FR3091416A1 - BIPOLAR PLATE WITH A HOMOGENEIZATION ZONE LIMITING SHORT-CIRCUIT FLOW RATES - Google Patents
BIPOLAR PLATE WITH A HOMOGENEIZATION ZONE LIMITING SHORT-CIRCUIT FLOW RATES Download PDFInfo
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Abstract
L’invention concerne une plaque bipolaire (5) avec : -une zone réactive (619) comportant des premiers canaux (618) sur la première face externe s’étendant selon une direction longitudinale; -une zone d’homogénéisation (614) comportant des deuxièmes canaux (641) sur la première face externe, liés aux premiers canaux (618) et à un collecteur d’écoulement de fluide (596), un desdits deuxièmes canaux (643) étant disposé à une première extrémité transversale (65) de la zone d’homogénéisation (614), d’autres deuxièmes canaux (641) étant répartis transversalement dans une zone médiane (67); et ; -une première nervure (71) sur le côté de la zone d’homogénéisation (614), le long du deuxième canal disposé à la première extrémité transversale de la zone d’homogénéisation (614) ; -la liaison entre le collecteur d’écoulement et ledit deuxième canal disposé à la première extrémité transversale (643) comporte une restriction d’écoulement par rapport aux deuxièmes canaux répartis dans la zone médiane. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 10The invention relates to a bipolar plate (5) with: - a reactive zone (619) comprising first channels (618) on the first external face extending in a longitudinal direction; -a homogenization zone (614) comprising second channels (641) on the first external face, linked to the first channels (618) and to a fluid flow collector (596), one of said second channels (643) being disposed at a first transverse end (65) of the homogenization zone (614), other second channels (641) being distributed transversely in a central zone (67); and; a first rib (71) on the side of the homogenization zone (614), along the second channel disposed at the first transverse end of the homogenization zone (614); the connection between the flow collector and said second channel disposed at the first transverse end (643) comprises a flow restriction with respect to the second channels distributed in the middle zone. Figure to be published with the abstract: Fig. 10
Description
DescriptionDescription
Titre de l’invention : PLAQUE BIPOLAIRE A ZONE D’HOMOGENEISATION LIMITANT LES DEBITS DE COURTCIRCUITTitle of the invention: BIPOLAR PLATE WITH A HOMOGENEIZATION ZONE LIMITING SHORTCRAFT FLOW RATES
[0001] L’invention concerne les réacteurs électrochimiques incluant un empilement de cellules électrochimiques, et plus particulièrement des plaques bipolaires d’un empilement avec des membranes échangeuses de protons. De tels réacteurs électrochimiques constituent par exemple des piles à combustible ou des électrolyseurs.The invention relates to electrochemical reactors including a stack of electrochemical cells, and more particularly bipolar plates of a stack with proton exchange membranes. Such electrochemical reactors constitute, for example, fuel cells or electrolysers.
[0002] Les piles à combustible sont notamment envisagées comme source d'énergie pour des véhicules automobiles produits à grande échelle dans le futur ou comme sources d’énergie auxiliaire dans l’aéronautique. Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui convertit de l'énergie chimique directement en énergie électrique. Une pile à combustible comprend un empilement en série de plusieurs cellules. Chaque cellule génère typiquement une tension de l'ordre de 1 Volt, et leur empilement permet de générer une tension d'alimentation d'un niveau plus élevé, par exemple de l'ordre d'une centaine de volts.Fuel cells are notably envisaged as an energy source for motor vehicles produced on a large scale in the future or as auxiliary energy sources in aeronautics. A fuel cell is an electrochemical device that converts chemical energy directly into electrical energy. A fuel cell comprises a stack in series of several cells. Each cell typically generates a voltage of the order of 1 Volt, and their stacking makes it possible to generate a supply voltage of a higher level, for example of the order of a hundred volts.
[0003] Parmi les types de piles à combustible connus, on peut notamment citer la pile à combustible à membrane échangeuse de protons, dite PEM, fonctionnant à basse température. De telles piles à combustible présentent des propriétés de compacité particulièrement intéressantes. Chaque cellule comprend une membrane électrolytique permettant seulement le passage de protons et non le passage des électrons. La membrane comprend une anode sur une première face et une cathode sur une deuxième face pour former un assemblage membrane/électrodes dit AME.Among the types of known fuel cells, there may be mentioned in particular the fuel cell with a proton exchange membrane, called PEM, operating at low temperature. Such fuel cells have particularly advantageous compactness properties. Each cell includes an electrolytic membrane allowing only the passage of protons and not the passage of electrons. The membrane comprises an anode on a first face and a cathode on a second face to form a membrane / electrode assembly called AME.
[0004] Au niveau de l'anode, du dihydrogène utilisé comme carburant est oxydé pour produire des protons traversant la membrane. La membrane forme ainsi un conducteur ionique. Les électrons produits par cette réaction migrent vers une plaque d’écoulement, puis traversent un circuit électrique externe à la cellule pour former un courant électrique. Au niveau de la cathode, de l'oxygène est réduit et réagit avec les protons pour former de l'eau.[0004] At the anode, dihydrogen used as fuel is oxidized to produce protons crossing the membrane. The membrane thus forms an ionic conductor. The electrons produced by this reaction migrate towards a flow plate, then cross an electrical circuit external to the cell to form an electric current. At the cathode, oxygen is reduced and reacts with the protons to form water.
[0005] La pile à combustible peut comprendre plusieurs plaques dites bipolaires, par exemple en métal, empilées les unes sur les autres. La membrane est disposée entre deux plaques bipolaires. Les plaques bipolaires peuvent comprendre des canaux et orifices d’écoulement pour guider en continu les réactifs et les produits vers/depuis la membrane. Les plaques bipolaires comprennent aussi des canaux d’écoulement pour guider du liquide de refroidissement évacuant la chaleur produite. Les produits de réaction et les espèces non réactives sont évacués par entraînement par l’écoulement jusqu’à la sortie des réseaux de canaux d’écoulement. Les canaux d’écoulement des différents écoulements sont séparés par l’intermédiaire des plaques bipolaires notamment.The fuel cell can comprise several so-called bipolar plates, for example made of metal, stacked on top of each other. The membrane is arranged between two bipolar plates. Bipolar plates can include flow channels and ports to continuously guide reagents and products to / from the membrane. The bipolar plates also include flow channels for guiding coolant to dissipate the heat produced. The reaction products and non-reactive species are evacuated by flow entrainment to the exit of the flow channel networks. The flow channels of the different flows are separated by means of bipolar plates in particular.
[0006] Les plaques bipolaires sont également électriquement conductrices pour collecter des électrons générés au niveau de l’anode. Les plaques bipolaires ont également une fonction mécanique de transmission des efforts de serrage de l’empilement, nécessaire à la qualité du contact électrique. Des couches de diffusion gazeuse sont interposées entre les électrodes et les plaques bipolaires et sont en contact avec les plaques bipolaires.Bipolar plates are also electrically conductive to collect electrons generated at the anode. The bipolar plates also have a mechanical function for transmitting the tightening forces of the stack, necessary for the quality of the electrical contact. Gas diffusion layers are interposed between the electrodes and the bipolar plates and are in contact with the bipolar plates.
[0007] Une conduction électronique est réalisée à travers les plaques bipolaires, une conduction ionique étant obtenue à travers la membrane.Electronic conduction is carried out through the bipolar plates, an ionic conduction being obtained through the membrane.
[0008] On distingue principalement trois modes de circulation des réactifs dans les canaux d’écoulement:There are mainly three modes of circulation of reagents in the flow channels:
[0009] -les canaux en serpentin: un ou plusieurs canaux parcourent l’ensemble de la surface active en plusieurs allers-retours.[0009] serpentine channels: one or more channels cover the entire active surface in several round trips.
[0010] -les canaux parallèles: un faisceau de canaux parallèles et traversants parcourent la surface active de part en part. Les canaux d’écoulement peuvent être rectilignes ou légèrement ondulés.[0010] the parallel channels: a bundle of parallel and through channels run through the active surface right through. The flow channels can be straight or slightly wavy.
[0011] -les canaux interdigités: un faisceau de canaux parallèles et bouchés parcourt la surface active de part en part. Chaque canal est bouché soit du côté de l’entrée, soit du côté de la sortie de fluide. Le fluide entrant dans un canal est alors contraint à traverser localement la couche de diffusion gazeuse pour rejoindre un canal adjacent et ensuite atteindre la sortie de fluide de ce canal adjacent.-Interdigitated channels: a bundle of parallel and blocked channels runs through the active surface right through. Each channel is blocked either on the inlet side or on the fluid outlet side. The fluid entering a channel is then forced to locally pass through the gas diffusion layer to reach an adjacent channel and then reach the fluid outlet of this adjacent channel.
[0012] Pour favoriser la compacité et les performances, la conception implique de réduire les dimensions des canaux d’écoulement. Le mode de circulation par canaux parallèles est alors généralement favorisé, pour limiter les pertes de charge dans de tels canaux d’écoulement de dimensions réduites, et éviter des problèmes d’écoulement de liquide de refroidissement pouvant conduire à des points chauds.To promote compactness and performance, the design involves reducing the dimensions of the flow channels. The mode of circulation by parallel channels is then generally favored, in order to limit the pressure drops in such flow channels of reduced dimensions, and to avoid problems with the flow of coolant which can lead to hot spots.
[0013] Avec des canaux d’écoulement parallèles, la distribution des réactifs aux électrodes doit être la plus homogène possible sur toute leur surface, sous peine d’altérer le fonctionnement du réacteur électrochimique. A cet effet, les plaques bipolaires comportant des canaux d’écoulement parallèles utilisent fréquemment des zones d’homogénéisation pour raccorder des collecteurs d’entrée et de sortie aux différents canaux d’écoulement des plaques bipolaires. Les réactifs sont amenés au contact des électrodes à partir de collecteurs d'entrée et les produits sont évacués à partir de collecteurs de sortie connectés aux différents canaux d’écoulement. Les collecteurs d'entrée et les collecteurs de sortie traversent généralement l’épaisseur de l'empilement de part en part. Les collecteurs d'entrée et de sortie sont usuellement obtenus par :With parallel flow channels, the distribution of reagents to the electrodes must be as homogeneous as possible over their entire surface, otherwise the operation of the electrochemical reactor may be impaired. For this purpose, bipolar plates having parallel flow channels frequently use homogenization zones to connect inlet and outlet manifolds to the different flow channels of the bipolar plates. The reagents are brought into contact with the electrodes from inlet collectors and the products are discharged from outlet collectors connected to the various flow channels. The inlet manifolds and the outlet manifolds generally pass through the thickness of the stack right through. The inlet and outlet manifolds are usually obtained by:
[0014] -des orifices respectifs traversant chaque plaque bipolaire à sa périphérie ;Respective ports passing through each bipolar plate at its periphery;
[0015] -des orifices respectifs traversant chaque membrane à sa périphérie ;Respective ports passing through each membrane at its periphery;
[0016] -par des joints, chacun interposé entre une plaque bipolaire et une membrane. Chaque joint entoure un orifice de sa membrane et un orifice de sa plaque bipolaire. La surface de contact avec une membrane est généralement plane pour bien maintenir cette membrane souple.-By seals, each interposed between a bipolar plate and a membrane. Each joint surrounds an orifice in its membrane and an orifice in its bipolar plate. The contact surface with a membrane is generally flat in order to properly maintain this flexible membrane.
[0017] Différentes solutions techniques sont connues pour mettre en communication les collecteurs d'entrée et de sortie avec les différents canaux d'écoulement. Il est notamment connu de réaliser des passages entre deux tôles métalliques d’une plaque bipolaire. Ces passages débouchent d'une part dans des orifices de collecteurs respectifs, et d'autre part dans des orifices d’injection. Une zone d’homogénéisation comprend des canaux qui mettent en communication des orifices d’injection avec des canaux d’écoulement.Different technical solutions are known for communicating the inlet and outlet collectors with the different flow channels. It is notably known to make passages between two metal sheets of a bipolar plate. These passages open on the one hand into respective manifold orifices, and on the other hand into injection orifices. A homogenization area includes channels which connect injection ports with flow channels.
[0018] La zone d’homogénéisation comprend usuellement : une zone de transfert de fluide de refroidissement, une zone d’homogénéisation de circuit de comburant et une zone d’homogénéisation de circuit de carburant superposées et débouchant respectivement vers un collecteur de liquide de refroidissement, un collecteur de circuit de comburant et un collecteur de circuit de carburant. Ces trois collecteurs étant nécessairement décalés pour être isolés les uns des autres, les canaux d’homogénéisation des circuits de carburant et de comburant présentent des orientations très différentes.The homogenization zone usually comprises: a coolant transfer zone, an oxidizer circuit homogenization zone and a superimposed fuel circuit homogenization zone and opening respectively to a coolant collector , an oxidizer circuit manifold and a fuel circuit manifold. These three collectors being necessarily offset to be isolated from each other, the homogenization channels of the fuel and oxidizer circuits have very different orientations.
[0019] Les différents joints sont définis pour entourer les collecteurs et ceinturer la zone d’homogénéisation. Ces joints visent à éviter des mélanges entre les différents écoulements ou des fuites vers l’extérieur. Ces joints sont formés sur des nervures. La formation de nervures dans des tôles embouties nécessite également de ménager des gorges sur le côté. De telles gorges peuvent être parcourues par un écoulement de réactif parasite de court-circuit. Cet écoulement de court-circuit rejoint l’écoulement principal sur les bords de la zone d’homogénéisation, induisant une disparité de débit de réactif. Par ailleurs, du fait des tolérances de fabrication des tôles embouties, d’autres écoulements parasites peuvent être ménagés, par exemple entre les joints des différents collecteurs.The different joints are defined to surround the collectors and surround the homogenization zone. These joints are intended to avoid mixtures between the different flows or leaks to the outside. These joints are formed on ribs. The formation of ribs in stamped sheets also requires providing grooves on the side. Such grooves can be traversed by a flow of parasitic short-circuit reagent. This short circuit flow joins the main flow at the edges of the homogenization zone, inducing a disparity in reagent flow. Furthermore, due to the manufacturing tolerances of the stamped sheets, other parasitic flows can be provided, for example between the joints of the various collectors.
[0020] L’invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L’invention porte ainsi sur une plaque bipolaire pour réacteur électrochimique comprenant des première et deuxième faces externes conductrices opposées, comportant :The invention aims to solve one or more of these drawbacks. The invention thus relates to a bipolar plate for an electrochemical reactor comprising first and second opposite conductive external faces, comprising:
[0021] -un collecteur d’écoulement de fluide ;A fluid flow collector;
[0022] -une zone réactive comportant des premiers canaux d’écoulement sur la première face externe s’étendant selon une direction longitudinale;A reactive zone comprising first flow channels on the first external face extending in a longitudinal direction;
[0023] -une zone d’homogénéisation comportant des deuxièmes canaux d’écoulement sur la première face externe ayant d’une part une liaison avec les premiers canaux d’écoulement et d’autre part une liaison avec le collecteur d’écoulement de fluide, un desdits deuxièmes canaux d’écoulement étant disposé à une première extrémité transversale de la zone d’homogénéisation, d’autres deuxièmes canaux d’écoulement étant répartis transversalement dans une zone médiane de la zone d’homogénéisation ; et ;A homogenization zone comprising second flow channels on the first external face having on the one hand a connection with the first flow channels and on the other hand a connection with the fluid flow collector , one of said second flow channels being disposed at a first transverse end of the homogenization zone, other second flow channels being distributed transversely in a middle zone of the homogenization zone; and;
[0024] -une première nervure s’étendant sur le côté de la zone d’homogénéisation, au moins partiellement le long du deuxième canal d’écoulement disposé à la première extrémité transversale de la zone d’homogénéisation ;A first rib extending on the side of the homogenization zone, at least partially along the second flow channel disposed at the first transverse end of the homogenization zone;
[0025] -la liaison entre le collecteur d’écoulement de fluide et ledit deuxième canal d’écoulement disposé à la première extrémité transversale comporte une restriction d’écoulement par rapport aux deuxièmes canaux d’écoulement répartis dans la zone médiane.-The connection between the fluid flow manifold and said second flow channel disposed at the first transverse end has a flow restriction with respect to the second flow channels distributed in the middle zone.
[0026] L’invention porte également sur les variantes suivantes. L’homme du métier comprendra que chacune des caractéristiques des variantes suivantes peut être combinée indépendamment aux caractéristiques ci-dessus, sans pour autant constituer une généralisation intermédiaire.The invention also relates to the following variants. Those skilled in the art will understand that each of the characteristics of the following variants can be combined independently with the above characteristics, without however constituting an intermediate generalization.
[0027] Selon une variante, ladite restriction d’écoulement inclut une excroissance d’une paroi latérale de délimitation de la zone d’homogénéisation, venant en vis-à-vis dudit deuxième canal d’écoulement disposé à la première extrémité transversale.Alternatively, said flow restriction includes a projection of a side wall delimiting the homogenization zone, facing said second flow channel disposed at the first transverse end.
[0028] Selon encore une variante, ladite restriction d’écoulement inclut un bossage s’étendant sur une partie de la hauteur du deuxième canal d’écoulement disposé à la première extrémité transversale.According to yet another variant, said flow restriction includes a boss extending over part of the height of the second flow channel disposed at the first transverse end.
[0029] Selon une autre variante, lesdits premiers canaux d’écoulement sont des canaux parallèles s’étendant sans point de rebroussement à travers la zone réactive.According to another variant, said first flow channels are parallel channels extending without a cusp through the reactive zone.
[0030] Selon encore une autre variante, la première face externe conductrice appartient à une tôle emboutie dont des reliefs définissent les premier et deuxième canaux d’écoulement.According to yet another variant, the first conductive external face belongs to a stamped sheet metal with reliefs defining the first and second flow channels.
[0031] Selon une variante, les reliefs de la tôle emboutie définissent la première nervure, la première nervure étant séparée de la zone d’homogénéisation par une gorge.Alternatively, the reliefs of the stamped sheet define the first rib, the first rib being separated from the homogenization zone by a groove.
[0032] Selon une variante, ladite tôle est en métal conducteur.Alternatively, said sheet is of conductive metal.
[0033] Selon encore une variante, la plaque bipolaire comprend en outre :According to another variant, the bipolar plate further comprises:
[0034] -un autre collecteur d’écoulement de fluide ;Another fluid flow collector;
[0035] -une autre zone d’homogénéisation comportant des troisièmes canaux d’écoulement sur la première face externe ayant d’une part une liaison avec les premiers canaux d’écoulement et d’autre part une liaison avec l’autre collecteur d’écoulement de fluide, la zone réactive étant disposée entre lesdites zones d’homogénéisation, un desdits troisièmes canaux d’écoulement étant disposé à une première extrémité transversale de l’autre zone d’homogénéisation, les premières extrémités transversales des zones d’homogénéisation étant disposées à l’opposée l’une de l’autre selon la direction transversale, d’autres troisièmes canaux d’écoulement étant répartis transversalement dans une zone médiane de l’autre zone d’homogénéisation ; et ;Another homogenization zone comprising third flow channels on the first external face having on the one hand a connection with the first flow channels and on the other hand a connection with the other collector of fluid flow, the reactive zone being disposed between said homogenization zones, one of said third flow channels being disposed at a first transverse end of the other homogenization zone, the first transverse ends of the homogenization zones being disposed opposite each other in the transverse direction, other third flow channels being distributed transversely in a middle zone of the other homogenization zone; and;
[0036] -une deuxième nervure s’étendant sur le côté de l’autre zone d’homogénéisation, au moins partiellement le long du troisième canal d’écoulement disposé à la première extrémité transversale de l’autre zone d’homogénéisation ;A second rib extending on the side of the other homogenization zone, at least partially along the third flow channel disposed at the first transverse end of the other homogenization zone;
[0037] -la liaison entre l’autre collecteur d’écoulement de fluide et ledit troisième canal d’écoulement disposé à la première extrémité transversale comporte une restriction d’écoulement par rapport aux troisièmes canaux d’écoulement répartis dans la zone médiane.-The connection between the other fluid flow manifold and said third flow channel disposed at the first transverse end has a flow restriction with respect to the third flow channels distributed in the middle zone.
[0038] Selon une autre variante, la plaque comporte un joint disposé sur ladite première nervure.In another variant, the plate has a seal disposed on said first rib.
[0039] Selon encore une autre variante, la restriction d’écoulement est formée par un élément rapporté en matériau élastomère.According to yet another variant, the flow restriction is formed by an insert made of elastomeric material.
[0040] Selon une variante, ledit élément rapporté et ledit joint sont formés d’un même matériau.Alternatively, said insert and said seal are made of the same material.
[0041] Selon une autre variante, la première nervure s’étend sur le côté de la zone d’homogénéisation, le long de l’intégralité du deuxième canal d’écoulement disposé à la première extrémité transversale de la zone d’homogénéisation.According to another variant, the first rib extends on the side of the homogenization zone, along the entire second flow channel disposed at the first transverse end of the homogenization zone.
[0042] L’invention concerne également un procédé de fabrication d’une plaque bipolaire, comprenant les étapes de :The invention also relates to a process for manufacturing a bipolar plate, comprising the steps of:
[0043] -former un collecteur d’écoulement de fluide ;-Form a fluid flow manifold;
[0044] -par emboutissage d’une tôle comportant des première et deuxième faces externes conductrices opposées, former :By stamping a sheet comprising first and second opposite conductive external faces, forming:
[0045] -une zone réactive comportant des premiers canaux d’écoulement sur la première face externe s’étendant selon une direction longitudinale;A reactive zone comprising first flow channels on the first external face extending in a longitudinal direction;
[0046] -une zone d’homogénéisation comportant des deuxièmes canaux d’écoulement sur la première face externe ayant d’une part une liaison avec les premiers canaux d’écoulement et d’autre part une liaison avec le collecteur d’écoulement de fluide, un desdits deuxièmes canaux d’écoulement étant disposé à une première extrémité transversale de la zone d’homogénéisation, d’autres deuxièmes canaux d’écoulement étant répartis transversalement dans une zone médiane de la zone d’homogénéisation ; et ;A homogenization zone comprising second flow channels on the first external face having on the one hand a connection with the first flow channels and on the other hand a connection with the fluid flow collector , one of said second flow channels being disposed at a first transverse end of the homogenization zone, other second flow channels being distributed transversely in a middle zone of the homogenization zone; and;
[0047] -une première nervure s’étendant sur le côté de la zone d’homogénéisation, le long du deuxième canal d’écoulement disposé à la première extrémité transversale de la zone d’homogénéisation ;A first rib extending on the side of the homogenization zone, along the second flow channel disposed at the first transverse end of the homogenization zone;
[0048] -une liaison entre le collecteur d’écoulement de fluide et ledit deuxième canal d’écoulement disposé à la première extrémité transversale, la liaison comportant une restriction d’écoulement par rapport aux deuxièmes canaux d’écoulement répartis dans la zone médiane.A connection between the fluid flow collector and said second flow channel disposed at the first transverse end, the connection comprising a flow restriction with respect to the second flow channels distributed in the middle zone.
[0049] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :Other characteristics and advantages of the invention will emerge clearly from the description which is given below, for information and in no way limitative, with reference to the appended drawings, in which:
[0050] [fig.l] est une vue en perspective éclatée d'un exemple d'empilement d'assemblages membrane/électrodes et de plaques bipolaires pour une pile à combustible;[Fig.l] is an exploded perspective view of an example of stacking membrane / electrode assemblies and bipolar plates for a fuel cell;
[0051] [fig-2] est une vue en perspective éclatée de plaques bipolaires et d'un assemblage membrane/électrodes destinés à être empilés pour former des collecteurs d’écoulement à travers l'empilement ;[Fig-2] is an exploded perspective view of bipolar plates and of a membrane / electrode assembly intended to be stacked to form flow collectors through the stack;
[0052] [fig.3] est une vue partielle de dessus d'une face d'une plaque bipolaire selon un premier exemple de mise en œuvre;[Fig.3] is a partial top view of a face of a bipolar plate according to a first example of implementation;
[0053] [fig-4] est une vue en coupe d'un empilement incluant des plaques bipolaires ;[Fig-4] is a sectional view of a stack including bipolar plates;
[0054] [fig-5] est un diagramme illustrant les pressions d'entrée au niveau de différents canaux d'écoulement selon différentes configurations ;[Fig-5] is a diagram illustrating the inlet pressures at the level of different flow channels according to different configurations;
[0055] [fig.6] est une vue de dessus d’un exemple de tôle de plaque bipolaire selon un exemple de conception de zone d'homogénéisation ;[Fig.6] is a top view of an example of a bipolar plate sheet according to an example of homogenization zone design;
[0056] [fig.7] est une vue de dessus d’un exemple de tôle de plaque bipolaire selon un autre exemple de conception de zone d'homogénéisation ;[Fig.7] is a top view of an example of a bipolar plate sheet according to another example of homogenization zone design;
[0057] [fig.8] est une vue de dessus d’un exemple de tôle de plaque bipolaire selon encore un exemple de conception de zone d'homogénéisation ;[Fig.8] is a top view of an example of a bipolar plate sheet according to another example of a homogenization zone design;
[0058] [fig.9] est une est une vue partielle de dessus d'une face d'une plaque bipolaire selon un deuxième exemple de mise en œuvre ;[Fig.9] is a is a partial top view of a face of a bipolar plate according to a second example of implementation;
[0059] [fig.10] est une vue de dessus d’une plaque bipolaire selon un premier exemple de mode de réalisation de l’invention ;[Fig.10] is a top view of a bipolar plate according to a first exemplary embodiment of the invention;
[0060] [fig.l 1] est une vue en perspective d’une plaque bipolaire selon un deuxième exemple de mode de réalisation de l’invention ;[Fig.l 1] is a perspective view of a bipolar plate according to a second example of embodiment of the invention;
[0061] [fig. 12] est une vue en perspective d’une plaque bipolaire selon un troisième exemple de mode de réalisation de l’invention.[Fig. 12] is a perspective view of a bipolar plate according to a third exemplary embodiment of the invention.
[0062] La figure 1 est une vue en perspective éclatée schématique d’un empilement de cellules 1 d'une pile à combustible 4. La pile à combustible 4 comprend plusieurs cellules 1 superposées. Les cellules 1 sont du type à membrane échangeuse de protons ou membrane à électrolyte polymère.Figure 1 is a schematic exploded perspective view of a stack of cells 1 of a fuel cell 4. The fuel cell 4 comprises several cells 1 superimposed. Cells 1 are of the proton exchange membrane or polymer electrolyte membrane type.
[0063] La pile à combustible 4 comprend une source de carburant 40. La source de carburant 40 alimente ici en dihydrogène une entrée de chaque cellule 1. La pile à combustible 4 comprend également une source de comburant 42. La source de comburant 42 alimente ici en air une entrée de chaque cellule 1, l'oxygène de l’air étant utilisé comme oxydant. Chaque cellule 1 comprend également des canaux d'échappement. Une ou plusieurs cellules 1 présentent également un circuit de refroi7 dissement.The fuel cell 4 comprises a fuel source 40. The fuel source 40 here supplies dihydrogen to an inlet of each cell 1. The fuel cell 4 also includes a source of oxidant 42. The source of oxidant 42 supplies here in air an inlet of each cell 1, the oxygen of the air being used as oxidant. Each cell 1 also includes exhaust channels. One or more cells 1 also have a cooling circuit.
[0064] Chaque cellule 1 comprend un assemblage membrane/électrodes 110 ou AME 110. Un assemblage membrane/électrodes 110 comprend un électrolyte 113, une cathode (non illustrée) et une anode 111 placées de part et d’autre de l’électrolyte et fixées sur cet électrolyte 113. La couche d'électrolyte 113 forme une membrane semi-perméable permettant une conduction protonique tout en étant imperméable aux gaz présents dans la cellule. La couche d’électrolyte empêche également un passage des électrons entre l’anode 111 et la cathode.Each cell 1 comprises a membrane / electrode 110 or AME 110 assembly. A membrane / electrode 110 assembly includes an electrolyte 113, a cathode (not shown) and an anode 111 placed on either side of the electrolyte and fixed to this electrolyte 113. The electrolyte layer 113 forms a semi-permeable membrane allowing proton conduction while being impermeable to the gases present in the cell. The electrolyte layer also prevents passage of electrons between the anode 111 and the cathode.
[0065] Entre chaque couple d’AME adjacents, une plaque bipolaire 5 est disposée. Chaque plaque bipolaire 5 définit des canaux d'écoulement anodiques et des canaux d'écoulement cathodiques sur des faces externes opposées. Des plaques bipolaires 5 définissent avantageusement également des canaux d'écoulement de liquide de refroidissement entre deux assemblages membrane/électrodes successifs. Les plaques bipolaires 5 peuvent être formées chacune de façon connue en soi à partir de deux tôles métalliques conductrices assemblées, par exemple en acier inoxydable, ou en alliage de titane, en alliage d’aluminium, en alliage de nickel ou en alliage de tantale. Chaque tôle définit alors une face externe respective. Les plaques bipolaires 5 peuvent également être obtenues par tout autre procédé, par exemple le moulage ou l’injection à partir de composites carbone-polymère. Les plaques bipolaires 5 peuvent ainsi également être formées d’un seul tenant. Les faces externes de la plaque bipolaire 5 sont alors définies par une telle pièce d’un seul tenant.Between each pair of adjacent AMEs, a bipolar plate 5 is arranged. Each bipolar plate 5 defines anode flow channels and cathode flow channels on opposite external faces. Bipolar plates 5 advantageously also define coolant flow channels between two successive membrane / electrode assemblies. The bipolar plates 5 can each be formed in a manner known per se from two assembled conductive metal sheets, for example made of stainless steel, or of titanium alloy, aluminum alloy, nickel alloy or tantalum alloy. Each sheet then defines a respective external face. The bipolar plates 5 can also be obtained by any other process, for example molding or injection from carbon-polymer composites. The bipolar plates 5 can thus also be formed in one piece. The external faces of the bipolar plate 5 are then defined by such a piece in one piece.
[0066] L'empilement peut également comprendre des joints d'étanchéité périphériques et des renforts de membrane non illustrés ici. Chaque cellule 1 peut en outre comprendre une couche de diffusion de gaz (non illustrée) disposée entre l'anode et une plaque bipolaire, et une autre couche de diffusion de gaz disposée entre la cathode et une autre plaque bipolaire.The stack may also include peripheral seals and membrane reinforcements not shown here. Each cell 1 may further comprise a gas diffusion layer (not shown) disposed between the anode and a bipolar plate, and another gas diffusion layer disposed between the cathode and another bipolar plate.
[0067] De façon connue en soi, durant le fonctionnement de la pile à combustible 4, de l'air s'écoule entre une AME et une plaque bipolaire, et du dihydrogène s'écoule entre cette AME et une autre plaque bipolaire. Au niveau de l'anode, le dihydrogène est oxydé pour produire des protons qui traversent ΓΑΜΕ. Les électrons produits par cette réaction sont collectés par une plaque bipolaire 5. Les électrons produits sont ensuite appliqués sur une charge électrique connectée à la pile à combustible 1 pour former un courant électrique. Au niveau de la cathode, de l'oxygène est réduit et réagit avec les protons pour former de l'eau.In a manner known per se, during the operation of the fuel cell 4, air flows between an AME and a bipolar plate, and dihydrogen flows between this AME and another bipolar plate. At the anode, dihydrogen is oxidized to produce protons which cross ΓΑΜΕ. The electrons produced by this reaction are collected by a bipolar plate 5. The electrons produced are then applied to an electric charge connected to the fuel cell 1 to form an electric current. At the cathode, oxygen is reduced and reacts with the protons to form water.
[0068] Durant son fonctionnement, une cellule de la pile à combustible génère usuellement une tension continue entre l'anode et la cathode de l'ordre de IV.During operation, a cell of the fuel cell usually generates a DC voltage between the anode and the cathode of the order of IV.
[0069] La figure 2 est une vue en perspective éclatée schématique de deux plaques bipolaires 5 et d'un assemblage membrane/électrodes destinés à être inclus dans l'empilement de la pile à combustible 4. L'empilement des plaques bipolaires 5 et des assemblages membrane/électrodes 110 est destiné à former une pluralité de collecteurs d'écoulement, dont la disposition est illustrée ici uniquement de manière schématique. A cet effet, des orifices respectifs sont ménagés à travers les plaques bipolaires 5 et à travers les assemblages membrane/électrodes 110. Les plaques bipolaires 5 comportent ainsi des orifices 591, 593 et 595 au niveau d'une première extrémité, et des orifices 592, 594 et 596 au niveau d'une deuxième extrémité opposée à la première. L'orifice 591 sert par exemple pour former un collecteur d'alimentation en carburant, l'orifice 592 sert par exemple pour former un collecteur d'évacuation de résidus de combustion et de carburant non utilisé, l'orifice 593 sert par exemple pour former un collecteur d'alimentation en liquide de refroidissement, l'orifice 594 sert par exemple pour former un collecteur d'évacuation de liquide de refroidissement, l'orifice 596 sert par exemple pour former un collecteur d'alimentation en comburant, et l'orifice 595 sert par exemple pour former un collecteur d'évacuation d'eau produite et de comburant non utilisé.Figure 2 is a schematic exploded perspective view of two bipolar plates 5 and a membrane / electrode assembly intended to be included in the stack of the fuel cell 4. The stack of bipolar plates 5 and membrane / electrode assemblies 110 is intended to form a plurality of flow collectors, the arrangement of which is illustrated here only schematically. To this end, respective orifices are formed through the bipolar plates 5 and through the membrane / electrode assemblies 110. The bipolar plates 5 thus have orifices 591, 593 and 595 at a first end, and orifices 592 , 594 and 596 at a second end opposite the first. The orifice 591 is used for example to form a fuel supply manifold, the orifice 592 is used for example to form a manifold for evacuating combustion residues and unused fuel, the orifice 593 is used for example to form a coolant supply manifold, orifice 594 is used for example to form a coolant discharge manifold, orifice 596 is used for example to form an oxidant supply manifold, and orifice 595 is used for example to form a collector for discharging produced water and unused oxidizer.
[0070] Les orifices des plaques bipolaires 5 et des assemblages membrane/électrodes 110 sont disposés en vis-à-vis afin de former les différents collecteurs d'écoulement. Des orifices 12, 14 et 16 sont par exemple ménagés dans les assemblages membrane/ électrodes 110 et sont disposés en vis-à-vis respectivement des orifices 592, 594 et 596. Dans un but de simplification, l’orifice 596 sera assimilé à un collecteur d’évacuation de résidus de combustion de l’empilement.The orifices of the bipolar plates 5 and the membrane / electrode assemblies 110 are arranged opposite one another in order to form the various flow collectors. Holes 12, 14 and 16 are for example formed in the membrane / electrode assemblies 110 and are arranged opposite respectively the orifices 592, 594 and 596. For the purpose of simplification, the orifice 596 will be assimilated to a collector for evacuating combustion residues from the stack.
[0071] La figure 3 est une vue schématique partielle de dessus d'une tôle 61 d'un exemple de mise en œuvre d'une plaque bipolaire 5, au niveau des collecteurs 592, 594 et 596. La figure 4 est une vue en coupe d'une telle plaque bipolaire 51, empilée avec une autre plaque bipolaire identique 52, et entre lesquelles une membrane 113 d’un assemblage membrane/électrodes est disposée. La coupe est ici illustrée au niveau du collecteur 596 d’alimentation en comburant.Figure 3 is a partial schematic top view of a sheet 61 of an exemplary implementation of a bipolar plate 5, at the collectors 592, 594 and 596. Figure 4 is a view section of such a bipolar plate 51, stacked with another identical bipolar plate 52, and between which a membrane 113 of a membrane / electrodes assembly is arranged. The section is here illustrated at the manifold 596 for supplying oxidant.
[0072] Chacune des plaques bipolaires 5, 51 et 52 illustrées inclut deux tôles conductrices 61 et 62 solidarisées. Les tôles conductrices 61 et 62 sont avantageusement réalisées en acier inoxydable, matériau très courant et adapté à de nombreux procédés de transformation industriels largement répandus, par exemple l'emboutissage, l'estampage et/ ou le poinçonnage. Les tôles conductrices 61 et 62 illustrées à la figure 4 sont solidarisées par l'intermédiaire de soudures 513. Les tôles conductrices 61 et 62 sont en relief, de façon à ménager des canaux d'écoulement de fluide au niveau des faces externes de chaque plaque bipolaire, et avantageusement entre les tôles conductrices 61 et 62 à l'intérieur de chacune de ces plaques bipolaires. Ainsi, pour chaque plaque bipolaire, des canaux d'écoulement de liquide de refroidissement (non illustrés) sont ménagés entre les tôles conductrices 61 et 62, des canaux d'écoulement de comburant et d'eau 618 sont ménagés sur une face externe de la tôle 61, et des canaux d'écoulement (non illustrés) de carburant sont ménagés sur une face externe de la tôle 62. Les canaux d'écoulement de comburant 618 sont ici de type parallèle et s'étendent selon une même direction. Les canaux d’écoulement de carburant et de liquide de refroidissement sont également avantageusement de type parallèle et s’étendent selon une même direction. Ces différents canaux d'écoulement ne sont pas nécessairement rectilignes (ces canaux peuvent présenter une ondulation), leur direction étant définie par une droite reliant leur entrée à leur sortie.Each of the bipolar plates 5, 51 and 52 illustrated includes two conductive sheets 61 and 62 secured. The conductive sheets 61 and 62 are advantageously made of stainless steel, a very common material and suitable for many widely used industrial transformation processes, for example stamping, stamping and / or punching. The conductive sheets 61 and 62 illustrated in FIG. 4 are joined by welds 513. The conductive sheets 61 and 62 are in relief, so as to provide fluid flow channels at the external faces of each plate bipolar, and advantageously between the conductive sheets 61 and 62 inside each of these bipolar plates. Thus, for each bipolar plate, coolant flow channels (not shown) are formed between the conductive sheets 61 and 62, oxidant and water flow channels 618 are formed on an external face of the sheet 61, and fuel flow channels (not shown) are formed on an external face of the sheet 62. The oxidant flow channels 618 are here of the parallel type and extend in the same direction. The fuel and coolant flow channels are also advantageously of the parallel type and extend in the same direction. These different flow channels are not necessarily rectilinear (these channels can have an undulation), their direction being defined by a straight line connecting their inlet to their outlet.
[0073] De façon connue en soi, les différents collecteurs traversant l'empilement communiquent avec des zones d'injection respectives. Dans l'exemple illustré à la figure 3, le collecteur 596 communique avec une zone d'injection 586, le collecteur 594 communique avec une zone d’injection 584 et le collecteur 592 communique avec une zone d'injection 582. Chaque zone d'injection comporte des orifices d'injection respectifs en communication avec des canaux d'écoulement respectifs. Les zones d'injection 586, 584 et 582 sont décalées latéralement. Les zones d'injection 582 et 586, comprenant des orifices d'injection respectifs, sont notamment disposées de part et d'autre d'un plan P perpendiculaire à leur plaque bipolaire et incluant la direction des canaux d’écoulement 618, de façon à pouvoir loger plusieurs collecteurs au niveau d'une même extrémité d'une plaque bipolaire.In a manner known per se, the various collectors passing through the stack communicate with respective injection zones. In the example illustrated in FIG. 3, the collector 596 communicates with an injection zone 586, the collector 594 communicates with an injection zone 584 and the collector 592 communicates with an injection zone 582. Each zone of injection has respective injection ports in communication with respective flow channels. The injection zones 586, 584 and 582 are offset laterally. The injection zones 582 and 586, comprising respective injection orifices, are in particular arranged on either side of a plane P perpendicular to their bipolar plate and including the direction of the flow channels 618, so as to be able to accommodate several collectors at the same end of a bipolar plate.
[0074] Des orifices d'injection 512 sont ménagés dans la tôle 61 dans la zone d'injection 586. Comme illustré à la figure 4, des orifices 512 communiquent avec le collecteur 596 par l'intermédiaire d'un passage 511 :Injection orifices 512 are formed in the sheet metal 61 in the injection zone 586. As illustrated in FIG. 4, orifices 512 communicate with the manifold 596 via a passage 511:
-traversant des nervures 612 et 622 ;-through ribs 612 and 622;
-traversant des nervures 611 et 621 de support de joints 2, les nervures 611 et 621 entourant le collecteur 596 ; et-through ribs 611 and 621 for joint support 2, the ribs 611 and 621 surrounding the manifold 596; and
-traversant des nervures 613 et 623.-through ribs 613 and 623.
[0075] Les nervures 612 et 613 sont ménagées de part et d'autre de la nervure 611 dans la tôle 61, les nervures 622 et 623 étant ménagées de part et d'autre de la nervure 621 dans la tôle 62.The ribs 612 and 613 are formed on either side of the rib 611 in the sheet metal 61, the ribs 622 and 623 being formed on either side of the rib 621 in the sheet metal 62.
[0076] Des communications de fluide non détaillées et non illustrées sont également ménagées d'une part entre le collecteur 594 et la zone d'injection 584, et d'autre part entre le collecteur 592 et la zone d'injection 582.Fluid communications not detailed and not illustrated are also provided on the one hand between the manifold 594 and the injection area 584, and on the other hand between the manifold 592 and the injection area 582.
[0077] Les orifices d'injection 512 de la zone d'injection 586 communiquent avec les canaux d'écoulement 618 par l'intermédiaire d'une zone d'homogénéisation 614 également ménagée sur la face externe de la tôle 61. Une zone d'homogénéisation se différencie généralement d'une zone réactive 619 incluant les canaux d'écoulement 618 :The injection orifices 512 of the injection zone 586 communicate with the flow channels 618 by means of a homogenization zone 614 also provided on the external face of the sheet 61. A zone d homogenization generally differs from a reactive zone 619 including the flow channels 618:
-par l'absence d'électrode surplombant cette zone d’homogénéisation dans l'assemblage membrane-électrodes ; et/ou-by the absence of an electrode overhanging this homogenization zone in the membrane-electrodes assembly; and or
-par la présence de canaux d'homogénéisation présentant une inclinaison par rapport aux canaux d'écoulement 618, de façon à rendre la zone d'homogénéisation 614 plus compacte.by the presence of homogenization channels having an inclination relative to the flow channels 618, so as to make the homogenization zone 614 more compact.
[0078] La fonction des zones d'homogénéisation 614 est notamment de limiter les différences de débits entre les différents canaux d'écoulement 618 et d’homogénéiser les pertes de charges pour les différents chemins d'écoulement possibles.The function of the homogenization zones 614 is in particular to limit the differences in flow rates between the different flow channels 618 and to homogenize the pressure drops for the different possible flow paths.
[0079] Avantageusement, une zone d’homogénéisation est ménagée dans la face externe définie par la tôle 62, pour mettre en communication des orifices d’injection de la zone d’injection 582 avec des canaux d’écoulement de cette face externe. Avantageusement, cette zone d’homogénéisation est positionnée en superposition avec la zone d’homogénéisation 614.Advantageously, a homogenization zone is provided in the external face defined by the sheet 62, in order to put the injection orifices of the injection zone 582 into communication with the flow channels of this external face. Advantageously, this homogenization zone is positioned in superposition with the homogenization zone 614.
[0080] La zone d'homogénéisation 614 comprend des canaux d'homogénéisation 641 séparés les uns des autres par des parois latérales. Chaque canal d'homogénéisation met en communication au moins un orifice 512 avec plusieurs canaux d'écoulement 618. L’alimentation de plusieurs canaux d'écoulement 618 par un même canal d'homogénéisation permet de façon générale d'augmenter la compacité de la zone d’homogénéisation 614. Afin d’obtenir un tel résultat sans altérer excessivement les différences de débit entre canaux d’écoulement les plus éloignés, et sans induire de trop grands gradients de pression à l’entrée de canaux d’écoulement, l’invention propose de subdiviser des canaux d’homogénéisation en plusieurs branches, en partant d’un orifice d’injection 512 jusqu’à un canal d’écoulement 618.The homogenization zone 614 comprises homogenization channels 641 separated from each other by side walls. Each homogenization channel puts at least one orifice 512 into communication with several flow channels 618. The supply of several flow channels 618 by the same homogenization channel generally makes it possible to increase the compactness of the area. of homogenization 614. In order to obtain such a result without excessively altering the flow differences between the most distant flow channels, and without inducing too large pressure gradients at the inlet of flow channels, the invention proposes to subdivide homogenization channels into several branches, starting from an injection orifice 512 to a flow channel 618.
[0081] Dans l’exemple illustré, la zone d’homogénéisation 614 est scindée en une zone d’homogénéisation 616 et une zone d’homogénéisation 617. La zone d’homogénéisation 616 forme un premier tronçon et comporte des canaux d’homogénéisation dans lesquels débouchent les orifices d’injection 512. La zone d’homogénéisation 617 forme un deuxième tronçon comportant des branches débouchant dans des canaux d’écoulement 618.In the example illustrated, the homogenization zone 614 is split into a homogenization zone 616 and a homogenization zone 617. The homogenization zone 616 forms a first section and includes homogenization channels in which open the injection orifices 512. The homogenization zone 617 forms a second section comprising branches opening into flow channels 618.
[0082] Avantageusement, chaque branche de la zone 617 débouche dans un unique canal de la zone 616. Ainsi, une éventuelle accumulation d’eau dans la zone 616 est plus facilement évacuée car :Advantageously, each branch of the zone 617 opens into a single channel of the zone 616. Thus, a possible accumulation of water in the zone 616 is more easily evacuated because:
-l’écoulement dans les canaux d’écoulement 618 en aval de cet éventuel canal bouché doit nécessairement passer par ce canal bouché, ce qui garantit une pression de débouchage appliquée sur l’éventuelle accumulation d’eau ;the flow in the flow channels 618 downstream from this possible blocked channel must necessarily pass through this blocked channel, which guarantees a drain pressure applied to the possible accumulation of water;
-l’homogénéité de perte de charge entre les différents chemins d’écoulement garantit une pression suffisante sur l’éventuelle accumulation d’eau pour favoriser le débouchage.-the uniformity of pressure drop between the different flow paths guarantees sufficient pressure on the possible accumulation of water to promote unclogging.
[0083] De même, une éventuelle accumulation d’eau dans la zone 617 est plus facilement évacuée car le canal de la zone 616 dans lequel débouchent les branches de la zone 617 applique une pression homogène sur ces branches. Du fait de l’homogénéité de perte de charge des chemins d’écoulement passant par les différentes branches, on favorise une pression de débouchage sur une éventuelle accumulation d’eau.Likewise, a possible accumulation of water in zone 617 is more easily removed because the channel of zone 616 into which the branches of zone 617 open applies uniform pressure on these branches. Due to the homogeneity of pressure drop of the flow paths passing through the different branches, a drain pressure is favored on a possible accumulation of water.
[0084] La ligne L illustrée permet de situer les embranchements entre les canaux d’homogénéisation de la zone 616 et leurs branches de la zone 617. Au niveau d’un embranchement, un canal d’homogénéisation se scinde ici en deux branches. Avantageusement, un canal d’homogénéisation se scinde au maximum en trois branches au niveau d’un embranchement, afin de ne pas accroître excessivement la perte de charge dans les canaux d’homogénéisation. Avantageusement chacun desdits embranchements est disposé dans son canal d’homogénéisation à une distance d’un orifice d’injection 512 comprise entre 0,3 * Lch et 0,7 * Lch, avec Lch la longueur du canal d’homogénéisation dans lequel est situé cet embranchement.The illustrated line L makes it possible to locate the branches between the homogenization channels of zone 616 and their branches of zone 617. At the level of a branch line, a homogenization channel splits into two branches here. Advantageously, a homogenization channel splits a maximum of three branches at the level of a branch, so as not to excessively increase the pressure drop in the homogenization channels. Advantageously, each of said branches is disposed in its homogenization channel at a distance from an injection orifice 512 comprised between 0.3 * Lch and 0.7 * Lch, with Lch the length of the homogenization channel in which is located this branch.
[0085] Dans l’exemple illustré, chaque branche de la zone 617 débouche avantageusement dans plusieurs canaux d’écoulement 618. Avantageusement, chaque branche de la zone 617 débouche dans au plus trois canaux d’écoulement 618, afin de ne pas accroître les pertes de charges dans la zone 616.In the example illustrated, each branch of the zone 617 advantageously opens into several flow channels 618. Advantageously, each branch of the zone 617 opens into at most three flow channels 618, so as not to increase the pressure losses in zone 616.
[0086] Comme les canaux d'homogénéisation de la zone 616 sont moins nombreux que leurs branches dans la zone 617, les canaux d'homogénéisation de la zone 616 peuvent présenter une inclinaison par rapport aux canaux d'écoulement 618 supérieure à celle de leurs branches. Une telle inclinaison accrue permet de limiter la dimension de la zone d'homogénéisation 614, et donc de limiter l'encombrement général de la plaque bipolaire et de l'empilement. Les branches de la zone 617 forment avantageusement un angle d'au moins 20° par rapport aux canaux d'écoulement 618. Les canaux d'homogénéisation de la zone 616 forment avantageusement un angle d'au moins 40° par rapport aux canaux d'écoulement 618, et un angle d’au moins 20° par rapport aux branches de la zone 617. Une inclinaison des canaux d’homogénéisation par rapport aux canaux d’écoulement permet d’autre part d’utiliser une même section transversale pour les canaux d’écoulement et les canaux d’homogénéisation, alors que ces derniers sont moins nombreux. De même, une inclinaison des canaux du premier tronçon par rapport aux branches du deuxième tronçon permet de ménager un premier tronçon avec des canaux ayant la même section transversale que les branches dans le deuxième tronçon. En utilisant de mêmes sections transversales, il est possible de définir aisément de mêmes conditions d’écoulement à travers tous les chemins d’écoulement, en particulier lorsque les canaux d’homogénéisation plus courts en entrée sont compensés par des canaux d’homogénéisation plus longs en sortie de canaux d’écoulement communs.As the homogenization channels of the zone 616 are less numerous than their branches in the zone 617, the homogenization channels of the zone 616 may have an inclination relative to the flow channels 618 greater than that of their branches. Such an increased inclination makes it possible to limit the dimension of the homogenization zone 614, and therefore to limit the overall size of the bipolar plate and of the stack. The branches of zone 617 advantageously form an angle of at least 20 ° relative to the flow channels 618. The homogenization channels of zone 616 advantageously form an angle of at least 40 ° relative to the flow channels flow 618, and an angle of at least 20 ° with respect to the branches of zone 617. An inclination of the homogenization channels with respect to the flow channels also makes it possible to use the same cross section for the channels flow and homogenization channels, while the latter are less numerous. Likewise, an inclination of the channels of the first section relative to the branches of the second section makes it possible to provide a first section with channels having the same cross section as the branches in the second section. By using the same cross-sections, it is possible to easily define the same flow conditions across all the flow paths, in particular when the shorter inlet homogenization channels are compensated by longer homogenization channels at the outlet of common flow channels.
[0087] La figure 5 est un diagramme illustrant un différentiel de pression de sortie de canaux d’écoulement en fonction de leur position transversale. L’abscisse correspond à un indice de canal, l’ordonnée à une différence de pression en Pascal. La figure 5 illustre des résultats de simulation avec une zone d'homogénéisation selon l'état de la technique comportant des canaux d'homogénéisation sans embranchement alimentant quatre canaux d'écoulement (courbe du haut), avec une zone d'homogénéisation selon l'état de la technique comportant des canaux d'homogénéisation sans embranchement alimentant deux canaux d'écoulement (courbe du bas) et avec une zone d'homogénéisation 614 selon l'invention (courbe du milieu). On constate qu’une zone d'homogénéisation 614 selon l'invention permet de maintenir une disparité de pressions dans les canaux d'écoulement 618 relativement réduite, tout en permettant de réduire sensiblement son encombrement.FIG. 5 is a diagram illustrating a differential pressure at the outlet of flow channels as a function of their transverse position. The abscissa corresponds to a channel index, the ordinate to a pressure difference in Pascal. FIG. 5 illustrates simulation results with a homogenization zone according to the prior art comprising homogenization channels without branch supplying four flow channels (top curve), with a homogenization zone according to State of the art comprising homogenization channels without branch supplying two flow channels (bottom curve) and with a homogenization zone 614 according to the invention (middle curve). It can be seen that a homogenization zone 614 according to the invention makes it possible to maintain a relatively reduced pressure disparity in the flow channels 618, while making it possible to significantly reduce its size.
[0088] Avantageusement, la section transversale de chacun des canaux d'homogénéisation dans la zone 616 est identique à la section transversale de chacun des canaux d'écoulement 618, ce qui permet d'obtenir une compacité maximale avec un angle d'inclinaison maximal entre les canaux d'homogénéisation de la zone 616 et les canaux d'écoulement 618. Une même section transversale entre les canaux d’homogénéisation de la zone 616 permet en outre d’obtenir une bonne maîtrise des conditions d’écoulement et une homogénéité des conditions d’écoulement comme détaillé auparavant. Avantageusement, la section transversale des canaux d’homogénéisation dans la zone ou tronçon 616 est égale à la section transversale des branches dans la zone ou tronçon 617, toujours pour favoriser la maîtrise des conditions d’écoulement et l’homogénéisation des conditions d’écoulement.Advantageously, the cross section of each of the homogenization channels in the zone 616 is identical to the cross section of each of the flow channels 618, which makes it possible to obtain maximum compactness with a maximum tilt angle. between the homogenization channels of zone 616 and the flow channels 618. The same cross section between the homogenization channels of zone 616 also makes it possible to obtain good control of the flow conditions and homogeneity of the flow conditions as detailed above. Advantageously, the cross section of the homogenization channels in the zone or section 616 is equal to the cross section of the branches in the zone or section 617, always to promote the control of the flow conditions and the homogenization of the flow conditions .
[0089] A la verticale de la zone d’homogénéisation 614, la plaque bipolaire peut comporter une zone d'homogénéisation pour les canaux d'écoulement de carburant, cette zone d'homogénéisation pouvant présenter une forme symétrique de la zone d'homogénéisation 614 par rapport à une droite perpendiculaire à la plaque bipolaire et passant par son centre.Vertical to the homogenization zone 614, the bipolar plate may include a homogenization zone for the fuel flow channels, this homogenization zone possibly having a symmetrical shape with the homogenization zone 614 with respect to a line perpendicular to the bipolar plate and passing through its center.
[0090] La figure 6 est une vue de dessus d'une variante de plaque bipolaire permettant d'équilibrer les pertes de charges dans les différents trajets d'écoulement passant par les canaux d'écoulement 618. Une zone d'homogénéisation 634 est formée à l'opposé de la zone d'homogénéisation 614 par rapport aux canaux d'écoulement 618 de la zone de réaction 619. La zone d'homogénéisation 634 présente une forme sensiblement symétrique de la zone 614 par rapport à un axe perpendiculaire à la plaque bipolaire. Un tel axe est identifié par le point O sur cette figure. Ainsi, un trajet d'écoulement passant par un quelconque canal d'écoulement 618 est identique au trajet d'écoulement passant par le canal positionné de façon symétrique par rapport à un plan médian parallèle au plan P. Avantageusement, la longueur de l'ensemble des trajets d'écoulement à travers la zone d'homogénéisation 614, les canaux d'écoulement 618 et la zone d'homogénéisation 634 est identique. Une telle homogénéité de conditions d’écoulement est encore renforcée par une même section transversale dans les différents canaux d’écoulement, canaux d’homogénéisation et branches des canaux d’homogénéisation.Figure 6 is a top view of a variant of a bipolar plate for balancing the pressure drops in the different flow paths passing through the flow channels 618. A homogenization zone 634 is formed opposite the homogenization zone 614 with respect to the flow channels 618 of the reaction zone 619. The homogenization zone 634 has a substantially symmetrical shape of the zone 614 with respect to an axis perpendicular to the plate bipolar. Such an axis is identified by point O in this figure. Thus, a flow path passing through any flow channel 618 is identical to the flow path passing through the channel positioned symmetrically with respect to a median plane parallel to the plane P. Advantageously, the length of the assembly flow paths through the homogenization zone 614, the flow channels 618 and the homogenization zone 634 is identical. Such homogeneity of flow conditions is further reinforced by the same cross section in the different flow channels, homogenization channels and branches of the homogenization channels.
[0091] Pour tenir compte de conditions d’écoulement légèrement différentes entre l’entrée et la sortie de trajets d’écoulement, la zone d’homogénéisation 614 peut présenter une géométrie différente de la zone d’homogénéisation 634, par exemple avec des angles différents des canaux d’homogénéisation dans ces deux zones d’homogénéisation. Du fait des angles entre les canaux et branches des zones d’homogénéisation et les canaux d’écoulement, certains canaux et branches d’homogénéisation sont plus courts que d’autres. Pour conserver une longueur très proche entre les trajets d’écoulement, aux extrémités d’un canal d’écoulement, plus le canal et la branche d’homogénéisation de la zone 614 débouchant dans ce canal d’écoulement est court, plus le canal et la branche d’homogénéisation de la zone 634 débouchant dans ce canal d’écoulement est long. En pratique, pour un canal d’écoulement 618 donné, le canal et la branche d’homogénéisation de la zone 614, et le canal et la branche d’homogénéisation de la zone 634 débouchant dans ce canal d’écoulement 618 sont positionnés de côtés opposés d’un plan perpendiculaire à la plaque bipolaire et s’étendant selon la direction de ce canal d’écoulement 618.To take account of slightly different flow conditions between the inlet and the outlet of flow paths, the homogenization zone 614 may have a different geometry from the homogenization zone 634, for example with angles different from the homogenization channels in these two homogenization zones. Because of the angles between the channels and branches of the homogenization zones and the flow channels, some channels and branches of homogenization are shorter than others. To keep a very close length between the flow paths, at the ends of a flow channel, the shorter the channel and the homogenization branch of the zone 614 opening into this flow channel, the shorter the channel and the homogenization branch of zone 634 opening into this flow channel is long. In practice, for a given flow channel 618, the channel and the homogenization branch of the zone 614, and the channel and the homogenization branch of the zone 634 opening into this flow channel 618 are positioned from the sides. opposite from a plane perpendicular to the bipolar plate and extending in the direction of this flow channel 618.
[0092] La figure 6 illustre un premier exemple de conception de la géométrie d'une zone d'homogénéisation 614 ou 634. Cette conception permet d'optimiser la compacité des zones d'homogénéisation. Dans cet exemple, une ligne A-B passe par les extrémités des canaux d'écoulement 618. Une ligne A-C est tracée, sécante à la ligne A-B au point A. Les embranchements sont ménagés le long de la ligne A-C. La zone d'homogénéisation 617 est donc positionnée entre les lignes A-B et A-C, et plus précisément délimitée par un triangle ABC. Dans cet exemple, une ligne A-D définit la jonction entre la zone d'injection 586 et la zone d'homogénéisation 616, cette ligne étant sécante à la ligne A-B au point A. La zone d'homogénéisation 616 est donc positionnée entre les lignes A-D et A-C, et plus précisément délimitée par un triangle ADC. De façon similaire, la zone d'homogénéisation 634 est scindée en une zone d'homogénéisation 636 délimitée par un triangle A’B’C’, et une zone d'homogénéisation 637 délimitée par un triangle A’D’C’. Les zones d'injection pour le liquide de refroidissement et pour le comburant peuvent être positionnées respectivement sur les segments BC et CD par exemple.FIG. 6 illustrates a first example of the design of the geometry of a homogenization zone 614 or 634. This design makes it possible to optimize the compactness of the homogenization zones. In this example, a line A-B passes through the ends of the flow channels 618. A line A-C is drawn, intersecting at line A-B at point A. The branches are formed along line A-C. The homogenization zone 617 is therefore positioned between the lines A-B and A-C, and more precisely delimited by a triangle ABC. In this example, a line AD defines the junction between the injection zone 586 and the homogenization zone 616, this line being intersecting at the line AB at point A. The homogenization zone 616 is therefore positioned between the lines AD and AC, and more precisely delimited by a triangle ADC. Similarly, the homogenization zone 634 is split into a homogenization zone 636 delimited by a triangle A’B’C ’, and a homogenization zone 637 delimited by a triangle A’D’C’. The injection zones for the coolant and for the oxidant can be positioned respectively on the BC and CD segments for example.
[0093] La figure 7 illustre un deuxième exemple de conception de la géométrie d'une zone d'homogénéisation 614 ou 634. Comme dans l'exemple précédent, la zone d'homogénéisation 634 présente une forme sensiblement symétrique de celle de la zone 614 par rapport à un axe perpendiculaire à la plaque bipolaire. Un tel axe est identifié par le point O sur la figure. Ainsi, un trajet d'écoulement passant par un quelconque canal d'écoulement 618 est identique au trajet d'écoulement passant par le canal positionné de façon symétrique par rapport à un plan médian de la plaque bipolaire parallèle au plan P. Les zones d'homogénéisation 616 et 617 sont ici délimitées par des quadrilatères. Les canaux d'homogénéisation de la zone homogénéisation 614 présentent alors des longueurs dont l'ordre de grandeur est relativement proche, de sorte que les pertes de charges de l'écoulement les traversant sont relativement proches. [0094] La figure 8 illustre un troisième exemple de conception de la géométrie d'une zone d'homogénéisation 614 ou 634. Dans cet exemple, les embranchements entre les canaux d'homogénéisation de la zone 616 et les branches de la zone d'homogénéisation 617 sont positionnés sur une ligne courbe. Une telle configuration est par exemple destinée à s'adapter à des collecteurs 596 ou 591 de section circulaire ou ovale, comme illustré sur cette figure.FIG. 7 illustrates a second example of the design of the geometry of a homogenization area 614 or 634. As in the previous example, the homogenization area 634 has a shape that is substantially symmetrical to that of the area 614 with respect to an axis perpendicular to the bipolar plate. Such an axis is identified by point O in the figure. Thus, a flow path passing through any flow channel 618 is identical to the flow path passing through the channel positioned symmetrically with respect to a median plane of the bipolar plate parallel to the plane P. The zones of homogenization 616 and 617 are here delimited by quadrilaterals. The homogenization channels of the homogenization zone 614 then have lengths whose order of magnitude is relatively close, so that the pressure losses of the flow passing through them are relatively close. FIG. 8 illustrates a third example of the design of the geometry of a homogenization area 614 or 634. In this example, the branches between the homogenization channels of the area 616 and the branches of the area of homogenization 617 are positioned on a curved line. Such a configuration is for example intended to adapt to collectors 596 or 591 of circular or oval section, as illustrated in this figure.
[0095] Il est aussi possible de prévoir des zones d'homogénéisation non symétriques, pour tenir compte des différences de pertes de charges des différents écoulements. Par exemple, les canaux d'homogénéisation pour du carburant de type dihydrogène peuvent présenter une inclinaison supérieure aux canaux d'homogénéisation du comburant. Ainsi, les collecteurs 596, 592 et 594 illustrés à la figure 3 peuvent être intervertis, comme illustré dans un exemple à la figure 9.It is also possible to provide non-symmetrical homogenization zones, to take account of the differences in pressure drops of the different flows. For example, the homogenization channels for fuel of the dihydrogen type may have a greater inclination than the homogenization channels for the oxidizer. Thus, the collectors 596, 592 and 594 illustrated in FIG. 3 can be interchanged, as illustrated in an example in FIG. 9.
[0096] La figure 10 est une vue de dessus d’un premier exemple de mode de réalisation d’une plaque bipolaire 51 selon l’invention. La plaque bipolaire 51 est ici illustrée au niveau d’une zone d’homogénéisation 614 et illustre sa liaison avec une zone réactive 619 et sa liaison avec une zone d’injection 586 comportant des orifices d’injection 512. Le collecteur d’écoulement de fluide 596 est en communication avec la zone d‘injection 586. La ligne en pointillés illustre une direction transversale de la zone d’homogénéisation 614. La direction transversale est ici illustrée au niveau de la liaison entre les canaux d’écoulement 641 de la zone d’homogénéisation et les canaux 618 de la zone réactive 619. Les canaux d’écoulement 618 de la zone réactive 619 ne sont illustrés que partiellement mais s’étendent selon une direction longitudinale, perpendiculaire à la direction transversale. Les canaux d’écoulement 618 sont ici de type parallèle et s’étendent sans point de rebroussement jusqu’à une autre zone d’homogénéisation, au niveau d’une autre extrémité longitudinale de la plaque bipolaire.Figure 10 is a top view of a first exemplary embodiment of a bipolar plate 51 according to the invention. The bipolar plate 51 is here illustrated at the level of a homogenization zone 614 and illustrates its connection with a reactive zone 619 and its connection with an injection zone 586 comprising injection orifices 512. The flow collector of fluid 596 is in communication with the injection zone 586. The dotted line illustrates a transverse direction of the homogenization zone 614. The transverse direction is here illustrated at the level of the connection between the flow channels 641 of the zone homogenization and the channels 618 of the reactive zone 619. The flow channels 618 of the reactive zone 619 are only partially illustrated but extend in a longitudinal direction, perpendicular to the transverse direction. The flow channels 618 are here of the parallel type and extend without a cusp up to another homogenization zone, at another longitudinal end of the bipolar plate.
[0097] La zone d’homogénéisation 614 comporte une zone médiane 67 et des extrémités transversales 65 et 66. Des canaux d’écoulement 641 sont répartis transversalement dans la zone médiane. La zone d’homogénéisation comporte par ailleurs des canaux d’écoulement 643 et 644 disposés respectivement aux extrémités transversales 65 et 66 de la zone d’homogénéisation 614.The homogenization zone 614 has a central zone 67 and transverse ends 65 and 66. Flow channels 641 are distributed transversely in the central zone. The homogenization zone also comprises flow channels 643 and 644 disposed respectively at the transverse ends 65 and 66 of the homogenization zone 614.
[0098] Des nervures 71 et 72 s’étendent sur le côté de la zone d’homogénéisation 614, inté gralement le long des canaux d’écoulement 643 disposés aux extrémités transversales 65 et 66 respectivement. Les nervures 71 et 72 sont séparées de la zone d’homogénéisation par des gorges 73 et 74 respectivement. Les nervures 71 et 72 sont typiquement configurées pour servir de support pour des joints, par exemple des joints en élastomère, non illustrés ici. Les gorges 73 et 74 sont par exemple formées entre les nervures 71 et 72 et la zone d’homogénéisation 614 afin de respecter des tolérances de fabrication des tôles de la plaque bipolaire 51 lorsqu’elles sont réalisées par emboutissage, ou pour pouvoir réaliser des soudures entre tôles. Les différents canaux d’écoulement peuvent notamment être formés par emboutissage d’une tôle métallique. Les gorges 73 et 74 sont sujettes à un écoulement de court-circuit du réactif devant normalement traverser la zone d’homogénéisation 614 et la zone réactive 619. Une partie de cet écoulement pouvant pénétrer à nouveau dans les canaux d’écoulement 643 et 644 disposés aux extrémités transversales, ces canaux 643 et 644 pourraient présenter un débit supérieur à celui des canaux d’écoulement 641. Un tel différentiel de débit peut perturber le fonctionnement de la pile à combustible.Ribs 71 and 72 extend on the side of the homogenization zone 614, integrally along the flow channels 643 arranged at the transverse ends 65 and 66 respectively. The ribs 71 and 72 are separated from the homogenization zone by grooves 73 and 74 respectively. The ribs 71 and 72 are typically configured to serve as support for seals, for example elastomer seals, not illustrated here. The grooves 73 and 74 are for example formed between the ribs 71 and 72 and the homogenization zone 614 in order to respect the manufacturing tolerances of the sheets of the bipolar plate 51 when they are made by stamping, or in order to be able to make welds between sheets. The different flow channels can in particular be formed by stamping a metal sheet. The grooves 73 and 74 are subject to a short-circuit flow of the reagent which should normally pass through the homogenization zone 614 and the reactive zone 619. A part of this flow which can again penetrate into the flow channels 643 and 644 arranged at the transverse ends, these channels 643 and 644 could have a flow greater than that of the flow channels 641. Such a flow differential can disturb the operation of the fuel cell.
[0099] Afin de pallier ce problème, la plaque bipolaire 51 comporte ici des restrictions d’écoulement 75 et 76 au niveau de la liaison entre le collecteur 596 et les canaux d’écoulement 643 et 644, par rapport à la liaison entre le collecteur 596 et les canaux d’écoulement 641. Dans cet exemple, des parois latérales délimitent les extrémités 75 et 76 de la zone d’homogénéisation et séparent les gorges 73 et 74 de la zone d’homogénéisation 614. Les restrictions d’écoulement 75 et 76 sont ici formées par des excroissances de ces parois latérales dans la zone d’homogénéisation. Ces excroissances sont ici en vis-à-vis respectivement des canaux d’écoulement 643 et 644. Ces excroissances s’étendent ici sur toute la hauteur des canaux d’écoulement 643 et 644. De telles excroissances peuvent aisément être formées par emboutissage. Les excroissances permettent de former des restrictions d’écoulement en restreignant la section de passage de fluide entre les canaux d’écoulement 643-644 et le collecteur 596. Les restrictions d’écoulement 75 et 76 sont disposées au niveau de la liaison entre la zone d’homogénéisation 614 et le collecteur 596, plutôt qu’au niveau de la liaison entre la zone d’homogénéisation 614 et la zone réactive 619. Ainsi, les restrictions d’écoulement 75 et 76 induisent une perte de charge plus importante entre les canaux d’écoulement 643-644 et le collecteur 596 qu’entre les canaux d’écoulement 641 et le collecteur 596, ce qui est compensé par un apport parasite de réactif provenant des gorges 73 et 74, le long de la zone d’homogénéisation 614.To overcome this problem, the bipolar plate 51 here has flow restrictions 75 and 76 at the connection between the manifold 596 and the flow channels 643 and 644, with respect to the connection between the manifold 596 and the flow channels 641. In this example, side walls delimit the ends 75 and 76 of the homogenization zone and separate the grooves 73 and 74 from the homogenization zone 614. The flow restrictions 75 and 76 are here formed by protuberances from these side walls in the homogenization zone. These outgrowths are here opposite the flow channels 643 and 644 respectively. These outgrowths extend here over the entire height of the flow channels 643 and 644. Such outgrowths can easily be formed by stamping. The protrusions make it possible to form flow restrictions by restricting the fluid passage section between the flow channels 643-644 and the manifold 596. The flow restrictions 75 and 76 are arranged at the connection between the zone homogenization 614 and the collector 596, rather than at the connection between the homogenization zone 614 and the reactive zone 619. Thus, the flow restrictions 75 and 76 induce a greater pressure drop between the channels 643-644 and the collector 596 only between the flow channels 641 and the collector 596, which is compensated by a parasitic supply of reagent coming from the grooves 73 and 74, along the homogenization zone 614 .
[0100] La figure 11 est une vue en perspective d’un deuxième exemple de mode de réalisation d’une plaque bipolaire 51 selon l’invention. La plaque bipolaire 51 est ici illustrée au niveau d’une zone d’homogénéisation 614 et illustre sa liaison avec une zone d’injection 586. La plaque bipolaire 51 est ici illustrée au niveau de son extrémité transversale 65. Le collecteur d’écoulement de fluide 596 est en communication avec la zone d‘injection 586. La ligne en pointillés illustre une direction transversale de la zone d’homogénéisation 614. La direction transversale est ici illustrée au niveau de la liaison entre les canaux d’écoulement 641 de la zone d’homogénéisation et la zone d’injection 586.Figure 11 is a perspective view of a second exemplary embodiment of a bipolar plate 51 according to the invention. The bipolar plate 51 is here illustrated at a homogenization zone 614 and illustrates its connection with an injection zone 586. The bipolar plate 51 is here illustrated at its transverse end 65. The flow collector of fluid 596 is in communication with the injection zone 586. The dotted line illustrates a transverse direction of the homogenization zone 614. The transverse direction is here illustrated at the level of the connection between the flow channels 641 of the zone homogenization and injection area 586.
[0101] La zone d’homogénéisation 614 comporte une zone médiane 67 et des extrémités transversales, l’extrémité transversale 65 est ici illustrée. Des canaux d’écoulement 641 sont répartis transversalement dans la zone médiane. La zone d’homogénéisation comporte par ailleurs des canaux d’écoulement disposés respectivement aux extrémités transversales de la zone d’homogénéisation 614. La zone d’homogénéisation 614 comporte ici un canal d’écoulement 643 disposé au niveau de l’extrémité 65. Un canal d’écoulement non illustré est également disposé au niveau de l’extrémité transversale opposée de la zone d’homogénéisation 614.The homogenization zone 614 has a middle zone 67 and transverse ends, the transverse end 65 is here illustrated. Flow channels 641 are distributed transversely in the middle zone. The homogenization zone also comprises flow channels disposed respectively at the transverse ends of the homogenization zone 614. The homogenization zone 614 here comprises a flow channel 643 disposed at the end 65. A flow channel not shown is also arranged at the opposite transverse end of the homogenization zone 614.
[0102] Des nervures 71 et 72 s’étendent sur le côté de la zone d’homogénéisation 614, le long des canaux d’écoulement disposés aux extrémités transversales respectivement. La nervure 71 est illustrée ici. Les nervures sont séparées de la zone d’homogénéisation par des gorges, notamment la gorge 73 sur la figure 11. Les nervures sont typiquement configurées pour servir de support pour des joints, par exemple des joints en élastomère, non illustrés ici. Les gorges sont par exemple formées entre les nervures et la zone d’homogénéisation 614 afin de respecter des tolérances de fabrication des tôles de la plaque bipolaire 51 lorsqu’elles sont réalisées par emboutissage, ou de réaliser des soudures entre tôles. Les gorges sont sujettes à un écoulement de court-circuit du réactif devant normalement traverser la zone d’homogénéisation 614 et la zone réactive 619. Une partie de cet écoulement pouvant pénétrer à nouveau dans les canaux d’écoulement disposés aux extrémités transversales, ces canaux d’extrémité pourraient présenter un débit supérieur à celui des canaux d’écoulement 641.Ribs 71 and 72 extend on the side of the homogenization zone 614, along the flow channels arranged at the transverse ends respectively. The rib 71 is illustrated here. The ribs are separated from the homogenization zone by grooves, in particular the groove 73 in FIG. 11. The ribs are typically configured to serve as a support for seals, for example elastomer seals, not illustrated here. The grooves are for example formed between the ribs and the homogenization zone 614 in order to respect the manufacturing tolerances of the sheets of the bipolar plate 51 when they are made by stamping, or to make welds between sheets. The grooves are subject to a short-circuit flow of the reagent which normally has to pass through the homogenization zone 614 and the reactive zone 619. A part of this flow being able to re-enter the flow channels arranged at the transverse ends, these channels at the end could have a higher flow rate than that of the flow channels 641.
[0103] Afin de pallier ce problème, la plaque bipolaire 51 comporte ici des restrictions d’écoulement au niveau de la liaison entre le collecteur 596 et les canaux d’écoulement des extrémités de la zone d’homogénéisation 614, par rapport à la liaison entre le collecteur 596 et les canaux d’écoulement 641. Une restriction d’écoulement 78 est notamment ménagée au niveau de la liaison entre le canal 643 et le collecteur 596. Dans cet exemple, la restriction d’écoulement 78 est formée d’un bossage. Le bossage s’étend ici sur une partie de la hauteur du canal d’écoulement 643. Ce bossage est ici en vis-à-vis du canal d’écoulement 643. Ce bossage s’étend ici sur toute la largeur d’une zone d’accès à ce canal 643. De tels bossages peuvent aisément être formés par emboutissage, ou par un élément rapporté par dépôt d’un matériau sur une tôle emboutie. Le bossage permet de former des restrictions d’écoulement en restreignant la section de passage de fluide entre le canal d’écoulement 643 et le collecteur 596. Les restrictions d’écoulement sont disposées au niveau de la liaison entre la zone d’homogénéisation 614 et le collecteur 596, plutôt qu’au niveau de la liaison entre la zone d’homogénéisation 614 et la zone réactive 619. Ainsi, les restrictions d’écoulement induisent une perte de charge plus importante entre les canaux d’écoulement d’extrémité transversale (643 par exemple) et le collecteur 596 qu’entre les canaux d’écoulement 641 et le collecteur 596, ce qui est compensé par un apport parasite de réactif provenant des gorges (73 par exemple), le long de la zone d’homogénéisation 614.To overcome this problem, the bipolar plate 51 here has flow restrictions at the connection between the manifold 596 and the flow channels of the ends of the homogenization zone 614, relative to the connection between the manifold 596 and the flow channels 641. A flow restriction 78 is notably provided at the connection between the channel 643 and the manifold 596. In this example, the flow restriction 78 is formed by a boss. The boss here extends over part of the height of the flow channel 643. This boss is here opposite the flow channel 643. This boss here extends over the entire width of an area access to this channel 643. Such bosses can easily be formed by stamping, or by an insert by depositing a material on a stamped sheet. The boss makes it possible to form flow restrictions by restricting the cross-section of fluid passage between the flow channel 643 and the manifold 596. The flow restrictions are placed at the connection between the homogenization zone 614 and the manifold 596, rather than at the level of the connection between the homogenization zone 614 and the reactive zone 619. Thus, the flow restrictions induce a greater pressure drop between the transverse end flow channels ( 643 for example) and the collector 596 only between the flow channels 641 and the collector 596, which is compensated by a parasitic supply of reagent coming from the grooves (73 for example), along the homogenization zone 614 .
[0104] Une restriction d’écoulement 78 sous forme de bossage rapporté pourra avantageusement être réalisée dans un même matériau élastomère qu’un joint disposé sur la nervure 71.A flow restriction 78 in the form of an added boss can advantageously be made from the same elastomeric material as a seal placed on the rib 71.
[0105] Dans les modes de réalisation des figures 10 et 11, une autre zone d’homogénéisation est formée et séparée de la zone d’homogénéisation par la zone réactive. Les deux zones d’homogénéisation peuvent être le symétrique l’une de l’autre par rapport à un axe perpendiculaire à la zone réactive. Avantageusement, si on a ménagé une restriction d’écoulement pour un canal d’écoulement disposé à une extrémité transversale d’une zone d’homogénéisation, on ménagera une restriction d’écoulement pour un autre canal d’écoulement disposé à une extrémité transversale opposée de l’autre zone d’homogénéisation. Ainsi, on peut garantir des conditions d’écoulement sensiblement identique sur les extrémités transversales de la plaque bipolaire.In the embodiments of Figures 10 and 11, another homogenization zone is formed and separated from the homogenization zone by the reactive zone. The two homogenization zones can be symmetrical to each other with respect to an axis perpendicular to the reactive zone. Advantageously, if a flow restriction has been provided for a flow channel disposed at a transverse end of a homogenization zone, a flow restriction will be provided for another flow channel disposed at an opposite transverse end from the other homogenization zone. Thus, it is possible to guarantee substantially identical flow conditions on the transverse ends of the bipolar plate.
[0106] Sur la figure 12, on a illustré un troisième mode de réalisation, variante du premier mode de réalisation. Dans ce mode de réalisation, la nervure 71 s’étend seulement partiellement le long de la zone d’homogénéisation 614.In FIG. 12, a third embodiment is illustrated, a variant of the first embodiment. In this embodiment, the rib 71 extends only partially along the homogenization zone 614.
[0107] L’invention a été décrite en référence à une pile à combustible. L’invention peut également s’appliquer à d’autres types de réacteurs électrochimiques, par exemple des électrolyseurs.The invention has been described with reference to a fuel cell. The invention can also be applied to other types of electrochemical reactors, for example electrolysers.
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|---|---|---|---|---|
| US20120258380A1 (en) * | 2010-02-05 | 2012-10-11 | Shinsuke Takeguchi | Polymer electrolyte fuel cell |
| US20150200414A1 (en) * | 2014-01-10 | 2015-07-16 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell stack |
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