PLAQUE BIPOLAIRE POUR PILE A COMBUSTIBLEBIPOLAR PLATE FOR FUEL CELL
L'invention concerne le domaine des piles à combustibles. La pile à combustible apparaît de plus en plus comme le convertisseur d'énergie le plus propre et le plus efficace pour convertir l'énergie chimique en une énergie directement utilisable sous forme électrique et thermique. Son principe de fonctionnement est simple : il s'agit d'une combustion électrochimique et contrôlée d'hydrogène et d'oxygène, avec production simultanée d'électricité, io d'eau et de chaleur, selon la réaction chimique : H2 + %02 H2O Cette réaction s'opère au sein d'une structure d'un empilement 1 de cellules électrochimiques 2, 3 de la pile représentée à la figure 1. Ces cellules 2, 3 sont connectées en série, de façon à atteindre la 15 tension de fonctionnement de la chaîne de traction du véhicule. Chacune des cellules 2, 3 comprend deux électrodes, dont une anode 7 et une cathode 8, auxquelles sont apportés un comburant et un combustible, qui restent séparées par une membrane échangeuse d'ions faisant office d'électrolyte 9. La membrane 9 20 échangeuse d'ions peut être formée d'un électrolyte 9 solide polymère et sépare le compartiment de l'anode 7, où se produit l'oxydation du combustible, tel que l'hydrogène, du compartiment de la cathode 8, où le comburant, tel que l'oxygène de l'air, est réduit. L'électricité produite par la pile à combustible se 25 décompose en plusieurs étapes. Il y a d'abord une consommation de l'hydrogène pour former des protons et des électrons à l'anode 7 selon la réaction suivante : H2 * 2H+ + 2e- Les protons et les électrons sont ensuite transférés 30 respectivement par l'électrolyte 9 et par les plaques bipolaires 4 ou 5. Un circuit extérieur 10 comprenant un moteur électrique 11 permet la circulation des électrons formés à l'anode 7 jusqu'à la cathode 8 où ils sont consommés. L'oxygène de l'air est enfin combiné avec les -2 protons et les électrons à la cathode 8 pour former de l'eau selon la réaction suivante : 02+2H++2e- * Hep Chaque cellule 2, 3 d'un empilement d'une pile à combustible est ainsi constituée d'un ensemble central comprenant la membrane 9, positionnée entre les deux électrodes 7, 8, cet ensemble 6 étant lui-même placé entre deux flasques, appelées plaques bipolaires 4, 5. Ces plaques 4, 5 ont, en particulier, pour fonction d'amener au contact de l'ensemble 6 réunissant la membrane 9 et les électrodes io 7, 8 d'un côté le carburant, par exemple de l'hydrogène, et de l'autre côté le comburant, par exemple l'oxygène de l'air. Pour ce faire, des canaux de distribution 17, 18 sont prévus sur toute la face des plaques polaires en contact avec la membrane 9. Dans la suite de la description, le canal de distribution situé du côté de l'anode 7 est 15 appelé canal anodique 17 et le canal de distribution du côté de la cathode 8 est appelé canal cathodique 18. Chaque canal de distribution 17, 18 possède une entrée par laquelle pénètre le comburant ou le carburant, par exemple sous la forme gazeuse sèche ou humide, et une sortie par laquelle sont évacués les gaz 20 neutres, l'eau générée par la réaction d'oxydo-réduction dans le côté air et l'humidité résiduelle de l'hydrogène de son côté. Généralement, les canaux de distribution 17, 18 sont gravés ou emboutis de façon à ce que les canaux anodiques 17 et les canaux cathodiques 18 coïncident d'un côté et de l'autre de 25 l'ensemble 6. Les réactifs arrivant par les canaux pénètrent à travers l'ensemble 6 pour réagir au niveau de la membrane 9. La densité de courant est généralement supérieure dans les zones de l'ensemble 6 correspondant aux canaux 17, 18. En d'autres termes, la réaction chimique se réalise face aux canaux 17, 18, où les réactifs arrivent 30 directement. La densité de courant n'est donc pas homogène sur la membrane 9. Différentes solutions ont été proposées de façon à essayer d'homogénéiser la distribution de densité de courant. Par exemple, le brevet US2005/0064263 propose une pile à combustible dont les -3 canaux anodiques et cathodiques sont ondulés et positionnés de telle façon que les espaces entre les canaux cathodiques sont plus petits que ceux des canaux anodiques. Néanmoins, ces agencements ne suffisent pas à améliorer considérablement les performances de la pile à combustible. Afin de pallier ces inconvénients, l'invention a pour objet d'améliorer les performances d'une pile à combustible. L'invention a aussi pour objet d'homogénéiser la distribution de la densité de courant sur la surface de la cellule d'une pile à io combustible. A cet effet, l'invention propose une pile à combustible comprenant au moins une membrane échangeuse d'ions, interposée entre une anode et une cathode, cet ensemble étant lui-même interposé entre deux plaques bipolaires qui comportent des canaux 15 de distribution anodiques et cathodiques, caractérisé en ce que les canaux anodiques et les canaux cathodiques ne sont pas situés face à face. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, un canal est situé en face d'un espace intercanal. The invention relates to the field of fuel cells. The fuel cell is increasingly emerging as the cleanest and most efficient energy converter for converting chemical energy into energy that can be used directly in electrical and thermal form. Its operating principle is simple: it is an electrochemical and controlled combustion of hydrogen and oxygen, with simultaneous production of electricity, water and heat, according to the chemical reaction: H2 +% 02 H2O This reaction takes place within a structure of a stack 1 of electrochemical cells 2, 3 of the cell shown in FIG. 1. These cells 2, 3 are connected in series, so as to reach the voltage of operation of the vehicle power train. Each of the cells 2, 3 comprises two electrodes, including an anode 7 and a cathode 8, to which are added an oxidant and a fuel, which remain separated by an ion exchange membrane acting as electrolyte 9. The exchanger membrane 9 of ions can be formed of a solid polymer electrolyte 9 and separates the compartment of the anode 7, where the oxidation of the fuel, such as hydrogen, the compartment of the cathode 8, where the oxidizer, such as that the oxygen of the air, is reduced. The electricity produced by the fuel cell is broken down into several stages. First there is a consumption of hydrogen to form protons and electrons at the anode 7 according to the following reaction: H2 * 2H + + 2e- The protons and the electrons are then transferred by the electrolyte 9 and by the bipolar plates 4 or 5. An external circuit 10 comprising an electric motor 11 allows the flow of the electrons formed at the anode 7 to the cathode 8 where they are consumed. The oxygen of the air is finally combined with the -2 protons and the electrons at the cathode 8 to form water according to the following reaction: O 2 + 2H ++ 2e- * Hep Each cell 2, 3 of a The stack of a fuel cell thus consists of a central assembly comprising the membrane 9, positioned between the two electrodes 7, 8, this assembly 6 being itself placed between two flanges, called bipolar plates 4, 5. These plates 4, 5 have, in particular, the function of bringing into contact with the assembly 6 joining the membrane 9 and the electrodes 7, 8 on one side the fuel, for example hydrogen, and the other the oxidant side, for example the oxygen of the air. To do this, distribution channels 17, 18 are provided on the entire face of the pole plates in contact with the membrane 9. In the following description, the distribution channel located on the side of the anode 7 is called channel anode 17 and the distribution channel on the cathode side 8 is called cathode channel 18. Each distribution channel 17, 18 has an inlet through which the oxidant or the fuel enters, for example in the gaseous dry or wet form, and The outlet through which are evacuated the neutral gases, the water generated by the oxidation-reduction reaction in the air side and the residual moisture of the hydrogen on its side. Generally, the distribution channels 17, 18 are etched or stamped so that the anode channels 17 and the cathode channels 18 coincide on one side and the other of the assembly 6. The reagents arriving through the channels penetrate through the assembly 6 to react at the level of the membrane 9. The current density is generally higher in the areas of the assembly 6 corresponding to the channels 17, 18. In other words, the chemical reaction is carried out in the face at channels 17, 18, where reagents arrive directly. The current density is therefore not homogeneous on the membrane 9. Various solutions have been proposed so as to try to homogenize the current density distribution. For example, patent US2005 / 0064263 proposes a fuel cell whose -3 anode and cathode channels are corrugated and positioned in such a way that the spaces between the cathode channels are smaller than those of the anode channels. Nevertheless, these arrangements are not sufficient to significantly improve the performance of the fuel cell. In order to overcome these drawbacks, the object of the invention is to improve the performance of a fuel cell. The object of the invention is also to homogenize the distribution of the current density on the surface of the cell of a fuel cell. For this purpose, the invention proposes a fuel cell comprising at least one ion exchange membrane, interposed between an anode and a cathode, this assembly being itself interposed between two bipolar plates which comprise anodic distribution channels and cathodic, characterized in that the anode channels and the cathode channels are not located face to face. According to other features of the invention, a channel is located opposite an interchannel space.
20 Selon d'autres caractéristiques de l'invention, la dimension d'un canal est sensiblement supérieure ou égale à la dimension d'un espace intercanal. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, la dimension d'un espace intercanal et la dimension d'un canal sont sensiblement 25 identiques. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'exemples de réalisation en référence aux figures annexées. La figure 1 représente schématiquement une pile à 30 combustible de l'état de la technique. La figure 2 représente une vue en coupe longitudinale d'une pile à combustible selon un premier mode de réalisation de l'invention. -4 La figure 3 représente une vue en coupe longitudinale d'une pile à combustible selon un second mode de réalisation de l'invention. Dans la description qui suit, nous prendrons à titre non limitatif une orientation longitudinale, verticale et transversale indiquée par le trièdre L, V, T des figures 1 à 3. Des éléments identiques ou analogues sont désignés par les mêmes chiffres de référence. Dans l'état de la technique, telle que représentée à la figure io 1, une pile à combustible a été décrite précédemment. Telle que représentée aux figures 2 et 3, une pile à combustible comprend, de la même façon que dans l'état de la technique, deux cellules électrochimiques 2, 3. Chaque cellule 2, 3 comprend un ensemble formé par une anode 7, une cathode 8 et un 15 électrolyte 9 situé entre l'anode 7 et la cathode 8. L'ensemble formé par l'anode 7, l'électrolyte 9 et la cathode 8 est placé entre deux plaques bipolaires 4, 5 dans lesquelles circulent les réactifs de la réaction d'oxydo-réduction via les canaux de distribution 17, 18. L'invention propose d'agencer les canaux anodiques 17 et 20 les canaux cathodiques 18 de telle manière qu'ils soient décalés les uns par rapport aux autres dans une vue en coupe selon l'axe longitudinal L. En d'autres termes, les canaux anodiques 17 et les canaux cathodiques 18 ne sont pas agencés face à face dans une vue en coupe selon l'axe longitudinal L.According to other features of the invention, the dimension of a channel is substantially greater than or equal to the size of an interchannel space. According to other features of the invention, the size of an interchannel space and the dimension of a channel are substantially the same. Other features and advantages of the invention will appear on reading the description of exemplary embodiments with reference to the appended figures. Figure 1 schematically shows a fuel cell of the state of the art. Figure 2 shows a longitudinal sectional view of a fuel cell according to a first embodiment of the invention. Figure 3 shows a longitudinal sectional view of a fuel cell according to a second embodiment of the invention. In the following description, we will take a non-limiting longitudinal orientation, vertical and transverse indicated by the trihedron L, V, T of Figures 1 to 3. Identical elements or the like are designated by the same reference numerals. In the state of the art, as shown in FIG. 1, a fuel cell has been described previously. As shown in FIGS. 2 and 3, a fuel cell comprises, in the same way as in the state of the art, two electrochemical cells 2, 3. Each cell 2, 3 comprises an assembly formed by an anode 7, a cathode 8 and an electrolyte 9 located between the anode 7 and the cathode 8. The assembly formed by the anode 7, the electrolyte 9 and the cathode 8 is placed between two bipolar plates 4, 5 in which the reagents circulate. of the oxidation-reduction reaction via the distribution channels 17, 18. The invention proposes to arrange the anode channels 17 and 20 the cathode channels 18 so that they are offset with respect to each other in a sectional view along the longitudinal axis L. In other words, the anode channels 17 and the cathode channels 18 are not arranged face to face in a sectional view along the longitudinal axis L.
25 Selon un premier mode de réalisation de l'invention, tel que représenté à la figure 2, chaque canal anodique 17 est positionné face à un espace situé entre deux canaux cathodiques, appelé espace intercanal 14. De la même façon, chaque canal cathodique 18 est positionné face à un espace intercanal 14. Tel que représenté 30 à la figure 2, l'épaisseur d'un canal anodique 17, l'épaisseur d'un canal cathodique 18 et la distance entre deux canaux anodiques 17 ou cathodiques 18 correspondant à l'intercanal 14 sont sensiblement égales. -5 Selon un second mode de réalisation de l'invention, tel que représenté à la figure 3, l'épaisseur d'un canal anodique 17, l'épaisseur d'un canal cathodique 18 sont sensiblement égales et plus grandes que la distance entre deux canaux anodiques 17 ou cathodiques 18 correspondant à l'intercanal 14. Dans ce cas, un canal anodique 17 est situé face à un intercanal 14 et une partie de deux canaux cathodiques 18. De la même façon, un canal cathodique 18 est situé face à un intercanal 14 et une partie de deux canaux anodiques 17. io L'invention permet ainsi de mieux répartir l'utilisation de la surface de la membrane 9. De cette façon, la réaction d'oxydoréduction est plus uniforme sur la membrane 9 ce qui a pour effet d'homogénéiser la production de la densité de courant sur la membrane 9. Ainsi, la distribution de la densité de courant et la 15 distribution de puissance thermique dégagée par la réaction sont plus homogènes sur les plaques bipolaires. Par ailleurs, la production d'eau est elle aussi plus uniforme ce qui facilite son évacuation. 20According to a first embodiment of the invention, as represented in FIG. 2, each anode channel 17 is positioned facing a space situated between two cathode channels, called interchannel space 14. In the same way, each cathode channel 18 is positioned opposite an interchannel space 14. As shown in FIG. 2, the thickness of an anode channel 17, the thickness of a cathode channel 18 and the distance between two anodic channels 17 or cathodic channels 18 corresponding to intercanal 14 are substantially equal. According to a second embodiment of the invention, as represented in FIG. 3, the thickness of an anode channel 17 and the thickness of a cathode channel 18 are substantially equal and larger than the distance between two anodic channels 17 or cathodic 18 corresponding to the intercanal 14. In this case, an anode channel 17 is located opposite an intercanal 14 and a portion of two cathode channels 18. Similarly, a cathode channel 18 is located face The invention thus makes it possible to better distribute the use of the surface of the membrane 9. In this way, the oxidation-reduction reaction is more uniform on the membrane 9. which has the effect of homogenizing the production of the current density on the membrane 9. Thus, the distribution of the current density and the thermal power distribution released by the reaction are more homogeneous on the bipolar plates. In addition, the production of water is also more uniform which facilitates its evacuation. 20