Plaques bipolaires : l’« épine dorsale » et les « autoroutes » des piles à combustible

Dans le monde intérieur complexe et inextricable d'un pile à combustibleSi l'ensemble membrane-électrode est le « cœur » responsable de la production d'énergie, alors le plaque bipolaire Il s'agit de la « colonne vertébrale » qui soutient l'ensemble de la structure de la batterie et de la « voie de circulation » qui assure le bon flux des éléments vitaux.

Ce composant, d'apparence simple, est en réalité crucial pour déterminer la puissance, le rendement et la durée de vie de la pile à combustible. Il ne s'agit pas d'un simple élément structurel, mais d'un composant central intégrant de multiples fonctions telles que la distribution du champ d'écoulement, la conduction électrique et la conduction thermique. Du point de vue des matériaux, le développement des plaques bipolaires a connu différentes étapes, chacune présentant ses propres avantages et inconvénients. Le graphite fut le premier matériau largement utilisé. Offrant une excellente conductivité électrique et une résistance exceptionnelle à la corrosion, il est parfaitement adapté pour supporter les contraintes à long terme du milieu acide à l'intérieur d'une pile à combustible.

Cependant, leur fragilité intrinsèque rend les plaques bipolaires en graphite sensibles aux dommages lors de leur fabrication et de leur assemblage. De plus, pour garantir une étanchéité suffisante aux gaz, elles doivent souvent être relativement épaisses, ce qui limite la densité de puissance volumique de la pile à combustible. Pour pallier ces inconvénients, des plaques bipolaires métalliques, principalement en acier inoxydable ou en alliages de titane, ont été développées. Leur principal avantage réside dans leur haute résistance mécanique et leur conductivité électrique et thermique exceptionnelle, permettant leur fabrication en très faible épaisseur. Il en résulte une pile à combustible plus compacte et une densité de puissance plus élevée. Toutefois, les métaux sont confrontés à une forte corrosion dans l'environnement opérationnel des piles à combustible. Une fois corrodées, non seulement la résistance de contact augmente, réduisant ainsi l'efficacité, mais la lixiviation d'ions métalliques peut également empoisonner le catalyseur.

Par conséquent, un revêtement anticorrosion, tel que l'or, le platine ou un revêtement à base de carbone, doit être appliqué en surface, ce qui augmente indéniablement les coûts de fabrication et la complexité du procédé. Ces dernières années, les plaques bipolaires en matériaux composites constituent une nouvelle voie de recherche. Elles sont généralement fabriquées en mélangeant des charges conductrices, comme le graphite ou le noir de carbone, à des résines polymères (telles que le polypropylène) et formées par moulage par injection. Elles combinent la résistance à la corrosion du graphite à la moulabilité des plastiques, facilitant la production en série et offrant des avantages en termes d'allègement. Cependant, leur conductivité électrique et leur résistance mécanique sont généralement intermédiaires entre celles du graphite et du métal, ce qui représente un compromis important dans la technologie actuelle. Le mode de fonctionnement d'une plaque bipolaire est un exemple de fonctionnement multitâche parallèle, et ses fonctions peuvent être résumées en trois aspects. La fonction principale est de canaliser les gaz réactifs. Grâce à des canaux d'écoulement usinés avec précision sur une face, semblables à des « autoroutes » miniatures, elle achemine uniformément l'hydrogène vers la couche catalytique de l'anode et l'oxydant (oxygène de l'air) vers la couche catalytique de la cathode, garantissant ainsi que toute la zone de réaction participe efficacement à la production d'énergie. Parallèlement, la conception de ces canaux d'écoulement est rigoureusement scientifique : ils doivent garantir une distribution uniforme des gaz, éviter les zones mortes et évacuer efficacement l'eau produite par la réaction afin de prévenir tout engorgement susceptible d'obstruer les canaux. La seconde fonction essentielle est la collecte et la conduction du courant électrique. La plaque bipolaire agit comme un collecteur de courant, captant le courant électrique généré par chaque ensemble membrane-électrode (cellule unitaire) et connectant les cellules en série grâce à sa conductivité élevée, pour finalement fournir la tension et la puissance requises. La conductivité électrique du matériau détermine directement les pertes par résistance interne lors de ce processus. Le troisième rôle clé est la dissipation thermique et la gestion de l'eau.

La réaction de la pile à combustible génère de la chaleur ; la plaque bipolaire, qui assure la conduction thermique, doit évacuer rapidement cette chaleur afin de maintenir la pile dans une plage de température de fonctionnement optimale. Parallèlement, l'eau produite à la cathode est partiellement éliminée par le flux d'air en excès, et la conception du champ d'écoulement ainsi que le traitement hydrophile/hydrophobe de la plaque bipolaire sont essentiels à l'élimination efficace de cette eau. Par conséquent, les performances de la plaque bipolaire déterminent directement le rendement global de la pile à combustible.

Une plaque bipolaire idéale doit présenter un équilibre optimal entre conductivité et résistance à la corrosion, robustesse et finesse, gestion des flux de gaz et d'eau, coût de fabrication et durée de vie. Qu'elle soit en graphite, en métal ou en matériaux composites, l'objectif de développement demeure inchangé : favoriser une commercialisation plus large des piles à combustible grâce à des coûts réduits et des performances plus fiables. On peut affirmer que chaque avancée technologique dans le domaine des plaques bipolaires constitue un pas important vers l'adoption généralisée des piles à combustible.