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WO2000060686A1 - Collecteurs bipolaires caracterises par une collecte discrete des charges - Google Patents

Collecteurs bipolaires caracterises par une collecte discrete des charges Download PDF

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WO2000060686A1
WO2000060686A1 PCT/FR2000/000843 FR0000843W WO0060686A1 WO 2000060686 A1 WO2000060686 A1 WO 2000060686A1 FR 0000843 W FR0000843 W FR 0000843W WO 0060686 A1 WO0060686 A1 WO 0060686A1
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WO
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screen
needles
bipolar
charges
conductive
Prior art date
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Application number
PCT/FR2000/000843
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English (en)
Inventor
Guy Bronoel
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SORAPEC SA
Original Assignee
SORAPEC SA
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Publication date
Application filed by SORAPEC SA filed Critical SORAPEC SA
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Priority to CA002368464A priority patent/CA2368464A1/fr
Priority to KR1020017012680A priority patent/KR20020020876A/ko
Priority to EP00915286A priority patent/EP1183747A1/fr
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to bipolar collectors for fuel cells with discrete charge collection, characterized in that the electronically conductive needles through which the charges flow are placed perpendicular to the surface of the collectors separating two adjacent cell elements but do not pass through them. not, said collectors necessarily having good electronic conductivity.
  • the screen does not have channels for the supply of gases but a space formed between the screen and the electrodes, space which was filled by a three-dimensional structure open such as a foam, which had the function of homogenizing the gas flow circulating in front of the electrodes.
  • the screen was made of an electrically insulating material.
  • the object of the present invention is to overcome this drawback by modifying the methods of installing needles in the screen and, therefore, by modifying the design of the latter.
  • the present invention does not relate to the distribution of needles, their nature and their surface protection, the innovation relating to the discrete collection of charges being specific to patent application No. 98 09236.
  • the electronically conductive needles through which the charges flow are placed perpendicular to the surface of the bipolar collector, or screen, separating two adjacent cell elements but do not pass through it; therefore the screen must necessarily have good electronic conductivity.
  • the screen separating two adjacent cell elements is made of a composite material made of a polymer made conductive by a conductive filler such as carbon.
  • the screen is grooved on its main faces so that channels are created where the circulation of gases takes place.
  • the needles ensuring the flow of the charges are embedded in non-opening holes distributed over the raised parts of the screen, that is to say in the space separating the channels.
  • the screen is not grooved but a space is defined, by the set of pins, on each side of its main faces, space where the gases can circulate; the homogeneity of the gas flows is ensured by the presence in the above-mentioned space of a three-dimensional structure with open porosity made of a conductive or insulating material.
  • the needles ensuring the flow of the charges are distributed over the two surfaces of the screen and are embedded in non-through holes.
  • the embedding of each needle can be carried out in holes whose depth will be equal to half the thickness of the screen minus a value between 0.1 and 0.5 mm depending on the thickness of the screen, so that a fraction remains median of the non-perforated screen having a minimum thickness defined as a function of the nature of the material constituting the screen and of the mechanical stresses which apply to it.
  • the embedding holes of the needles are on either side of each face in the extension of each other, the bottom of each hole being separated from that which is opposed to it by a wall whose thickness is between 0.4 and 0.8 mm.
  • the embedding holes are not in the extension of each other; in this case, their depth can be greater than half the thickness of the screen, the distance from the bottom of a recess to the nearest face must nevertheless be greater than 0.3 mm and the distance between the generators of the two opposite needles must be between 0.4 and 1 mm.
  • the needles are advantageously made of 316 L stainless steel and have a diameter of between 0.1 and 0.3 mm.
  • the screen must necessarily have good electronic conductivity, one could consider that the addition of electronically conductive needles constitutes a superfluous element for conduction.
  • the drainage of the charges by the needles could be a preferred mode and consequently one could use as a constituent material of the screen a composite whose conductivity could be, if necessary is as regards its implementation, lower than that necessary in the absence of the needles.
  • the collectors according to the invention advantageously comprise an electronic conductive film interposed between the surface of the recesses and the recessed part of the needles, in order to reduce the contact resistances.
  • This conductive film consists of graphite or an adhesive with a high graphite content.
  • FIG. 1 a sectional view of a bipolar collector according to the invention, this collector comprising grooves on each of its main faces,
  • FIG. 2 a sectional view of a bipolar collector according to the invention, this collector having no groove but pins defining a space of determined height for the circulation of gases; in this FIG. 2, two embodiments have been grouped together, depending on whether the hands situated on either side of the screen are in the extension of one another or offset relative to each other .
  • the screen (A) consists of a polymer / carbon composite whose resistivity is of the order of 1 ⁇ cm.
  • the needles (B) have a diameter between 0, 1 and
  • the width (b) of the bands separating the channels is between 0.5 and 1 mm. In the example described and produced, it is 0.8 mm.
  • the width (c) of the channels is generally between 1 and 3 mm; here it is 2 mm.
  • the depth of the channels (d) is between 0.8 and 1.5 mm; here it is 1 mm.
  • the thickness (e) of the screen between the bottom of 2 channels is of the order of 1 mm.
  • the thickness (f) of the screen between the bottom of the housing for the needles is here 0.4 mm, the recesses being in the extension of each other.
  • the recesses (substantially cylindrical holes) intended to implant the needles therein can be produced either during the molding of the screen, or by subsequent machining. They have a diameter equal to that of the needles or greater than 0.05 mm.
  • the distance between the needles and more generally their distribution is to be defined as a function of the electronic conductivity of the electrodes, of the current densities generated and of the maximum ohmic drop which can be tolerated.
  • FIG. 2 represents the second type of bipolar collector characterized by the absence of channels.
  • the gases circulate in the space between the surface of the electrodes and the internal surface of the screen (A), the thickness (g) of this space is generally between 0.8 and 1.5 mm, here 1 mm .
  • This space can advantageously be filled by an open three-dimensional structure (D), such as here a foam open cells, made of a low density polymer, stable under the operating conditions of the cell and not necessarily conductive.
  • D open three-dimensional structure
  • the average diameter of the cells of which is 0.5 mm is to homogenize the gas flow rates.
  • the screen may advantageously include pins (E), the diameter of which is for example 3 mm, in order to normalize the thickness of the vein, these pins emerging from the plate constituting the major part of the screen, of a height (g) equal to the thickness of the vein.
  • the thickness (e) of the screen plate is generally between 0.8 and 1.5 mm.
  • the penetration (h) of the needles in the plate is between 0.3 and 0.8 mm, the diameter of the needles, their constituent material and the method of protection of their end being identical to those described in the previous example.
  • the length of penetration of the needles into the electrodes is of the order of 0.2 mm.
  • the total length of the needles is between 1.2 and 2.6 mm.
  • two modes of relative arrangement of the needles are possible.
  • the needles on either side of the screen are in line with one another.
  • the distance (i) between the bottom of each recess is between 0.4 and 1 mm, this distance being advantageously the smallest possible but in fact defined by the conditions of implementation of the screen.
  • Another particularly advantageous arrangement for collectors without channels is that the needles located on either side of the screen are not in line with one another. It follows in this case that the distance (j) between the generatrices of the two cylinders must also be as small as possible and in any case between 0.4 and 1 mm. According to this configuration, it is possible to achieve greater penetration of the needle into the screen than in the case where the needles are in the extension of one another.

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Abstract

Collecteurs bipolaires à collecte discrète des charges pour pile à combustible comportant un écran (A) possédant une bonne conductivité électronique et des aiguilles (B) électroniquement conductrices par lesquelles s'écoulent les charges; ces aiguilles sont placées perpendiculairement à la surface de l'écran séparant deux éléments adjacents mais ne le traversent pas et sont encastrées de part et d'autre dans des trous non débouchants répartis sur la surface de l'écran en contact avec les électrodes. L'écran, constitué d'un polymère rendu conducteur par l'ajout d'une charge conductrice, est éventuellement rainuré sur ses faces principales afin de ménager des canaux (D) pour la circulation des gaz ou comporte des pions (E) définissant un espace de chaque côté des faces principales où peuvent circuler les gaz.

Description

COLLECTEURS BIPOLAIRES CARACTERISES PARUNE COLLECTE
DISCRETE DES CHARGES
La présente invention concerne les collecteurs bipolaires pour pile à combustible à collecte discrète des charges, caractérisés en ce que les aiguilles électroniquement conductrices par lesquelles s'écoulent les charges sont placées perpendiculairement à la surface des collecteurs séparant deux éléments adjacents de pile mais ne les traversent pas, lesdits collecteurs possédant nécessairement une bonne conductivité électronique.
Dans la demande de brevet français n° 98 09236 déposé le 21 Juillet 1998, la Demanderesse revendiquait la conception d'un collecteur bipolaire pour pile à combustible caractérisé en ce que la collecte des charges s'effectuait par des aiguilles électroniquement conductrices dont les 2 extrémités étaient en contact avec les électrodes appartenant aux 2 éléments devant être mis électriquement en série. Lesdites aiguilles traversaient une plaque en polymère, perpendiculairement à sa surface, ladite plaque ou écran ayant pour fonction de séparer les éléments (ou cellules élémentaires) les uns des autres de telle sorte que le gaz alimentant une cellule ne puisse se mélanger à celui alimentant la cellule adjacente.
La demande de brevet précitée précisait le nombre, la répartition et les dimensions des aiguilles. De plus, il était présenté comme avantageux, dans un mode de réalisation, que l'écran ne comporte pas des canaux pour l'amenée des gaz mais un espace ménagé entre l'écran et les électrodes, espace qui était rempli par une structure tridimensionnelle ouverte telle qu'une mousse, qui avait pour fonction d'homogénéiser le flux gazeux circulant devant les électrodes. Dans tous les cas, l'écran était constitué par un matériau électriquement isolant. Plusieurs modes d'implantation des aiguilles dans l'écran, que celui-ci comporte ou non des canaux, ont été envisagés. Dans tous les cas, ces procédés (cloutage, frettage, collage, insertion lors du moulage) devaient impérativement conduire à une parfaite étanchéité aux gaz entre les 2 faces de 1 ' écran.
Or, il a été observé, pour certains modes d'utilisation impliquant par exemple des cycles thermiques rapides et de forte amplitude, une décohésion entre la surface des aiguilles électroniquement conductrices et l'écran, conduisant ainsi à une fuite possible du gaz d'un compartiment vers l'autre.
L'objet de la présente invention est de pallier cet inconvénient en modifiant les modes d'implantation des aiguilles dans l'écran et, de ce fait, en modifiant la conception de ce dernier. En revanche, la présente invention ne concerne pas la répartition des aiguilles, leur nature et leur protection superficielle, l'innovation relative à la collecte discrète des charges étant propre à la demande de brevet n° 98 09236.
Selon une des caractéristiques de l'invention, les aiguilles électroniquement conductrices par lesquelles s'écoulent les charges sont placées perpendiculairement à la surface du collecteur bipolaire, ou écran, séparant deux éléments adjacents de pile mais ne le traversent pas ; de ce fait l'écran doit nécessairement posséder une bonne conductivité électronique.
La conduction des électrons d'une électrode d'un élément à l'électrode de polarité opposée située dans l'élément adjacent s'effectue donc dans 3 milieux successifs :
•dans une aiguille dont une extrémité est en contact avec une électrode et l'autre est encastrée dans l'écran possédant une bonne conductivité électronique,
•dans la partie centrale de l'écran, •dans une deuxième aiguille dont une extrémité est encastrée dans l'écran et l'autre est en contact avec l'électrode de l'autre élément.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'écran séparant deux éléments adjacents de pile est constitué par un matériau composite constitué d'un polymère rendu conducteur par une charge conductrice telle que le carbone.
Le concept selon la présente invention est applicable aux deux types de collecteurs bipolaires décrits dans la demande de brevet n° 98 09236.
En effet, selon une caractéristique de l'invention l'écran est rainure sur ses faces principales afin que soient créés des canaux où s'effectue la circulation des gaz.
Selon ce mode de réalisation, les aiguilles assurant l'écoulement des charges sont encastrées dans des trous non débouchants répartis sur les parties en relief de l'écran, c'est à dire dans l'espace séparant les canaux.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'écran n'est pas rainure mais un espace est défini, par le jeu de pions, de chaque côté de ses faces principales, espace où peuvent circuler les gaz ; l'homogénéité des débits gazeux est assurée par la présence dans le susdit espace d'une structure tridimensionnelle à porosité ouverte en un matériau conducteur ou isolant. Dans ce cas, les aiguilles assurant l'écoulement des charges sont réparties sur les deux surfaces de l'écran et sont encastrées dans des trous non débouchants.
Dans le premier type de réalisation, caractérisé par la présence de canaux sur chaque face de l'écran, les électrodes étant plaquées sur les surfaces en relief séparant les canaux, l'encastrement de chaque aiguille pourra être effectué dans des trous dont la profondeur sera égale à la moitié de l'épaisseur de l'écran diminuée d'une valeur comprise entre 0,1 et 0,5 mm suivant l'épaisseur de l'écran, de telle sorte qu'il reste une fraction médiane de l'écran non perforée ayant une épaisseur minimale définie en fonction de la nature du matériau constitutif de l'écran et des contraintes mécaniques qui s'y appliquent.
Selon un mode de réalisation, les trous d'encastrement des aiguilles sont de part et d'autre de chaque face dans le prolongement les uns des autres, le fond de chaque trou étant séparé de celui qui lui est opposé par une paroi dont l'épaisseur est comprise entre 0,4 et 0,8 mm.
Selon un autre mode de réalisation, les trous d'encastrement ne sont pas dans le prolongement les uns des autres ; dans ce cas, leur profondeur peut être supérieure à la moitié de l'épaisseur de l'écran, la distance du fond d'un encastrement à la face la plus proche devant néanmoins être supérieure à 0, 3 mm et la distance entre les génératrices des deux aiguilles opposées doit être comprise entre 0,4 et 1 mm.
Les aiguilles sont avantageusement constituées d'inox 316 L et ont un diamètre compris entre 0,1 et 0,3 mm.
Compte tenu de ce que l'écran doit obligatoirement posséder une bonne conductivité électronique, on pourrait considérer que l'ajout d'aiguilles électroniquement conductrices constitue un élément superflu pour la conduction. En fait, il faut noter que dans ce type de réalisation, le drainage des charges par les aiguilles pourra être un mode privilégié et par conséquent on pourra utiliser comme matériau constitutif de l'écran un composite dont la conductivité pourra être, si besoin est en ce qui concerne sa mise en oeuvre, moins élevée que celle nécessaire en l'absence des aiguilles. Ou encore, il sera possible, avec ce même matériau, de faire fonctionner le système avec des densités de courant plus élevées que dans le cas d'un matériau sans implantation d'aiguilles, pour la même chute ohmique.
Par ailleurs, il sera également possible de réduire l'aire totale de l'écran en contact avec l'électrode et par conséquent moins occulter aux gaz l'électrode.
Les collecteurs selon l'invention comportent avantageusement un film conducteur électronique interposé entre la surface des encastrements et la partie encastrée des aiguilles, afin de diminuer les résistances de contact. Ce film conducteur est constitué par du graphite ou une colle à forte teneur en graphite.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent respectivement : *la figure 1, une vue en coupe d'un collecteur bipolaire selon l'invention, ce collecteur comportant des rainures sur chacune de ses faces principales,
•la figure 2, une vue en coupe d'un collecteur bipolaire selon l'invention, ce collecteur ne comportant pas de rainure mais des pions définissant un espace de hauteur déterminée pour la circulation des gaz ; sur cette figure 2, deux modes de réalisation ont été regroupés, selon que les aiguilles situées de part et d'autre de l'écran sont dans le prolongement l'une de l'autre ou décalées l'une par rapport à l'autre.
Dans l'exemple représenté sur la figure 1, l'écran (A) est constitué par un composite polymère / carbone dont la résistivité est de l'ordre de 1 Ω cm.
Les aiguilles (B) ont un diamètre compris entre 0, 1 et
0,3 mm, ici 0,2 mm, et sont en inox 316 L, leur longueur totale est de 1,5 mm. Leur partie émergente des reliefs de l'écran (a) est comprise entre 0,1 et 0,3 mm, ici a = 0,2 mm. La surface de l'extrémité émergente (C) de l'aiguille est avantageusement revêtue, comme il est revendiqué dans la demande de brevet n° 98 09236 par un dépôt d'un métal ou alliage protecteur évitant la passivation, ceci notamment pour les aiguilles pénétrant dans les électrodes positives. La largeur (b) des bandes séparant les canaux est comprise entre 0,5 et 1 mm. Dans l'exemple décrit et réalisé, elle est de 0,8 mm. La largeur (c) des canaux est comprise généralement entre 1 et 3 mm ; elle est ici de 2 mm.
La profondeur des canaux (d) est comprise entre 0,8 et 1,5 mm ; elle est ici de 1 mm. L'épaisseur (e) de l'écran entre le fond de 2 canaux est de l'ordre de 1 mm. L'épaisseur (f) de l'écran entre le fond des logements destinés aux aiguilles est ici de 0,4 mm, les encastrements étant dans le prolongement les uns des autres.
Les encastrements (trous sensiblement cylindriques) destinés à y implanter les aiguilles peuvent être réalisés soit lors du moulage de l'écran, soit par usinage ultérieur. Ils ont un diamètre égal à celui des aiguilles ou supérieur de 0,05 mm.
La distance entre les aiguilles et plus généralement leur répartition est à définir en fonction de la conductivité électronique des électrodes, des densités de courant générées et de la chute ohmique maximale pouvant être tolérée.
La figure 2 représente le second type de collecteur bipolaire caractérisé par l'absence de canaux. Les gaz circulent dans l'espace compris entre la surface des électrodes et la surface interne de l'écran (A), l'épaisseur (g) de cet espace est généralement compris entre 0,8 et 1,5 mm, ici 1 mm. Cet espace peut avantageusement être rempli par une structure tridimensionnelle ouverte (D) , telle que ici une mousse à alvéoles ouverts, en un polymère de faible densité, stable dans les conditions de fonctionnement de la pile et non nécessairement conducteur. Cette structure, dont le diamètre moyen des alvéoles est de 0,5 mm, a pour but d'homogénéiser les débits gazeux. Comme il avait été mentionné dans la demande de brevet n° 98 09236, il est avantageux que le matériau constitutif de cette structure possède un caractère hydrophobe.
L'écran peut avantageusement comporter des pions (E) , dont le diamètre est par exemple de 3 mm, afin de normaliser l'épaisseur de la veine, ces pions émergents de la plaque constituant la majeure partie de l'écran, d'une hauteur (g) égale à l'épaisseur de la veine.
L'épaisseur (e) de la plaque écran est généralement comprise entre 0,8 et 1,5 mm. La pénétration (h) des aiguilles dans la plaque est comprise entre 0,3 et 0,8 mm, le diamètre des aiguilles, leur matériau constitutif et le mode de protection de leur extrémité étant identiques à ceux décrits dans l'exemple précédent. Egalement comme dans le premier exemple, la longueur de pénétration des aiguilles dans les électrodes est de l'ordre de 0,2 mm. Il en résulte que la longueur totale des aiguilles est comprise entre 1,2 et 2,6 mm. On notera que, comme représenté sur la figure 2, deux modes de disposition relative des aiguilles sont possibles. Dans le premier cas, les aiguilles de part et d'autre de l'écran sont dans le prolongement l'une de l'autre. Dans ce cas, la distance (i) entre le fond de chaque encastrement est comprise entre 0,4 et 1 mm, cette distance étant avantageusement la plus faible possible mais en fait définie par les conditions de mise en oeuvre de l'écran.
Une autre disposition particulièrement intéressante pour les collecteurs sans canaux consiste en ce que les aiguilles situées de part et d'autre de l'écran ne soient pas dans le prolongement l'une de l'autre. Il en résulte dans ce cas que la distance (j) entre les génératrices des deux cylindres doit également être la plus faible possible et en tout état de cause comprise entre 0,4 et 1 mm. Suivant cette configuration, il est possible' de réaliser une pénétration plus importante de l'aiguille dans l'écran que dans le cas où les aiguilles sont dans le prolongement l'une de l'autre.
La présente invention ne se limite pas aux exemples décrits ci-dessus mais en embrasse toutes les variantes.

Claims

REVENDICATIONS
1.Collecteurs bipolaires pour pile à combustible à collecte discrète des charges caractérisés en ce que les aiguilles électroniquement conductrices par lesquelles s'écoulent les charges sont placées perpendiculairement à la surface des collecteurs séparant deux éléments adjacents de pile, mais ne les traversent pas, lesdits collecteurs possédant nécessairement une bonne conductivité électronique.
2.Collecteurs bipolaires selon la revendication 1, caractérisés en ce que l'écran séparant deux éléments adjacents de pile est constitué par un matériau composite où un polymère est rendu conducteur par une charge conductrice telle que le carbone.
3.Collecteurs bipolaires selon les revendications 1 et 2, caractérisés en ce que l'écran est rainure sur ses faces principales afin que soient créés des canaux où s'effectue la circulation des gaz.
.Collecteurs bipolaires selon les revendications 1 et 2, caractérisés en ce que l'écran n'est pas rainure mais, par le jeu de pions, est défini un espace de chaque côté des faces principales où peuvent ciculer les gaz, l'homogénéité des débits gazeux étant assurée par la présence, dans le susdit espace, d'une structure tridimensionnelle à porosité ouverte en un matériau conducteur ou isolant.
5. Collecteurs bipolaires selon la revendication 3, caractérisés en ce que les aiguilles assurant l'écoulement des charges sont encastrées dans des trous non débouchants répartis sur les parties en relief de l'écran, c'est à dire dans l'espace séparant les canaux.
6. Collecteurs bipolaires selon la revendication 4, caractérisés en ce que les aiguilles assurant l'écoulement des charges, réparties sur les deux surfaces de l'écran, sont encastrées dans des trous non débouchants.
7.Collecteurs bipolaires selon les revendications 5 et 6, caractérisés en ce que les trous d'encastrement des aiguilles sont de part et d'autre de chaque face dans le prolongement les uns des autres, le fond de chaque trou étant séparé de celui qui lui est opposé par une paroi dont l'épaisseur est comprise entre 0,4 et 0, 8 mm.
8.Collecteurs bipolaires selon les revendications 5 et 6, caractérisés en ce que les trous d'encastrement ne sont pas dans le prolongement les uns des autres et leur profondeur peut dans ces conditions être supérieure à la moitié de l'épaisseur de l'écran, la distance du fond d'un encastrement à la face la plus proche devant néanmoins être supérieure à 0,3 mm et la distance entre les génératrices des deux aiguilles opposées doit être comprise entre 0,4 et 1 mm.
9. Collecteurs bipolaires selon la revendication 1, caractérisés en ce que les aiguilles sont en inox 316 L et ont un diamètre compris entre 0,1 et 0,3 mm.
10.Collecteurs bipolaires selon les revendications 5 et
6, caractérisés en ce qu'il peut être interposé, entre la surface des encastrements et la partie encastrée des aiguilles, un film conducteur électronique afin de diminuer les résistances de contact .
11.Collecteurs bipolaires selon la revendication 10, caractérisés en ce que le film conducteur est constitué par du graphite ou une colle à forte teneur en graphite.
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