EP4244919A1 - Element ressort, dispositif de serrage pour un empilement electrochimique, et assemblage forme par le dispositif de serrage et l'empilement electrochimique - Google Patents

Element ressort, dispositif de serrage pour un empilement electrochimique, et assemblage forme par le dispositif de serrage et l'empilement electrochimique

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Publication number
EP4244919A1
EP4244919A1 EP21815246.0A EP21815246A EP4244919A1 EP 4244919 A1 EP4244919 A1 EP 4244919A1 EP 21815246 A EP21815246 A EP 21815246A EP 4244919 A1 EP4244919 A1 EP 4244919A1
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EP
European Patent Office
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spring element
clamping
base
clamping device
stack
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP21815246.0A
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German (de)
English (en)
Inventor
Michel Planque
Guilhem Roux
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to the field of clamping devices and in particular to clamping devices for electrochemical stacks.
  • Said electrochemical stacks considered are in particular stacks of the SOEC or SOFC type capable of operating at temperatures above 700° C.
  • the invention relates in particular to a clamping device provided with a spring element intended to exert a force leading to the clamping, or even to the crushing, of the electrochemical stack.
  • the spring element according to the terms of the present invention, is in particular an assembly of two spring washers of generally frustoconical shape and whose taper is oriented in two opposite directions.
  • This spring element is also provided with thermalization means, and more particularly with a fluid conduit in which a cooling fluid is capable of flowing in order to maintain said spring element in a range of temperatures for which the force exerted by said element varies little.
  • FIG. 1 represents an electrochemical device 100 known from the state of the art and described in document FR 3 045 215 Al.
  • the electrochemical device comprises a stack 200 of solid oxides operating at high temperature clamped between two clamping plates 300 and 310 able to operate either in electrolyser mode or in fuel cell mode. Clamping rods, extending between the two clamping plates, are also implemented in order to maintain the clamping of the stack by the clamping plates.
  • the electrochemical device 100 is generally referred to by one or other of the acronyms "SOEC”("Solid Oxide Electrolyser Cell”) or “SOFC”. (“Solid Oxide Full Cell”) when it operates, respectively, in electrolyser mode or in fuel cell mode.
  • SOEC Solid Oxide Electrolyser Cell
  • SOFC Solid Oxide Full Cell
  • the stack 200 comprises a stack 200 of elementary electrochemical cells 210 between which are interposed interconnectors 230 intended to ensure electrical contact between the elementary electrochemical cells.
  • interconnectors also comprise channels allowing the evacuation and/or the distribution of gas at the level of the elementary cells.
  • Each elementary electrochemical cell comprises an electrolyte 210e interposed between an anode 210a and a cathode 210c.
  • anode means of generally flat shape, for example in the form of a layer, which comprise two essentially parallel main faces and connected by an outline.
  • the anode and the cathode of each elementary electrochemical cell generally comprise a porous layer, while the electrolyte forms a dense and tight layer.
  • Each interconnector disposed on either side of an electrochemical cell forms, respectively, with the anode an anode compartment 230a for gas distribution and collection, and with the cathode a cathode compartment 230c for gas distribution and collection.
  • the anode and the cathode are the site of electrochemical reactions, while the electrolyte allows the transport of ions from the cathode to the anode, or vice versa depending on whether the electrochemical device operates in electrolyser mode or in battery mode. fuel.
  • the cathode compartment allows a supply of water vapor and an evacuation of the water reduction products, in particular hydrogen, while the anode compartment ensures, via a draining gas, the evacuation of the dioxygen produced from the oxidation of O 2- ions migrating from the cathode to the anode.
  • the electrolysis mechanism (“SOEC” mode) of water vapor by an elementary electrochemical cell is illustrated in figure 3. During this electrolysis, the elementary electrochemical cell is powered by a current flowing from the cathode to the 'anode. The water vapor distributed by the cathode compartment is then reduced under the effect of the current according to the following half-reaction:
  • the oxygen thus formed is evacuated by the draining gas circulating in the anode compartment.
  • SOFC fuel cell
  • Operation in fuel cell mode allows the production of an electric current.
  • the stack comprises a number of elementary electrochemical cells exceeding 25, the latter is liable to exhibit an expansion at high temperature which is difficult to predict, and consequently makes the dimensioning of the rods and clamping plates complicated.
  • the object of the invention is therefore to propose a clamping device for clamping an electrochemical stack making it possible to accommodate a large number, for example greater than 25, of elementary electrochemical cells.
  • Another object of the invention is to provide a clamping device whose expansion remains limited when it is subjected to high temperatures and in particular temperatures above 700° C.
  • the invention also aims to propose an assembly which comprises the clamping device and an electrochemical stack.
  • the aims are, at least in part, achieved by a spring element provided with two bellows called, respectively, internal bellows and external bellows, mounted coaxially around an axis of revolution XX', and between which an annular space is provided. forming a fluid circuit.
  • the annular space is also delimited at a first end and a second end by, respectively, a first base and a second base, the first base and the second base each having a symmetry of revolution around the axis of revolution XX'.
  • said spring element comprises a fluid supply orifice and a discharge orifice of said fluid cooperating with the fluidic circuit.
  • the supply orifice is formed in the first base while the discharge orifice is formed in the second base.
  • the spring element comprises a supply channel connected to the supply orifice and an evacuation channel connected to the evacuation orifice, said supply channel and evacuation channel being intended to be connected to a heat transfer fluid circulation system, advantageously, the supply channel and the evacuation channel are made in one piece with the internal bellows, the external bellows, the first base and the second base.
  • the spring element comprises at least one of the materials chosen from: a nickel-based superalloy, for example Inconel®718.
  • the invention also relates to a clamping device for an electrochemical stack, said device comprises:
  • the spring element being arranged to clamp the two clamping plates against the electrochemical stack capable of being clamped between said clamping plates;
  • a holding means intended to maintain the clamping, imposed by the spring element on the clamping plates.
  • the holding means comprises a base plate, the spring element bearing on the one hand against an internal face of the plate base and, on the other hand, against an upper outer face of the upper clamping plate, and opposite to the upper inner face.
  • the at least one holding means further comprises at least two tie rods arranged to adjust the distance between the base plate and the lower clamping plate in order to impose compression on the spring element.
  • the at least two tie rods are pivotally mounted, by a first end, on a peripheral contour of the lower clamping plate, while the base plate comprises notches intended to be crossed by the tie rods, each tie rod comprises a thread which extends from a second end, opposite the first end and cooperating with a nut.
  • the invention also relates to an electrochemical assembly which comprises:
  • an upper terminal plate and a lower terminal plate are inserted between the electrochemical stack and, respectively, the upper clamping plate and the lower clamping plate.
  • FIG. 1 represents, according to a perspective view, an electrochemical device known from the state of the art (FR 3 045 215 A1), and on which the present invention is likely to be implemented;
  • FIG. 2 is an exploded schematic view of a stack of two elementary electrochemical cells known from the state of the art and capable of being implemented within the scope of the present invention;
  • FIG. 3 is a schematic view showing the principle of operation of an elementary electrochemical cell in high temperature solid oxide electrolyser (SOEC) mode, the arrows represent the circulation of gases at the level of the electrodes, in particular the arrows in solid lines represent the circulation of reactive gases or reaction products, while the arrow in broken lines represents the circulation of draining gases;
  • SOEC solid oxide electrolyser
  • FIG. 4 is a schematic representation according to a sectional plane of a clamping device clamping an electrochemical stack according to the present invention
  • Figure 5 is a schematic representation in perspective of a spring element capable of being implemented within the scope of the present invention.
  • Figure 6 is a schematic representation according to a sectional plane passing through an axis of revolution XX' of a spring element capable of being implemented within the scope of the present invention
  • Figure 7 is a schematic representation, according to a perspective view, of a clamping device implementing the spring element of Figure 5;
  • FIG. 8 is a graphic representation of the force (E in N on the vertical axis) exerted by the spring element as a function of crushing (D in mm, on the horizontal axis) of an electrochemical stack of 25 elementary cells;
  • FIGS. 9a and 9b are schematic representations of two compression phases of an electrochemical stack with the tightening device according to the present invention.
  • the present invention relates to a spring element formed by two bellows, respectively called internal bellows and external bellows, mounted coaxially, and between which is formed an annular space forming a fluidic circuit.
  • the fluidic circulation circuit allows in particular the circulation of a heat transfer fluid between an inlet orifice and an outlet orifice for the purpose of thermalizing said spring element.
  • the present invention also relates to a clamping device provided with two clamping plates between which a stack, for example an electrochemical stack, is intended to be clamped.
  • the device according to the present invention comprises the spring element.
  • the spring element is in particular arranged to transmit a force to the clamping plates, in order to impose crushing on said electrochemical stack.
  • the fluidic circuit of the spring element thus allows the circulation of a fluid in the volume of the spring element so as to limit, or even prevent, the expansion of said spring element when it is subjected to high temperatures, and in particular to temperatures above 700°C.
  • the clamping device is advantageously implemented in an assembly which comprises an electrochemical stack sandwiched between the two clamping plates.
  • Said clamping device 400 is represented with a stack, and in particular an electrochemical stack 200, clamped between two clamping plates called, respectively, upper clamping plate 410 and lower clamping plate 420.
  • clamp is meant a plate of generally flat shape, which comprises two main faces connected by an outline, and which when they are assembled in pairs are intended to maintain the cohesion of a stack, for example of an electrochemical stack.
  • Electrochemical stack means a stack of elementary electrochemical cells.
  • the upper clamping plate 410 comprises two main faces called, respectively, upper internal face 410a and an upper external face 410b essentially parallel and connected by an upper outline 410c.
  • the lower clamping plate 420 comprises two main faces called, respectively, lower internal face 420a and a lower external face 420b essentially parallel and connected by a lower contour 420c.
  • the upper clamping plate 410 and the lower clamping plate 420 are in particular arranged so that the upper internal face 410a and the lower internal face 420a face each other.
  • the space delimited by the upper internal face 410a and the lower internal face 420a is intended to accommodate the stack, and more particularly the electrochemical stack 200.
  • the clamping device 400 also comprises a spring element 500.
  • the spring element 500 is in particular arranged to exert a force which leads to the clamping of the electrochemical stack 200 by the upper clamping plate 410 and the lower clamping plate 420 (figure 4).
  • the spring element 500 is provided with two bellows called, respectively, internal bellows 501 and external bellows 502, mounted coaxially around an axis of revolution XX', and between which an annular space is provided forming a fluidic circuit 510 ( figures 5 and 6).
  • the annular space is also delimited at a first end 521 and a second end 522 by, respectively, a first base 521a and a second base 522a.
  • the first base 521a and the second base 522a each comprise two main faces connected by an outline. More particularly, each of these bases 521a and 522a has a symmetry of revolution around the axis of revolution XX', said axis of revolution XX' being perpendicular to the main faces of each of the bases 521a and 522a. Each base can also comprise a through opening giving access to an internal volume of the internal bellows.
  • the spring element 500 also comprises a fluid supply orifice 521b and an outlet orifice 522b of said fluid cooperating with the fluidic circuit.
  • the supply orifice 521b is formed in the first base 521a while the discharge orifice 522b is formed in the second base 522a.
  • the supply orifice 521b emerges from the contour of the first base 521a, while the evacuation orifice 522b emerges from the contour of the second base 522a.
  • Spring element 500 may also include a supply channel
  • the supply channel 551 and the evacuation channel 552 are in particular intended to be connected to a heat transfer fluid circulation system.
  • the supply channel 551 and the evacuation channel 552 are made in one piece with the internal bellows, the external bellows, the first base and the second base.
  • the implementation of the fluidic circuit 510 thus makes it possible to impose the circulation of a fluid, in the fluidic circuit 510 for the purpose of thermalizing the spring element 500 (FIG. 6).
  • the circulation of the cooling fluid can in particular be adapted to maintain the spring element 500 in a range of temperatures for which the mechanical properties undergo little or no variation.
  • the circulation of a cooling fluid in the fluidic circuit 510 makes it possible to limit the variation of the force exerted by the spring element 500 when the latter is close to a heat source.
  • an electrochemical stack 200 with solid oxides of the SOEC/SOFC type is known to operate at high temperature, and in particular at temperatures above 700° C., and can, consequently, generate heating, by radiation or by conduction, of the spring element 500.
  • the spring element 500 can advantageously comprise at least one of the alloys chosen from: 310s, Inconel 718, Inconel 625.
  • Inconel 718 exhibits corrosion resistance and mechanical properties over a wide temperature range that make it the alloy of choice when the applications under consideration involve temperatures up to 700°C.
  • the spring element 500 can be formed by an additive manufacturing technique, and in particular by 3D manufacturing.
  • the dimensioning of the spring element 500 can be carried out so that the latter has a given stiffness.
  • the spring element can be dimensioned so as to be able to apply a sufficient force to seal the electrochemical stack sandwiched between the two clamping plates 410 and 420.
  • FIG. 8 is a graphical representation of a crushing D of an electrochemical stack formed of 25 elementary electrochemical cells as a function of the force exerted by the spring element 500.
  • the clamping device 400 also comprises a holding means 600 intended to maintain the clamping imposed by the spring element 500 on the clamping plates (FIG. 4).
  • the holding means 600 comprises at least two tie rods 610a and 610b, as well as a base plate 620.
  • the base plate 620 is provided with two main faces called, respectively, internal face 620a and external face 620b and connected by a outline 620c. More particularly, the base plate 620 is facing the upper external face 410b by its internal face 620a, and the spring element 500 is located between the base plate 620 and the upper clamping plate 410, resting respectively against the inner face 620a and the upper outer face 410b.
  • the at least two tie rods 610a and 610b extend between the lower clamping plate and the base plate to allow said plates to be assembled and to adjust the distance which separates them. More particularly, this adjustment of the distance between the lower clamping plate and the base plate is intended to put the spring element 500 under compression so that the latter exerts a force which results in the clamping of the electrochemical stack between the clamping plates 410 and 420.
  • the at least two tie rods 610a and 610b can, according to a first aspect, pass through through openings made in the base plate 620 and the upper clamping plate 410, and cooperate with clamping means, for example nuts, at the level of the openings through.
  • the at least two tie rods 610a and 610b can advantageously be pivotally mounted, via a first end, on the contour 420c of the lower clamping plate 420 (FIG. 4).
  • the base plate 620 comprises notches 612a and 612b intended to be crossed by the tie rods 610a and 610b (FIG. 7).
  • clamping means for example nuts, cooperate with the at least two tie rods at the notches 612a and 612b.
  • the base plate 620, the upper clamping plate 410 and the spring element 500 can form a single piece.
  • This one-piece part can be obtained by an additive manufacturing process, and in particular by 3D manufacturing.
  • a fluid, and in particular a cooling fluid can circulate in the fluidic channel 510 of the spring element 500.
  • the cooling fluid for example water
  • This water vapor can advantageously be injected into the electrochemical stack 200.
  • the base plate comprises an orifice, called mounting orifice 630 (FIG. 7), in alignment with the axis of revolution XX' of the spring element 500.
  • This mounting orifice is implemented in particular for crushing the electrochemical stack 200.
  • Figures 9a and 9b are illustrations of the assembly of an electrochemical stack 200 and the clamping device.
  • This assembly comprises, initially, a phase of compression of the electrochemical stack 200 placed between the two clamping plates 410 and 420. Apply a force, for example 2000 N, against the upper outer face 410b so as to crush the electrochemical stack 200 (FIG. 9a).
  • This compression phase may involve thermal cycles.
  • the compression may initially take place at room temperature or at a temperature below 200°C.
  • the assembly thus compressed can be heated, for example to a temperature above 700° C., then cooled to its initial temperature while maintaining the force exerted by the jack.
  • the assembly also includes a second phase during which the tie rods 610a and 610b are positioned in the notches 612a and 612b so as to assemble the lower clamping plate 420 with the base plate 620.
  • This second phase also includes the positioning of nuts 611a and 611b cooperating with the tie rods 610a and 610b at the level of the upper external face 610b so that the spring element 500 applies the force initially exerted by the cylinder.
  • the clamping device 400 according to the present invention thus makes it possible to exert a constant force on the electrochemical stack independently of the temperature of said stack.
  • This device also makes it possible to envisage the stacking of a relatively large number, in particular greater than 25 or even greater than 50, of elementary electrochemical cells.
  • the cooling liquid circulating in the fluid circulation channel may comprise water.
  • the latter released in the form of water vapor at the level of the second end of the spring, can advantageously not be upgraded, and in particular be injected into the electrochemical stack as a reagent. This aspect contributes to improving the energy efficiency of the electrochemical stack.
  • the invention also relates to an electrochemical assembly which comprises:
  • the assembly can also comprise an upper end plate and a lower end plate which are inserted between the electrochemical stack 200 and, respectively, the upper clamping plate 410 and the lower clamping plate 420.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de serrage pour un empilement électrochimique comprenant deux plaques de serrage et un élément ressort (500) pourvu de deux soufflets dits, respectivement, soufflet interne (501) et soufflet externe (502), montés de manière coaxiale autour d'un axe de révolution XX', et entre lesquels est ménagé un espace annulaire formant un circuit fluidique (510).

Description

ELEMENT RESSORT, DISPOSITIF DE SERRAGE POUR UN EMPILEMENT ELECTROCHIMIQUE, ET ASSEMBLAGE FORME PAR LE DISPOSITIF DE SERRAGE ET L'EMPILEMENT ELECTROCHIMIQUE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine des dispositifs de serrage et notamment aux dispositifs de serrage pour les empilements électrochimiques. Lesdits empilements électrochimiques considérés sont en particulier des empilements du type SOEC ou SOFC susceptibles de fonctionner à des températures supérieures à 700°C.
L'invention concerne en particulier un dispositif de serrage pourvu d'un élément ressort destiné à exercer un effort conduisant au serrage, voire à l'écrasement de l'empilement électrochimique. L'élément ressort, selon les termes de la présente invention, est notamment un assemblage de deux rondelles ressort de forme généralement tronconique et dont la conicité est orientée selon deux directions opposées. Cette élément ressort est également pourvu de moyens de thermalisation, et plus particulièrement d'un conduit fluidique dans lequel un fluide de refroidissement est susceptible de s'écouler afin de maintenir ledit élément ressort dans une gamme de températures pour laquelle l'effort exercé par ledit élément varie peu.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
La figure 1 représente un dispositif électrochimique 100 connu de l'état de la technique et décrit dans le document FR 3 045 215 Al.
Le dispositif électrochimique comprend un empilement 200 à oxydes solides fonctionnant à haute température enserré entre deux plaques de serrage 300 et 310 pouvant fonctionner soit en mode électrolyseur, soit en mode pile à combustible. Des tiges de serrage, s'étendant entre les deux plaques de serrage, sont par ailleurs mises en œuvre afin de maintenir le serrage de l'empilement par les plaques de serrage.
Le dispositif électrochimique 100 est généralement désigné sous l'un ou l'autre des acronymes anglo-saxon « SOEC » (« Solid Oxide Electrolyser Cell ») ou « SOFC » (« Solid Oxide Full Cell ») lorsqu'il fonctionne, respectivement, en mode électrolyseur ou en mode pile à combustible.
L'empilement 200, tel qu'illustré à la figure 2, comprend un empilement 200 de cellules électrochimiques élémentaires 210 entre lesquelles viennent s'interposer des interconnecteurs 230 destinés à assurer un contact électrique entre les cellules électrochimiques élémentaires. Ces interconnecteurs comprennent également des canaux permettant l'évacuation et/ou la distribution de gaz au niveau des cellules élémentaires.
Chaque cellule électrochimique élémentaire comprend un électrolyte 210e intercalé entre une anode 210a et une cathode 210c.
Tout au long de la description de la présente demande, par « anode », « cathode » et « électrolyte », on entend des éléments de forme généralement plane, par exemple sous forme de couche, qui comprennent deux faces principales essentiellement parallèles et reliées par un contour.
L'anode et la cathode de chaque cellule électrochimique élémentaire comprennent généralement une couche poreuse, tandis que l'électrolyte forme une couche dense et étanche.
Chaque interconnecteur disposé de part et d'autre d'une cellule électrochimique forme, respectivement, avec l'anode un compartiment anodique 230a de distribution et de collecte de gaz, et avec la cathode un compartiment cathodique 230c de distribution et de collecte de gaz.
En fonctionnement, l'anode et la cathode sont le siège de réactions électrochimiques, tandis que l'électrolyte permet le transport d'ions de la cathode vers l'anode, ou inversement selon que le dispositif électrochimique fonctionne en mode électrolyseur ou en mode pile à combustible.
Ainsi en mode électrolyseur, le compartiment cathodique permet un apport de vapeur d'eau et une évacuation des produits de réduction de l'eau, notamment de l'hydrogène, tandis que le compartiment anodique assure, via un gaz drainant, l'évacuation du dioxygène produit de l'oxydation des ions O2- migrant de la cathode vers l'anode. Le mécanisme d'électrolyse (mode « SOEC ») de la vapeur d'eau par une cellule électrochimique élémentaire est illustré à la figure 3. Au cours de cette électrolyse, la cellule électrochimique élémentaire est alimentée par un courant circulant de la cathode vers l'anode. La vapeur d'eau distribuée par le compartiment cathodique est alors réduite sous l'effet du courant selon la demi-réaction suivante :
2 H2O + 4 e" -> 2 H2 + 2 O2’.
Le dihydrogène produit lors de cette réaction est alors évacué, tandis que les ions O2- produits lors de cette réduction migrent de la cathode vers l'anode, via l'électrolyte, où ils sont oxydés en dioxygène selon la demi-réaction :
2 O O2+ 4 e;
Le dioxygène ainsi formé est quant à lui évacué par le gaz drainant circulant dans le compartiment anodique.
L'électrolyse de la vapeur d'eau répond à la réaction suivante :
2 H2O -> 2 H2 + O2.
En mode pile à combustible (« SOFC »), de l'air est injecté dans le compartiment cathodique où l'oxygène se réduit alors en ions O2-. Ces ions O2- migrent alors vers l'anode et réagissent avec du dihydrogène circulant dans le compartiment anodique pour former de l'eau.
Le fonctionnement en mode pile à combustible permet la production d'un courant électrique.
L'optimisation du fonctionnement d'un tel dispositif électrochimique connu de l'état de la technique doit toutefois répondre à certaines contraintes.
Notamment, il est nécessaire d'avoir une isolation électrique entre deux interconnecteurs successifs sous peine de court-circuiter la cellule électrochimique élémentaire. Un bon contact électrique et une surface de contact suffisante entre une cellule électrochimique élémentaire et un interconnecteur peut également être nécessaire. La plus faible résistance ohmique possible est alors recherchée entre cellules et interconnecteurs. Celle-ci dépend des matériaux en regard mais également du niveau de serrage de l'empilement. Par ailleurs, il faut disposer d'une étanchéité entre les compartiments anodiques et cathodiques sous peine d'avoir une recombinaison des gaz produits entraînant une baisse de rendement et surtout l'apparition de points chauds endommageant l'empilement. De nouveau, cette étanchéité dépend de la conception des joints et des matériaux utilisés mais également du niveau de serrage de l'empilement.
Enfin, il est préférable d'avoir une bonne distribution des gaz à la fois en entrée et en récupération des produits sous peine de perte de rendement, d'inhomogénéité de pression et de température au sein des différentes cellules électrochimiques élémentaires, voire de dégradations rédhibitoires desdites cellules.
Le dispositif électrochimique 100 tel que représenté à la figure 1, par un choix de matériaux formant les tiges et les plaques de serrage, permet de répondre favorablement aux requis précités tant que l'empilement 200 contient moins de 25 cellules électrochimiques élémentaires. Toutefois, dès lors que l'empilement comprend un nombre de cellules électrochimique élémentaires excédant 25, ce dernier est susceptible de présenter une dilatation à haute température difficile à prévoir, et rend, par voie de conséquence, le dimensionnement des tiges et des plaques de serrage compliqué.
L'invention a donc pour but de proposer un dispositif de serrage pour enserrer un empilement électrochimique permettant d'accommoder un grand nombre, par exemple supérieur à 25, de cellules électrochimiques élémentaires.
L'invention a également pour but de proposer un dispositif de serrage dont la dilatation reste limitée lorsqu'il est soumis à de hautes températures et notamment des températures supérieures à 700°C.
L'invention a également pour but de proposer un assemblage qui comprend le dispositif de serrage et un empilement électrochimique.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Les buts sont, au moins en partie, atteints par un élément ressort pourvu de deux soufflets dits, respectivement, soufflet interne et soufflet externe, montés de manière coaxiale autour d'un axe de révolution XX', et entre lesquels est ménagé un espace annulaire formant un circuit fluidique. Selon un mode de réalisation, l'espace annulaire est également délimité au niveau d'une première extrémité et d'une deuxième extrémité par, respectivement, une première embase et une deuxième embase, la première embase et la deuxième embase présentant chacune une symétrie de révolution autour de l'axe de révolution XX'.
Selon un mode de réalisation, ledit élément ressort comprend un orifice d'alimentation en fluide et un orifice d'évacuation dudit fluide coopérant avec le circuit fluidique.
Selon un mode de réalisation, l'orifice d'alimentation est formé dans la première embase tandis que l'orifice d'évacuation est formé dans la deuxième embase.
Selon un mode de réalisation, l'élément ressort comprend un canal d'alimentation connecté à l'orifice d'alimentation et un canal d'évacuation connecté à l'orifice d'évacuation, lesdits canal d'alimentation et canal d'évacuation étant destinés à être connectés à un système de circulation d'un fluide caloporteur, avantageusement, le canal d'alimentation et le canal d'évacuation sont réalisés d'un seul tenant avec le soufflet interne, le soufflet externe, la première embase et la deuxième embase.
Selon un mode de réalisation, l'élément ressort comprend au moins un des matériaux choisis parmi : un superalliage à base de nickel, par exemple en lnconel®718.
L'invention concerne également un dispositif de serrage pour un empilement électrochimique, ledit dispositif comprend :
- deux plaques de serrage dites, respectivement, plaque de serrage supérieure et plaque de serrage inférieure, en regard l'une de l'autre par une de leur face, dites, respectivement, face interne supérieure et face interne inférieure, et entre lesquelles est destiné à être enserré un empilement électrochimique ;
- l'élément ressort selon la présente invention, ledit élément ressort étant agencé pour serrer les deux plaques de serrage contre l'empilement électrochimique susceptible d'être enserré entre lesdites plaques de serrage ;
- un moyen de maintien destiné à maintenir le serrage, imposé par l'élément ressort aux plaques de serrage.
Selon un mode de réalisation, le moyen de maintien comprend une plaque embase, l'élément ressort étant en appui d'une part contre une face interne de la plaque embase et, d'autre part, contre une face externe supérieure de la plaque de serrage supérieure, et opposée à la face interne supérieure.
Selon un mode de réalisation, l'au moins un moyen de maintien comprend en outre au moins deux tirants agencés pour ajuster la distance entre la plaque embase et la plaque de serrage inférieure afin d'imposer une compression l'élément ressort.
Selon un mode de réalisation, les au moins deux tirants sont montés pivotants, par une première extrémité, sur un contour périphérique de la plaque de serrage inférieure, tandis que la plaque embase comprend des encoches destinées à être traversées par les tirants, chaque tirant comprend un filetage qui s'étend à partir d'une deuxième extrémité, opposée à la première extrémité et coopérant avec un écrou.
L'invention concerne également un assemblage électrochimique qui comprend :
- un dispositif de serrage selon la présente invention,
- un empilement électrochimique à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température et comprenant au moins une cellule électrochimique élémentaire, ledit empilement étant enserré entre la plaque de serrage supérieure et la plaque de serrage inférieure, et de manière à exercer un effort d'écrasement prédéterminé sur ledit empilement.
Selon un mode de réalisation, une plaque terminale supérieure et une plaque terminale inférieure viennent s'intercaler entre l'empilement électrochimique et, respectivement, la plaque de serrage supérieure et la plaque de serrage inférieure.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va suivre d'un élément ressort, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 représente, selon une vue en perspective, un dispositif électrochimique connu de l'état de la technique (FR 3 045 215 Al), et sur lequel la présente invention est susceptible d'être mise en œuvre ; La figure 2 est une vue schématique éclatée d'un empilement de deux cellules électrochimiques élémentaires connu de l'état de la technique et susceptible d'être mise en œuvre dans le cadre de la présente invention ;
La figure 3 est une vue schématique montrant le principe de fonctionnement d'une cellule électrochimique élémentaire en mode électrolyseur à oxydes solides à haute température (SOEC), les flèches représentent la circulation des gaz au niveau des électrodes, notamment les flèches en trait plein représentent la circulation des gaz réactifs ou produits de réaction, tandis que la flèche en traits interrompus représente la circulation de gaz drainant ;
La figure 4 est une représentation schématique selon un plan de coupe d'un dispositif de serrage serrant un empilement électrochimique selon la présente invention ;
La figure 5 est une représentation schématique en perspective d'un élément ressort susceptible d'être mis en œuvre dans le cadre de la présente invention ;
La figure 6 est une représentation schématique selon un plan de coupe passant par un axe de révolution XX' d'un élément ressort susceptible d'être mis en œuvre dans le cadre de la présente invention ;
La figure 7 est une représentation schématique, selon une vue en perspective, d'un dispositif de serrage mettant en œuvre l'élément ressort de la figure 5 ;
La figure 8 est une représentation graphique de l'effort (E en N sur l'axe vertical) exercé par l'élément ressort en fonction d'un écrasement (D en mm, sur l'axe horizontal) d'un empilement électrochimique de 25 cellules élémentaires ; et
Les figures 9a et 9b sont des représentations schématiques de deux phases de mise en compression d'un empilement électrochimique avec le dispositif de serrage selon la présente invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
La présente invention concerne un élément ressort formé par deux soufflets, dits respectivement soufflet interne et soufflet externe, montés de manière coaxiale, et entre lesquels est ménagé un espace annulaire formant un circuit fluidique. Le circuit de circulation fluidique autorise notamment la circulation d'un fluide caloporteur entre un orifice d'admission et un orifice d'évacuation à des fins de thermalisation dudit élément ressort.
La présente invention concerne également un dispositif de serrage pourvu de deux plaques de serrage entre lesquelles un empilement, par exemple un empilement électrochimique, est destiné à être enserré. En particulier, le dispositif selon la présente invention comprend l'élément ressort. L'élément ressort est notamment agencé pour transmettre un effort aux plaques de serrage, afin d'imposer un écrasement audit empilement électrochimique.
Le circuit fluidique de l'élément ressort autorise ainsi la circulation d'un fluide dans le volume de l'élément ressort de manière à limiter, voire prévenir, la dilatation dudit élément ressort lorsqu'il est soumis à des températures élevées, et notamment à des températures supérieures à 700 °C.
Ainsi, le dispositif de serrage est avantageusement mis en œuvre dans un assemblage qui comprend un empilement électrochimique enserré entre les deux plaques de serrage.
La suite de l'énoncé décrit, en relation avec les figures 4 à 8, 9a et 9b, un dispositif de serrage 400.
Ledit dispositif de serrage 400 est représenté avec un empilement, et notamment un empilement électrochimique 200, enserré entre deux plaques de serrages dites, respectivement, plaque de serrage supérieure 410 et plaque de serrage inférieure 420.
Par « plaque de serrage », on entend une plaque de forme généralement plane, qui comprend deux faces principales reliées par un contour, et qui lorsqu'elles sont assemblées par paires sont destinées à maintenir la cohésion d'un empilement, par exemple d'un empilement électrochimique.
Par « empilement électrochimique », on entend un empilement de cellules électrochimiques élémentaires. La plaque de serrage supérieure 410 comprend deux faces principales dites, respectivement, face interne supérieure 410a et une face externe supérieure 410b essentiellement parallèles et reliées par un contour supérieur 410c.
La plaque de serrage inférieure 420 comprend deux faces principales dites, respectivement, face interne inférieure 420a et une face externe inférieure 420b essentiellement parallèles et reliées par un contour inférieur 420c.
La plaque de serrage supérieure 410 et la plaque de serrage inférieure 420 sont notamment agencées de sorte que la face interne supérieure 410a et la face interne inférieure 420a soient en regard l'une de l'autre.
L'espace délimité par la face interne supérieure 410a et la face interne inférieure 420a est destiné à loger l'empilement, et plus particulièrement l'empilement électrochimique 200.
Le dispositif de serrage 400 comprend également un élément ressort 500. L'élément ressort 500 est notamment agencé pour exercer un effort qui conduit au serrage de l'empilement électrochimique 200 par la plaque de serrage supérieure 410 et la plaque de serrage inférieure 420 (figure 4).
L'élément ressort 500 est pourvu de deux soufflets dits, respectivement, soufflet interne 501 et soufflet externe 502, montés de manière coaxiale autour d'un axe de révolution XX', et entre lesquels est ménagé un espace annulaire formant un circuit fluidique 510 (figures 5 et 6). L'espace annulaire est également délimité au niveau d'une première extrémité 521 et d'une deuxième extrémité 522 par, respectivement, une première embase 521a et une deuxième embase 522a.
La première embase 521a et la deuxième embase 522a comprennent chacune deux faces principales reliées par un contour. Plus particulièrement, chacune de ces embases 521a et 522a présente une symétrie de révolution autour de l'axe de révolution XX', ledit axe de révolution XX' étant perpendiculaire aux faces principales de chacune des embases 521a et 522a. Chaque embase peut également comprendre une ouverture traversante donnant accès à un volume interne du soufflet interne.
L'élément ressort 500 comprend par ailleurs un orifice d'alimentation 521b en fluide et un orifice d'évacuation 522b dudit fluide coopérant avec le circuit fluidique. De manière avantageuse, l'orifice d'alimentation 521b est formé dans la première embase 521a tandis que l'orifice d'évacuation 522b est formé dans la deuxième embase 522a.
Plus particulièrement, l'orifice d'alimentation 521b émerge du contour de la première embase 521a, tandis que l'orifice d'évacuation 522b émerge du contour de la deuxième embase 522a.
L'élément ressort 500 peut également comprendre un canal d'alimentation
551 connecté à l'orifice d'alimentation 521b et un canal d'évacuation 552 connecté à l'orifice d'évacuation 522b (figure 5). Le canal d'alimentation 551 et canal d'évacuation
552 sont notamment destinés à être connectés à un système de circulation d'un fluide caloporteur. Avantageusement, le canal d'alimentation 551 et le canal d'évacuation 552 sont réalisés d'un seul tenant avec le soufflet interne, le soufflet externe, la première embase et la deuxième embase.
La mise en œuvre du circuit fluidique 510 permet ainsi d'imposer la circulation d'un fluide, d'une dans le circuit fluidique 510 à des fins de thermalisation de l'élément ressort 500 (figure 6).
De manière particulièrement avantageuse, il est possible d'imposer la circulation d'un fluide de refroidissement dans le circuit fluidique 510. La circulation du fluide de refroidissement peut notamment être adaptée pour maintenir l'élément ressort 500 dans une gamme de températures pour lesquelles les propriétés mécaniques ne subissent que peu, voire pas, de variations. En d'autres termes, la circulation d'un fluide de refroidissement dans le circuit fluidique 510 permet de limiter la variation de l'effort exercé par l'élément ressort 500 lorsque ce dernier se trouve à proximité d'une source de chaleur. À cet égard, un empilement électrochimique 200 à oxydes solides de type SOEC/SOFC est connu pour fonctionner à haute température, et notamment à des températures supérieures à 700°C, et peut, par voie de conséquence, générer un échauffement, par radiation ou par conduction, de l'élément ressort 500. Cet échauffement, source de dilatation de l'élément ressort 500, se traduit, sans autres précautions, généralement par une variation de l'effort exercé par ce dernier qui risque ultimement de causer une rupture d'étanchéité au sein de l'empilement électrochimique. La mise en œuvre d'une thermalisation de l'élément ressort 500 par la circulation d'un fluide de refroidissement permet ainsi de limiter le risque de rupture d'étanchéité.
L'élément ressort 500 peut de manière avantageuse comprendre au moins l'un des alliages choisi parmi : 310s, Inconel 718, Inconel 625.
À cet égard, l'Inconel 718 présente une résistance à la corrosion et des propriétés mécaniques sur une large gamme de températures qui en font un alliage de choix lorsque les applications considérées mettent en œuvre des températures pouvant atteindre 700°C.
L'élément ressort 500 peut être formé par une technique de fabrication additive, et notamment par fabrication 3D. Le dimensionnement du l'élément ressort 500 peut être exécuté de sorte que ce dernier présente une raideur donnée. Par exemple, l'élément ressort peut être dimensionné de manière à pouvoir appliquer un effort suffisant pour assurer l'étanchéité de l'empilement électrochimique enserré entre les deux plaques de serrage 410 et 420. À cet égard, la figure 8 est une représentation graphique d'un écrasement D d'un empilement électrochimique formé de 25 cellules électrochimiques élémentaire en fonction de l'effort exercé par l'élément ressort 500.
Sur ce graphique, il apparait qu'un écrasement D de 50 mm de l'empilement électrochimique 200 est associé à un effort exercé par l'élément ressort de 2000 N. Cet empilement, lorsqu'il est soumis à un échauffement, notamment un échauffement à une température égale à 900°C, est susceptible de subir une dilatation d'environ 2 mm qui se traduit par une variation négligeable de l'effort effectivement exercé par l'élément ressort 500.
Le dispositif de serrage 400 comprend également un moyen de maintien 600 destiné à maintenir le serrage, imposé par l'élément ressort 500 aux plaques de serrage (figure 4).
En particulier, le moyen de maintien 600 comprend au moins deux tirants 610a et 610b, ainsi qu'une plaque embase 620. La plaque embase 620 est pourvue de deux faces principales dites, respectivement, face interne 620a et face externe 620b et reliées par un contour 620c. Plus particulièrement, la plaque embase 620 est en regard de la face externe supérieure 410b par sa face interne 620a, et l'élément ressort 500 se trouve entre la plaque embase 620 et la plaque de serrage supérieure 410, en appui, respectivement, contre la face interne 620a et la face externe supérieure 410b.
Par ailleurs, les au moins deux tirants 610a et 610b s'étendent entre la plaque de serrage inférieure et la plaque embase pour permettre un assemblage desdites plaques et ajuster la distance qui les sépare. Plus particulièrement, cet ajustement de la distance entre la plaque de serrage inférieure et la plaque embase est destiné à mettre en compression l'élément ressort 500 de sorte que ce dernier exerce un effort qui se traduit par le serrage de l'empilement électrochimique entre les plaques de serrage 410 et 420.
Les au moins deux tirants 610a et 610b peuvent, selon un premier aspect, traverser des ouvertures traversantes ménagées dans la plaque embase 620 et la plaque de serrage supérieure 410, et coopérer avec des moyens de serrage, par exemple des écrous, au niveau des ouvertures traversantes.
Selon un deuxième aspect, les au moins deux tirants 610a et 610b peuvent avantageusement être montés pivotants, par une première extrémité, sur le contour 420c de la plaque de serrage inférieure 420 (figures 4). Selon ce deuxième aspect, la plaque embase 620 comprend des encoches 612a et 612b destinées à être traversées par les tirants 610a et 610b (figure 7). À l'instar du premier aspect, des moyens de serrage, par exemple des écrous, coopèrent avec les au moins deux tirants au niveau des encoches 612a et 612b.
De manière avantageuse, la plaque embase 620, la plaque de serrage supérieur 410 et l'élément ressort 500 peuvent former une pièce monobloc. Cette pièce monobloc peut être obtenue par un procédé de fabrication additive, et notamment par fabrication 3D. Selon cet agencement, un fluide, et notamment un fluide de refroidissement, peut circuler dans le canal fluidique 510 de l'élément ressort 500. Lors de cette circulation, le fluide de refroidissement, par exemple de l'eau, subit un échauffement susceptible de la transformer en vapeur en vapeur d'eau. Cette vapeur d'eau peut avantageusement être injectée dans l'empilement électrochimique 200.
De manière particulièrement avantageuse, la plaque embase comprend un orifice, dit orifice de montage 630 (figure 7), dans l'alignement de l'axe de révolution XX' de l'élément ressort 500. Cet orifice de montage est notamment mis en œuvre pour l'écrasement de l'empilement électrochimique 200.
À cet égard, les figures 9a et 9b sont des illustrations du montage d'un empilement électrochimique 200 et du dispositif de serrage.
Ce montage comprend, dans un premier temps, une phase de compression de l'empilement électrochimique 200 disposé entre les deux plaques de serrage 410 et 420. Lors de cette phase de compression, un vérin 800, traversant l'orifice de montage 630, vient appliquer un effort, par exemple de 2000 N, contre la face externe supérieure 410b de manière à écraser l'empilement électrochimique 200 (figure 9a). Cette phase de compression peut faire intervenir des cycles thermiques. Par exemple, la compression peut, dans un premier temps, intervenir à température ambiante ou à une température inférieure à 200 °C. L'assemblage ainsi compressé peut être chauffé, par exemple à une température supérieure à 700°C, puis refroidi à sa température initiale tout en maintenant l'effort exercé par le vérin.
Le montage comprend également une deuxième phase lors de laquelle les tirants 610a et 610b sont positionnés dans les encoches 612a et 612b de manière à assembler la plaque de serrage inférieure 420 avec la plaque embase 620. Cette deuxième phase comprend également le positionnement d'écrous 611a et 611b coopérant avec les tirants 610a et 610b au niveau de la face externe supérieure 610b de sorte que l'élément ressort 500 applique l'effort initialement exercé par le vérin.
Le dispositif de serrage 400 selon la présente invention permet ainsi d'exercer un effort constant sur l'empilement électrochimique indépendamment de la température dudit empilement. Ce dispositif permet également d'envisager l'empilement d'un nombre relativement important, notamment supérieur 25 voire supérieur à 50, de cellules électrochimiques élémentaires.
Par ailleurs, le liquide de refroidissement circulant dans le canal de circulation fluidique peut comprendre de l'eau. Cette dernière rejetée sous forme de vapeur d'eau au niveau de la deuxième extrémité du ressort peu avantageusement être valorisée, et notamment être injectée dans l'empilement électrochimique en tant que réactif. Cet aspect contribue à l'amélioration du rendement énergétique de l'empilement électrochimique.
Enfin, ce dispositif de serrage reste relativement compact.
L'invention concerne également un assemblage électrochimique qui comprend :
- un dispositif de serrage 400 selon la présente invention,
- un empilement électrochimique 200 à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température et comprenant au moins une cellule électrochimique élémentaire, ledit empilement étant enserré entre la plaque de serrage supérieure et la plaque de serrage inférieure, et de manière à exercer un effort d'écrasement prédéterminé sur ledit empilement.
L'assemblage peut également comprendre une plaque terminale supérieure et une plaque terminale inférieure qui viennent s'intercaler entre l'empilement électrochimique 200 et, respectivement, la plaque de serrage supérieure 410 et la plaque de serrage inférieure 420.

Claims

REVANDICATIONS
1. Dispositif de serrage (400) pour un empilement électrochimique (200), ledit dispositif comprend :
- deux plaques de serrage (410, 420) dites, respectivement, plaque de serrage supérieure (410) et plaque de serrage inférieure (420), en regard l'une de l'autre par une de leur face, dites, respectivement, face interne supérieure (420a) et face interne inférieure (420b), et entre lesquelles est destiné à être enserré un empilement électrochimique (200) ;
- un élément ressort (500) pourvu de deux soufflets dits, respectivement, soufflet interne (501) et soufflet externe (502), montés de manière coaxiale autour d'un axe de révolution XX', et entre lesquels est ménagé un espace annulaire formant un circuit fluidique (510), ledit élément ressort (500) étant agencé pour serrer les deux plaques de serrage (410, 420) contre l'empilement électrochimique (200) susceptible d'être enserré entre lesdites plaques de serrage (410, 420) ;
- un moyen de maintien (600) destiné à maintenir le serrage, imposé par l'élément ressort (500) aux plaques de serrage (410, 420).
2. Dispositif de serrage selon la revendication 1, dans lequel l'espace annulaire est également délimité au niveau d'une première extrémité (521) et d'une deuxième extrémité (522) par, respectivement, une première embase (521a) et une deuxième embase (522a), la première embase et la deuxième embase présentant chacune une symétrie de révolution autour de l'axe de révolution XX'.
3. Dispositif de serrage selon la revendication 2, dans lequel ledit élément ressort (500) comprend un orifice d'alimentation (521b) en fluide et un orifice d'évacuation (522b) dudit fluide coopérant avec le circuit fluidique (510).
4. Dispositif de serrage selon la revendication 3, dans lequel l'orifice d'alimentation (521b) est formé dans la première embase (521a) tandis que l'orifice d'évacuation (522b) est formé dans la deuxième embase (522a).
5. Dispositif de serrage selon la revendication 3 ou 4, dans lequel l'élément ressort (500) comprend un canal d'alimentation (551) connecté à l'orifice d'alimentation (521b) et un canal d'évacuation (552) connecté à l'orifice d'évacuation (522b), lesdits canal d'alimentation (551) et canal d'évacuation (552) étant destinés à être connectés à un système de circulation d'un fluide caloporteur, avantageusement, le canal d'alimentation et le canal d'évacuation sont réalisés d'un seul tenant avec le soufflet interne, le soufflet externe, la première embase et la deuxième embase.
6. Dispositif de serrage selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'élément ressort (500) comprend au moins un des matériaux choisis parmi : un superalliage à base de nickel, par exemple en lnconel®718.
7. Dispositif de serrage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moyen de maintien comprend une plaque embase (620), l'élément ressort (500) étant en appui d'une part contre une face interne de la plaque embase et, d'autre part, contre une face externe supérieure (410b) de la plaque de serrage supérieure (410), et opposée à la face interne supérieure (420a).
8. Dispositif de serrage selon la revendication 7, dans lequel l'au moins un moyen de maintien comprend en outre au moins deux tirants (610a, 610b) agencés pour ajuster la distance entre la plaque embase (620) et la plaque de serrage inférieure (420) afin d'imposer une compression l'élément ressort (500).
9. Dispositif de serrage selon la revendication 8, dans lequel les au moins deux tirants (610a, 610b) sont montés pivotants, par une première extrémité, sur un contour périphérique (420c) de la plaque de serrage inférieure (420), tandis que la plaque embase 17
(620) comprend des encoches (612a, 612b) destinées à être traversées par les tirants (610a, 610b), chaque tirant (610a, 610b) comprend un filetage qui s'étend à partir d'une deuxième extrémité, opposée à la première extrémité et coopérant avec un écrou. 10. Assemblage électrochimique qui comprend :
- un dispositif de serrage selon l'une quelconque des revendications précédentes,
- un empilement électrochimique (200) à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température et comprenant au moins une cellule électrochimique élémentaire, ledit empilement étant enserré entre la plaque de serrage supérieure (410) et la plaque de serrage inférieure (420), et de manière à exercer un effort d'écrasement prédéterminé sur ledit empilement.
11. Assemblage selon la revendication 10, dans lequel une plaque terminale supérieure et une plaque terminale inférieure viennent s'intercaler entre l'empilement électrochimique et, respectivement, la plaque de serrage supérieure (410) et la plaque de serrage inférieure (420).
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