PILE A COMBUSTIBLE A FONCTIONNEMENT OPTIMISE LE LONG DU CANAL D'ECOULEMENT D'AIR L'invention concerne les piles à combustible, et en particulier les piles à 5 combustible à membrane d'échange de protons (dites PEM pour Proton Exchange Membrane en langue anglaise). Les piles à combustible sont envisagées comme système d'alimentation électrique pour des véhicules automobiles produits à grande échelle dans le 10 futur, ainsi que pour un grand nombre d'applications. Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui convertit de l'énergie chimique directement en énergie électrique. Du dihydrogène est utilisé comme carburant de la pile à combustible. Le dihydrogène est oxydé et ionisé sur une électrode de la pile et du dioxygène de l'air est réduit sur une autre électrode de la pile. La réaction 15 chimique produit de l'eau au niveau de la cathode, de l'oxygène étant réduit et réagissant avec les protons. Le grand avantage de la pile à combustible est d'éviter des rejets de composés polluants atmosphériques sur le lieu de génération d'électricité. Les piles à combustible à membrane d'échange de protons, dites PEM, 20 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. 25 Au niveau de l'anode, le dihydrogène est ionisé pour produire des protons traversant la membrane. 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. 30 La pile à combustible peut comprendre plusieurs plaques d'écoulement, par exemple en métal, empilées les unes sur les autres. La membrane est disposée entre deux plaques d'écoulement. Les plaques d'écoulement peuvent comprendre des canaux et orifices d'écoulement pour guider les réactifs et les produits vers/depuis la membrane. Les plaques sont également électriquement 35 conductrices pour former des collecteurs des électrons générés au niveau de l'anode. Des couches de diffusion gazeuse (pour Gaz Diffusion Layer en langue anglaise) sont interposées entre les électrodes et les plaques d'écoulement et sont en contact avec les plaques d'écoulement. ICG10870 FR Depot Texte.doc Les AME présentent un fonctionnement hétérogène sur la longueur des canaux d'écoulement d'air et d'hydrogène. Du côté de la cathode par exemple, l'évolution de l'humidité relative des gaz entre l'entrée (conditions asséchantes) et la sortie (conditions de noyage) du canal d'écoulement a une incidence sur l'hétérogénéité de la densité de courant. La densité de courant est plus faible à l'entrée du canal d'écoulement du fait d'une humidité insuffisante. La densité de courant est également plus faible à la sortie du canal d'écoulement, du fait d'une humidité excessive pouvant noyer l'AME. Cette hétérogénéité de densité de courant favorise la corrosion localisée du carbone.The invention relates to fuel cells, and in particular proton exchange membrane fuel cells (PEMs for Proton Exchange Membrane in English). ). Fuel cells are envisioned as a power supply system for large scale motor vehicles in the future, as well as for a large number of applications. A fuel cell is an electrochemical device that converts chemical energy directly into electrical energy. Dihydrogen is used as fuel for the fuel cell. The dihydrogen is oxidized and ionized on one electrode of the cell and the oxygen of the air is reduced on another electrode of the cell. The chemical reaction produces water at the cathode, oxygen being reduced and reacting with the protons. The great advantage of the fuel cell is that it avoids releases of atmospheric pollutants at the place of generation. Proton exchange membrane fuel cells, called PEMs, have particularly advantageous compactness properties. Each cell comprises an electrolyte 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. At the anode, the dihydrogen is ionized to produce protons crossing the membrane. The electrons produced by this reaction migrate to a flow plate and then pass through 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. The fuel cell may comprise a plurality of flow plates, for example of metal, stacked one on top of the other. The membrane is disposed between two flow plates. The flow plates may include flow channels and orifices to guide reagents and products to / from the membrane. The plates are also electrically conductive to form electron collectors generated at the anode. Gaseous diffusion layers (for Gas Diffusion Layer in English) are interposed between the electrodes and the flow plates and are in contact with the flow plates. ICG10870 EN Depot Text.doc MEAs exhibit heterogeneous operation over the length of the air and hydrogen flow channels. On the cathode side, for example, the evolution of the relative humidity of the gases between the inlet (drying conditions) and the outlet (flow conditions) of the flow channel affects the heterogeneity of the density of the current. The current density is lower at the entrance of the flow channel due to insufficient moisture. The current density is also lower at the outlet of the flow channel, due to excessive moisture that can drown the MEA. This heterogeneity of current density favors localized corrosion of carbon.
Le document US6933067 propose de réaliser une cathode ayant un chargement en matériau électrocatalytique (du platine dans ce document) croissant en partant de la sortie d'eau jusqu'à l'entrée d'air. Ainsi, on génère une importante quantité d'eau en entrée de ce canal d'écoulement afin d'y accroître la densité de courant. Une telle cathode utilise cependant une quantité de catalyseur relativement importante pour des performances données. L'invention vise à résoudre cet inconvénient. L'invention porte ainsi sur une pile à combustible comprenant : -une plaque conductrice délimitant un canal d'écoulement entre une 20 entrée d'air et une sortie d'eau ; -un assemblage membrane/électrodes comportant une cathode fixée sur une membrane échangeuse de protons, la cathode étant disposée en vis-à-vis de ladite plaque conductrice, la cathode comprenant : -une première partie incluant un ionomère et un catalyseur constitué d'un 25 alliage de platine s'étendant entre 50 et 85% de la longueur du canal d'écoulement depuis l'entrée d'air ; -une deuxième partie incluant un ionomère et un catalyseur constitué de platine s'étendant entre 15 et 50% de la longueur du canal d'écoulement depuis la sortie d'eau. 30 Selon une variante, le ionomère dans la première partie est identique au ionomère dans la deuxième partie. Selon une autre variante, la première partie présente une composition homogène et la deuxième partie présente une composition homogène. Selon encore une variante, l'alliage de platine est choisi dans le groupe 35 comprenant le PtCo, le PtNi ou le PtCu. Selon une autre variante, l'alliage de platine présente une activité électrochimique en conditions sèches supérieure à celle du platine. Selon encore une autre variante, la deuxième partie s'étend entre 20 et 30% de la longueur du canal d'écoulement depuis la sortie d'eau. ICG10870 FR Depot Texte.doc Selon une variante, les catalyseurs des première et deuxième parties sont supportés par un support de carbone. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront 5 clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : -la figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un exemple de pile à combustible ; -la figure 2 est une vue de dessus d'une plaque d'écoulement comportant 10 un exemple de tracé de canal d'écoulement ; -la figure 3 est une vue de dessus d'une couche de diffusion gazeuse de cathode et d'un renfort selon un exemple de mode de réalisation de l'invention ; -la figure 4 est une vue de dessous d'un assemblage membrane/électrodes, illustrant la cathode ; 15 -la figure 5 est une vue en coupe d'une cellule de pile à combustible selon un exemple de mode de réalisation de l'invention ; -la figure 6 est un diagramme illustrant les courbes de polarisation respectives de deux types de catalyseurs différents de cathode ; -la figure 7 est un diagramme comparatif des courbes de polarisation 20 d'une cellule de pile à combustible selon l'état de la technique et d'une cellule de pile à combustible selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 1 est une vue en perspective éclatée schématique d'un empilement de cellules 1 d'une pile à combustible 2. La pile à combustible 2 25 comprend plusieurs cellules 1 superposées. Les cellules 1 sont du type à membrane échangeuse de protons ou membrane à électrolyte polymère. La pile à combustible 2 comprend une source de carburant 120 alimentant en dihydrogène une entrée de chaque cellule 1. La pile à combustible 2 comprend également une source d'air 122 alimentant une entrée 30 de chaque cellule en air, contenant de l'oxygène utilisé comme oxydant. Chaque cellule 1 comprend également des canaux d'échappement. Chaque cellule 1 peut également présenter un circuit de refroidissement (illustré à la figure 2). Chaque cellule 1 comprend un assemblage membrane/électrodes 110. La pile à combustible 2 illustrée comprend notamment des assemblages 35 membrane/électrodes ou AME 110. Un assemblage membrane/électrodes 110 comprend un électrolyte 113, une cathode 112 (non illustrée à la figure 1) et une anode 111 placées de part et d'autre de l'électrolyte et fixées sur cet électrolyte 113. ICG10870 FR Depot Texte.doc Entre chaque couple d'AME adjacents, un couple de guides d'écoulement est disposé. Les guides d'écoulement de chaque couple sont solidaires pour former une plaque bipolaire 103. Chaque guide d'écoulement est par exemple formé d'une feuille métallique, usuellement en acier inoxydable. Une plaque 5 bipolaire 103 comprend ainsi une feuille métallique 102 orientée vers une cathode d'une AME 110 et une feuille métallique 101 (non illustrée à la figure 1) orientée vers une anode d'une autre AME 110. Les feuilles métalliques 101 et 102 comportent des surfaces en relief définissant des canaux d'écoulement 106 (non illustrés à la figure 1). Les feuilles métalliques 101 et 102 sont solidarisées 10 par des soudures 104. De façon connue en soi, durant le fonctionnement de la cellule 1, de l'air s'écoule entre l'AME et la feuille métallique 102, et du dihydrogène s'écoule entre l'AME et la feuille métallique 101. Au niveau de l'anode 111, le dihydrogène est ionisé pour produire des protons qui traversent l'AME. Les 15 électrons produits par cette réaction sont collectés par la feuille métallique 102. Les électrons produits sont ensuite appliqués sur une charge électrique connectée à la pile à combustible 2 pour former un courant électrique. Au niveau de la cathode 112, de l'oxygène est réduit et réagit avec les protons pour former de l'eau. Les réactions au niveau de l'anode et de la cathode sont régies 20 comme suit : ± 2e- au niveau de l'anode ; 4 + 4c- + 21120 au niveau de la cathode. Durant son fonctionnement, une cellule de la pile à combustible génère 25 usuellement une tension continue entre l'anode et la cathode de l'ordre de 1V. Le matériau catalyseur utilisé à l'anode 111 est avantageusement du platine, pour ses excellentes performances catalytiques. La figure 2 est une vue de dessus d'un exemple de feuille métallique 102 30 d'une pile à combustible 2. La feuille métallique 102 délimite des canaux d'écoulement 106. Les canaux d'écoulement 106 s'étendent entre un conduit d'entrée d'air 125 et un conduit de sortie d'eau 126. La feuille métallique 102 est par ailleurs traversée par un conduit d'écoulement de liquide de refroidissement 124. 35 La figure 3 est une vue de dessus d'une couche de diffusion gazeuse 22 de cathode et d'un renfort 132. La figure 4 est une vue de dessous d'un assemblage membrane/électrodes 103 montrant la cathode 112. La couche de diffusion gazeuse 22 est placée en contact avec la feuille métallique 102 et recouvre les canaux d'écoulement 106 entre l'entrée d'air 125 ICG10870 FR Depot Texte.doc et la sortie d'eau 126. Le renfort 132 comporte une ouverture médiane 134. Le renfort 132 est fixé à l'assemblage membrane/électrodes 103. L'ouverture 134 découvre une partie de la cathode 112. L'ouverture 134 est ainsi traversée par la couche de diffusion gazeuse 22 qui vient en contact avec la cathode 112. La couche de diffusion gazeuse 22 est comprimée entre la cathode 112 et la feuille métallique 102. Le renfort 132 est en outre traversé par le conduit d'entrée d'air 125, par le conduit de sortie d'eau 126 et par le conduit d'écoulement de liquide de refroidissement 124. Le renfort 132 comporte des bordures internes qui recouvrent la 10 périphérie de la cathode 112. Les bordures internes sont solidarisées à la cathode 112. Le renfort 132 s'étend au-delà de la périphérie de la cathode 112 et forme un recouvrement sur la membrane 113. Le renfort 132 est solidarisé à la membrane 113. La figure 5 est une vue en coupe transversale d'une cellule 1 de la pile à 15 combustible 2 assemblée. Un renfort 131 est fixé à l'assemblage membrane/électrodes. Le renfort 131 comporte une bordure interne qui recouvre la périphérie de l'anode 111. La bordure interne est solidarisée à l'anode 111. Le renfort 131 s'étend au-delà de la périphérie de l'anode 111 et forme un recouvrement sur la membrane 113. Le 20 renfort 131 est solidarisé à la membrane 113. La solidarisation du renfort 131 à l'anode 111 et à la membrane 113 peut être réalisé par tous moyens appropriés, par exemple par pressage à chaud par impression de l'anode 111 sur le renfort 131. Le renfort 131 comporte une ouverture médiane. Cette ouverture médiane découvre la partie médiane de l'anode 111. La couche de diffusion gazeuse 21 25 est comprimée entre l'anode 111 et la feuille métallique 101. La couche de diffusion gazeuse 21 traverse ainsi l'ouverture médiane du renfort 131 et est en contact avec l'anode 111. Des joints 23 peuvent être positionnés autour des couches de diffusion gazeuses 21 et 22, afin de garantir l'étanchéité entre le renfort 131 et la feuille 30 métallique 101 ou l'étanchéité entre le renfort 132 et la feuille métallique 102. Les renforts 131 et 132 sont fixés l'un à l'autre à leur périphérie. Comme illustré à la figure 4, la cathode 112 comporte une première partie 114 et une deuxième partie 115. Les parties 114 et 115 présentent des 35 compositions différentes. La première partie 114 comporte un ionomère et un catalyseur constitué d'un alliage de platine. La première partie 114 s'étend entre 50 et 85% de la longueur du canal d'écoulement 106 depuis l'entrée d'air, avantageusement entre 70 et 80%. ICG10870 FR Depot Texte.doc La deuxième partie 115 comporte un ionomère et un catalyseur constitué de platine. La deuxième partie 115 s'étend entre 15 et 50% de la longueur du canal d'écoulement 106 depuis la sortie d'eau, avantageusement entre 20 et 30%.US6933067 proposes to produce a cathode having a loading electrocatalytic material (platinum in this document) increasing from the water outlet to the air inlet. Thus, a large amount of water is generated at the inlet of this flow channel in order to increase the current density therein. Such a cathode, however, uses a relatively large amount of catalyst for given performance. The invention aims to solve this drawback. The invention thus relates to a fuel cell comprising: a conductive plate delimiting a flow channel between an air inlet and a water outlet; a membrane / electrode assembly comprising a cathode fixed on a proton exchange membrane, the cathode being disposed opposite said conductive plate, the cathode comprising: a first part including an ionomer and a catalyst consisting of a Platinum alloy extending between 50 and 85% of the length of the flow channel from the air inlet; a second portion including an ionomer and a platinum catalyst extending between 15 and 50% of the length of the flow channel from the water outlet. According to one variant, the ionomer in the first part is identical to the ionomer in the second part. According to another variant, the first part has a homogeneous composition and the second part has a homogeneous composition. According to another variant, the platinum alloy is selected from the group consisting of PtCo, PtNi or PtCu. According to another variant, the platinum alloy has electrochemical activity in dry conditions greater than that of platinum. According to yet another variant, the second portion extends between 20 and 30% of the length of the flow channel from the water outlet. According to one variant, the catalysts of the first and second parts are supported by a carbon support. Other characteristics and advantages of the invention will become clear from the description which is given below, by way of indication and in no way limiting, with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is an exploded perspective view an example of a fuel cell; FIG. 2 is a top view of a flow plate including an exemplary flow channel pattern; FIG. 3 is a view from above of a gaseous cathode diffusion layer and a reinforcement according to an exemplary embodiment of the invention; FIG. 4 is a view from below of a membrane / electrode assembly, illustrating the cathode; FIG. 5 is a sectional view of a fuel cell according to an exemplary embodiment of the invention; FIG. 6 is a diagram illustrating the respective polarization curves of two types of different cathode catalysts; FIG. 7 is a comparative diagram of the polarization curves of a fuel cell cell according to the state of the art and of a fuel cell according to one embodiment of the invention. Figure 1 is a schematic exploded perspective view of a stack of cells 1 of a fuel cell 2. The fuel cell 2 comprises a plurality of superposed cells 1. The cells 1 are of the proton exchange membrane or polymer electrolyte membrane type. The fuel cell 2 comprises a fuel source 120 supplying hydrogen to an inlet of each cell 1. The fuel cell 2 also comprises an air source 122 supplying an inlet 30 of each cell with air, containing oxygen used. as an oxidizer. Each cell 1 also includes exhaust channels. Each cell 1 may also have a cooling circuit (shown in FIG. 2). Each cell 1 comprises a membrane / electrode assembly 110. The illustrated fuel cell 2 comprises in particular membrane / electrode or AME 110 assemblies. A membrane / electrode assembly 110 comprises an electrolyte 113, a cathode 112 (not shown in FIG. ) and an anode 111 placed on either side of the electrolyte and fixed on this electrolyte 113. ICG10870 EN Depot Texte.doc Between each pair of adjacent AMEs, a pair of flow guides is arranged. The flow guides of each pair are integral to form a bipolar plate 103. Each flow guide is for example formed of a metal sheet, usually made of stainless steel. A bipolar plate 103 thus comprises a metal foil 102 facing a cathode of an MEA 110 and a metal foil 101 (not shown in FIG. 1) facing an anode of another MEA 110. The foils 101 and 102 have raised surfaces defining flow channels 106 (not shown in Figure 1). The metal sheets 101 and 102 are secured by welds 104. In a manner known per se, during the operation of the cell 1, air flows between the MEA and the metal foil 102, and dihydrogen flows between the MEA and the foil 101. At the anode 111, the dihydrogen is ionized to produce protons that cross the MEA. The electrons produced by this reaction are collected by the metal foil 102. The electrons produced are then applied to an electrical charge connected to the fuel cell 2 to form an electric current. At cathode 112, oxygen is reduced and reacts with the protons to form water. The reactions at the anode and the cathode are governed as follows: ± 2e- at the anode; 4 + 4c- + 21120 at the cathode. During its operation, a cell of the fuel cell usually generates a DC voltage between the anode and the cathode of the order of 1V. The catalyst material used at the anode 111 is advantageously platinum, for its excellent catalytic performance. FIG. 2 is a top view of an example of a metal foil 102 of a fuel cell 2. The foil 102 defines flow channels 106. The flow channels 106 extend between a flow conduit 102 and a flow conduit 106. air inlet 125 and a water outlet conduit 126. The metal sheet 102 is further traversed by a coolant flow conduit 124. FIG. 3 is a top view of a gaseous diffusion 22 of cathode and a reinforcement 132. FIG. 4 is a bottom view of a membrane / electrode assembly 103 showing the cathode 112. The gaseous diffusion layer 22 is placed in contact with the metal foil 102 and covers the flow channels 106 between the air inlet 12G and the water outlet 126. The reinforcement 132 has a central opening 134. The reinforcement 132 is fixed to the membrane / electrode assembly 103 The opening 134 discovers part of the cathode 112. The open In this way, the gas diffusion layer 22 comes into contact with the cathode 112. The gas diffusion layer 22 is compressed between the cathode 112 and the metal foil 102. The reinforcement 132 is furthermore traversed by the duct. air inlet 125, via the water outlet conduit 126 and the coolant flow conduit 124. The reinforcement 132 has internal edges which cover the periphery of the cathode 112. The internal edges are secured to the cathode 112. The reinforcement 132 extends beyond the periphery of the cathode 112 and forms a covering on the membrane 113. The reinforcement 132 is secured to the membrane 113. FIG. 5 is a cross-sectional view of a cell 1 of the fuel cell 2 assembled. A reinforcement 131 is attached to the membrane / electrode assembly. The reinforcement 131 has an internal edge which covers the periphery of the anode 111. The internal edge is secured to the anode 111. The reinforcement 131 extends beyond the periphery of the anode 111 and forms a cover on the membrane 113. The reinforcement 131 is secured to the diaphragm 113. The fastening of the reinforcement 131 to the anode 111 and to the membrane 113 can be achieved by any appropriate means, for example by hot pressing by anode printing. 111 on the reinforcement 131. The reinforcement 131 has a central opening. This median opening reveals the median portion of the anode 111. The gas diffusion layer 21 is compressed between the anode 111 and the metal foil 101. The gas diffusion layer 21 thus passes through the median opening of the reinforcement 131 and is in contact with the anode 111. Joints 23 may be positioned around the gaseous diffusion layers 21 and 22, in order to guarantee the seal between the reinforcement 131 and the metal sheet 101 or the seal between the reinforcement 132 and the metal sheet 102. The reinforcements 131 and 132 are attached to one another at their periphery. As illustrated in FIG. 4, the cathode 112 has a first portion 114 and a second portion 115. The portions 114 and 115 have different compositions. The first portion 114 comprises an ionomer and a platinum alloy catalyst. The first portion 114 extends between 50 and 85% of the length of the flow channel 106 from the air inlet, preferably between 70 and 80%. The second part 115 comprises an ionomer and a catalyst consisting of platinum. The second portion 115 extends between 15 and 50% of the length of the flow channel 106 from the water outlet, preferably between 20 and 30%.
Le ou les canaux d'écoulement 106 présentant une forme non rectiligne, la distance selon leur longueur est définie comme l'abscisse curviligne en partant de leur entrée d'air. Les inventeurs ont constaté que, contrairement à un préjugé technique : -il pouvait s'avérer intéressant d'utiliser plusieurs compositions différentes 10 pour la cathode, en fonction de la position de la composition sur la longueur du canal d'écoulement 106 ; -alors qu'il est usuel d'utiliser un alliage de platine comme catalyseur de cathode pour ses meilleures performances, il s'avère en pratique avantageux d'utiliser un catalyseur constitué de platine à proximité de la sortie d'eau (ou 15 sortie d'air saturé d'eau), alors qu'il est en théorie moins performant. En pratique, les catalyseurs sont usuellement sélectionnés par leur activité à une tension donnée, correspondant à des conditions sèches. Le catalyseur en alliage de platine disposé au niveau de l'entrée d'air présente ainsi une activité électrochimique optimale pour des conditions sèches, au 20 moins jusqu'à la moitié de la longueur du canal d'écoulement, zone où il permet d'obtenir une densité de courant optimale. Il s'avère que le platine, moins performant que des alliages de platine dans ces conditions sèches, est par contre plus performant que ces alliages de platine dans des conditions humides. Par conséquent, l'utilisation d'un catalyseur constitué de platine à proximité de 25 la sortie d'eau permet d'augmenter la densité de courant à ce niveau même dans d'éventuelles conditions de noyage, et donc d'homogénéiser cette densité de courant à l'échelle de la cellule. Des conditions sèches correspondent par exemple à une humidité relative de 50%, à une pression de 1,5 bars et une température de 80°C. 30 Les alliages de platine de la première partie 114 sont sélectionnés pour leur activité en conditions sèches. Les alliages de platine suivants pourront notamment être sélectionnés : PtCo, PtNi ou PtCu. Le PtCo (supporté par exemple par du carbone) présente une activité électrochimique de 5,2mA/mg à 35 une tension de 0,9V entre anode et cathode. La figure 6 est un diagramme illustrant les courbes de polarisation respectives d'un catalyseur en platine et d'un catalyseur en alliage PtCo (dans des conditions d'entrée indiquées sur le diagramme). La plage de fonctionnement usuelle de la pile à combustible est entre 650 et 800mV de ICG10870 FR Depot Texte.doc 3012 6 81 7 tension. Dans ces conditions, qui correspondent aux conditions sèches, on constate que les performances du catalyseur en alliage PtCo sont supérieures à celles du catalyseur en Pt. Les conditions de forte densité de courant correspondent aux conditions 5 d'une importante formation d'eau, et correspondent donc aux conditions à proximité de la sortie d'eau. Dans ces conditions, les performances du catalyseur en Pt sont très supérieures à celles de l'alliage en PtCo. La figure 7 est un diagramme comparatif des courbes de polarisation d'une cellule R de pile à combustible selon l'état de la technique (cathode incluant uniquement un catalyseur en alliage PtCo) et d'une cellule I de pile à combustible selon un mode de réalisation de l'invention, dont la deuxième partie 115 s'étend sur 30% de la longueur du canal d'écoulement en partant de la sortie d'eau. On constate que la cellule I permet d'obtenir une meilleure densité de courant que la cellule R dans des conditions de noyage, du fait notamment d'une meilleure homogénéité des densités de courant le long du canal d'écoulement 106. Le platine de la deuxième partie 115 (supporté par exemple par du 20 carbone) présente par une activité électrochimique de 4,4mA/mg à une tension de 0,9V entre anode et cathode. Les catalyseurs peuvent avantageusement être formés sur des agrégats de carbone. Les ionomères des première et deuxième parties 114 et 115 sont avantageusement identiques. Ces ionomères sont par exemple basés sur de 25 l'acide perfluorosulfoné ou de l'acide sulfonique perfluoré (PFSA pour « PerFluro Sulfonic Acid »). Les PFSA sont des ionomères dérivés de l'acide perfluorosulfoné, c'est-à-dire comprenant des groupements sulfonates S03. En outre, il s'agit de polymères fluorés. Cette famille d'ionomères regroupe un certain nombre de composés, qui 30 diffèrent par une chimie légèrement différente. A titre d'exemple, des PFSA sont commercialisés sous les noms commerciaux Nafion par la société Dupont, Aquivion par la société Solvay, ou Flemion par la société Asahi Glass Company. Les ionomères utilisés peuvent être un mélange de plusieurs de ces ionomères. Pour faciliter leur fabrication, la première partie 114 et la deuxième partie 35 115 présentent chacune une composition homogène. L'homme du métier pourra déterminer plus précisément la répartition des parties 114 et 115 sur la longueur du canal d'écoulement 106 avec une carte d'acquisition des courant localisés disposée dans l'empilement des cellules 1, ICG10870 FR Depot Texte.doc avec un test préalable sur une cathode 112 de composition uniforme incluant de l'alliage de platine. Une telle carte permet notamment de déterminer les zones dans lesquelles la densité de courant est plus faible, afin de déterminer jusqu'où doit s'étendre la partie 115.When the flow channel (s) 106 have a non-rectilinear shape, the distance along their length is defined as the curvilinear abscissa starting from their air inlet. The inventors have found that, contrary to a technical prejudice: it may be advantageous to use several different compositions for the cathode, depending on the position of the composition along the length of the flow channel 106; while it is customary to use a platinum alloy as a cathode catalyst for its best performance, it is in practice advantageous to use a platinum catalyst near the water outlet (or outlet). air saturated with water), while in theory it is less efficient. In practice, the catalysts are usually selected by their activity at a given voltage, corresponding to dry conditions. The platinum alloy catalyst disposed at the air inlet thus has an optimum electrochemical activity for dry conditions, at least up to half the length of the flow channel, an area where it can be used. obtain an optimal current density. It turns out that platinum, less powerful than platinum alloys in these dry conditions, is by cons more efficient than these platinum alloys in wet conditions. Consequently, the use of a platinum catalyst near the water outlet makes it possible to increase the current density at this level even in the event of flooding conditions, and thus to homogenize this density of water. current at the cell scale. Dry conditions correspond, for example, to a relative humidity of 50%, a pressure of 1.5 bars and a temperature of 80.degree. The platinum alloys of the first portion 114 are selected for their activity under dry conditions. The following platinum alloys can be selected in particular: PtCo, PtNi or PtCu. PtCo (supported for example by carbon) has an electrochemical activity of 5.2mA / mg at a voltage of 0.9V between anode and cathode. Fig. 6 is a diagram illustrating the respective polarization curves of a platinum catalyst and a PtCo alloy catalyst (under entry conditions shown in the diagram). The usual operating range of the fuel cell is between 650 and 800mV of voltage. Under these conditions, which correspond to the dry conditions, it can be seen that the performance of the PtCo alloy catalyst is greater than that of the Pt catalyst. The conditions of high current density correspond to the conditions of a large formation of water, and therefore correspond to the conditions near the water outlet. Under these conditions, the catalyst performance in Pt is much higher than that of the PtCo alloy. FIG. 7 is a comparative diagram of the polarization curves of a fuel cell R cell according to the state of the art (cathode including only a PtCo alloy catalyst) and of a fuel cell cell according to a mode embodiment of the invention, the second portion 115 extends over 30% of the length of the flow channel from the water outlet. It can be seen that the cell I makes it possible to obtain a better current density than the cell R under flooding conditions, in particular because of a better homogeneity of the current densities along the flow channel 106. The platinum of the second part 115 (supported for example by carbon) has an electrochemical activity of 4.4mA / mg at a voltage of 0.9V between anode and cathode. The catalysts can advantageously be formed on carbon aggregates. The ionomers of the first and second portions 114 and 115 are advantageously identical. These ionomers are for example based on perfluorosulfonated acid or perfluorinated sulfonic acid (PFSA for "PerFluro Sulfonic Acid"). PFSAs are ionomers derived from perfluorosulfonated acid, that is to say comprising sulphonate groups SO 3. In addition, it is fluorinated polymers. This family of ionomers groups together a number of compounds, which differ in slightly different chemistry. For example, PFSAs are marketed under the trade names Nafion by Dupont, Aquivion by Solvay, or Flemion by Asahi Glass Company. The ionomers used can be a mixture of several of these ionomers. To facilitate their manufacture, the first portion 114 and the second portion 115 each have a homogeneous composition. Those skilled in the art will be able to determine more precisely the distribution of the parts 114 and 115 over the length of the flow channel 106 with a localized current acquisition card arranged in the stack of the cells 1, ICG10870 EN Depot Text.doc with a preliminary test on a cathode 112 of uniform composition including platinum alloy. Such a map makes it possible in particular to determine the areas in which the current density is lower, in order to determine how far the part 115 should extend.
Une zone de sortie présentant par exemple une densité de courant moyenne inférieure d'au moins 20% à la densité de courant de la partie médiane est par exemple remplacée par une partie présentant un catalyseur en platine. Des tests ont notamment été réalisés avec une carte d'acquisition de 10 courant présentant une matrice de 20 par 24, chaque élément de la matrice présentant une surface de 0,45cm2. La cathode 112 peut être formée par impression sur une membrane échangeuse de protons avec deux encres électrocatalytiques respectives 15 distinctes pour les parties 114 et 115. Des essais ont notamment été réalisés avec les compositions suivantes : Encre électrocatalytique pour la partie 114 : 4g de Catalyseur PtCo (diffusé sous la référence commerciale TEC36V52) ; 20 6,4g de ionomère (diffusé sous la référence Nafion E2020) ; 18,5g d'eau ; 1,5g d'éthanol. Encre électrocatalytique pour la partie 115 : 25 4g de Catalyseur PtCo (diffusé sous la référence commerciale TEC10V50) ; 6,4g de ionomère (diffusé sous la référence Nafion E2020) ; 18,5g d'eau ; 1,5g d'éthanol.For example, an exit zone having, for example, an average current density at least 20% less than the current density of the middle portion is replaced by a portion having a platinum catalyst. In particular, tests were carried out with a current acquisition card having a matrix of 20 by 24, each element of the matrix having a surface of 0.45 cm 2. The cathode 112 may be formed by printing on a proton exchange membrane with two respective electrocatalytic inks separate for the portions 114 and 115. In particular, tests have been carried out with the following compositions: Electrocatalytic ink for the Part 114: 4g PtCo Catalyst (distributed under the trade reference TEC36V52); 6.4 g of ionomer (diffused under the reference Nafion E2020); 18.5g of water; 1.5 g of ethanol. Electrocatalytic ink for Part 115: 25g of Catalyst PtCo (distributed under the trade reference TEC10V50); 6.4 g of ionomer (diffused under the reference Nafion E2020); 18.5g of water; 1.5 g of ethanol.
30 ICG10870 FR Depot Texte.doc30 ICG10870 EN Depot Text.doc