral part 52, in particular of the overhanging portions 65 a, b and c, due to the circulation of the functional fluids through the feed orifices 51 a, b and c.
  • These spacers 80 are for example pads which are affixed to the MEA 50, made of material identical to that forming the seals, or which are made of the same material as the peripheral part 52.
  • the spacers can extend from a sealing element, free or carried by the MEA, the sealing element being interposed between an MEA of the stack and the bipolar plate bearing against this MEA in the stacking direction. More precisely, the spacers extend from the sealing element towards the inside of the orifice of the closest assembly. Preferably, such a spacer passes through one of the plate supply orifices 51a, b or c of the bipolar plate 12 which separates two successive MEAs 50 in the stack 11. When the stack 10 is in operation, each spacer bears against the two MEAs 50 between which it is interposed.
  • the sealing element is for example a seal, which prevents the reactive fluid from flowing along the peripheral portion 52 near the overhanging portion 65a, b or c.
  • the spacers form pairs of spacers, such that two spacers of a pair of spacers are aligned in the stacking direction and carried by the MEA, on either side of the MEA in the stacking direction.
  • a spacer bears against the MEA and against the spacer carried by the next MEA in the stack.
  • the plate and assembly feed ports 31a, b, c and 51a, b, c and the plate and assembly discharge ports 33a, b, c and 53a, b, c together form respectively feed galleries 81a, 81b, 81c and discharge galleries 83a, 83b and 83c, internal to the stack 11, also called “internal manifold” in English.
  • three feed galleries 81a, b, c and three discharge galleries 83a, b, c are formed respectively by the plate and assembly feed ports 31a, b, c and 51a, b, c and by the plate and assembly feed ports 33a, b, c and 53a, b and c.
  • pairs of galleries 89a, 89b and 89c are defined, corresponding to the pairs 39a, b, c and 59a, b, c of the plate orifices 31a, b, c and 33a, b, c and of the assembly 51a, b, c and 53a, b, c.
  • the following description describes only the supply gallery 81a and the exhaust gallery 83a, but is applicable to the supply galleries 81b and 81c and the exhaust galleries 83b and 83c.
  • Useful sections of the supply gallery 81a are defined by the smallest section of the orifices forming the supply gallery 81a, i.e.
  • Useful sections of the evacuation gallery 83 are defined by the sections of the evacuation orifices of the assembly 53a, according to the plans P50.
  • the areas of the useful sections of the supply gallery 81a are less than the areas of the useful sections of the evacuation gallery 83a, a consequence of the fact that the area of the section of each supply orifice of the assembly 51a is less than the area of the section of the evacuation orifice of the assembly 53a.
  • the feed orifices of the assembly defining together the same feed gallery do not all have the same section.
  • two different feed orifices of the assembly have a different area of their section.
  • the feed gallery has variable useful sections along its extension according to the stacking direction.
  • the MEAs are for example organized in such a way that the areas of the sections of the feed orifices of the assembly are increasing in the direction of circulation of one of the functional fluids. This makes it possible to better optimize the flow of functional fluid, since in addition to adapting the area of the useful sections of the supply galleries, the useful section is adapted along the same gallery.
  • the supply galleries 81a, b, c are respectively connected to the supply pipes 17a, b, c, which supply the supply galleries 81a, b and c respectively with hydrogen, cooling fluid and air, and the evacuation galleries 83a, b, c are respectively connected to the evacuation pipes 19a, b, c which evacuate the hydrogen, the cooling fluid and the air and possibly the reaction products, which allows the cell 10 to operate and in particular to generate electricity.
  • FIG 8 shows an alternative embodiment of an MEA 150. Aspects of the MEA 150 that are identical to those of the MEA 50 described in Figures 1-6 are referenced with the same reference signs and are not described again in detail.
  • the MEA 150 may be used in a manner identical to the MEA 50, such as as a replacement for the MEA 50 in the stack 11.
  • the MEA 150 differs from the MEA 50 in that it includes assembly feed ports 151a, b, c, which replace the assembly feed ports 51a, b, c.
  • the feed ports 151a, b, c are respectively delimited by a peripheral edge 157a, b, c, which replaces the peripheral edges 57a, b, c.
  • the peripheral edges 157a, b, c are closed broken lines, each peripheral edge 157a, b, c forming a polygon with corners.
  • the feed ports 151a, b, c are made in the membrane electrode assembly 150. Each feed port of the assembly 151a, b and c delimits a section, parallel to a plane of the MEA P150.
  • the assembly holes 151 a, b, c and 53a, b and c which are located symmetrically opposite each other with respect to a central axis of MEA A150 parallel to the stacking direction A11 and passing through a center of MEA C150, form assembly hole pairs 159a, 159b and 159c, which respectively replace assembly hole pairs 59a, b and c and are respectively similar to assembly hole pairs 59a, b and c.
  • the MEA 150 includes three assembly hole pairs 159a, 159b and 159c. The following description describes only the pair of holes 159a, but this description is valid for the pairs 159b and 159c.
  • the two holes of the assembly 151a and 53a belonging to this pair of holes of the assembly 159a are asymmetrical with respect to the central axis A150.
  • the two orifices of the assembly 151a and 53a are advantageously of different geometry with, in particular, an area of the section of the supply port of the assembly 151 a which is less than an area of the section of the discharge port of the assembly 53a.
  • the area of the section of the supply orifice of the assembly 151a is less than the area of the section of the discharge orifice of the assembly 53a by a factor identical to that described for the MEA 50.
  • the reduction factor between the cross-sectional areas of the supply and exhaust ports of the assembly 151 a, b, c and 53a, b and c may be different for the different pairs of ports of the assembly 159a, 159b and 159c, as described for the MEA 50.
  • each feed port of the assembly 151 a, b, c respectively comprises a superimposed portion 164a, 164b, 164c and an overhanging portion 165a, 165b, 165c.
  • the following explanation is given for the pair 159a, but is also valid for the pairs 159b and 159c.
  • the superimposed portion 164a of the feed port of the assembly 151 a is of identical shape to that of the superimposed portion 68a of the discharge port of the assembly 53a after a rotation of 180 degrees of angle about the central axis A150.
  • the superimposed portions 164a and 68a are symmetrical according to an axial symmetry with respect to the central axis A150.
  • the overhanging portion 165a is offset more toward the inside of the supply port of the assembly 151a than is the recessed portion 69a toward the inside of the discharge port of the assembly 53a.
  • the overhanging portion 165a of the MEA 150 is a broken line forming one or more corners. According to a variant not shown, the overhanging portion may be a curved line.
  • the feed galleries 81a, b, c and the evacuation galleries 83a, b and c have their useful sections optimized. This is achieved by means of the MEAs 50 or 150, and does not depend on the orientation of the bipolar plates 12, which are arranged in the stack 11 by being symmetrical according to an axial symmetry relative to the central axis A12 to allow the use of the modules 18. It is therefore possible to combine the use of modules 18 whose pins 22, 25 are inserted into the pockets 20, in order to monitor the state of the stack 11, with feed galleries 81 optimized in order to improve the efficiency of the stack 10.

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Abstract

La présente invention concerne un empilement (11), pour une pile à combustible (10), comprenant une plaque séparatrice (12), comprenant une zone périphérique (35) avec une paire d'orifices de plaque (39a, 39b, 39c), la paire d'orifices de plaque (39a, 39b, 39c) comprenant un orifice d'alimentation de plaque (31a, 31b, 31c) et un orifice d'évacuation de plaque (33a, 33b, 33c). La pile à combustible comprend un assemblage membrane-électrode (50), comprenant une partie périphérique (52), comprenant une paire d'orifices de l'assemblage (59a, 59b, 59c) avec un orifice d'alimentation de l'assemblage (51a, 51b, 51c) et un orifice d'évacuation de l'assemblage (53a, 53b, 53c). La paire d'orifices de plaque (39a, 39b, 39c) est symétrique par rotation autour d'un axe central de plaque et une aire de la section de l'orifice d'alimentation de l'assemblage (51a, 51 b, 51c) est inférieure à une aire de la section de l'orifice d'évacuation de l'assemblage (53a, 53b, 53c).

Description

TITRE : Empilement pour une pile à combustible, pile à combustible et véhicule associés
La présente invention concerne un empilement pour une pile à combustible, ainsi qu’une pile à combustible et un véhicule associés.
Dans le domaine des piles à combustible, il est connu de chercher à rendre le flux de gaz réactif et/ou de fluide de refroidissement uniforme, tout en optimisant la quantité de réactifs consommés, afin que les cellules de la pile à combustible fonctionnent de manière uniforme et optimale. A cette fin, CN10796821 OA décrit l’utilisation de plaques cathodique et anodique formant des plaques bipolaires et des assemblages membrane-électrodes avec des orifices d’alimentation et d’évacuation des fluides qui forment des galeries d’alimentation et d’évacuation des fluides. Les plaques anodique et cathodique et les assemblages membrane-électrodes comprennent des orifices d’alimentation et d’évacuation de gaz réactifs et de fluide réfrigérant disposés de part et d’autre des plaques anodiques, cathodiques et des assemblages membrane-électrode, ces orifices étant asymétriques par rapport au centre des plaques séparatrices et des assemblages membrane électrode respectivement.
Toutefois, ces dispositions imposent la géométrie des orifices des plaques bipolaires, autrement dit la forme de ces orifices, ainsi que l’orientation des plaques bipolaires les unes par rapport aux autres. En effet, les plaques bipolaires doivent toutes être orientées dans le même sens pour pouvoir définir des galeries d’alimentation et d’évacuation dont la section est optimisée.
Le but de l’invention est de résoudre les inconvénients de l’art antérieur en proposant un nouvel empilement pour une pile à combustible permettant d’optimiser le flux de fluide sans imposer de géométrie des orifices des plaques bipolaires ou d’orientation particulière des plaques bipolaires.
A cet effet, l’invention a pour objet un empilement, pour une pile à combustible. L’empilement comprend une plaque séparatrice, s’étendant parallèlement à un plan médian, le plan médian étant perpendiculaire à une direction d’empilement, la plaque séparatrice comprenant : o un champ de circulation, et o une zone périphérique qui entoure le champ de circulation et qui comprend une paire d’orifices de plaque, la paire d’orifices de plaque comprenant un orifice d’alimentation de plaque et un orifice d’évacuation de plaque, les orifices d’alimentation et d’évacuation de plaque de la paire d’orifices de plaque étant reliés fluidiquement par le champ de circulation, de telle sorte qu’un fluide fonctionnel circulant à travers l’orifice d’alimentation de plaque circule également à travers l’orifice d’évacuation de plaque de la paire d’orifices de plaque, et un assemblage membrane-électrode, s’étendant parallèlement au plan médian, étant superposé à la plaque séparatrice et comprenant : o une partie centrale en regard du champ de circulation selon la direction d’empilement, et o une partie périphérique, entourant la partie centrale, en regard de la zone périphérique suivant la direction d’empilement, la partie périphérique comprenant une paire d’orifices de l’assemblage, la paire d’orifices de l’assemblage comprenant un orifice d’alimentation de l’assemblage et un orifice d’évacuation de l’assemblage, les orifices d’alimentation de l’assemblage et d’évacuation de l’assemblage étant respectivement superposés aux orifices d’alimentation et d’évacuation de plaque, de telle sorte que le fluide fonctionnel circulant à travers l’orifice d’alimentation de plaque et d’évacuation de plaque circule également à travers l’orifice d’alimentation de l’assemblage et à travers l’orifice d’évacuation de l’assemblage, chaque orifice d’assemblage et de plaque délimitant une section, parallèlement au plan médian, les orifices d’alimentation de plaque et de l’assemblage superposés formant partie d’une galerie d’alimentation parallèle à la direction d’empilement, afin que le fluide fonctionnel circulant dans la galerie d’alimentation alimente le champ de circulation, les orifices d’évacuation superposés formant partie d’une galerie d’évacuation, parallèle à la direction d’empilement, afin que le fluide fonctionnel ayant été admis dans le champ de circulation depuis la galerie d’alimentation soit évacué par la galerie d’évacuation.
Selon l’invention, la paire d’orifices de plaque est symétrique par rotation de 180 degrés d’angle autour d’un axe central de plaque parallèle à la direction d’empilement et passant par un centre de plaque, et les deux orifices de l’assemblage appartenant à la paire d’orifices de l’assemblage sont asymétriques par rapport à un axe central de MEA parallèle à la direction d’empilement et passant par un centre de MEA.
Une idée à la base de l’invention est de prévoir que la plaque séparatrice soit symétrique par rapport au centre de plaque, au moins pour sa paire d’orifices de plaque, et que l’assemblage membrane-électrode soit asymétrique par rapport à un axe central de MEA, parallèle à la direction d’empilement et passant par le centre de MEA, au moins pour sa paire d’orifices de l’assemblage correspondant au même fluide fonctionnel. Pour chaque paire d’orifice de l’assemblage associée à un fluide fonctionnel donné, les orifices d’alimentation et d’évacuation de chaque paire d’orifices de l’assemblage sont diamétralement opposés l’un par rapport à l’autre, ainsi l’assemblage membrane-électrode est asymétrique par rapport à un axe central de MEA parallèle à la direction d’empilement et passant par un centre de MEA. Le flux de fluide est donc optimisé, et cela, indépendamment de la géométrie des orifices de plaque, ou de l’orientation des plaques séparatrices les unes par rapport aux autres.
Ces dispositions sont particulièrement avantageuses dans un cas où plusieurs plaques séparatrices et plusieurs assemblages membrane-électrodes sont prévus dans l’empilement, en ce que l’on peut par exemple prévoir que toutes les plaques séparatrices sont identiques et disposées de façon alternée, en étant dans une position qui est d’une plaque séparatrice à la suivante, pivotée de 180 degrés d’angle par rapport à un axe central parallèle à la direction d’empilement A11 et passant par leur centre de plaque respectif, et que tous les assemblages membrane-électrodes sont identiques et disposés selon la même orientation les uns par rapport aux autres. La fabrication de l’empilement est alors facilitée, sans préjudice à l’optimisation des flux de fluide fonctionnels dans les galeries d’alimentation et d’évacuation.
Suivant des aspects avantageux de l’invention, l’empilement comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- Une aire de la section de l’orifice d’alimentation de l’assemblage est inférieure à une aire de la section de l’orifice d’évacuation de l’assemblage, avantageusement d’un facteur compris entre 5% et 50%, de préférence entre 8% et 33%.
- Chaque orifice de l’assemblage est délimité par un bord périphérique respectif, formé par la partie périphérique,
- le bord périphérique de l’orifice d’alimentation de l’assemblage comprend une portion superposée et une portion en débord,
- le bord périphérique de l’orifice d’évacuation de l’assemblage comprend une portion superposée et une portion en retrait,
- la portion superposée de l’orifice d’alimentation de l’assemblage est de forme identique à celle de la portion superposée de l’orifice d’évacuation de l’assemblage, et
- la portion en débord étant plus décalée vers l’intérieur de l’orifice d’alimentation de l’assemblage que ne l’est la portion en retrait vers l’intérieur de l’orifice d’évacuation de l’assemblage. - La portion superposée de l’orifice d’alimentation de l’assemblage est disposée entre la portion en débord et la partie centrale.
- Le bord périphérique de l’orifice d’évacuation de l’assemblage forme des coins ;
- le bord périphérique de l’orifice d’alimentation de l’assemblage forme des coins ;
- la portion en retrait forme au moins l’un des coins du bord périphérique de l’orifice d’évacuation de l’assemblage ; et aucun des coins du bord périphérique de l’orifice d’alimentation de l’assemblage n’est formé par la portion en débord.
- La partie centrale comprend une membrane polymère échangeuse de protons, la partie centrale étant entourée par la partie périphérique et étant superposée au champ de circulation selon la direction d’empilement.
- La plaque séparatrice est une plaque bipolaire qui comprend une plaque polaire anodique et une plaque polaire cathodique superposées.
- Cet empilement comprend plusieurs assemblages membrane-électrodes, et plusieurs plaques séparatrices, superposés alternativement dans la direction d’empilement.
- Les plaques séparatrices sont identiques et, pour chaque plaque séparatrice dans l’empilement, la plaque séparatrice immédiatement successive dans l’empilement selon la direction d’empilement, est disposée, par rapport à ladite plaque séparatrice, dans une position pivotée de 180 degrés d’angle autour de l’axe central de plaque.
- Cet empilement comprend en outre un élément de rigidification ou d’étanchéification, qui est interposé entre, d’une part, la partie périphérique de l’un des assemblages membrane-électrode, à proximité de la portion en débord, et, d’autre part, la partie périphérique de l’assemblage membrane-électrode immédiatement successive selon la direction d’empilement, à proximité de la portion en débord, l’élément de rigidification ou d’étanchéification traversant l’orifice d’alimentation de plaque de la plaque séparatrice qui sépare ces deux assemblages membrane-électrodes.
- Les sections des orifices d’alimentation de l’assemblage formant partie d’une même galerie d’alimentation sont d’aire différente pour au moins deux assemblages membrane- électrodes différents de l’empilement.
- Chaque plaque séparatrice comprend un connecteur, sur un bord périphérique de la plaque séparatrice, chaque connecteur étant configuré pour recevoir une broche d’un module de mesure, et pour chaque plaque séparatrice dans l’empilement, le connecteur de la plaque séparatrice et le connecteur de la plaque séparatrice immédiatement successive dans l’empilement selon la direction d’empilement, sont disposées symétriquement selon une symétrie axiale par rapport à l’axe central. L’invention concerne également une pile à combustible comprenant un empilement comme décrit ci-dessus.
Suivant d’autres aspects avantageux de l’invention, la pile à combustible comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- Cette pile à combustible comprend en outre une conduite d’alimentation en fluide fonctionnel, branchée à la galerie d’alimentation pour alimenter la galerie d’alimentation en fluide fonctionnel, et une conduite d’évacuation, branchée à la galerie d’évacuation pour évacuer le fluide fonctionnel de la galerie d’évacuation, les conduites d’alimentation et d’évacuations étant branchées à une même extrémité de l’empilement.
L’invention concerne également un véhicule comprenant au moins une pile à combustible comme décrit ci-dessus.
L’invention apparaîtra plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins dans lesquels :
[Fig. 1] la figure 1 représente une vue schématique en perspective d’une pile à combustible selon un mode de réalisation de l’invention ;
[Fig 2] la figure 2 représente une vue schématique d’un empilement de la pile à combustible de la figure 1 ;
- [Fig 3] la figure 3 représente une vue schématique et en perspective de la connexion entre les modules et les cellules de l’empilement de plaques bipolaires de la pile à combustible de la figure 1 ;
[Fig 4] la figure 4 représente schématiquement, l’empilement de la figure 1 , représenté en perspective partiellement éclatée;
[Fig 5] la figure 5 est une vue de dessus d’une plaque bipolaire et d’un assemblage membrane-électrode
[Fig 6] la figure 6 est une vue en coupe selon le plan A-A’ de l’empilement de la pile à combustible de la figure 4
[Fig 7] la figure 7 est une vue en coupe selon le plan B-B’ de l’empilement de la pile à combustible de la figure 4.
[Fig 8] la figure 8 est une vue de dessus d’un assemblage membrane-électrode selon un autre mode de réalisation de l’invention.
Sur les figures 1 et 2, on a représenté une pile à combustible 10 conforme à un premier mode de réalisation de l'invention. La pile à combustible 10 est par exemple destinée à être utilisée dans un véhicule à moteur, en particulier à moteur électrique, l’énergie électrique alimentant le moteur étant essentiellement, si ce n’est totalement, fournie par la pile à combustible 10.
La pile à combustible 10 comprend un empilement 1 1 comprenant des plaques séparatrices, ici des plaques bipolaires 12.
Chaque plaque bipolaire 12 présente deux faces externes opposées : une face anodique et une face cathodique.
Chaque plaque bipolaire 12 est ici formée par deux plaques monopolaires 13, superposées, les deux plaques monopolaires 13 incluant une première plaque polaire 13A, ici une plaque cathodique, et une deuxième plaque polaire 13B, ici une plaque anodique. L’expression « deux plaques monopolaires 13 successives » désigne les deux plaques monopolaires cathodique 13A et anodique 13B associées pour former une même plaque bipolaire 12. Les plaques monopolaires 13 sont aussi appelées simplement « plaques polaires 13 ». Dans une telle plaque bipolaire 12 formée par deux plaques monopolaires 13, superposées, la plaque monopolaire anodique 13B forme la face anodique de la plaque bipolaire 12, et la plaque monopolaire cathodique 13A forme la face cathodique de la plaque bipolaire 12. Les faces anodiques et cathodiques de la plaque bipolaire 12 sont des faces externes de la plaque bipolaire 12.
Les deux plaques monopolaires 13 sont assemblées l’une à l’autre de manière étanche. Chaque plaque bipolaire 12 présente une forme sensiblement plane qui s’étend selon un plan médian P12.
Dans ce mode de réalisation, les deux plaques monopolaires 13 associées, qui forment une même plaque bipolaire 12, sont réalisées en métal et sont soudées ou collées l’une à l’autre, ou encore serrées l’une contre l’autre par une force de compression appliquée, selon la direction d’empilement A11 , sur l’empilement 11 .
La pile 10 comporte une pluralité de cellules 14 réalisées sous forme d’un empilement de plaques bipolaires 12, une cellule 14 étant formée entre deux plaques bipolaires 12 consécutives. L’empilement 1 1 , comprenant plusieurs plaques bipolaires 12 empilées, est ainsi constitué de plusieurs cellules 14 individuelles reliées électriquement en série. Pour chaque cellule individuelle 14, la pile à combustible 10 comprend aussi un assemblage membrane-électrode 50, appartenant à l’empilement 11 , qui est intercalé entre les deux plaques bipolaires 12 associées à cette cellule 14. L’assemblage membrane- électrode 50 est aussi désigné par MEA 50 (abbréviation de l’expression « membraneelectrode assembly »). Ainsi, l’empilement 11 comprend plusieurs plaques bipolaires 12 empilées et plusieurs MEA 50 empilées, une MEA 50 étant empilée entre deux plaques bipolaires 12 successives. En particulier, une MEA 50 est en contact d’une part avec la face cathodique d’une première plaque bipolaire 12, d’autre part avec la face anodique de la plaque bipolaire 12 suivante dans l’empilement 11 , selon la direction d’empilement A11.
Chaque plaque bipolaire 12 est ainsi commune à deux cellules 14 voisines. Chaque assemblage membrane-électrode 50 s’étend selon un plan moyen P50, qui est parallèle aux deux plans médians P12 associés aux plaques bipolaires 12 entre lesquelles est intercalé cet assemblage membrane-électrode 50.
Les plaques bipolaires 12 et les MEA 50 sont empilées selon une direction d’empilement A11 . La direction d’empilement A11 est orthogonale au plan médian P12 des plaques bipolaires 12 empilées et au plan moyen P50 des MEA 50. Autrement dit, le plan médian P12 est un plan transversal à la direction d’empilement A11. On définit aussi une direction longitudinale L et une direction transversale T, qui forment avec la direction d’empilement A11 un repère orthogonal. Pour chaque plaque bipolaire 12, on définit un centre de plaque C12 de cette plaque bipolaire 12, situé dans le plan médian P12.
La pile à combustible 10 comprend aussi deux plaques terminales 16, qui sont agencées de part et d’autre de l’empilement 11. L’empilement 11 est pris en sandwich entre les deux plaques terminales 16 et est comprimé selon la direction d’empilement A11 entre les plaques terminales 16. Les plaques terminales 16 sont par exemple réalisées en aluminium.
Des conduites d’alimentation 17a, 17b, 17c et d’évacuation 19a, 19b et 19c représentées en pointillés à la figure 1 sont reliées à la pile à combustible 10 au niveau d’une des plaques terminales 16. En particulier, les conduites d’alimentation 17a, 17b, 17c et d’évacuation 19a, 19b, 19c sont situées à une même extrémité de l’empilement 11 . Les conduites d’alimentation 17a, 17b, 17c alimentent la pile à combustible 10 avec des fluides fonctionnels et les conduites d’évacuation 19a, 19b, 19c évacuent les fluides fonctionnels et des produits de réaction éventuellement formés dans la pile à combustible 10. Plus particulièrement, les fluides fonctionnels sont au nombre de trois : deux gaz réactifs et un fluide de refroidissement. Les gaz réactifs sont de l’hydrogène et de l’air. L’air peut éventuellement être remplacé par de l’oxygène. Les conduites d’alimentations 17a, 17b et 17c alimentent la pile à combustible 10 respectivement en hydrogène, en fluide de refroidissement et en air. Les conduites d’alimentation 19a, 19b et 19c évacuent respectivement l’hydrogène, le fluide de refroidissement et l’air éventuellement enrichi des produits de réaction de la pile à combustible 10.
L’ordre et la disposition relative des conduites 17a, 17b, 17c, 19a, 19b et 19c montrée sur la figure 1 est donnée à titre d’exemple et peut être modifiée en fonction de l’application. Afin de mesurer les caractéristiques électriques des cellules 14, par exemple une tension électrique aux bornes d’une ou plusieurs cellules 14, des modules 18 de mesure d’au moins une caractéristique électrique des cellules 14 sont connectés à l’empilement 11 de plaques bipolaires 12. Chaque module 18 permet de surveiller l’état de l’empilement 11 afin d’adapter le fonctionnement du système de pile à combustible 10.
Deux plaques monopolaires 13 successives, appartenant donc à une même plaque bipolaire 12, sont avantageusement disposées dos à dos et forment entre elles au moins une poche 20 sur un bord de la plaque bipolaire 12, par exemple sur un bord périphérique de la plaque bipolaire 12 qui s’étend parallèlement à la direction transversale T.
Chaque poche 20 est configurée pour recevoir une broche 22 d’un module 18 de mesure de caractéristiques électriques des cellules 14.
De manière plus générale, une plaque séparatrice peut comporter un connecteur électrique, mâle ou femelle, de préférence agencé sur un bord périphérique de la plaque séparatrice. La poche 20 est un exemple d’un tel connecteur électrique femelle.
Les plaques bipolaires 12 sont identiques les unes aux autres. Dans l’exemple, deux plaques bipolaires 12 successives sont empilées tête bêche, c’est-à-dire que l’une des plaques bipolaires 12 est disposée par rapport à l’autre plaque bipolaire 12, dans une position qui est pivotée de 180 degrés d’angle par rapport à un axe central de plaque A12, parallèle à la direction d’empilement A1 1 et passant par le centre de plaque C12, comme visible sur la figure 2. Ainsi, dans l’exemple comprenant des modules 18 sur un seul côté de l’empilement 11 , seule l’au moins une poche 20 d’une plaque bipolaire 12 sur deux affleure au voisinage des modules 18. De manière alternative, les modules 18 peuvent être situés de part et d’autre de l’empilement 11 , de telle sorte que chaque poche 20 affleure au voisinage d’un module 18.
Selon l’exemple représenté, chaque plaque bipolaire 12 forme exactement deux poches 20 de réception d’une broche 22 chacune. Pour chaque plaque bipolaire 12, les poches 20 de réception de cette plaque bipolaire 12 sont agencées au voisinage les unes des autres, formant une zone de connexion 24A de cette plaque bipolaire 12.
Chaque plaque bipolaire 12 comprend aussi une zone complémentaire 24B. La zone complémentaire 24B de la plaque bipolaire 12 est une portion de plaque bipolaire 12 dans laquelle s’étend le matériau constitutif de la plaque, de préférence une portion lisse. Pour chaque plaque bipolaire 12, la zone complémentaire 24B est située symétriquement à l’opposé de la zone de connexion 24A par rapport à l’axe central de plaque A12, parallèle à la direction d’empilement A11 et passant par le centre de plaque C12 de cette plaque bipolaire 12. Ainsi, pour deux plaques bipolaires 12 consécutives quelconques de l’empilement 11 , la zone de connexion 24A de l’une des deux plaques 12 est agencée en regard, selon la direction d’empilement A11 , de la zone complémentaire 24B de l’autre plaque bipolaire 12. Pour trois plaques bipolaires 12 consécutives quelconques de l’empilement 11 , la zone de connexion 24A de l’une des deux plaques 12, qui est située entre les deux autres plaques bipolaires 12 qui l’encadrent dans la direction d’empilement A11 , est agencée en regard, selon la direction d’empilement A11 , de la zone complémentaire 24B de chacune des deux autres plaques bipolaires 12 qui l’encadrent dans la direction d’empilement A11.
Comme illustré en figure 2, l’empilement 11 comprend deux rangées 23 de zones de connexion 24A, chacune des rangées 23 s’étendant selon la direction d’empilement A11 . Les deux rangées 23 sont situées symétriquement l'une de l'autre par rapport à l’axe central de plaque A12 parallèle à la direction d’empilement A1 1 et passant au centre de plaque C12 de chacune des plaques bipolaires 12. Dans l’exemple, les deux rangées 23 sont situées de part et d’autre d’un plan transversal de l’empilement, le plan transversal étant orthogonal à la direction longitudinale L. Dans l’exemple illustré, les modules 18 sont connectés à une seule des rangées 23, située sur le haut de la figure 2, l’autre rangée étant laissée inutilisée. En variante non représentée, d’autres modules du type des modules 18 sont connectés à l’autre rangée de zones de connexion 24A.
Ce qui est valable pour une des rangées 23 de zones de connexion 24A est transposable à l’autre rangée 23 de zones de connexion 24A. Dans la suite, on décrit principalement la rangée 23 à laquelle sont connectées les modules 18.
La deuxième poche 20 permet de faire de la mesure quatre fils par groupe de vingt cellules 14. Elle est utilisée pour une mesure d’impédance. En particulier, chaque poche 20 est conformée pour coopérer avec ladite broche 22.
Chaque module 18 comporte ici dix broches 22 alignées configurées pour connecter dix poches 20 au dit module 18, soit vingt cellules 14, et une broche supplémentaire 25 pour connecter la deuxième poche 20 de l’une des vingt cellules 14, comme visible sur la figure 3. Les dix broches 22 alignées permettent de mesurer entre deux broches 22 consécutives la tension aux bornes de deux cellules 14 consécutives. Les broches 22, 25 d’un module 18 sont de préférence identiques.
Dans le mode de réalisation représenté, chaque zone de connexion 24A comprend deux poches 20, une des poches 20 étant associée à une des broches 22 du module 18, tandis que l’autre poche 20 est configurée pour recevoir la broche supplémentaire 25.
L’exemple représenté comprend deux modules 18, cependant la pile à combustible 10 n’est pas limitée à deux modules mais peut en comprendre davantage, par exemple dix modules 18 pour connecter deux cents cellules 14. De manière analogue, le nombre de broches 22 pour chaque module 10 n’est pas limitatif. La broche supplémentaire 25 est disposée sensiblement parallèlement à l’alignement de broches 20 et de préférence à une extrémité longitudinale du module 18. Par exemple, la broche supplémentaire 25 est configurée pour injecter du courant dans la poche 20 dans laquelle elle est reçue, et permet ainsi de réaliser une mesure d’impédance sur vingt cellules 14.
En référence à la figure 4, chaque plaque bipolaire 12 comprend des orifices d’alimentation de plaque 31a, 31b et 31c et des orifices d’évacuation de plaque 33a, 33b et 33c. Dans l’exemple, une rangée de trois orifices de plaque 31 a, 33b et 33c est située d’une part de la plaque bipolaire 12 par rapport à la direction transversale T, les trois orifices de plaque 31 a, 33b et 33c étant alignés dans la direction transversale T. Une autre rangée, comprenant trois autres orifices de plaque 31 c, 31 b et 33a, est située d’autre part de la plaque bipolaire 12, les trois autres orifices de plaque 31c, 31 b et 33a étant également alignés dans la direction transversale T. Ainsi, dans l’exemple chacune des deux rangées est ménagée à proximité d’une extrémité longitudinale respective de la plaque bipolaire 12. Cependant, une autre disposition des orifices est possible avec par exemple une paire d’orifices, ou plusieurs, situées le long des bords longitudinaux de la plaque bipolaire. Les orifices de plaque 31 a, b, c et 33a, b et c sont des orifices traversant la plaque bipolaire 12, selon l’axe d’empilement A11. Chaque plaque bipolaire 12 comprend une zone périphérique 35, trois champs de circulation 36 et six champs d’homogénéisation 38.
La zone périphérique 35 s’étend sur tout le pourtour de la plaque bipolaire 12, et comprend ici les orifices de plaque 31 a, b, c et 33a, b, c, les champs d’homogénéisation 38 et les champs de circulation 36. Les orifices de plaque 31 a, b, c, 33a, b et c, sont situés dans la zone périphérique, les champs d’homogénéisation 38 et les champs de circulation 36 sont entourés par la zone périphérique 35. La zone périphérique 35 s’étend dans un plan perpendiculaire à la direction d’empilement A11 , c’est-à-dire dans un plan parallèle au plan médian P12.
Un premier champ de circulation 36 est formé sur la face anodique de la plaque bipolaire 12, et s’étend, entre deux premiers champs d’homogénéisation 38 dans la direction longitudinale L, sur la face anodique de la plaque bipolaire 12. Les deux premiers champs d’homogénéisation 38 sont respectivement disposés entre le premier champ de circulation 36 et les orifices de plaque 31 a, b, c, respectivement les orifices de plaque 33a, b et c, selon la direction longitudinale L. De l’hydrogène circule depuis l’orifice d’alimentation de plaque 31a à travers un des deux premiers champs d’homogénéisation, le premier champ de circulation 36, l’autre parmi les deux premiers champs d’homogénéisation 38 jusqu’à l’orifice d’évacuation de plaque 33a. Ainsi, l’orifice d’alimentation de plaque 31 a est destiné à l’injection d’hydrogène, et l’orifice d’évacuation de plaque 33a, à l’évacuation d’hydrogène, éventuellement enrichi de produits de réaction.
Un deuxième champ de circulation 36 est formé sur la surface cathodique de la plaque bipolaire 12. Il s’étend entre deux deuxièmes champs d’homogénéisation 38, dans la direction longitudinale L sur la face cathodique de la plaque bipolaire 12. Les deux deuxièmes champs d’homogénéisation 38 sont disposés respectivement entre le deuxième champ de circulation 36 et les orifices de plaque 31 a, b, c, respectivement les orifices de plaque 33a, b et c, selon la direction longitudinale L. De l’air circule depuis l’orifice d’alimentation de plaque 31c à travers un des deux deuxièmes champs d’homogénéisation 38, le deuxième champ de circulation 36, l’autre deuxième champ d’homogénéisation 38, jusqu’à l’orifice d’évacuation de plaque 33c. Ainsi, l’orifice d’alimentation de plaque 31 c est destiné à l’injection d’air, et l’orifice d’évacuation de plaque 33c, à l’évacuation d’air, éventuellement enrichi de produits de réaction.
Un troisième champ de circulation 36 est formé à l’intérieur de la plaque bipolaire 12. Il s’étend entre les deux derniers champs d’homogénéisation 38, dans la direction longitudinale L, entre les deux plaques polaires 13 de la plaque bipolaire 12. Les deux derniers champs d’homogénéisations 38 sont respectivement disposés entre le troisième champ de circulation 36 et les orifices de plaque 31 a, b, c, respectivement les orifices de plaque 33a, b et c, selon la direction longitudinale L. Du fluide de refroidissement circule depuis l’orifice d’alimentation de plaque 31 b à travers un des deux derniers champs d’homogénéisation 38, le troisième champ de circulation 36, le dernier champ d’homogénéisation 38, jusqu’à l’orifice d’évacuation de plaque 33b. Ainsi, l’orifice d’alimentation de plaque 31 b est destiné à l’injection de fluide de refroidissement, et l’orifice d’évacuation de plaque 33b, à son évacuation.
Chaque champ d’homogénéisation 38 comporte généralement des canaux, qui relient l’un des orifices de plaque 31 a, b, c ou 33a, b ou c au champ de circulation 36. Dans l’exemple illustré, les canaux des champs d’homogénéisation 38 sont similaires et formés de la même façon que ceux du champ de circulation 36, hormis pour leur orientation, ici en éventail. Cette géométrie permet de répartir le fluide fonctionnel dans l’ensemble du champ de circulation 36, ou de récupérer le fluide fonctionnel du champ de circulation 36 pour ensuite l’évacuer par l’orifice d’évacuation de plaque 33a, b ou c correspondant au champ de circulation 36.
Pour chaque gaz réactif ou fluide de refroidissement, et donc pour chaque champ de circulation de fluide de la cellule, les deux champs d’homogénéisation 38 sont symétriques selon une symétrie axiale, soit selon une rotation à 180 degrés d’angle, par rapport à l’axe central de plaque A12, tant dans la géométrie des champs d’homogénéisation 38 que dans la disposition des canaux des champs d’homogénéisation 38.
Les orifices d’alimentation de plaque 31 a, b, c sont délimités respectivement chacun par un bord périphérique 37a, b, c, et les orifices d’évacuation de plaque 33a, b et c sont délimités respectivement chacun par un bord périphérique 41 a, b, et c, les bords périphériques 37a, b, c et 41 a, b, c étant fermés.
Les orifices d’alimentation de plaque 31 a, 31 b et 31c sont situés symétriquement à l’opposé par rapport à l’axe central de plaque A12, par rapport respectivement aux orifices d’évacuation de plaque 33a, 33b et 33c. Les orifices de plaque 31 a et 33a, 31 b et 33b et 31c et 33c forment respectivement des paires d’orifices de plaque 39a, 39b et 39c. Ainsi, la plaque bipolaire 12 comprend trois paires d’orifices de plaque 39a, b et c, dans lesquelles circulent respectivement de l’hydrogène, du fluide de refroidissement et de l’air . Une paire d’orifice de plaque 39a, 39b et 39c est donc associée à un fluide fonctionnel donné.
Pour chaque paire d’orifices de plaque 39a, b ou c, les deux orifices de plaque 31 a, b ou c et 33a, b ou c appartenant à la paire d’orifices de plaque 39a, b ou c sont de géométrie symétrique, autrement dit de forme symétrique, selon une symétrie axiale par rapport à l’axe central de plaque A12. Pour chaque paire d’orifices de plaque 39a, b ou c, les deux orifices de plaque 31 a, b ou c et 33a, b ou c ont notamment une aire identique et les bords périphériques 37a, b ou c et 41 a, b ou c ont une forme symétrique selon une symétrie axiale par rapport à l’axe central de plaque A12. Les orifices de plaque 31 a, b, c et 33a, b, c appartenant à des paires d’orifices de plaque 39a, b, c différentes peuvent avoir des aires différentes, ainsi que montré sur les figures 4 à 6.
Dans l’exemple illustré, la MEA 50 comprend une partie périphérique 52, des orifices d’alimentation de l’assemblage 51 a, b et c, des orifices d’évacuation de l’assemblage 53a, b et c, et une partie centrale 56. La partie périphérique 52 s’étend dans un plan perpendiculaire à la direction d’empilement A11 , parallèle au plan médian P12. La partie périphérique 52 s’étend sur tout le pourtour de la MEA 50, et comprend les orifices de l’assemblage 51 a, b, c, 53a, b, c et la partie centrale 56, qui sont situés au sein de la partie périphérique 52. Les orifices d’alimentation de l’assemblage 51 a, b, c sont respectivement délimités chacun par un bord périphérique 57a, 57b et 57c, et les orifices d’évacuation de l’assemblage 53a, b et c sont respectivement délimités chacun par un bord périphérique 61 a, 61 b et 61 c, les bords périphériques 57a, b, c et 61 a, b, c étant fermés. Ici, les bords périphériques 57a, b, c et 61 a, b, c sont des lignes brisées formant des polygones avec des coins, par exemple quatre coins. De manière plus générale, les bords périphériques 57a, b, c et 61 a, b, c sont des courbes fermées. Les orifices d’alimentation et d’évacuation de l’assemblage 51a, b, c et 53a, b, c de la MEA 50 sont pratiqués dans l’assemblage membrane-électrode 50 pour permettre la circulation des fluides fonctionnels au travers de la MEA 50 suivant la direction d’empilement A11. Chaque ouverture d’alimentation de l’assemblage 51 a, b, c prolonge l’un des orifices d’alimentation de plaque 31 a, b ou c de la plaque bipolaire 12 suivant la direction d’empilement A11. De manière similaire, chaque orifice d’évacuation de l’assemblage 53a, b, c prolonge respectivement l’un des orifices d’évacuation de plaque 33a, b ou c suivant la direction d’empilement A11. Autrement dit, les orifices d’alimentation de plaque 31 a, b, c sont respectivement en regard avec les orifices d’alimentation de l’assemblage 51 a, b et c dans la direction d’empilement A11. De même, les orifices d’évacuation de plaque 33a, b, c sont respectivement en regard des orifices d’évacuation de l’assemblage 53a, b et c dans la direction d’empilement A11. Chaque orifice d’alimentation et d’évacuation de l’assemblage 51a, b, c et 53a, b et c délimite une section, parallèlement au plan de la MEA P50.
De manière similaire à ce qui a été décrit pour la plaque bipolaire 12, les orifices de l’assemblage 51a, b, c et 53a, b, c, situés symétriquement à l’opposé l’un de l’autre par rapport à un axe central de MEA A50 parallèle à la direction d’empilement A11 et passant par un centre de MEA C50, forment respectivement des paires d’orifices de l’assemblage 59a, b, c. Ainsi, la MEA 50 comprend trois paires 59a, 59b et 59c d’orifices de l’assemblage. De l’hydrogène circule dans la paire d’orifices de l’assemblage 59a, du fluide de refroidissement dans la paire d’orifices de l’assemblage 59b et de l’air, éventuellement enrichi en produits de réaction dans la paire d’orifices de l’assemblage 59c. Pour au moins une paire donnée d’orifices de l’assemblage 59a, b, c, les deux orifices de l’assemblage 51a, b ou c et 53a, b ou c appartenant à cette paire d’orifices de l’assemblage 59a, b, c sont asymétriques par rapport à l’axe central de MEA A50.
Pour au moins une paire donnée d’orifices de l’assemblage 59a, b, c, éventuellement pour plusieurs paires ou même pour chaque paire d’orifices de l’assemblage 59a, b, c, les deux orifices de l’assemblage 51 a, b, ou c et 53a, b ou c de cette paire donnée d’orifices de l’assemblage 59a, b, c sont avantageusement d’aire différente, une aire de la section de l’orifice d’alimentation de l’assemblage 51a, b ou c est inférieure à une aire de la section de l’orifice d’évacuation de l’assemblage 53a, b ou c.
Pour au moins une paire d’orifices de l’assemblage 59a, b, c, l’aire de la section de l’orifice d’alimentation de l’assemblage 51a, b ou c est avantageusement inférieure à l’aire de la section de l’orifice d’évacuation de l’assemblage 53a, b ou c d’un facteur compris entre 5% et 50%, et de préférence compris entre 8% et 33%. Le facteur de réduction entre les aires des sections des orifices d’alimentation et d’évacuation de l’assemblage 51a, b, c et 53a, b, c peut être différent d’une paire d’orifices de l’assemblage 59a, b, c à l’autre. Par exemple, le facteur de réduction de l’aire pour la paire d’orifices de l’assemblage 59a peut être compris entre 5% et 20%, le facteur de réduction de l’aire pour la paire d’orifices de l’assemblage 59b peut être compris entre 15% et 35% et le facteur de réduction de l’aire pour la paire d’orifices de l’assemblage 59c peut être compris entre 10% et 30%. Cela permet notamment d’ajuster les conditions de débit pour chaque fluide fonctionnel et de s’assurer d’une part de conditions de réactions optimales pour les deux gaz réactifs, et d’autre part d’un refroidissement optimal par le fluide de refroidissement.
Les bords périphériques 41 a, b, c et 61 a, b, c des orifices d’évacuation de plaque et de l’assemblage 33a, b, c et 53a, b, c qui sont superposés dans l’empilement 1 1 peuvent ne pas coïncider exactement, de sorte que l’aire de la section des orifices d’évacuation de l’assemblage 53a, b ou c est par exemple inférieure à une aire de la section de l’orifice d’évacuation de plaque 33a, b ou c. Pour autant, les bords périphériques 41 a, b, c et 61 a, b, c des orifices d’évacuation de plaque et de l’assemblage 33a, b, c et 53a, b, c superposés peuvent avoir la même forme. Par exemple, une forme du bord périphérique 61 a de l’orifice d’évacuation de l’assemblage 53a peut être une homothétie de facteur inférieur à 1 d’une forme du bord périphérique 41 a de l’orifice d’évacuation de plaque 33a. Cette disposition est particulièrement avantageuse car elle limite le risque de courts circuits entre deux plaques bipolaires 12.
Le bord périphérique 57a, b, c de chaque orifice d’alimentation de l’assemblage 51a, b, c comprend une portion superposée et une portion en débord, c’est-à-dire que chacun comprend respectivement une portion superposée 64a, 64b, 64c et une portion en débord 65a, 65b et 65c. Le bord périphérique 61 a, b, c de chaque orifice d’évacuation de l’assemblage 53a, b, c comprend une portion superposée et une portion en retrait, c’est-à- dire que chacun comprend respectivement une portion superposée 68a, 68b, 68c et une portion en retrait 69a, 69b, 69c. L’explication suivante est donnée pour la paire 59a, mais est également valable pour les paires 59b et 59c. La portion superposée 64a de l’orifice d’alimentation de l’assemblage 51a est de forme identique à celle de la portion superposée 68a de l’orifice d’évacuation de l’assemblage 53a après une rotation de 180 degrés d’angle autour de l’axe central de MEA A50. Autrement dit, les portions superposées 64a et 68a sont symétriques selon une symétrie axiale par rapport à l’axe central de MEA A50. A contrario, la portion en débord 65a est plus en débord vers l’intérieur de l’orifice d’alimentation de l’assemblage 51 a que ne l’est la portion en retrait 69a vers l’intérieur de l’orifice d’évacuation de l’assemblage 53a. En particulier, si les orifices d’alimentation et d’évacuation de l’assemblage 51 a et 53a étaient superposés de telle sorte que les bords superposés 64a et 68a coïncident, la portion en débord 65a serait décalée vers l’intérieur de l’orifice par rapport à la portion en retrait 69a, comme visible en comparant les figures 6 et 7. La portion en débord 65a est donc plus décalée vers l’intérieur de l’orifice d’alimentation de l’assemblage 51a que ne l’est la portion en retrait 69a vers l’intérieur de l’orifice d’évacuation de l’assemblage 53a. Autrement dit, la portion en débord 65a permet de former un orifice d’alimentation de l’assemblage 51 a d’aire inférieure à celle de l’orifice d’évacuation de l’assemblage 53a, et ce sont la portion en débord 65a et la portion en retrait 68a qui sont asymétriques l’une par rapport à l’autre. Ainsi, les deux orifices de l’assemblage 51 a, b, ou c et 53a, b ou c d’une paire donnée d’orifices de l’assemblage 59a, b, c sont donc de forme différente, au sens de géométrie différente, en plus d’être d’aire différente, comme mentionné précédemment.
La portion en débord 65a est, sur l’exemple des figures 4 et 5, une ligne droite reliant deux extrémités de la portion superposée 64a. En particulier, la portion en débord 65a ne forme pas de coins, contrairement à la portion en retrait 68a qui est une ligne brisée, avec une ou des brisures formant un ou plusieurs coins. Ainsi, la portion en débord 65a ne forme aucun des coins du bord périphérique 57a. Plus précisément, la portion en débord 65a forme des coins du bord périphérique 57a seulement par son intersection avec la portion superposée 64a, mais ne forme pas à elle seule un ou plusieurs coins du bord périphérique 57a.
La forme en ligne droite permet de conserver une géométrie du bord périphérique 57a qui est la plus simple possible, afin de limiter les pertes de charge et d’optimiser la circulation des fluides fonctionnels, ici l’air, au travers des orifices d’alimentation de l’assemblage 51 a.
La portion superposée 64a est idéalement située entre la portion en débord 65a et la partie centrale 56. Ainsi, la portion en débord 65a est la portion du bord périphérique 57a qui est la plus éloignée de la partie centrale 56. Cela permet d’éloigner de potentielles turbulences de la partie centrale 56 et de limiter des disparités d’alimentation qui pourraient en résulter.
La partie centrale 56 est en regard du champ de circulation 36 et recouvre complètement le champ de circulation 36 selon la direction d’empilement A11. Un pourtour périphérique de la partie centrale 56 peut éventuellement chevaucher un pourtour intérieur de la partie périphérique 52, comme cela se comprend de la description qui suit.
En référence aux figures 4 à 6, la partie centrale 56 comprend une membrane 58, qui est une membrane polymère échangeuse de protons. La membrane 58 s’étend parallèlement au plan médian P12, en regard du champ de circulation 36 selon la direction d’empilement A11 , et est sensiblement plane. La membrane 58 est préférentiellement coplanaire avec la partie périphérique 52. La membrane 58 peut être recouverte d’une couche de catalyseur sur ses deux faces parallèles au plan médian P12. Dans l’exemple illustré, la membrane 58 s’étend au-delà du champ de circulation 36, notamment dans le cas où la partie centrale 56 chevauche une partie de la partie périphérique 52.
La membrane 58 de chaque MEA 50 est prise entre deux couches de diffusion de gaz 77, dite aussi GDL, acronyme de l’anglais « Gas Diffusion Layer », visibles figures 6 et 7. Chaque couche de diffusion de gaz 77 s’étend parallèlement au plan médian P12 et est interposée entre la partie centrale 56 de la MEA 50 et la plaque bipolaire 12 en regard, suivant la direction d’empilement A11 .
La MEA 50 comprend avantageusement un cadre de maintien 76 pour supporter la partie centrale 56, en particulier pour supporter la membrane 58. Le cadre de maintien 76 forme alors la partie périphérique 52. Dans l’exemple de la figure 5, le cadre de maintien 76 pince un pourtour périphérique externe de la membrane 58, dans la direction d’empilement A11 , afin de maintenir la membrane 58. Le cadre de maintien 76 enserre alors toute une partie de la membrane 58 qui chevauche la partie périphérique 52 selon la direction d’empilement A11.
En variante non illustrée, à la place du cadre de maintien 76, on pourrait prévoir qu’une même membrane, telle que la membrane 58, forme à la fois la partie centrale 56 et la partie périphérique 52. Le cadre de maintien 76 est préférentiellement constituée de deux demi-cadres de formes sensiblement identiques qui sont destinés à venir en appui plan l’un contre l’autre, et qui sont, par exemple, réalisés en film polymère, par exemple en poly(téréphtalate d'éthylène), connu sous l’abréviation PET, ou en poly(naphtalate d'éthylène), connu sous l’abréviation PEN. Dans ce dernier cas, les deux demi-cadres sont par exemple assemblés l’un à l’autre par collage.
Dans l’exemple illustré, chaque couche de diffusion de gaz 77 recouvre entièrement la partie centrale 56 en regard, en particulier recouvre la membrane 58, et déborde avantageusement sur la partie périphérique 52, à savoir sur le pourtour intérieur du cadre de maintien 76 pinçant la membrane 58. La couche de diffusion de gaz 77 est avantageusement formée d’un matériau poreux, et permet au gaz réactif de diffuser depuis les champs de circulation 36 jusqu’à la membrane 58 lorsque la cellule 14 est en fonctionnement. Notamment, l’une des deux GDL 77 est en contact avec la face cathodique d’une des plaques bipolaires 12 de l’empilement 11 , ainsi de l’air peut diffuser à travers la GDL 77 jusqu’à atteindre la membrane 58, et l’autre GDL 77 est contact avec la face anodique de la plaque bipolaire 12 suivante dans l’empilement, permettant à de l’hydrogène de diffuser au travers de la GDL 77 jusque à la membrane 58. La partie centrale 56, prise entre les GDL 77, s’étend selon le plan moyen P50. Des joints 79, interposés entre les plaques bipolaires 12 et la MEA 50 dans la direction de l’empilement A11 , permettent aux fluides fonctionnels de circuler uniquement dans les champs de circulation 36 qui leur sont dédiés, par exemple le champ réactif 36 de la face cathodique de le plaque bipolaire 12 l’air ou l’oxygène, et le champ réactif 36 de la face anodique de la plaque bipolaire 12 pour l’hydrogène, et empêchent les fluides fonctionnels de se mélanger.
L’empilement 11 peut comprendre en outre des entretoises 80, ainsi que représenté sur les figures 4 à 6. Une entretoise 80 donnée est associée à une portion en débord 65a, b ou c donnée de la MEA 50. Ces entretoises 80 sont interposées selon la direction d’empilement A11 entre les parties périphériques 52 de deux MEA 50 successives dans l’empilement 11 , à proximité de la portion en débord 65a, b ou c de la MEA 50 à laquelle elle est associée, de manière à être en regard de celui des orifices d’alimentation de plaque 31 a, b ou c, qui appartient à la plaque bipolaire 12 séparant ces deux MEA 50, et qui correspond à l’orifice d’alimentation de l’assemblage 51a, b, c. De préférence, une telle entretoise 80 présente une dimension axiale telle qu’elle traverse celui des orifices d’alimentation de plaque 31 a, b ou c de la plaque bipolaire 12 qui sépare ces deux MEA 50 et qui est en regard de l’orifice d’alimentation de l’assemblage 51a, b, c associé. Lorsque la pile 10 est en fonctionnement, idéalement, chaque entretoise 80 est en appui contre les deux MEA 50 entre lesquelles elle est interposée. Les entretoises 80 permettent de limiter voire éliminer une potentielle vibration de la partie périphérique 52, notamment des portions en débord 65a, b et c, due à la circulation des fluides fonctionnels au travers des orifices d’alimentation 51a, b et c. Ces entretoises 80 sont par exemple des plots qui sont apposés sur la MEA 50, en matériau identique à celui formant les joints, ou qui viennent de matière avec la partie périphérique 52.
Selon une variante non représentée, il peut y avoir plusieurs entretoises 80 par portion en débord 65a, b ou c.
Selon une autre variante non représentée, les entretoises peuvent s’étendre depuis un élément d’étanchéification, libre ou porté par la MEA, l’élément d’étanchéification étant interposé entre une MEA de l’empilement et la plaque bipolaire en appui contre cette MEA dans la direction d’empilement. Plus précisément, les entretoises s’étendent depuis l’élément d’étanchéification vers l’intérieur de l’orifice de l’assemblage le plus proche. De préférence, une telle entretoise traverse l’un des orifices d’alimentation de plaque 51a, b ou c de la plaque bipolaire 12 qui sépare deux MEA 50 successives dans l’empilement 11. Lorsque la pile 10 est en fonctionnement, chaque entretoise est en appui contre les deux MEA 50 entre lesquelles elle est interposée. L’élément d’étanchéification est par exemple un joint, qui empêche au fluide réactif de circuler le long de la partie périphérique 52 à proximité de la portion en débord 65a, b ou c.
Selon une autre variante non représentée, les entretoises forment des paires d’entretoises, de telle sorte que deux entretoises d’une paire d’entretoises sont alignées dans la direction d’empilement et portées par la MEA, de part et d’autre de la MEA dans la direction d’empilement. De préférence, une telle entretoise est en appui contre la MEA et contre l’entretoise portée par la MEA suivante dans l’empilement.
Dans l’empilement 11 , les orifices d’alimentation de plaque et de l’assemblage 31a, b, c et 51 a, b, c et les orifices d’évacuation de plaque et de l’assemblage 33a, b, c et 53a, b, c forment ensemble respectivement des galeries d’alimentation 81 a, 81 b, 81 c et d’évacuation 83a, 83b et 83c, internes à l’empilement 11 , aussi dits « internal manifold » en anglais. En particulier, trois galeries d’alimentation 81 a, b, c et trois galeries d’évacuation 83a, b, c sont formées respectivement par les orifices d’alimentation de plaque et de l’assemblage 31a, b, c et 51 a, b, c et par les orifices d’alimentation de plaque et de l’assemblage 33a, b, c et 53a, b et c. De la même manière que pour les orifices, on définit des paires de galeries 89a, 89b et 89c, correspondant aux paires 39a, b, c et 59a, b, c des orifices de plaque 31 a, b, c et 33 a, b, c et de l’assemblage 51a, b, c et 53a, b, c. La description suivante ne décrit que la galerie d’alimentation 81a et la galerie d’évacuation 83a, mais est applicable aux galeries d’alimentation 81 b et 81c et d’évacuation 83b et 83c. Des sections utiles de la galerie d’alimentation 81 a sont définies par la plus petite section des orifices formant la galerie d’alimentation 81 a, c’est-à-dire la section des orifices d’alimentation de l’assemblage 51a. Des sections utiles de la galerie d’évacuation 83 sont définies par les sections des orifices d’évacuation de l’assemblage 53a, selon les plans P50. Ainsi, pour la paire de galerie 89a, les aires des sections utiles de la galerie d’alimentation 81 a sont inférieures aux aires des sections utiles de la galerie d’évacuation 83a, conséquence du fait que l’aire de la section de chaque orifice d’alimentation de l’assemblage 51a est inférieure à l’aire de la section de l’orifice d’évacuation de l’assemblage 53a.
Selon une variante non représentée, au sein d’un même empilement, les orifices d’alimentation de l’assemblage définissant ensemble une même galerie d’alimentation n’ont pas tous la même section. Par exemple, deux orifices d’alimentation de l’assemblage différents ont une aire de leur section différente. Ainsi, la galerie d’alimentation a des sections utiles variables le long de son extension selon la direction d’empilement. Les MEA sont par exemple organisées de telle sorte que les aires des sections des orifices d’alimentation de l’assemblage sont croissantes dans le sens de circulation de l’un des fluides fonctionnels. Cela permet de mieux optimiser le flux de fluide fonctionnel, puisqu’on plus d’adapter l’aire des sections utiles des galeries d’alimentation, la section utile est adaptée le long d’une même galerie.
Les galeries d’alimentation 81a, b, c sont respectivement reliées aux conduites d’alimentation 17a, b, c, qui alimentent les galeries d’alimentation 81a, b et c respectivement en hydrogène, en fluide de refroidissement et en air , et les galeries d’évacuation 83a, b, c sont respectivement reliées aux conduites d’évacuation 19a, b, c qui évacuent l’hydrogène , le fluide de refroidissement et l’air et éventuellement les produits de réaction, ce qui permet à la pile 10 de fonctionner et notamment de générer de l’électricité.
La figure 8 présente une forme de réalisation alternative d’une MEA 150. Les aspects de la MEA 150 qui sont identiques à ceux de la MEA 50 décrite dans les figures 1 à 6 sont référencés avec les mêmes signes de référence et ne sont pas décrits à nouveau en détail. La MEA 150 peut être utilisée de manière identique à la MEA 50, notamment en remplacement de la MEA 50 dans l’empilement 11 .
La MEA 150 diffère de la MEA 50 en ce qu’elle comprend des orifices d’alimentation de l’assemblage 151a, b, c, qui remplacent les orifices d’alimentation de l’assemblage 51a, b, c. Les orifices d’alimentation 151a, b, c sont respectivement délimités par un bord périphérique 157a, b, c, qui remplace les bords périphériques 57a, b, c. Les bords périphériques 157a, b, c sont des lignes brisées fermées, chaque bord périphérique 157a, b, c formant un polygone avec des coins.
Les orifices d’alimentation 151a, b, c sont pratiqués dans l’assemblage membrane électrode 150. Chaque orifice d’alimentation de l’assemblage 151 a, b et c délimite une section, parallèlement à un plan de la MEA P150.
Comme pour la MEA 50, dans la MEA 150, les orifices de l’assemblage 151 a, b, c et 53a, b et c, qui sont situés symétriquement à l’opposé l’un de l’autre par rapport à un axe central de MEA A150 parallèle à la direction d’empilement A11 et passant par un centre de MEA C150, forment des paires d’orifices de l’assemblage 159a, 159b et 159c, qui remplacent respectivement les paires d’orifices de l’assemblage 59a, b et c et sont respectivement similaires aux paires d’orifices de l’assemblage 59a, b et c. Ainsi, la MEA 150 comprend trois paires d’orifices de l’assemblage 159a, 159b et 159c. La description suivante ne décrit que la paire d’orifices 159a, mais cette description est valable pour les paires 159b et 159c. Pour au moins une paire d’orifices de l’assemblage 159a, les deux orifices de l’assemblage 151a et 53a appartenant à cette paire d’orifices de l’assemblage 159a sont asymétriques par rapport à l’axe central A150.
Pour la paire d’orifices de l’assemblage 159a, les deux orifices de l’assemblage 151 a et 53a sont avantageusement de géométrie différente avec, en particulier, une aire de la section de l’orifice d’alimentation de l’assemblage 151 a qui est inférieure à une aire de la section de l’orifice d’évacuation de l’assemblage 53a.
Avantageusement, l’aire de la section de l’orifice d’alimentation de l’assemblage 151 a est inférieure à l’aire de la section de l’orifice d’évacuation de l’assemblage 53a d’un facteur identique à ce qui a été décrit pour la MEA 50.
Le facteur de réduction entre les aires des sections des orifices d’alimentation et d’évacuation de l’assemblage 151 a, b, c et 53a, b et c peut être différent pour les différentes paires d’orifices de l’assemblage 159a, 159b et 159c, ainsi que décrit pour la MEA 50.
Le bord périphérique 157a, b, c de chaque orifice d’alimentation de l’assemblage 151 a, b, c comprend respectivement une portion superposée 164a, 164b, 164c et une portion en débord 165a, 165b, 165c. L’explication suivante est donnée pour la paire 159a, mais est également valable pour les paires 159b et 159c. La portion superposée 164a de l’orifice d’alimentation de l’assemblage 151 a est de forme identique à celle de la portion superposée 68a de l’orifice d’évacuation de l’assemblage 53a après une rotation de 180 degrés d’angle autour de l’axe central A150. Autrement dit, les portions superposées 164a et 68a sont symétriques selon une symétrie axiale par rapport à l’axe central A150. La portion en débord 165a est plus décalée vers l’intérieur de l’orifice d’alimentation de l’assemblage 151 a que ne l’est la portion en retrait 69a vers l’intérieur de l’orifice d’évacuation de l’assemblage 53a. Contrairement au mode de réalisation précédent illustré par la MEA 50, la portion en débord 165a de la MEA 150 est une ligne brisée formant un ou plusieurs coins. Selon une variante non représentée, la portion en débord peut être une ligne courbe.
Ainsi, les galeries d’alimentation 81a, b, c et d’évacuation 83a, b et c ont leurs sections utiles optimisées. Cela est réalisé grâce aux MEA 50 ou 150, et ne dépend pas de l’orientation des plaques bipolaires 12, qui sont agencées dans l’empilement 11 en étant symétriques selon une symétrie axiale par rapport à l’axe central A12 pour permettre l’utilisation des modules 18. Il est donc possible de combiner l’utilisation de modules 18 dont les broches 22, 25 sont insérées dans les poches 20, afin de surveiller l’état de l’empilement 11 , avec des galeries d’alimentation 81 optimisées afin d’améliorer un rendement de la pile 10.
Les modes de réalisation et les variantes mentionnées ci-dessus peuvent être combinés entre eux pour générer de nouveaux modes de réalisation de l’invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Empilement (11 ), pour une pile à combustible (10), l’empilement (11 ) comprenant : une plaque séparatrice (12), s’étendant parallèlement à un plan médian (P12), le plan médian (P12) étant perpendiculaire à une direction d’empilement (A1 1 ), la plaque séparatrice (12) comprenant : o un champ de circulation (36), et o une zone périphérique (35) qui entoure le champ de circulation (36) et qui comprend une paire d’orifices de plaque (39a, 39b, 39c), la paire d’orifices de plaque (39a, 39b, 39c) comprenant un orifice d’alimentation de plaque (31 a, 31 b, 31 c) et un orifice d’évacuation de plaque (33a, 33b, 33c), les orifices d’alimentation (31a, 31 b, 31c) et d’évacuation de plaque (33a, 33b, 33c) de la paire d’orifices de plaque (39a, 39b, 39c) étant reliés fluidiquement par le champ de circulation (36), de telle sorte qu’un fluide fonctionnel circulant à travers l’orifice d’alimentation de plaque (31 a, 31 b, 31c) circule également à travers l’orifice d’évacuation de plaque (33a, 33b, 33c) de la paire d’orifices de plaque (39a, 39b, 39c), et un assemblage membrane-électrode (50 ; 150), s’étendant parallèlement au plan médian (P12), étant superposé à la plaque séparatrice (12) et comprenant : o une partie centrale (56) en regard du champ de circulation (36) selon la direction d’empilement (A11 ), et o une partie périphérique (52), entourant la partie centrale (56), en regard de la zone périphérique (35) suivant la direction d’empilement (A11 ), la partie périphérique (52) comprenant une paire d’orifices de l’assemblage (59a, 59b, 59c ; 159a, 159b, 159c), la paire d’orifices de l’assemblage (59a, 59b, 59c ; 159a, 159b, 159c) comprenant un orifice d’alimentation de l’assemblage (51 a, 51 b, 51c ; 151 a, 151 b , 151c) et un orifice d’évacuation de l’assemblage (53a, 53b, 53c), les orifices d’alimentation de l’assemblage (51 a, 51 b, 51c ; 151 a, 151 b , 151c) et d’évacuation de l’assemblage (53a, 53b, 53c) étant respectivement superposés aux orifices d’alimentation et d’évacuation de plaque (31 a, 31 b, 31 c, 33a, 33b, 33c), de telle sorte que le fluide fonctionnel circulant à travers l’orifice d’alimentation (31a, 31b, 31c) de plaque et d’évacuation de plaque (33a, 33b, 33c) circule également à travers l’orifice d’alimentation de l’assemblage (51 a, 51 b, 51 c ; 151 a, 151 b , 151 c) et à travers l’orifice d’évacuation de l’assemblage (53a, 53b, 53c), chaque orifice d’assemblage et de plaque (51a, 51b, 51c, 53a, 53b, 53c, 31a, 31b, 31c, 33a, 33b, 33c ; 151a, 151b, 151c) délimitant une section, parallèlement au plan médian (P12), les orifices d’alimentation de plaque et de l’assemblage (31a, 31b, 31c, 51a, 51b 51c; 151a, 151b, 151c) superposés formant partie d’une galerie d’alimentation (81a, 81b, 81c) parallèle à la direction d’empilement (A11), afin que le fluide fonctionnel circulant dans la galerie d’alimentation (81a, 81b, 81c) alimente le champ de circulation (36), les orifices d’évacuation (33a, 33b, 33c, 53a, 53b, 53c) superposés formant partie d’une galerie d’évacuation (83a, 83b, 83c), parallèle à la direction d’empilement (A11), afin que le fluide fonctionnel ayant été admis dans le champ de circulation (36) depuis la galerie d’alimentation (81a, 81b, 81c) soit évacué par la galerie d’évacuation (83a, 83b, 83c), l’empilement (11) étant caractérisé en ce que :
- la paire d’orifices de plaque (39a, 39b, 39c) est symétrique par rotation de 180 degrés d’angle autour d’un axe central de plaque (A12) parallèle à la direction d’empilement (A11) et passant par un centre de plaque (C12), et les deux orifices de l’assemblage (51a, 51b, 51c ; 151a, 151b, 151c, 53a, 53b, 53c ; 153a, 153b, 153c) appartenant à la paire d’orifices de l’assemblage (59a, 59b, 59c, 159a, 159b, 159c) sont asymétriques par rapport à un axe central de MEA (A50, A150) parallèle à la direction d’empilement (A11) et passant par un centre de MEA (C50).
2. Empilement (11) selon la revendication 1, dans lequel une aire de la section de l’orifice d’alimentation de l’assemblage (51a, 51b, 51c ; 151a, 151b, 151c) est inférieure à une aire de la section de l’orifice d’évacuation de l’assemblage (53a, 53b, 53c), avantageusement d’un facteur compris entre 5% et 50%, de préférence entre 8% et 33%.
3. Empilement (11 ) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel : chaque orifice de l’assemblage (51a, 51b, 51c, 53a, 53b, 53c; 151a, 151b, 151c) est délimité par un bord périphérique (57a, 57b, 57c, 61 a, 61 b, 61 c ; 157a, 157b, 157c) respectif, formé par la partie périphérique (52), le bord périphérique (57a, 57b et 57c; 157a, 157b, 157c ) de l’orifice d’alimentation de l’assemblage (51a, 51b, 51c ; 151a, 151b, 151c) comprend une portion superposée (64a, 64b, 64c ; 164a, 164b, 164c) et une portion en débord (65a, 65b et 65c ; 165a, 165b, 165c), le bord périphérique (61 a, 61 b, 61c) de l’orifice d’évacuation de l’assemblage (53a, 53b, 53c) comprend une portion superposée (68a, 68b, 68c) et une portion en retrait (69a, 69b, 69c), la portion superposée (64a, 64b, 64c ; 164a, 164b, 164c) de l’orifice d’alimentation de l’assemblage (51 a, 51 b, 51 c ; 151 a, 151 b, 151 c) est de forme identique à celle de la portion superposée (68a, 68b, 68c) de l’orifice d’évacuation de l’assemblage (53a, 53b, 53c), et
- la portion en débord (65a, 65b et 65c ; 165a, 165b, 165c) étant plus décalée vers l’intérieur de l’orifice d’alimentation de l’assemblage (51 a, 51 b, 51 c ; 151 a, 151 b, 151 c) que ne l’est la portion en retrait (69a, 69b, 69c) vers l’intérieur de l’orifice d’évacuation de l’assemblage (53a, 53b, 53c).
4. Empilement (11 ) selon la revendication 3, dans lequel la portion superposée (64a, 64b, 64c ; 164a, 164b, 164c) de l’orifice d’alimentation de l’assemblage (51 a, 51 b, 51c ; 151 a, 151 b, 151 c) est disposée entre la portion en débord (65a, 65b et 65c ; 165a, 165b, 165c) et la partie centrale (56).
5. Empilement (11 ) selon la revendication 3 ou 4, dans lequel : le bord périphérique (61 a, 61 b, 61c) de l’orifice d’évacuation de l’assemblage (53a, 53b, 53c) forme des coins ; le bord périphérique (57a, 57b et 57c ) de l’orifice d’alimentation de l’assemblage (51 a, 51 b, 51c) forme des coins ; la portion en retrait (69a, 69b, 69c) forme au moins l’un des coins du bord périphérique (61a, 61 b, 61c) de l’orifice d’évacuation de l’assemblage (53a, 53b, 53c); et aucun des coins du bord périphérique (57a, 57b et 57c) de l’orifice d’alimentation de l’assemblage (51 a, 51 b, 51c) n’est formé par la portion en débord (65a, 65b et 65c).
6. Empilement (11 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la partie centrale (56) comprend une membrane polymère échangeuse de protons (58), la partie centrale (56) étant entourée par la partie périphérique (52) et étant superposée au champ de circulation (36) selon la direction d’empilement (A1 1 ).
7. Empilement (11 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la plaque séparatrice (12) est une plaque bipolaire (12) qui comprend une plaque polaire anodique (13B) et une plaque polaire cathodique (13A) superposées.
8. Empilement (11 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant plusieurs assemblages membrane-électrodes (50), et plusieurs plaques séparatrices (12), superposés alternativement dans la direction d’empilement (A11 ).
9. Empilement (1 1 ) selon la revendication 8, dans lequel les plaques séparatrices (12) sont identiques et, pour chaque plaque séparatrice (12) dans l’empilement (1 1 ), la plaque séparatrice (12) immédiatement successive dans l’empilement (1 1 ) selon la direction d’empilement (A1 1 ), est disposée, par rapport à ladite plaque séparatrice (12), dans une position pivotée de 180 degrés d’angle autour de l’axe central de plaque (A12).
10. Empilement (1 1 ) selon l’une des revendications 8 ou 9, qui comprend en outre un élément de rigidification (80) ou d’étanchéification, qui est interposé entre, d’une part, la partie périphérique (52) de l’un des assemblages membrane-électrode (50 ; 150), à proximité de la portion en débord (65a, 65b et 65c ; 165a, 165b, 165c), et, d’autre part, la partie périphérique (52) de l’assemblage membrane-électrode (50 ; 150) immédiatement successive selon la direction d’empilement (A11 ), à proximité de la portion en débord (65a, 65b et 65c ; 165a, 165b, 165c), l’élément de rigidification (80) ou d’étanchéification traversant l’orifice d’alimentation de plaque (31 a, 31 b, 31 c) de la plaque séparatrice (12) qui sépare ces deux assemblages membrane-électrodes (50 ; 150).
11. Empilement (11 ) selon l’une des revendications 8 à 10, dans lequel les sections des orifices d’alimentation de l’assemblage (51 a, 51 b, 51 c ; 151 a, 151 b, 151 c) formant partie d’une même galerie d’alimentation (81a, 81 b, 81c) sont d’aire différente pour au moins deux assemblages membrane-électrodes (50 ; 150) différents de l’empilement (1 1 ).
12. Empilement (11 ) selon l’une quelconque des revendications 8 à 11 , dans lequel chaque plaque séparatrice (12) comprend un connecteur (20), sur un bord périphérique (21 ) de la plaque séparatrice (12), chaque connecteur (20) étant configuré pour recevoir une broche (22) d’un module (18) de mesure, et pour chaque plaque séparatrice (12) dans l’empilement (11 ), le connecteur (20) de la plaque séparatrice (12) et le connecteur(20) de la plaque séparatrice (12) immédiatement successive dans l’empilement (1 1 ) selon la direction d’empilement (A1 1 ), sont disposées symétriquement selon une symétrie axiale par rapport à l’axe central (A12).
13. Pile à combustible (10) comprenant un empilement (11 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
14. Pile à combustible (10) selon la revendication 13, comprenant en outre une conduite d’alimentation (17a, 17b, 17c) en fluide fonctionnel, branchée à la galerie d’alimentation (81 a, 81 b, 81 c) pour alimenter la galerie d’alimentation (81 a, 81 b, 81 c) en fluide fonctionnel, et une conduite d’évacuation (19a, 19b, 19c), branchée à la galerie d’évacuation (83a, 83b, 83c) pour évacuer le fluide fonctionnel de la galerie d’évacuation (83a, 83b, 83c), les conduites d’alimentation et d’évacuations (81 a, 81 b, 81c, 83a, 83b, 83c) étant branchées à une même extrémité de l’empilement (11 ).
15. Véhicule comprenant au moins une pile à combustible (10) selon la revendication précédente.
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