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PROCEDE D'ASSEMBLAGE POUR PILE A COMBUSTIBLE
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un
assemblage de membranes pour pile à combustible.
Les piles à combustible à membrane d'échange de protons, dites
PEMFC correspondant à l'acronyme anglais de proton exchange
membrane fuel cells ou polymer electrolyte membrane fuel cells ,
présentent des propriétés de compacité particulièrement intéressantes.
Chaque cellule comprend une membrane électrolyte polymère permettant
seulement le passage de protons et non le passage des électrons. La
membrane est mise en contact avec une anode sur une première face et
avec une cathode sur une deuxième face pour former un assemblage
membrane/électrodes dit AME.
L'assemblage précité est généralement réalisé par superposition
successive des différentes membranes et électrodes avec une interposition
de membranes de renfort permettant de supporter l'assemblage. Toutefois,
pour assurer un bon positionnement des différents éléments entre eux, il est
impératif de garantir un positionnement optimal de la membrane électrolyte
polymère avec la membrane de renfort. Une solution serait d'utiliser un
appareil robotisé qui serait apte à réaliser successivement l'assemblage des
différents éléments entre eux. Toutefois, un simple empilement successif des
différentes épaisseurs s'avère insuffisant puisqu'il impose d'utiliser des
quantités importantes de membrane active, ce qui s'avère couteux.
L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple,
efficace et économique à ce problème.
A cet effet, elle propose un procédé de fabrication d'un
assemblage membrane électrolyte polymère/électrodes pour pile à
combustible comprenant les étapes suivantes :
a) fournir une première membrane de renfort comprenant un bord
externe et un bord interne délimitant une ouverture,
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b) fournir une première électrode apte à obturer l'ouverture de la
première membrane de renfort,
c) fournir une seconde membrane de renfort comprenant un bord
externe et un bord interne délimitant une ouverture,
d) fournir une seconde électrode apte à obturer l'ouverture de la
seconde membrane de renfort,
e) fournir une membrane électrolyte polymère apte à obturer l'une
et l'autre de l'ouverture de la première et de la seconde
membranes renfort,
f) agencer les première et seconde membranes renfort, les
première et seconde électrodes et la membrane électrolyte
polymère de manière à obtenir un empilement successif de la
première électrode, de la première membrane renfort, de la
membrane électrolyte polymère, de la seconde membrane
renfort et de la seconde électrode, où l'ouverture de la première
membrane renfort est obturée inférieurement par la première
électrode et supérieurement par la membrane électrolyte
polymère, et où l'ouverture de la seconde membrane renfort est
obturée inférieurement par la membrane électrolyte polymère et
supérieurement par la seconde électrode.
Selon l'invention, le procédé propose de fournir dans un premier
temps les différentes membranes à assembler les unes aux autres, ce qui
permet de mieux optimiser la quantité de matière utilisée.
Dans la présente demande, le terme ouverture implique un
contour fermé qui à la propriété d'être dépourvu d'extrémité, sans être
infini.
De même, le terme bord désigne un contour fermé qui à la propriété
d'être dépourvu d'extrémité, sans être infini. Le terme obturé en relation
avec le terme ouverture indique que le passage au travers de l'ouverture
s'effectue au travers de l'élément obturant ladite ouverture.
Selon l'invention, l'assemblage membrane/électrodes obtenu est
dépourvu d'espaces ou cavités à l'intérieur de celui-ci. En pratique, la
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première électrode et la seconde électrode sont chacune en contact avec la
membrane électrolyte polymère.
Selon une autre caractéristique, préalablement à l'étape f), le
procédé comprend une étape a) dans laquelle la membrane électrolyte
polymère est solidarisée à l'une de la première membrane renfort et de la
seconde membrane renfort et de manière à ce qu'elle obture l'ouverture de
ladite membrane renfort concernée.
Cette opération de solidarisation de la membrane électrolytique
peut avantageusement être réalisée par soudure laser.
Ainsi, selon l'invention, le procédé peut consister à disposer l'une
de la première membrane renfort et de la seconde membrane de renfort sur
un support puis à dérouler une membrane électrolyte polymère au-dessus
de l'ouverture de ladite membrane pour qu'elle obture l'ouverture de cette
membrane. Dans un second temps, on procède à la suppression des
éventuels plis de la membrane électrolyte polymère et on réalise dans une
étape subséquente la solidarisation du bord externe de la membrane
électrolyte polymère, par exemple par fusion laser, avec le bord interne de
membrane renfort considérée.
Plus particulièrement, la première membrane renfort et la
première électrode peuvent être solidarisées l'une à l'autre dans une étape
31), préalablement à l'étape f), l'ouverture de la première membrane renfort
étant obturée par la première électrode.
Le préassemblage de la première membrane renfort et de la
première électrode permet de faciliter l'assemblage des différentes
épaisseurs. En effet, lesdites deux couches sont ainsi assemblées
simultanément aux autres couches de l'assemblage.
L'étape pi peut être réalisée en disposant la première électrode
sur un support et en agençant la première membrane renfort au-dessus de
la première électrode, puis en solidarisant la première électrode sur la
première membrane renfort. La solidarisation pouvant comporter
l'application d'un organe chauffant sur la première membrane renfort.
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La seconde membrane renfort et la seconde électrode peuvent
également être solidarisées l'une à l'autre dans une étape 132), préalablement
à l'étape f), l'ouverture de la seconde membrane renfort étant obturée par la
seconde électrode.
L'étape [32 peut être réalisée en disposant la seconde membrane
renfort sur un support et en agençant la seconde électrode au-dessus de la
seconde membrane renfort, puis en solidarisant la seconde électrode sur la
seconde membrane renfort. La solidarisation pouvant comporter l'application
d'un organe chauffant sur la première électrode.
L'étape a) peut consister en une étape al dans laquelle la
membrane électrolyte polymère est solidarisée à la première membrane
renfort ou en une étape a2) dans laquelle la membrane électrolyte polymère
est solidarisée à la seconde membrane renfort. L'étape al) peut être réalisée
avant l'étape pi), la première électrode étant agencée à l'opposé de la
membrane électrolyte polymère par rapport à la première membrane renfort.
L'étape a2) peut être réalisée avant l'étape 132), la seconde électrode étant
agencée à l'opposé de la membrane électrolyte polymère par rapport à la
seconde membrane renfort. Ainsi, on comprend que les étapes pi) et 132) sont
effectuées avec la membrane électrolyte polymère déjà solidaires de la
première ou de la seconde membranes renfort.
Les étapes de solidarisation de membranes et de l'électrode telles
qu'évoquées précédemment sont de préférence réalisées par un poinçon
chauffant appliqué sur la superposition de couches formées. Il est
souhaitable que l'organe chauffant ou le poinçon ne vienne pas en contact
avec la membrane pour éviter que celle-ci reste collée à l'organe chauffant
ou poinçon du fait de sa constitution chimique. Pour cela, on préfèrera
appliquer l'organe chauffant ou le poinçon directement sur la première
électrode ou sur la seconde électrode.
Dans une configuration préférée de l'invention, le procédé
comprend une étape a2) qui est réalisée avant l'étape 132). Dans une
réalisation, le préassemblage obtenu à l'issu de l'étape pi) est disposé sur
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un support de manière à ce que la première électrode soit appliquée sur le
support, la première membrane renfort étant agencée au-dessus de la
première électrode. Dans une étape ultérieure, on superpose le
préassemblage obtenu à l'issu de l'étape 132) sur le préassemblage obtenu à
5 l'issu de l'étape pi) et l'ensemble est agencé sous une presse.
La membrane électrolyte polymère est, de préférence,
dimensionnée de manière à ce que son bord externe soit inscrit entre les
bords internes et externes des première et seconde membranes de renfort,
ce qui permet de limiter la consommation de membrane électrolyte polymère
qui est couteuse.
L'assemblage obtenu peut être compressé et chauffé au niveau
des électrodes uniquement et de l'intégralité de celles-ci, de manière à lier
fermement l'empilement de couches entre elles.
L'étape de compression et de chauffage des électrodes peut être
réalisée au moyen d'une première semelle de compression de l'assemblage
qui est dimensionnée de manière sensiblement identique aux électrodes. La
première semelle de compression et de chauffage peut être montée sur un
piston d'une première presse.
L'assemblage peut être compressé et chauffé au niveau d'une
zone annulaire entourant les électrodes. Cette zone annulaire débute de
préférence, intérieurement immédiatement à l'extérieur des bords externes
des première et seconde électrodes. Elle peut s'étendre vers l'extérieur
jusqu'aux bords externes des première et seconde membranes renfort. Cette
étape de compression et de chauffage peut être réalisée au moyen d'une
seconde semelle de compression et de chauffage qui a une forme annulaire.
La seconde semelle de compression et de chauffage peut être montée sur
un piston d'une seconde presse.
De préférence, on effectuera la compression et le chauffage au
niveau de la zone centrale puis au niveau de la zone annulaire pour dans un
premier temps effectuer une solidarisation des membranes entre elles au
niveau de la partie active de l'assemblage et ainsi éviter tout mouvement des
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membranes renfort, des électrodes et de la membrane électrolyte polymère
entre elles.
Optionnellement, l'étape de compression et de chauffage des
électrodes peut être suivie d'une étape de solidarisation, par poinçons
chauffants par exemple, en une pluralité de localisations situées à la
périphérie des membranes renforts. Cette étape peut également être initiée
en fin de cycle de compression et de chauffage et se terminer simultanément
ou après celle-ci. Autrement dit, l'étape de solidarisation par poinçons
chauffants précède l'étape de chauffage et compression de la zone
annulaire. Cette étape de solidarisation évite que la membrane de renfort
inférieure ne flambe et ne se replie sur elle-même conduisant à la formation
d'une double épaisseur de membrane renfort induisant une mise au rebut de
l'assemblage obtenu pour non-conformité.
La dissociation des opérations de compression et chauffage pour
chacune de la zone centrale comprenant les première et seconde électrodes
et la membrane électrolyte polymère et de la zone annulaire entourant les
électrodes, permet d'adapter au mieux la pression et la température
exercées aux constituants des couches concernées tout en assurant
l'adhérence de chacune des couches (membranes ou électrodes ou renfort)
en contact. Cette dissociation est particulièrement intéressante dans le cas
où la zone annulaire ne comprend pas une couche entière de membrane
électrolyte polymère, c'est-à-dire ne comprend pas en tout lieu une
superposition de la première membrane renfort, la membrane électrolyte
polymère et la seconde membrane renfort. De plus, les épaisseurs des
membranes et des électrodes étant différentes, cette dissociation permet
d'assurer une répartition homogène de la pression et de la température en
évitant l'application d'une pression et d'une même température sur tout
l'assemblage. Bien qu'il pourrait être envisageable de réaliser une semelle
de compression présentant un décrochement au niveau des bords externes
des membranes, cela s'avère très difficile à réaliser par usinage au regard
des faibles épaisseurs des membranes et des électrodes puisque cela
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nécessiterait d'avoir des très faibles tolérances de fabrication,
nécessairement très couteuses. Au surplus, on notera que l'utilisation d'une
semelle de compression unique n'est pas non plus souhaitable puisqu'il est
impossible de garantir une application uniforme de la pression sur les
différentes couches puisque celles-ci présentent des compressibilités
différentes.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la membrane
électrolyte polymère est dimensionnée de manière à ce que les première et
seconde électrodes soient inscrites à l'intérieur de la membrane électrolyte
polymère.
Le procédé peut encore comprendre les étapes suivantes :
- fournir une membrane support comportant un bord ou contour
externe et un bord ou contour interne délimitant une ouverture
de la membrane, cette ouverture étant dimensionnée de manière
à ce que la membrane électrolyte polymère puisse s'inscrire
dans ladite ouverture et à ce que la première membrane renfort
et la seconde membrane renfort puissent recouvrir tout le bord
interne de la membrane support,
-
agencer la membrane support de manière à ce que la membrane
électrolyte polymère soit inscrite dans son ouverture et que son
bord interne soit intercalé entre les bords internes et externes
des première et seconde membranes renfort.
Le procédé décrit ci-dessus évite une utilisation importante de
membrane électrolyte polymère grâce à l'utilisation d'une membrane de
support présentant une ouverture dans laquelle peut être logée la membrane
électrolyte polymère. Après application d'une pression sur la structure
multicouches première électrode / première membrane renfort / membrane
électrolyte polymère / seconde membrane renfort / seconde électrode, la
membrane de support assure un maintien de cet assemblage qui peut être
manipulé ultérieurement.
Lorsque :
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- la membrane électrolyte polymère est solidarisée à l'une de la
première membrane renfort et de la seconde membrane renfort
et de manière à ce qu'elle obture l'ouverture de ladite membrane
renfort concernée,
- la première membrane renfort et la première électrode sont
solidarisées l'une à l'autre préalablement à l'étape f), l'ouverture
de la première membrane renfort étant obturée par la première
électrode, et
- la seconde membrane renfort et la seconde électrode sont
solidarisées l'une à l'autre préalablement à l'étape f), l'ouverture
de la seconde membrane renfort étant obturée par la seconde
électrode,
le procédé peut également comprendre les étapes suivantes :
- agencer une face libre de la première électrode sur un support,
- agencer la membrane support de manière à ce que son bord
interne recouvre tout le bord externe de la première membrane
renfort,
- agencer la seconde membrane renfort de manière à ce que son
bord périphérique externe recouvre tout le bord interne de la
membrane support, une face libre de la seconde électrode étant
tournée vers l'extérieur et à l'opposé de la membrane électrolyte
polymère.
On comprend que l'on peut réaliser l'assemblage en un nombre
limité d'étapes puisque la première électrode et la première membrane
renfort sont préassemblées l'une à l'autre, que la seconde électrode et la
seconde membrane renfort sont également préassemblées l'une à l'autre et
que la membrane électrolyte polymère est préassemblée à l'une des
membranes renfort.
Selon le procédé, la membrane support peut être supportée par
un cadre, par exemple métallique, ce qui facilite la manipulation par des bras
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de manipulation équipé de moyens de préhension, par exemple
magnétiques.
Lorsque :
- la première membrane renfort et la première électrode sont
solidarisées l'une à l'autre préalablement à l'étape f), l'ouverture
de la première membrane renfort étant obturée par la première
électrode, et
- la seconde membrane renfort et la seconde électrode sont
solidarisées l'une à l'autre préalablement à l'étape f), l'ouverture
de la seconde membrane renfort étant obturée par la seconde
électrode,
le procédé peut également comprendre les étapes suivantes :
- agencer une face libre de la première électrode sur un support,
- agencer la membrane électrolyte polymère de manière à ce
qu'elle obture supérieurement l'ouverture (14a) de la première
membrane renfort,
- agencer la seconde membrane renfort de manière à ce que son
bord périphérique externe recouvre tout le bord interne de la
membrane support, une face libre de la seconde électrode étant
tournée vers l'extérieur et à l'opposé de la membrane électrolyte
polymère.
On comprend que l'on peut réaliser l'assemblage en un nombre
limité d'étapes puisque la première électrode et la première membrane
renfort sont préassemblées l'une à l'autre, que la seconde électrode et la
seconde membrane renfort sont également préassemblées l'une à l'autre, la
membrane électrolyte polymère étant agencée entre les deux
préassemblages précités.
Dans cette configuration, la membrane électrolyte polymère
s'étend entre deux bords opposés du cadre dont le pourtour entoure les
bords externes des membranes de renfort. Le cadre peut être réalisé en
matériau métallique.
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Dans une réalisation pratique de l'invention, la membrane
électrolyte polymère est réalisée en polymère conducteur protonique. A titre
d'exemple, elle pourra être constituée de polysulfone, de polyéthercétone ou
des polyphénylène sur lesquels sont greffés des groupements conducteurs
5 de protons tels que par exemple les groupements acides sulfoniques.
Plus
particulièrement, on utilisera des polymères constitués d'une chaîne
principale linéaire perfluorée et de chaîne latérale portant des groupes
acides sulfoniques. Parmi les plus connues, on peut citer les membranes
commercialisées sous la dénomination NAFION0 par la société Dupont et
10 Nemours ou sous la dénomination DOW , FLEMION0, Aciplex0, Aquivion0
ou Gore par les sociétés Dow chemicals, Asahi Glass, Solvay et Gore. Les
première et seconde membranes renfort peuvent être réalisées de façon à
titre d'exemple en polyt1uorure de vinyl (PFA), polyéthylène téréphtalate
(PET) ou polyéthylène naphthalate (PEN).
Selon une autre caractéristique du procédé, celui-ci comprend
une étape de réalisation d'une découpe périphérique à contour fermé
entourant la membrane électrolyte polymère au travers d'une zone annulaire
de l'assemblage comprenant exclusivement un empilement des première et
seconde membranes renfort ou un empilement de la première membrane
renfort, de la membrane électrolyte polymère et de la seconde membrane
renfort.
Afin de permettre le passage des liquides de refroidissement et
des gaz purs pour le fonctionnement d'une pile à combustible comprenant
une pluralité d'assemblage obtenus avec le procédé selon l'invention,
l'assemblage peut être soumis à une étape consistant à réaliser des orifices
dans une zone périphérique entourant au moins les électrodes et de
préférence la membrane électrolyte polymère et les première et seconde
électrodes. Dans ce dernier cas, les orifices ne traversent pas la membrane
électrolyte polymère, ce qui évite une circulation parasite de liquide de
refroidissement entre la membrane et les électrodes puisque la membrane
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électrolyte polymère est confinée sur tout sa circonférence à l'intérieur des
membranes renfort.
Les orifices peuvent être agencés entre ladite découpe et la
membrane électrolyte polymère.
Selon une autre caractéristique, le procédé comprend une étape
de montage d'une première plaque bipolaire sur une face libre de l'une de la
première électrode et de la seconde électrode. Le procédé peut comprendre
une étape de montage d'une seconde plaque bipolaire sur une face libre de
l'autre de la première électrode et de la seconde électrode. Dans cette
dernière configuration, les faces libres des première et seconde électrodes
sont recouvertes d'une plaque bipolaire.
La réalisation préalable de l'assemblage avec les électrodes à
l'extérieur dudit assemblage, c'est-à-dire avec les membranes renfort
intercalées entre la membrane électrolyte polymère et les électrodes, permet
de réaliser un montage d'au moins une plaque bipolaire ou des deux plaques
bipolaires directement en contact avec les faces libres des première et
seconde électrodes, ce qui garantit un contact, sans espace, entre chaque
plaque bipolaire et une électrode. Ainsi, il est possible de garantir un
meilleur
échange des gaz au travers des électrodes, ce qui participe à l'amélioration
du rendement énergétique de la pile à combustible.
L'invention sera mieux comprise et d'autres détails,
caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la
description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux
dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une illustration schématique d'un assemblage
électrode-membrane électrolyte polymère-électrode obtenu avec le procédé
selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue schématique en perspective d'un
rouleau à structure multicouches comprenant une membrane électrolyte
polymère pour pile à combustible ;
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- la figure 3 représente l'assemblage des différentes membranes
pour former un assemblage électrode-membrane électrolyte polymère-
électrode selon la figure 1 ;
- la figure 4 est une illustration de l'empilement des couches ou
épaisseurs visibles en figure 3;
- la figure 5 est une illustration schématique d'un autre
assemblage électrode-membrane électrolyte polymère-électrode obtenu
avec le procédé selon l'invention ;
- la figure 6 représente l'assemblage des différentes membranes
pour former un assemblage électrode-membrane électrolyte polymère-
électrode selon la figure 5
- la figure 7 est une illustration schématique de l'assemblage de
la figure 5 et de plaques bipolaires recouvrant ledit assemblage.
On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente un
assemblage 10 membrane électrolyte polymère/électrodes dit AME
comprenant les éléments successifs du bas vers le haut :
- une première électrode 12 ou électrode inférieure apte à former
une anode dans une pile à combustible,
- une première membrane 14 ou membrane inférieure de renfort,
- une membrane électrolyte 16 polymère assurant une conduction
protonique,
- une seconde membrane 18 ou membrane supérieure de renfort,
- une seconde électrode 20 ou électrode supérieure apte à former
une cathode dans une pile à combustible.
On comprend que sur la figure 1, les différentes couches précitées
sont en contact les unes avec les autres et que les espacements entre
lesdites couches n'existent pas dans un assemblage réel.
La figure 2 représente un rouleau 21 comprenant une bande à
structure mutlicouches comportant une bande en matériau électrolyte
polymère 16 intercalée entre un premier film 22 de protection et un second
film 24 de protection.
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La première électrode 12 et la seconde électrode 20 se présentent
sous la forme d'une membrane ayant par exemple une forme rectangulaire
(figure 4). Chacune de la première électrode 12 et de la seconde électrode
20 comprend deux couches, à savoir une première couche formée d'un tissu
de carbone sur laquelle est déposée une seconde couche catalytique
comprenant un liant incorporant un catalyseur tel que du platine. La première
couche de diffusion peut avoir une épaisseur de l'ordre de 200 pm environ
et la seconde couche peut avoir une épaisseur d'environ de quelques
dizaines de microns. Le liant peut avoir un constitution chimique similaire ou
identique à celle de la membrane électrolyte polymère 16.
La première électrode 12 et la seconde électrode 20 sont
dépourvues d'ouverture et comprennent un bord externe 12a, 20a délimitant
la périphérie externe ou contour externe de l'électrode 12, 20. La première
électrode 12 et la seconde électrode 20 peuvent avoir une forme et des
dimensions identiques conduisant à ce que la première électrode 12 et la
seconde électrode 20 soient totalement interchangeable l'une avec l'autre.
Dans l'assemblage représenté en figure 1 et également en figure
3, chaque électrode 12, 20 comprend une face libre 12b, 20b, et une face
12c, 20c, en contact avec la membrane 16 électrolyte polymère. La face libre
12b, 20b, est une face de la première couche ou couche de diffusion et la
face 12c, 20c, en contact avec la membrane électrolyte polymère est une
face de la seconde couche de l'électrode. Ainsi, les faces libres 12b, 20b,
sont orientées dans un sens opposé à la membrane 16 électrolyte polymère.
La première membrane de renfort 14 et la seconde membrane de
renfort 18 comprennent chacune une ouverture centrale 14a, 18a, délimitée
par un bord interne 14b, 18b. Elles comprennent également un bord
périphérique externe 14c, 18c, délimitant leur périphérie ou contour externe.
La première membrane renfort 14 et la seconde membrane renfort 18
peuvent avoir une forme et des dimensions identiques conduisant à ce que
la première membrane renfort 14 et la seconde membrane renfort 18 soient
totalement interchangeables l'une avec l'autre.
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L'ouverture 14a de la première membrane renfort 14 et l'ouverture
18a de la seconde membrane renfort 18 ainsi que les électrodes 12, 20 sont
dimensionnées de manière à ce que la première électrode 12 puisse
recouvrir intégralement l'ouverture 14a de la première membrane renfort 14
de manière à l'obturer et que la seconde électrode 20 puisse recouvrir
intégralement l'ouverture 18a de la seconde membrane renfort 18 de
manière à l'obturer.
La membrane électrolyte polymère 16 ou membrane d'échange
de protons présente une forme sensiblement rectangulaire et est dépourvue
d'ouverture. Elle comprend un bord externe 16a délimitant la périphérie
externe ou contour externe de la membrane 16. Comme représenté aux
figures 1 et 3, la membrane électrolyte polymère 16 est dimensionnée de
manière à ce que les première 12 et seconde 20 électrodes soient inscrites
à l'intérieur de la membrane électrolyte polymère 16. En pratique, la
membrane électrolyte polymère 16 présente une surface plus importante que
la surface des première 12 et seconde 20 électrodes.
Comme cela est visible sur la figure 3, pour réaliser l'assemblage
pour pile à combustible, une membrane support 26 est intercalée entre la
première membrane renfort 14 et la seconde membrane renfort 18. Cette
membrane support 26 qui peut également être qualifiée de membrane de
transport comme cela sera aisément compris ultérieurement, comprend un
bord externe 26a formant le contour externe de la membrane support et un
bord interne 26b délimitant une ouverture centrale 26c réalisée dans la
membrane renfort 26. Le bord externe 26a de la membrane renfort 26 est
serré entre deux parties 28a, 28b métalliques formant un cadre. Ainsi, la
membrane support 26 peut être aisément manipulée par l'intermédiaire des
deux cadres rigides fixés l'un à l'autre par tout moyen approprié, par exemple
par vissage.
Comme cela est visible sur les figures 3 et 4, l'ouverture 26c de la
membrane de support 26 est dimensionnée de manière à ce que la
membrane électrolyte polymère 16 puisse s'inscrire dans ladite ouverture
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26c et à ce que le bord externe 14c de la première membrane renfort 14 et
le bord externe 18c de la seconde membrane renfort 18 puissent recouvrir
tout le bord interne 26b de la membrane support 26. De cette manière, un
espace annulaire est ménagé à l'assemblage entre le bord externe 16a de
5 la membrane électrolyte polymère 16 et le bord interne 26b de la
membrane
de support 26.
Pour réaliser l'empilement précité des membranes, il est possible
de réaliser l'assemblage en effectuant les étapes suivantes, par exemple
successivement mais non nécessairement :
10 - agencer la première électrode 12 de manière à ce que sa face
libre 12b soit en contact avec un support 30,
- agencer la première membrane 14 renfort au-dessus de la
première électrode 12 de manière à ce que son ouverture 14a
soit obturée inférieurement par la première électrode 12,
15 -
agencer le cadre 28a, 28b de manière à ce que le bord interne
26b de la membrane de support 26 recouvre le bord externe 14c
de la première membrane renfort 14,
- agencer la membrane électrolyte polymère 16 dans l'ouverture
26c de la membrane renfort 26 et de manière à ce qu'elle obture
supérieurement l'ouverture 14a de la première membrane renfort
14, le bord 16a de la membrane électrolyte polymère venant en
vis-à-vis du bord interne 14b de la première membrane renfort
14,
- agencer la seconde membrane renfort 18 de manière à ce que
son bord externe 18c recouvre le bord interne 26b de la
membrane renfort 26, le bord interne 18b de la seconde
membrane renfort 18 étant appliquée sur tout le bord externe 16a
de la membrane électrolyte polymère 16,
- agencer la seconde électrode 20 au-dessus de la seconde
membrane renfort 18 de manière à ce que son bord externe 20a
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vienne s'appliquer sur tout le bord interne 18b de la seconde
membrane renfort 18.
On comprend que certaines de ces étapes peuvent être réalisées
avant ou après certaines autres ou peuvent être réalisées dans l'ordre
indiqué ci-dessus.
Il est encore possible d'assembler les différentes couches d'une autre
manière en effectuant des préassemblages de plusieurs membranes 14, 16,
18 et électrodes 12, 20 entre elles.
Ainsi, un premier ensemble peut être constitué par le préassemblage
et solidarisation de la première électrode 12 avec la première membrane
renfort 14, la face libre 12b de la première électrode 12 étant agencée à
l'opposé de la première membrane renfort 14. Un second ensemble peut être
aussi constitué par le préassemblage et la solidarisation de la membrane
électrolyte polymère 16 avec la seconde membrane renfort 18 et la seconde
électrode 20.
Le second ensemble peut être obtenu de la manière suivante. En
premier lieu, la seconde membrane renfort 18 est disposée sur un support
d'un poste d'assemblage qui peut supporter le rouleau 22 de membrane
électrolyte polymère 16. La membrane électrolyte polymère 16 est
désolidarisée des premier 22 et second 24 films protecteurs et tirée jusqu'à
recouvrir l'ouverture de la seconde membrane renfort 18. On procède
ensuite à la suppression des éventuels plis de la membrane électrolyte
polymère 16.
Enfin, on réalise dans une étape subséquente la solidarisation du bord
externe 16a de la membrane électrolyte polymère 16 avec le bord interne
18b de la seconde membrane renfort 18.
Cette étape de solidarisation peut être réalisée par soudure laser d'un
premier contour fermé de la membrane électrolyte polymère 16 sur le bord
interne 18b de la seconde membrane renfort 18 puis par réalisation par
soudure laser d'un second contour fermé de la membrane électrolyte
polymère 16 sur le bord interne 18b de la seconde membrane renfort 18, le
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second contour entourant le premier contour. La puissance du laser lors de
la réalisation du premier contour de soudure est telle qu'elle permet de
solidariser la membrane électrolytique polymère 16 à la seconde membrane
renfort 18 sans la découper. La réalisation du second contour est suffisante
pour permettre une soudure de la membrane électrolytique polymère 16 sur
la seconde membrane renfort 18 tout en autorisant une découpe de la
membrane électrolytique 16 seule, c'est-à-dire sans découper la seconde
membrane renfort. Il est à noter que l'on pourrait également effectuer un seul
contour fermé pour réaliser simultanément la soudure de la membrane
électrolyte avec la membrane renfort et la découpe de la membrane
électrolyte polymère.
Une fois le sous-ensemble comprenant la membrane électrolyte
polymère 16 et la seconde membrane renfort 18 formé, on procède à
l'assemblage de la seconde électrode 20 sur l'ouverture de la seconde
membrane renfort 18 de manière à ce que la seconde électrode 20 obture
l'ouverture 18a de la seconde membrane renfort 18, la face libre 20b de la
seconde électrode 20 étant orientée à l'opposé de la membrane électrolyte
polymère 16.
Après obtention du premier ensemble et du second ensemble tel que
décrit ci-dessus, on procède ensuite au dépôt du premier ensemble sur le
support 30, la face libre 12b de la première électrode 12 étant en contact
avec le support 20. Le cadre 28a, 28b supportant la membrane support 26
est agencé au-dessus de la première membrane renfort 14 de sorte que
l'ouverture 26c de la membrane support 26 est obturée inférieurement par le
premier ensemble, le bord interne 26b de la membrane support 26 étant
appliqué sur tout le bord externe 14c de la première membrane renfort 14.
On applique ensuite le second ensemble au-dessus du cadre 28a, 28b de
manière à ce que la membrane électrolyte polymère 16 vienne se loger dans
l'ouverture 26c de la membrane support 26, le bord externe 18c de la
seconde membrane renfort 18 venant s'appliquer sur tout le bord interne 26b
de la membrane support 26.
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Le support 30 précité peut être le support statique d'une presse.
Après obtention de l'assemblage tel que représenté en figure 3, on
réalise une ou plusieurs opérations de pressage et de chauffage visant à lier
par fusion locale les faces en contact des membranes 14, 16, 18 et des
électrodes 12, 20.
Pour cela, une première opération de pressage et de chauffage est
réalisée au niveau des électrodes 12, 20 uniquement et de l'intégralité de
celles-ci. Cette première zone de pressage et de chauffage est représentée
en figure 4 par des hachures en pointillés et également représentée en figure
1 par la référence Z1. Cette première opération est suivie d'une seconde
opération de pressage et de chauffage au niveau d'une zone annulaire
entourant les électrodes 12, 20, cette zone annulaire étant comprise entre le
bord interne 26b de la membrane support 26 et les bords externes 12a, 20a
des première 12 et seconde 20 électrodes. De préférence, la zone annulaire
débute intérieurement immédiatement à l'extérieur des bords externes 12a,
20a des première 12 et seconde 20 électrodes. Cette seconde zone de
pressage et de chauffage est représentée en figure 4 par des hachures en
traits pleins et également représenté sur la figure 1 par la référence Z2. La
zone annulaire s'étend vers l'extérieur jusqu'aux bords externes 14c, 18c des
première 14 et seconde 18 membranes renfort. Les deux opérations de
pressage et de chauffage précitées ainsi que l'utilisation d'une membrane
électrolyte polymère 16 inscrite dans l'ouverture 26c de la membrane support
26 permet de confiner la membrane électrolyte polymère 16 entre les
membranes renforts 14, 18 et les électrodes 12, 20.
Les opérations de pressage et de chauffage précitées peuvent être
réalisées au moyen de deux presses séparées ou alors au moyen d'une
seule presse. L'utilisation de deux presses permet toutefois une meilleure
maitrise de la température et de la pression exercées sur chacune des zones
considérées.
On comprend également que le cadre associé à une membrane de
support permet le transport de l'assemblage AME d'une première presse
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vers une seconde presse. Il permet également le transport de l'assemblage
vers un poste de découpe par exemple laser.
La découpe consiste à réaliser un découpage 32 périphérique à
contour fermé entourant la membrane électrolyte polymère 16 au travers
d'une zone annulaire de l'assemblage comprenant exclusivement un
empilement des première 14 et seconde 18 membranes renfort (figure 1).
On peut également réaliser des orifices 34 entre ladite découpe 32 et le bord
externe 16a de la membrane électrolyte polymère, ces orifices 34 étant
destinés au passage de liquide de refroidissement et de gaz purs (H2 et 02).
Bien que non spécifiquement décrit en référence aux figures,
l'invention concerne également un procédé dans lequel on procède à la
fabrication de l'assemblage de la figure 3 avec la membrane électrolyte
polymère 16 préassemblée à la première membrane renfort 14 et non plus à
la seconde membrane renfort 18.
Egalement, dans une réalisation non représentée aux figures, la
membrane électrolyte polymère 16 pourrait s'étendre jusqu'au bord interne
26b de la membrane support 26. Dans ce cas, la découpe périphérique 32
ainsi que les orifices 34 sont alors réalisés dans une zone annulaire
entourant les électrodes et au travers d'une épaisseur comprenant la
première membrane renfort 14, la membrane électrolyte polymère 16 et la
seconde membrane renfort 18.
La figure 5 représente un second assemblage 11 pouvant être réalisé
avec le procédé selon l'invention. L'empilement des différentes membranes
est identique à ce qui a été décrit en référence à la figure 1. Toutefois,
l'assemblage représenté sur cette figure ne réalise pas de fonction anti-
wicking c'est-à-dire dans laquelle la membrane électrolyte polymère n'est
pas confinée entre les première 14 et seconde 18 membrane renforts comme
expliqué en référence à la figure 1 mais s'étend partout entre la première
membrane renfort 14 et la seconde membrane renfort 18. En pratique, seule
la membrane électrolyte polymère 16 diffère par rapport à l'assemblage
décrit en référence à la figure 1. Pour réaliser l'assemblage représenté en
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figure 5, on procède à l'obtention du premier ensemble et du second
ensemble tel que décrit précédemment en référence à la figure 3. On
procède ensuite au dépôt du premier ensemble sur le support 30, la face
libre 12b de la première électrode 12 étant en contact avec le support 20
5 (figure 6). Un cadre métallique 36 formé de deux parties 36a, 36b, de
préférence rectangulaires, serre le bord externe 16a d'une membrane
électrolyte polymère 16. Le cadre 36a, 36b supportant la membrane
électrolyte polymère 26 est agencée au-dessus de la première membrane
renfort 14 de sorte que la membrane électrolyte polymère 16 obture
10 supérieurement l'ouverture 14a de la première membrane renfort 14.
On
applique ensuite le second ensemble au-dessus du cadre 36a, 36b de
manière à ce que la seconde membrane renfort 18 vienne s'appliquer sur la
membrane électrolyte polymère 16. Les étapes de pressage et de chauffage
sont similaires à ce qui a été décrit précédemment en référence aux figures
15 3 et 4. Dans cette configuration, la zone annulaire Z2 comprend en
tout lieu
de celle-ci un empilement de la première membrane renfort 12, de la
membrane électrolyte polymère 16 et de la seconde membrane renfort 18.
Après pressage des zones Z1 et Z2, on effectue une découpe de manière
similaire à ce qui a été décrit précédemment.
20 Optionnellement, l'étape de compression et de chauffage des
électrodes peut être suivie d'une étape de solidarisation, par des poinçons
chauffants par exemple, en une pluralité de localisations 38 situées à la
périphérie des membranes renfort 14, 18. Cette étape peut également être
initiée en fin de cycle de compression et de chauffage et se terminer
simultanément ou après celle-ci. Autrement dit, l'étape de solidarisation par
poinçons chauffants précède l'étape de chauffage et compression de la zone
annulaire. Cette étape de solidarisation évite que la membrane de renfort
inférieure 14 ne flambe et ne se replie sur elle-même conduisant à la
formation d'une double épaisseur de membrane renfort 14 induisant une
mise au rebut pour défaut de conformité de l'assemblage 10 ou de
l'assemblage 11 obtenu avec l'installation 1 décrite précédemment.
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La figure 7 représente l'assemblage 11 de la figure 5 qui est
agencé entre deux plaques bipolaires qui peuvent être aussi agencées de
part et d'autre de l'assemblage 10 de la figure 1 de sorte que la description
réalisée en relation avec la figure 6 s'applique également à l'assemblage de
la figure 10. Ainsi, comme cela est visible, une première plaque bipolaire P1
est montée sur la face libre 12b de la première électrode 12 et une seconde
plaque bipolaire P2 est montée sur la face libre 20b de la seconde électrode
20. La première plaque bipolaire P1 et la seconde plaque bipolaire P2
comprennent chacune des rainures qui sont obturée par les faces libres 12b,
20b des première et seconde électrodes 12, 20 de manière à définir des
canaux C de circulation de gaz selon le principe de fonctionnement d'une
pile à combustible.
L'obtention d'un assemblage 10 en référence à la figure 1 ou d'un
assemblage en référence à la figure 5, avec les électrodes agencées à
l'extérieur, permet de garantir un contact optimal des faces libres 12b, 20b
des première et seconde électrodes 12, 20 avec les première et secondes
plaques Pi, P2, ce qui permet de garantir l'absence d'espace entre ces deux
parties de la pile à combustible. On réalise une meilleure étanchéité aux gaz
entre chacune des première et seconde plaques bipolaires Pi, P2 et les
première et seconde électrodes 12, 20. Les orifices 34 de passage de liquide
de refroidissement et de gaz purs (H2 et 02) traversent également les
première et seconde plaques bipolaires Pi, P2.
