EP4638834A1 - Interconnecteur pour empilement de cellules à oxydes solides de type soec/sofc comportant une couche de contact ajourée - Google Patents

Interconnecteur pour empilement de cellules à oxydes solides de type soec/sofc comportant une couche de contact ajourée

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EP4638834A1
EP4638834A1 EP23841523.6A EP23841523A EP4638834A1 EP 4638834 A1 EP4638834 A1 EP 4638834A1 EP 23841523 A EP23841523 A EP 23841523A EP 4638834 A1 EP4638834 A1 EP 4638834A1
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EP
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contact
interconnector
contact layer
light
central
Prior art date
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Pending
Application number
EP23841523.6A
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German (de)
English (en)
Inventor
Karl VULLIEZ
Stéphane DI IORO
Manon Elie
Géraldine PALCOUX
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Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to the general field of high temperature electrolysis (EHT), in particular the electrolysis of water vapor at high temperature (EVHT), respectively designated by the English names “High Temperature Electrolysis” (HTE). ) and “High Temperature Steam Electrolysis” (HTSE), the electrolysis of carbon dioxide (CO2), or even the co-electrolysis of water vapor and carbon dioxide (CO2) at high temperature.
  • EHT high temperature electrolysis
  • HTE High Temperature Electrolysis
  • HTSE High Temperature Steam Electrolysis
  • the invention relates to the field of high temperature solid oxide electrolyzers, usually designated by the acronym SOEC (for “Solid Oxide Electrolysis Cell” in English).
  • SOEC Solid Oxide Electrolysis Cell
  • SOFC Solid Oxide Fuel Cells
  • the invention refers to the field of stacks of solid oxide cells of the SOEC/SOFC type operating at high temperature.
  • the invention relates to an interconnector for a stack of SOEC/SOFC type solid oxide cells comprising at least one perforated contact layer, and a stack of SOEC/SOFC type solid oxide cells comprising a plurality of such interconnectors.
  • a high temperature solid oxide electrolyzer of the SOEC type involves transforming, through an electric current, within the same electrochemical device, water vapor (H2O) into dihydrogen (H2) or other fuels such as methane (CH4), natural gas, biogas, and dioxygen (O2), and/or to transform carbon dioxide (CO2) into carbon monoxide (CO ) and dioxygen (O2).
  • H2O water vapor
  • CH4 methane
  • CO2 carbon dioxide
  • CO2 carbon monoxide
  • O2 carbon monoxide
  • the operation is reversed to produce an electric current and heat by being supplied with dihydrogen (H2) and dioxygen (O2), typically in air and natural gas, namely methane (CH4).
  • the following description favors the operation of a high temperature solid oxide electrolyzer of the SOEC type carrying out the electrolysis of water vapor.
  • this operation is applicable to the electrolysis of carbon dioxide (CO2), or even the co-electrolysis of high temperature water vapor (EHT) with carbon dioxide (CO2).
  • this operation can be transposed to the case of a high temperature solid oxide fuel cell of the SOFC type.
  • a high temperature solid oxide electrolyzer of the SOEC type is made up of a stack of elementary units each comprising a solid oxide electrolysis cell , or even electrochemical cell, made up of three anode/electrolyte/cathode layers superimposed on each other, and interconnection plates often made of metal alloys, also called bipolar plates or interconnectors. Each electrochemical cell is sandwiched between two interconnection plates.
  • a high temperature solid oxide electrolyzer of the SOEC type is then an alternating stack of electrochemical cells and interconnectors.
  • a high temperature solid oxide fuel cell of the SOFC type is made up of the same type of stack of elementary units. This high temperature technology being reversible, the same stack can operate in electrolysis mode and produce hydrogen and oxygen from water and electricity, or in fuel cell mode and produce electricity from from hydrogen and oxygen.
  • Each electrochemical cell corresponds to an electrolyte/electrode assembly, which is typically a multilayer ceramic assembly from which the electrolyte is formed by a central ion-conducting layer, this layer being solid, dense and waterproof, and sandwiched between the two porous layers forming the electrodes. It should be noted that additional layers may exist, but which only serve to improve one or more of the layers already described.
  • the interconnection devices are electronic conductors which ensure, from an electrical point of view, the connection of each electrochemical cell of elementary pattern in the stack of elementary patterns, guaranteeing electrical contact between a face and the cathode of a cell and between the other face and the anode of the next cell, and from a fluidic point of view, the supply of reagents and the evacuation of products for each of the cells.
  • the interconnectors thus provide the functions of supplying and collecting electrical current and delimit gas circulation compartments, for distribution and/or collection.
  • the main function of the interconnectors is to ensure the passage of electric current but also the circulation of gases in the vicinity of each cell (namely: water vapor injected, hydrogen and oxygen extracted for EHT electrolysis; air and fuel including injected hydrogen and extracted water vapor for a SOFC cell), and to separate the anode and cathode compartments of two adjacent cells, which are the gas circulation compartments on the side respectively of the anodes and cathodes of the cells.
  • the cathode compartment comprises water vapor and hydrogen, product of the electrochemical reaction, while the anode compartment comprises a draining gas, if present, and oxygen, another product of the electrochemical reaction.
  • the anode compartment contains the fuel, while the cathode compartment contains the oxidizer.
  • H2O water vapor
  • H2O water vapor
  • O2 oxygen ions
  • the dihydrogen (H2) is collected and evacuated at the exit of the hydrogen compartment.
  • Oxygen ions (O 2 ) migrate through the electrolyte and recombine into dioxygen (O2) at the interface between the electrolyte and the oxygen electrode (anode).
  • a draining gas such as air, can circulate at the anode and thus collect the oxygen generated in gaseous form at the anode.
  • Figure 1 represents a schematic view showing the operating principle of a high temperature solid oxide electrolyzer of the SOEC type.
  • the function of such an electrolyzer is to transform water vapor into hydrogen and oxygen according to the following electrochemical reaction:
  • each elementary electrolysis cell 1 is formed of a cathode 2 and an anode 4, placed on either side of a solid electrolyte 3.
  • the two electrodes (cathode and anode) 2 and 4 are electronic and/or ionic conductors, made of porous material, and the electrolyte 3 is gas-tight, electronic insulator and ionic conductor.
  • the electrolyte 3 can in particular be an anionic conductor, more precisely an anionic conductor of O 2- ions and the electrolyser is then called anionic electrolyser, as opposed to proton electrolytes (H + ).
  • the electrochemical reactions take place at the interface between each of the electronic conductors and the ionic conductor.
  • the electrolyte 3, interposed between the two electrodes 2 and 4, is the place of migration of the O 2- ions under the effect of the electric field created by the potential difference imposed between the anode 4 and the cathode 2.
  • the water vapor at the cathode inlet can be accompanied by hydrogen H2 and the hydrogen produced and recovered at the outlet can be accompanied by water vapor.
  • a draining gas such as air, can also be injected at the anode side inlet to evacuate the oxygen produced.
  • the injection of a draining gas has the additional function of acting as a thermal regulator.
  • An elementary electrolyser, or electrolysis reactor consists of an elementary cell as described above, with a cathode 2, an electrolyte 3, and an anode 4, and two interconnectors which provide the functions of electrical distribution and fluidics.
  • a high temperature solid oxide electrolyzer of the SOEC type thus comprises at least one, generally a plurality of electrolysis cells stacked on top of each other, each elementary cell being formed of an electrolyte, a cathode and a anode, the electrolyte being interposed between the anode and the cathode.
  • the fluidic and electrical interconnection devices which are in electrical contact with one or more electrodes generally provide the functions of supplying and collecting electric current and delimit one or more gas circulation compartments.
  • the so-called cathode compartment has the function of distributing electric current and water vapor as well as recovering hydrogen at the cathode in contact.
  • the so-called anode compartment has the function of distributing the electric current as well as recovering the oxygen produced at the anode in contact, possibly using a draining gas.
  • FIG. 2 represents an exploded view of elementary patterns of a high temperature solid oxide electrolyzer of the SOEC type according to the prior art.
  • This electrolyzer comprises a plurality of elementary electrolysis cells Cl, C2, of the solid oxide cell (SOEC) type, stacked alternately with interconnectors 5.
  • Each cell Cl, C2 consists of a cathode 2.1, 2.2 and a anode (only anode 4.2 of cell C2 is shown), between which an electrolyte is placed (only electrolyte 3.2 of cell C2 is shown).
  • the interconnector 5 is typically a metal alloy component which ensures the separation between the cathode 50 and anode 51 compartments, defined by the volumes between the interconnector 5 and the adjacent cathode 2.1 and between the interconnector 5 and the adjacent anode 4.2 respectively. It also ensures the distribution of gases to the cells.
  • the injection of water vapor into each elementary pattern is done in the cathode compartment 50.
  • the collection of the hydrogen produced and the residual water vapor at the cathode 2.1, 2.2 is carried out in the cathode compartment 50 downstream of the Cl, C2 cell after dissociation of the water vapor by it.
  • the collection of the oxygen produced at anode 4.2 is carried out in the anode compartment 51 downstream of the cell Cl, C2 after dissociation of the water vapor by the latter.
  • the interconnector 5 ensures the passage of current between the cells Cl and C2 by direct contact with the adjacent electrodes, that is to say between the anode 4.2 and the cathode 2.1.
  • contact layers which are metallic structures and/or conductive ceramics, in particular ceramic structures of the lanthanum manganite type doped with strontium (LSM), or even metal grids.
  • French patent application FR 2 996 065 Al describes an interconnector in the form of a component with a metal alloy substrate, the base element of which is Iron (Fe) or Nickel (Ni). , with one of the main flat faces coated with a thick metallic or ceramic contact layer, grooved by delimiting channels suitable for the distribution and/or collection of gases, such as water vapor H2O, H2; O2, draining gas.
  • gases such as water vapor H2O, H2; O2, draining gas.
  • a thick contact layer (whose thickness is greater than that of a layer obtained by a so-called “thin layer” technology, typically a thickness between 2 and 15 ⁇ m) made of ceramic based on doped lanthanum manganite strontium (LSM) can be provided on the side of the oxygen electrode (anode in EHT, cathode for a SOFC cell).
  • interconnectors can be metallic and composed of three thin plates, as described in French patent application FR 3 024985 Al.
  • Figure 3 thus represents, in an exploded view, an example of an interconnector 5 according to the prior art formed by the assembly of three thin metal sheets 21 to 23 assembled and laminated.
  • the three sheets 21, 22, 23 are elongated along two axes of symmetry X and Y orthogonal to each other, the sheets being laminated and assembled together by welding.
  • a central sheet 22 is inserted between a first end sheet 21 and a second end sheet 23.
  • the central sheet 22 comprises a stamped central part 70 defining elements in relief 10, or stamped elements, and is pierced at the periphery of its central part 70, with four lights 71, 72, 73, 74.
  • light is meant a hole opening on either side of a metal sheet.
  • One of the flat end sheets 21 has a flat central part 69 and is pierced, at the periphery of its central part 69, with four slots 61, 62, 63, 64.
  • the first end sheet 21 further comprises two slots 67, 68, slots arranged symmetrically on either side of the Y axis. They are elongated over a length corresponding substantially to the length of the central part 69 along the Y axis.
  • the other of the flat end sheets 23 has a central part 89 hollowed out and pierced, at the periphery of its central part 89, with four slots 81, 82, 83, 84.
  • the lights 61, 71, 81, 63, 73, 83 of each sheet are elongated over a length corresponding substantially to the length of the central part 69, 70, 89 along the axis
  • 64, 74, 84 of each sheet are elongated over a length corresponding substantially to the length of the central part 69, 70, 89 along the Y axis.
  • the openings 71 to 74 of the central sheet 22 are enlarged respectively with respect to the openings 61, 81, 62, 82, 63, 83, 64, 84, and they include in their enlarged part sheet metal tongues 710, 720, 730, 740 spaced from each other forming a comb.
  • Each of the slots 711, defined between the edge of the enlarged slot 71 and a tongue 710 or between two successive tongues 710 opens onto the channels 11 defined by the reliefs 10 or stamped. The same goes for the slots made on the side of the lights 72, 73, 74.
  • the sheets 21, 22, 23 are typically made of ferritic steel with around 20% chromium, preferably in CROFER® 22APU or FT18TNb, based on Nickel of the Inconel® 600 or Haynes® type in thicknesses typically between 0.1 and 1 mm.
  • metal grids for the contact layers, arranged on the interconnectors, is linked to a double technical and economic compromise.
  • This type of structure very simple to manufacture and at low cost, allows, while ensuring passage through its thickness, to distribute the gases in a homogeneous manner and to ensure a multitude of electrical contact points equally distributed over the length. whole cell.
  • the grids can be wider than the cell. On the edges of the grid, protruding from the cell, soldering points are generally made to lock the latter in position on the interconnector.
  • the grid covers the gas inlets/outlets leading to a reduction in the passage section and an increase in the singular pressure loss in this zone.
  • the size of the grid can be identical to the size of the cell to limit its bending.
  • part of the gas passes outside the useful zone and reduces the maximum utilization rate of the gases sent.
  • the invention aims to at least partially remedy the needs mentioned above and the disadvantages relating to the achievements of the prior art.
  • the invention thus has, according to one of its aspects, an interconnector for a stack of solid oxide cells of the SOEC/SOFC type operating at high temperature, intended to be arranged between two adjacent electrochemical cells of the stack, each electrochemical cell being formed of a cathode, an anode and an electrolyte interposed between the cathode and the anode, the interconnector being formed by the assembly of at least three elongated plates along a first axis of symmetry and a second axis of symmetry orthogonal to each other, a central plate being interposed between a first end plate and a second end plate, the central plate comprising a central part and, at its periphery, at least two elongated slots on a length corresponding substantially to the length of the central part along the first axis of symmetry and two lights elongated over a length corresponding substantially to the length of the central part along the second axis of symmetry, each light comprising tongues spaced from each other to forming a comb and
  • the interconnector according to the invention may also include one or more of the following characteristics taken in isolation or in any possible technical combination.
  • Said at least one contact light of the contact layer can be obtained by different cutting methods, and in particular be laser cutting.
  • M transition metals
  • said contact layer may be a thick metallic coating layer, the metallic material being chosen in particular from Nickel (Ni) and its alloys or chromin-forming alloys whose basic element is Iron (Fe).
  • the width of said at least one contact light may be greater than the width of the channel formed by the portion visible through said at least one contact light of the tabs of said at least one light.
  • the difference between the width of said at least one contact light and the width of the channel formed by the portion visible through said at least one contact light of the tabs of said at least one light may be greater than or equal to 2.5mm.
  • a part of said at least one of the first end plate and the second end plate and a part of the tabs of said at least one lumen of the central plate can be visible through said at least one contact light.
  • the difference between the length of said at least one contact slot and the length of the central part of the central plate may be greater than or equal to 2.5 mm.
  • the distance between an edge of said at least one contact layer and said at least one contact slot may be greater than or equal to 5mm.
  • the ratio of the surface of said at least one contact layer to the surface of said central part of the central plate, in particular of an electrochemical cell may be greater than or equal to 75%.
  • the invention also relates, according to another of its aspects, to a stack of solid oxide cells of the SOEC/SOFC type operating at high temperature, comprising a plurality of electrochemical cells each formed of a cathode, an anode and an electrolyte interposed between the cathode and the anode, and a plurality of interconnectors as defined above, each arranged between two adjacent electrochemical cells.
  • FIG. 1 is a schematic view showing the operating principle of a high temperature solid oxide electrolyzer (SOEC),
  • SOEC solid oxide electrolyzer
  • FIG. 2 is an exploded schematic view of a part of a high temperature solid oxide electrolyzer (SOEC) comprising interconnectors according to the prior art
  • FIG. 3 is an exploded view of an interconnector for a stack of high temperature SOEC/SOFC type solid oxide cells, corresponding to the assembly of three thin sheets or plates
  • FIG. 4 is a partial view, in perspective and from above, of an example of an interconnector according to the invention, consisting of three thin sheets or plates, the central sheet comprising tongues,
  • SOEC solid oxide electrolyzer
  • FIG. 5 is a partial top view of the interconnector of [Fig. 4], the second upper end plate being transparent,
  • FIG. 6 is a detailed view, from above and in perspective, of the interconnector of [Fig. 4] showing the circulation of gases through a light in the contact layer,
  • FIG. 7 is another detailed view, from above, showing the geometry of a light of the contact layer.
  • FIG. 8 represents, in perspective and by observation from above, an assembly comprising a stack of solid oxide cells of the SOEC/SOFC type with interconnectors according to the invention and a system for tightening the stack.
  • Figures 1 to 3 have already been described previously in the section relating to the state of the prior art and the technical context of the invention. It is specified that, for Figures 1 and 2, the symbols and arrows for supply of water vapor H2O, distribution and recovery of dihydrogen H2, oxygen O2, air and electric current, are shown for purposes of clarity and precision, to illustrate the operation of the devices shown.
  • all the constituents (anode/electrolyte/cathode) of a given electrochemical cell are preferably ceramics.
  • the operating temperature of a high temperature SOEC/SOFC type stack is also typically between 600 and 1000°C.
  • the possible terms “upper” and “lower” are to be understood here according to the normal direction of orientation of a SOEC/SOFC type stack when in its usage configuration.
  • FIGS 4 to 7 partially illustrate an example of an interconnector according to the invention, comprising the three sheets 21, 22 and 23.
  • the second end plate 23 is covered in the central part with a contact layer 90 intended to be interposed between the interconnector 5 and an electrochemical cell 1.
  • This contact layer 90 is for example a Nickel grid in the hydrogen chamber.
  • the surface of the contact layer 90 is greater than that of the central part 70 of the central plate 22, and that of an electrochemical cell 1.
  • the contact layer 90 comprises two slots 92, opposite each other on either side of the central part, elongated over a length L c greater than the length L p of the central part 70 along the first axis of symmetry in partial superposition respectively of the lights 71 and 73 of the central plate 22 comprising the tongues 710 and 730 respectively.
  • this contact layer 90 or contact grid, it is possible to deposit a layer of glass in order to ensure good gas distribution and maximize fuel utilization rates, as described in the French patent application FR 3,056,337 Al. We thus obtain the benefit of the addition of the glass described in this application and the fact of significantly reducing the singular pressure losses at the output of the clarinets.
  • the openings 92 formed in the contact layer 90 constitute openings to the right of the inputs/outputs of the power supplies placed under the contact layer 90 making it possible to clear the passage of gases and thus to limit pressure losses singular created.
  • the arrows G represent the direction of gas circulation.
  • the lights 92 are laser cuts making it possible to clear the passage of gases.
  • Laser cutting allows you to be precise and not cause deformation of the strands and excess thickness.
  • These cutouts avoid the presence of wires above the gas supply channels and thus make it possible to increase the passage section. Note that for a standard non-perforated contact layer, this restriction on the equivalent hydraulic diameter can represent up to 50% of the section (depending on the wire diameter, mesh size and channel geometry).
  • the lights 92 in the form of cutouts are produced without modification of the external dimensions of the contact layer 90, thus making it possible to ensure electrical contact over the entire surface of the cell with a lateral overflow of the contact layer 90 sufficient to allow pointing by welding of the latter, and the possible deposition of side glass as described in French patent application FR 3 056 337 Al.
  • a distance minimum between the outer edge and the cutting zone is in particular between 5 and 10 times the mesh width. This minimum distance provides sufficient surface area for pointing the contact layer 90 onto the interconnector 5.
  • the cutting width must slightly exceed the width of the channels.
  • the width l c of each contact light 92 is greater to the width l a of the channel 71a, 73a formed by the portion visible through each contact light 92 of the tabs 710, 730 of the lights 71 and 73.
  • the difference between the width l c of each contact light 92 and the width l a of each channel 71a, 73a is greater than or equal to 2.5 mm.
  • the difference between the length L c of each contact light 92 and the length L p of the central part 70 of the central plate 22 is greater than or equal to 2.5 mm, and the distance between an edge of the layer contact light 90 and a contact light 92 is greater than or equal to 5mm.
  • the ratio of the surface of the contact layer 90 to the surface of the central part 70 of the central plate 22, in particular of an electrochemical cell 1, is greater than or equal to 75%.
  • the contact layer 90 will be 144 cm 2 .
  • the perforated contact layer 90 allows, without obstructing the gas supplies, to have available an optimal support surface for the transfer of compressive forces applied to the stack, necessary for current transfer, and also makes it possible to increase the fuel utilization rate according to French patent application FR 3 056 337 Al.
  • the cell being sandwiched between the contact layer 90 on one side and a network of LSM channels on the other, with a seal deposited on its periphery, a contact layer 90 providing external support to the mechanical contact zone of the cell limits the stresses on it.
  • Figure 8 represents a stack 20 of solid oxide cells of the SOEC/SOFC type operating at high temperature in accordance with the invention.
  • Figure 8 shows an assembly 80 comprising the stack 20 of SOEC/SOFC type solid oxide cells and a clamping system 60.
  • This assembly 80 has a structure similar to that of the assembly described in French patent application FR 3 045 215 Al.
  • the stack 20 comprises a plurality of electrochemical cells 1 each formed of a cathode, an anode and an electrolyte interposed between the cathode and the anode, and a plurality of interconnectors 5 in accordance with the invention each arranged between two adjacent electrochemical cells 1.
  • This set of electrochemical cells 1 and interconnectors 5 can also be referred to as a “stack”.
  • the stack 20 comprises an upper end plate 43 and a lower end plate 44, respectively also called upper stack end plate 43 and lower stack end plate 44, between which the plurality of electrochemical cells 1 and the plurality of interconnectors 5 are enclosed, between which the stack is located.
  • the assembly 80 also comprises a clamping system 60 of the stack 20 of solid oxide cells of the SOEC/SOFC type, comprising an upper clamping plate 45 and a lower clamping plate 46, between which the stack 20 of solid oxide cells of the SOEC/SOFC type are enclosed.
  • Each clamping plate 45, 46 of the clamping system 60 has four clamping orifices 54.
  • the clamping system 60 further comprises four clamping rods 55, or tie rods, extending through a clamping orifice 54 of the upper clamping plate 45 and through a corresponding clamping orifice 54 of the lower clamping plate 46 to allow the assembly of the upper clamping plates 45 and lower 46 between them.
  • the clamping system 60 comprises plus clamping means 56, 57, 58 at each clamping orifice 54 of the upper 45 and lower 46 clamping plates cooperating with the clamping rods 55 to allow the upper 45 and lower 46 clamping plates to be assembled together.
  • the clamping means comprise, at each clamping orifice 54 of the upper clamping plate 45, a first clamping nut 56 cooperating with the corresponding clamping rod 55 inserted through the clamping orifice 54.
  • the clamping means comprise, at each clamping orifice 54 of the lower clamping plate 46, a second clamping nut 57 associated with a clamping washer 58, these cooperating with the clamping rod 55. corresponding inserted through the clamping hole 54.
  • the clamping washer 58 is located between the second clamping nut 57 and the lower clamping plate 46.

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Abstract

L'objet principal de l'invention est un interconnecteur (5) pour un empilement de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC, destiné à être agencé entre deux cellules électrochimiques adjacentes, formé par l'assemblage d'au moins trois plaques allongées (22, 23) selon des premier et deuxième axes de symétrie, la plaque centrale (22) comportant des lumières (71, 72, 73, 74), chaque lumière comportant des languettes espacées les unes des autres pour former un peigne et des fentes, caractérisé en ce qu'au moins l'une de la première plaque d'extrémité et de la deuxième plaque d'extrémité (23) est recouverte en partie centrale d'une couche de contact (90), dont la surface est supérieure à celle de la partie centrale de la plaque centrale, comportant au moins une lumière de contact (92) allongée sur une longueur (Lc) supérieure à la longueur (Lp) de la partie centrale et formée en superposition d'au moins une lumière (71, 72, 73, 74) de la plaque centrale (22).

Description

DESCRIPTION
Titre : Interconnecteur pour empilement de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC comportant une couche de contact ajourée
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine général de l'électrolyse à haute température (EHT), en particulier l'électrolyse de la vapeur d'eau à haute température (EVHT), respectivement désignées par les appellations anglaises « High Temperature Electrolysis » (HTE) et « High Temperature Steam Electrolysis » (HTSE), de l'électrolyse du dioxyde de carbone (CO2), voire encore de la co-électrolyse de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone (CO2) à haute température.
Plus précisément, l'invention se rapporte au domaine des électrolyseurs à oxydes solides à haute température, désignés habituellement par l'acronyme SOEC (pour « Solide Oxide Electrolysis Cell » en anglais).
Elle concerne également le domaine des piles à combustible à oxydes solides à haute température, désignées habituellement par l'acronyme SOFC (pour « Solid Oxide Fuel Cells » en anglais).
Ainsi, de façon plus générale, l'invention se réfère au domaine des empilements de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température.
Plus précisément, l'invention concerne un interconnecteur pour empilement de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC comportant au moins une couche de contact ajourée, et un empilement de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC comprenant une pluralité de tels interconnecteurs.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Dans le cadre d'un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC, il s'agit de transformer par le biais d'un courant électrique, au sein d'un même dispositif électrochimique, la vapeur d'eau (H2O) en dihydrogène (H2) ou d'autres combustibles tels que le méthane (CH4), le gaz naturel, le biogaz, et en dioxygène (O2), et/ou encore de transformer le dioxyde de carbone (CO2) en monoxyde de carbone (CO) et en dioxygène (O2). Dans le cadre d'une pile à combustible à oxydes solides à haute température de type SOFC, le fonctionnement est inverse pour produire un courant électrique et de la chaleur en étant alimentée en dihydrogène (H2) et en dioxygène (O2), typiquement en air et en gaz naturel, à savoir par du méthane (CH4). Par souci de simplicité, la description suivante privilégie le fonctionnement d'un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC réalisant l'électrolyse de la vapeur d'eau. Toutefois, ce fonctionnement est applicable à l'électrolyse du dioxyde de carbone (CO2), voire encore de la co-électrolyse de la vapeur d'eau à haute température (EHT) avec le dioxyde de carbone (CO2). De plus, ce fonctionnement est transposable au cas d'une pile à combustible à oxydes solides à haute température de type SOFC.
Pour réaliser l'électrolyse de l'eau, il est avantageux de la réaliser à haute température, typiquement entre 600 et 1000°C, parce qu'il est plus avantageux d'électrolyser de la vapeur d'eau que de l'eau liquide et parce qu'une partie de l'énergie nécessaire à la réaction peut être apportée par de la chaleur, moins chère que l'électricité.
Pour mettre en œuvre l'électrolyse de la vapeur d'eau à haute température (EVHT), un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC est constitué d'un empilement de motifs élémentaires comportant chacun une cellule d'électrolyse à oxyde solide, ou encore cellule électrochimique, constituée de trois couches anode/électrolyte/cathode superposées l'une sur l'autre, et de plaques d'interconnexion souvent en alliages métalliques, aussi appelées plaques bipolaires ou interconnecteurs. Chaque cellule électrochimique est enserrée entre deux plaques d'interconnexion. Un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC est alors un empilement alterné de cellules électrochimiques et d'interconnecteurs. Une pile à combustible à oxydes solides à haute température de type SOFC est constituée du même type d'empilement de motifs élémentaires. Cette technologie à haute température étant réversible, le même empilement peut fonctionner en mode électrolyse et produire de l'hydrogène et de l'oxygène à partir d'eau et d'électricité, ou en mode pile à combustible et produire de l'électricité à partir d'hydrogène et d'oxygène.
Chaque cellule électrochimique correspond à un assemblage électrolyte/électrodes, qui est typiquement un assemblage multicouche en céramique dont l'électrolyte est formé par une couche centrale conductrice d'ions, cette couche étant solide, dense et étanche, et enserrée entre les deux couches poreuses formant les électrodes. Il est à noter que des couches supplémentaires peuvent exister, mais qui ne servent qu'à améliorer l'une ou plusieurs des couches déjà décrites.
Les dispositifs d'interconnexion, électrique et fluidique, sont des conducteurs électroniques qui assurent, d'un point de vue électrique, la connexion de chaque cellule électrochimique de motif élémentaire dans l'empilement de motifs élémentaires, garantissant le contact électrique entre une face et la cathode d'une cellule et entre l'autre face et l'anode de la cellule suivante, et d'un point de vue fluidique, l'apport en réactifs et l'évacuation des produits pour chacune des cellules. Les interconnecteurs assurent ainsi les fonctions d'amenée et de collecte de courant électrique et délimitent des compartiments de circulation des gaz, pour la distribution et/ou la collecte.
Plus précisément, les interconnecteurs ont pour fonction principale d'assurer le passage du courant électrique mais aussi la circulation des gaz au voisinage de chaque cellule (à savoir : vapeur d'eau injectée, hydrogène et oxygène extraits pour l'électrolyse EHT ; air et combustible dont l'hydrogène injecté et vapeur d'eau extraite pour une pile SOFC), et de séparer les compartiments anodiques et cathodiques de deux cellules adjacentes, qui sont les compartiments de circulation des gaz du côté respectivement des anodes et des cathodes des cellules.
En particulier, pour un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC, le compartiment cathodique comporte la vapeur d'eau et l'hydrogène, produit de la réaction électrochimique, tandis que le compartiment anodique comporte un gaz drainant, si présent, et de l'oxygène, autre produit de la réaction électrochimique. Pour une pile à combustible à oxydes solides à haute température de type SOFC, le compartiment anodique comporte le combustible, tandis que le compartiment cathodique comporte le comburant.
Pour réaliser l'électrolyse de la vapeur d'eau à haute température (EHT), on injecte de la vapeur d'eau (H2O) dans le compartiment cathodique. Sous l'effet du courant électrique appliqué à la cellule, la dissociation des molécules d'eau sous forme de vapeur est réalisée à l'interface entre l'électrode à hydrogène (cathode) et l'électrolyte : cette dissociation produit du gaz dihydrogène (H2) et des ions oxygène (O2 ). Le dihydrogène (H2) est collecté et évacué en sortie de compartiment à hydrogène. Les ions oxygène (O2 ) migrent à travers l'électrolyte et se recombinent en dioxygène (O2) à l'interface entre l'électrolyte et l'électrode à oxygène (anode). Un gaz drainant, tel que de l'air, peut circuler au niveau de l'anode et ainsi collecter l'oxygène généré sous forme gazeuse à l'anode.
Pour assurer le fonctionnement d'une pile à combustible à oxydes solides (SOFC), on injecte de l'air (oxygène) dans le compartiment cathodique de la pile et de l'hydrogène dans le compartiment anodique. L'oxygène de l'air va se dissocier en ions O2-. Ces ions vont migrer dans l'électrolyte de la cathode vers l'anode pour oxyder l'hydrogène et former de l'eau avec une production simultanée d'électricité. En pile SOFC, tout comme en électrolyse SOEC, la vapeur d'eau se trouve dans le compartiment de dihydrogène (H2). Seule la polarité est inversée.
A titre d'illustration, la figure 1 représente une vue schématique montrant le principe de fonctionnement d'un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC. La fonction d'un tel électrolyseur est de transformer la vapeur d'eau en hydrogène et en oxygène selon la réaction électrochimique suivante :
2 H2O -> 2 H2 + O2.
Cette réaction est réalisée par voie électrochimique dans les cellules de l'électrolyseur. Comme schématisée sur la figure 1, chaque cellule d'électrolyse élémentaire 1 est formée d'une cathode 2 et d'une anode 4, placées de part et d'autre d'un électrolyte solide 3. Les deux électrodes (cathode et anode) 2 et 4 sont des conducteurs électroniques et/ou ioniques, en matériau poreux, et l'électrolyte 3 est étanche au gaz, isolant électronique et conducteur ionique. L'électrolyte 3 peut être en particulier un conducteur anionique, plus précisément un conducteur anionique des ions O2- et l'électrolyseur est alors dénommé électrolyseur anionique, par opposition aux électrolytes protoniques (H+).
Les réactions électrochimiques se font à l'interface entre chacun des conducteurs électroniques et le conducteur ionique.
A la cathode 2, la demi-réaction est la suivante :
2 H2O + 4 e" -> 2 H2 + 2 O2’. A l'anode 4, la demi-réaction est la suivante:
2 O O2 + 4 e;
L'électrolyte 3, intercalé entre les deux électrodes 2 et 4, est le lieu de migration des ions O2- sous l'effet du champ électrique créé par la différence de potentiel imposée entre l'anode 4 et la cathode 2.
Comme illustré entre parenthèses sur la figure 1, la vapeur d'eau en entrée de cathode peut être accompagnée d'hydrogène H2 et l'hydrogène produit et récupéré en sortie peut être accompagné de vapeur d'eau. De même, comme illustré en pointillés, un gaz drainant, tel que l'air, peut en outre être injecté en entrée côté anode pour évacuer l'oxygène produit. L'injection d'un gaz drainant a pour fonction supplémentaire de jouer le rôle de régulateur thermique.
Un électrolyseur, ou réacteur d'électrolyse, élémentaire est constitué d'une cellule élémentaire telle que décrite ci-dessus, avec une cathode 2, un électrolyte 3, et une anode 4, et de deux interconnecteurs qui assurent les fonctions de distribution électrique et fluidique.
Pour augmenter les débits d'hydrogène et d'oxygène produits, il est connu d'empiler plusieurs cellules d'électrolyse élémentaires les unes sur les autres en les séparant par des interconnecteurs. L'ensemble est positionné entre deux plaques d'interconnexion d'extrémité qui supportent les alimentations électriques et les alimentations en gaz de l'électrolyseur (réacteur d'électrolyse).
Un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC comprend ainsi au moins une, généralement une pluralité de cellules d'électrolyse empilées les unes sur les autres, chaque cellule élémentaire étant formée d'un électrolyte, d'une cathode et d'une anode, l'électrolyte étant intercalé entre l'anode et la cathode.
Comme indiqué précédemment, les dispositifs d'interconnexion fluidique et électrique qui sont en contact électrique avec une ou des électrodes assurent en général les fonctions d'amenée et de collecte de courant électrique et délimitent un ou des compartiments de circulation des gaz.
Ainsi, le compartiment dit cathodique a pour fonction la distribution du courant électrique et de la vapeur d'eau ainsi que la récupération de l'hydrogène à la cathode en contact.
Le compartiment dit anodique a pour fonction la distribution du courant électrique ainsi que la récupération de l'oxygène produit à l'anode en contact, éventuellement à l'aide d'un gaz drainant.
La figure 2 représente une vue éclatée de motifs élémentaires d'un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC selon l'art antérieur. Cet électrolyseur comporte une pluralité de cellules d'électrolyse élémentaires Cl, C2, de type cellules à oxydes solides (SOEC), empilées alternativement avec des interconnecteurs 5. Chaque cellule Cl, C2 est constituée d'une cathode 2.1, 2.2 et d'une anode (seule l'anode 4.2 de la cellule C2 est représentée), entre lesquelles est disposé un électrolyte (seul l'électrolyte 3.2 de la cellule C2 est représenté).
L'interconnecteur 5 est typiquement un composant en alliage métallique qui assure la séparation entre les compartiments cathodique 50 et anodique 51, définis par les volumes compris entre l'interconnecteur 5 et la cathode adjacente 2.1 et entre l'interconnecteur 5 et l'anode adjacente 4.2 respectivement. Il assure également la distribution des gaz aux cellules. L'injection de vapeur d'eau dans chaque motif élémentaire se fait dans le compartiment cathodique 50. La collecte de l'hydrogène produit et de la vapeur d'eau résiduelle à la cathode 2.1, 2.2 est effectuée dans le compartiment cathodique 50 en aval de la cellule Cl, C2 après dissociation de la vapeur d'eau par celle-ci. La collecte de l'oxygène produit à l'anode 4.2 est effectuée dans le compartiment anodique 51 en aval de la cellule Cl, C2 après dissociation de la vapeur d'eau par celle-ci. L'interconnecteur 5 assure le passage du courant entre les cellules Cl et C2 par contact direct avec les électrodes adjacentes, c'est-à-dire entre l'anode 4.2 et la cathode 2.1.
Dans les structures actuelles des stacks (un stack ou empilement étant un sandwich formé par les interconnecteurs et cellules électrochimiques placés entre deux plaques rigides terminales, isolées électriquement des interconnecteurs), la double fonction des interconnecteurs de distribution des gaz et d'alimentation en courant électrique des cellules est assurée par des couches de contact, qui sont des structures métalliques et/ou céramiques conductrices, notamment des structures céramiques de type manganite de lanthane dopé au strontium (LSM), ou encore des grilles métalliques.
A titre d'exemple, la demande de brevet français FR 2 996 065 Al décrit un interconnecteur sous la forme d'un composant à substrat en alliage métallique, dont l'élément de base est du Fer (Fe) ou du Nickel (Ni), avec une des faces planes principales revêtue d'une couche de contact épaisse métallique ou en céramique, rainurée en délimitant des canaux adaptés pour la distribution et/ou la collecte de gaz, tels que vapeur d'eau H2O, H2 ; O2, gaz drainant. En particulier, une couche de contact épaisse (dont l'épaisseur est supérieure à celle d'une couche obtenue par une technologie dite « couche mince », typiquement une épaisseur comprise entre 2 et 15 pm) en céramique à base de manganite de lanthane dopée strontium (LSM) peut être prévue du côté de l'électrode à oxygène (anode en EHT, cathode pour une pile SOFC).
Le développement des systèmes industriels intégrant des électrolyseurs à oxydes solides à haute température (SOEC) et des piles à combustible à oxydes solides (SOFC) passe par un accroissement du volume de gaz traité. Pour ce faire, l'augmentation de la surface, du nombre des cellules et de plaques d'interconnexion par stack est nécessaire. Les niveaux de tension et de courant appliqués doivent également être ajustés avec l'accroissement du nombre de plaques. De par sa structure présentant de grandes surfaces soumises à la pression, le niveau de pressurisation des stacks à haute température reste limité. Il devient nécessaire alors d'optimiser la structure des réseaux hydrauliques pour limiter les pertes de charges. Cette optimisation passe notamment par une diminution des pertes de charges singulières au sein du stack. Les zones de transition situées au niveau des entrées et sorties des alimentations des chambres anodique et cathodique sont des zones où l'optimisation des géométries permet des gains substantiels en perte de charge.
Pour parvenir à augmenter l'efficacité de production et obtenir une bonne homogénéité de fonctionnement des empilements de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température, le rôle des interconnecteurs est essentiel, en particulier pour obtenir de bons contacts électriques entre les différentes parties des empilements et permettre également la bonne distribution des gaz au sein des cellules électrochimiques. Les interconnecteurs peuvent être métalliques et composés de trois plaques fines, comme décrit dans la demande de brevet français FR 3 024985 Al.
La figure 3 représente ainsi, selon une vue éclatée, un exemple d'interconnecteur 5 selon l'art antérieur formé par l'assemblage de trois tôles 21 à 23 fines métalliques assemblées et stratifiées.
Les trois tôles 21, 22, 23 sont allongées selon deux axes de symétrie X et Y orthogonaux entre eux, les tôles étant stratifiées et assemblées entre elles par soudure. Une tôle centrale 22 est intercalée entre une première tôle d'extrémité 21 et une deuxième tôle d'extrémité 23.
La tôle centrale 22 comporte une partie centrale 70 emboutie définissant des éléments en relief 10, ou emboutis, et est percée à la périphérie de sa partie centrale 70, de quatre lumières 71, 72, 73, 74. Par « lumière », on entend un trou débouchant de part et d'autre d'une tôle métallique.
L'une des tôles planes d'extrémité 21 comporte une partie centrale plane 69 et est percée, à la périphérie de sa partie centrale 69, de quatre lumières 61, 62, 63, 64. La première tôle d'extrémité 21 comporte en outre deux fentes 67, 68, lumières agencées symétriquement de part et d'autre de l'axe Y. Elles sont allongées sur une longueur correspondant sensiblement à la longueur de la partie centrale 69 selon l'axe Y.
L'autre des tôles planes d'extrémité 23 comporte une partie centrale 89 évidée et percée, à la périphérie de sa partie centrale 89, de quatre lumières 81, 82, 83, 84.
Les lumières 61, 71, 81, 63, 73, 83 de chaque tôle sont allongées sur une longueur correspondant sensiblement à la longueur de la partie centrale 69, 70, 89 selon l'axe X, tandis que les lumières 62, 72, 82, 64, 74, 84 de chaque tôle sont allongées sur une longueur correspondant sensiblement à la longueur de la partie centrale 69, 70, 89 selon l'axe Y.
Les lumières 71 à 74 de la tôle centrale 22 sont élargies respectivement par rapport aux lumières 61, 81, 62, 82, 63, 83, 64, 84, et elles comportent dans leur partie élargie des languettes de tôle 710, 720, 730, 740 espacées les unes des autres en formant un peigne. Chacune des fentes 711, définie entre le bord de la lumière élargie 71 et une languette 710 ou entre deux languettes successives 710 débouche sur les canaux 11 définis par les reliefs 10 ou emboutis. Il en va de même pour les fentes réalisées du côté des lumières 72, 73, 74.
Les tôles 21, 22, 23 sont typiquement en acier ferritique avec de l'ordre de 20 % de chrome, de préférence en CROFER® 22APU ou le FT18TNb, à base Nickel de type Inconel® 600 ou Haynes® dans des épaisseurs typiquement comprises entre 0,1 et 1 mm.
Le choix d'utiliser des grilles métalliques pour les couches de contact, disposées sur les interconnecteurs, est lié à un double compromis technique et économique. Ce type de structure, très simple à fabriquer et à faible coût, permet, tout en assurant le passage dans son épaisseur, de distribuer de manière homogène les gaz et d'assurer une multitude de points de contact électrique répartis également de manière homogène sur l'ensemble de la cellule. Pour améliorer la fluidique en garantissant un balayage de la surface complète de la cellule et afin de garantir un bon transfert du courant sur l'ensemble de la surface de la cellule, les grilles peuvent être plus larges que la cellule. Sur les bords de la grille, dépassant de la cellule, des points de soudure sont généralement réalisés pour bloquer en position cette dernière sur l'interconnecteur. Dans ce type de configuration, la grille recouvre les entrées/sorties des gaz conduisant à une réduction de la section de passage et à une augmentation de la perte de charge singulière dans cette zone. La taille de la grille peut être identique à la taille de la cellule pour limiter la mise en flexion de celle-ci. Par contre, dans cette configuration, une partie du gaz passe hors zone utile et diminue le taux d'utilisation maximal des gaz envoyés.
De plus, l'ajout de verre dans la grille, comme décrit dans la demande de brevet français FR 3 056 337 Al, permet de guider le flux de gaz utilisé dans la zone utile.
Pour limiter les pertes de charge dues au passage du gaz dans la grille au niveau des entrées et sorties, il est possible de réduire la taille de celle-ci à la taille utile de la cellule mais des problèmes de flexion de cellule apparaissent. Avec une taille de grille de la taille de la surface utile, il est également difficile de guider le gaz uniquement dans la zone utile. En effet, une étanchéité doit être réalisée entre le bord de la grille et la cellule, ce qui n'est pas facile. Aussi, des besoins existent encore pour optimiser les interconnecteurs, en particulier d'un point de vue fluidique et mécanique, et notamment parvenir à diminuer les pertes de charges apparaissant lors du passage des gaz.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention a pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés précédemment et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l'art antérieur.
Elle vise notamment la réalisation d'une conception optimisée d'interconnecteur pour empilements de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC, en particulier par le biais d'une géométrie des couches de contact permettant d'améliorer le passage des gaz dans les chambres alimentant les cellules, en dégageant la zone localisée au droit des entrées/sorties des canaux d'alimentation sur les interconnecteurs.
L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, un interconnecteur pour un empilement de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température, destiné à être agencé entre deux cellules électrochimiques adjacentes de l'empilement, chaque cellule électrochimique étant formée d'une cathode, d'une anode et d'un électrolyte intercalé entre la cathode et l'anode, l'interconnecteur étant formé par l'assemblage d'au moins trois plaques allongées selon un premier axe de symétrie et un deuxième axe de symétrie orthogonaux entre eux, une plaque centrale étant intercalée entre une première plaque d'extrémité et une deuxième plaque d'extrémité, la plaque centrale comportant une partie centrale et, à sa périphérie, au moins deux lumières allongées sur une longueur correspondant sensiblement à la longueur de la partie centrale selon le premier axe de symétrie et deux lumières allongées sur une longueur correspondant sensiblement à la longueur de la partie centrale selon le deuxième axe de symétrie, chaque lumière comportant des languettes espacées les unes des autres pour former un peigne et des fentes définies entre le bord d'une lumière et une languette ou entre deux languettes successives, caractérisé en ce qu'au moins l'une de la première plaque d'extrémité et de la deuxième plaque d'extrémité est recouverte en partie centrale d'une couche de contact avec une cellule électrochimique, dont la surface est supérieure à celle de la partie centrale de la plaque centrale, et notamment à celle d'une cellule électrochimique, la couche de contact comportant au moins une lumière de contact allongée sur une longueur supérieure à la longueur de la partie centrale selon le premier axe de symétrie et/ou le deuxième axe de symétrie et formée en superposition au moins partiellement d'au moins une lumière de la plaque centrale comportant des languettes.
L'interconnecteur selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles.
Ladite au moins une lumière de contact de la couche de contact peut être obtenue par différentes méthodes de découpe, et être notamment une découpe au laser.
De plus, ladite couche de contact peut être une couche de revêtement épaisse en céramique, poreuse ou non, le matériau en céramique étant notamment choisi parmi un manganite de lanthane de formule Lai-xSrxMO3 avec M (métaux de transition) = Nickel (Ni), Fer (Fe), Cobalt (Co), Manganèse (Mn), Chrome(Cr), seul ou en mélange, ou des matériaux de structure lamellaire tels que les nickelâtes de lanthanide de formule Ln2NiÛ4 (Ln = Lanthane (La), Néodyme (Nd), Praséodyme (Pr)), ou un autre oxyde pérovskite conducteur électrique.
En variante, ladite couche de contact peut être une couche de revêtement épaisse métallique, le matériau métallique étant notamment choisi parmi le Nickel (Ni) et ses alliages ou les alliages chromino-formeurs dont l'élément de base est le Fer (Fe).
Par ailleurs, la largeur de ladite au moins une lumière de contact peut être supérieure à la largeur du canal formé par la portion visible au travers de ladite au moins une lumière de contact des languettes de ladite au moins une lumière.
De plus, la différence entre la largeur de ladite au moins une lumière de contact et la largeur du canal formé par la portion visible au travers de ladite au moins une lumière de contact des languettes de ladite au moins une lumière peut être supérieure ou égale à 2,5 mm.
Une partie de ladite au moins l'une de la première plaque d'extrémité et de la deuxième plaque d'extrémité et une partie des languettes de ladite au moins une lumière de la plaque centrale peuvent être visibles au travers de ladite au moins une lumière de contact.
En outre, la différence entre la longueur de ladite au moins une lumière de contact et la longueur de la partie centrale de la plaque centrale peut être supérieure ou égale à 2,5 mm.
La distance entre un bord de ladite au moins une couche de contact et ladite au moins une lumière de contact peut être supérieure ou égale à 5mm.
Par ailleurs, le rapport de la surface de ladite au moins une couche de contact sur la surface de ladite partie centrale de la plaque centrale, notamment d'une cellule électrochimique, peut être supérieur ou égal à 75 %.
Par ailleurs, l'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un empilement de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température, comportant une pluralité de cellules électrochimiques formées chacune d'une cathode, d'une anode et d'un électrolyte intercalé entre la cathode et l'anode, et une pluralité d'interconnecteurs tels que définis précédemment, agencés chacun entre deux cellules électrochimiques adjacentes.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, ainsi qu'à l'examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel :
[Fig. 1] est une vue schématique montrant le principe de fonctionnement d'un électrolyseur à oxydes solides à haute température (SOEC),
[Fig. 2] est une vue schématique éclatée d'une partie d'un électrolyseur à oxydes solides à haute température (SOEC) comprenant des interconnecteurs selon l'art antérieur, [Fig. 3] est une vue éclatée d'un interconnecteur pour empilement de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC haute température, correspondant à l'assemblage de trois tôles ou plaques fines, [Fig. 4] est une vue partielle, en perspective et du dessus, d'un exemple d'interconnecteur conforme à l'invention, constitué de trois tôles ou plaques fines, la tôle centrale comportant des languettes,
[Fig. 5] est une vue partielle du dessus de l'interconnecteur de [Fig. 4], la deuxième plaque d'extrémité supérieure étant transparente,
[Fig. 6] est une vue de détails, du dessus et en perspective, de l'interconnecteur de [Fig. 4] montrant la circulation des gaz au travers d'une lumière de la couche de contact,
[Fig. 7] est une autre vue de détails, du dessus, montrant la géométrie d'une lumière de la couche de contact, et
[Fig. 8] représente, en perspective et par observation du dessus, un ensemble comprenant un empilement de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC avec des interconnecteurs conformes à l'invention et un système de serrage de l'empilement.
Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.
De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Les figures 1 à 3 ont déjà été décrites précédemment dans la partie relative à l'état de la technique antérieure et au contexte technique de l'invention. Il est précisé que, pour les figures 1 et 2, les symboles et les flèches d'alimentation de vapeur d'eau H2O, de distribution et de récupération de dihydrogène H2, d'oxygène O2, d'air et du courant électrique, sont montrés à des fins de clarté et de précision, pour illustrer le fonctionnement des dispositifs représentés.
En outre, il faut noter que tous les constituants (anode/électrolyte/cathode) d'une cellule électrochimique donnée sont préférentiellement des céramiques. La température de fonctionnement d'un empilement de type SOEC/SOFC haute température est par ailleurs typiquement comprise entre 600 et 1000°C. De plus, les termes éventuels « supérieur » et « inférieur » sont à comprendre ici selon le sens d'orientation normal d'un empilement de type SOEC/SOFC lorsque dans sa configuration d'utilisation.
Un interconnecteur 5 selon l'art antérieur a déjà été décrit précédemment en référence à la figure 3. Les éléments identiques ne seront pas décrits de nouveau mais restent dans le cadre de l'invention.
Les figures 4 à 7 illustrent partiellement un exemple d'interconnecteur conforme à l'invention, comprenant les trois tôles 21, 22 et 23.
Dans cet exemple, et de façon nullement limitative, la deuxième plaque d'extrémité 23 est recouverte en partie centrale d'une couche de contact 90 destinée à s'interposer entre l'interconnecteur 5 et une cellule électrochimique 1.
Cette couche de contact 90 est par exemple une grille de Nickel dans la chambre hydrogène.
La surface de la couche de contact 90 est supérieure à celle de la partie centrale 70 de la plaque centrale 22, et à celle d'une cellule électrochimique 1.
Avantageusement, la couche de contact 90 comporte deux lumières 92, opposées de part et d'autre de la partie centrale, allongées sur une longueur Lc supérieure à la longueur Lp de la partie centrale 70 selon le premier axe de symétrie X et formées en superposition partielle respectivement des lumières 71 et 73 de la plaque centrale 22 comportant respectivement les languettes 710 et 730.
Dans cette couche de contact 90, ou grille de contact, il est possible de déposer une couche de verre afin d'assurer une bonne distribution des gaz et de maximiser les taux d'utilisation du combustible, comme décrit dans la demande de brevet français FR 3 056 337 Al. On obtient ainsi le bénéfice de l'ajout du verre décrit dans cette demande et le fait de diminuer significativement les pertes de charge singulières au niveau de la sortie des clarinettes.
En effet, les lumières 92 formées dans la couche de contact 90 constituent des ouvertures au droit des entrées/sorties des alimentations placées sous la couche de contact 90 permettant de dégager le passage des gaz et ainsi de limiter les pertes de charges singulières créées. A noter que sur les figures 5 et 6, les flèches G représentent le sens de circulation des gaz.
Avantageusement mais de façon non limitative, les lumières 92 sont des découpes au laser permettant de dégager le passage des gaz. La découpe au laser permet d'être précis et de ne pas induire de déformation des brins et des surépaisseurs. Ces découpes évitent la présence de fils au-dessus des canaux d'alimentation de gaz et permettent ainsi d'augmenter la section de passage. A noter que pour une couche de contact standard non ajourée, cette restriction sur le diamètre hydraulique équivalent peut représenter jusqu'à 50 % de la section (fonction du diamètre de fil, du maillage et de la géométrie des canaux).
Avantageusement, les lumières 92 sous forme de découpes sont réalisées sans modification des dimensions externes de la couche de contact 90, permettant ainsi d'assurer le contact électrique sur l'intégralité de la surface de la cellule avec un débordement latéral de la couche de contact 90 suffisant pour permettre le pointage par soudure de celle-ci, et le dépôt éventuel de verre latéral comme décrit dans la demande de brevet français FR 3 056 337 Al.
Il faut également noter que les contraintes liées aux lumières 92 sous forme de découpes sont directement liées aux paramètres techniques de la couche de contact 90, notamment diamètre du fil et paramètres de maille, et à la géométrie des canaux des interconnecteurs 5. Si une découpe au laser des contours de la couche de contact 90 et des lumières 92 ne pose techniquement pas de difficultés, pour garantir une bonne tenue mécanique de la couche de contact 90 en évitant les risques de défilage des brins aux extrémités de celle-ci, une distance minimale entre le bord extérieur et la zone de découpe est notamment comprise entre 5 et 10 fois la largeur de maille. Cette distance minimale permet de disposer d'une surface suffisante pour le pointage de la couche de contact 90 sur l'interconnecteur 5.
Par ailleurs, pour assurer un bon dégagement de la couche de contact 90 par rapport aux canaux, la largeur de découpe doit excéder légèrement la largeur des canaux. Ainsi, comme visible sur la figure 7, la largeur lc de chaque lumière de contact 92 est supérieure à la largeur la du canal 71a, 73a formé par la portion visible au travers de chaque lumière de contact 92 des languettes 710, 730 des lumières 71 et 73.
En particulier, la différence entre la largeur lc de chaque lumière de contact 92 et la largeur la de chaque canal 71a, 73a est supérieure ou égale à 2,5 mm.
De plus, la différence entre la longueur Lc de chaque lumière de contact 92 et la longueur Lp de la partie centrale 70 de la plaque centrale 22 est supérieure ou égale à 2,5 mm, et la distance entre un bord de la couche de contact 90 et une lumière de contact 92 est supérieure ou égale à 5mm.
En outre, le rapport de la surface de la couche de contact 90 sur la surface de la partie centrale 70 de la plaque centrale 22, notamment d'une cellule électrochimique 1, est supérieur ou égal à 75 %. En particulier, pour une cellule de 100 cm2, la couche de contact 90 sera de 144 cm2.
A noter que par rapport à une couche de contact de l'art antérieur dont les dimensions seraient plus petites, ne recouvrant pas les canaux, la couche de contact 90 ajourée selon l'invention permet, sans obstruer les alimentations des gaz, de disposer d'une surface d'appui optimale pour le transfert des efforts de compression appliqués sur le stack, nécessaire au transfert de courant, et permet également d'augmenter le taux d'utilisation des combustibles selon la demande de brevet français FR 3 056 337 Al. La cellule étant prise en sandwich entre la couche de contact 90 d'un côté et un réseau de canaux en LSM de l'autre, avec un joint d'étanchéité déposé sur sa périphérie, une couche de contact 90 assurant un appui externe à la zone de contact mécanique de la cellule limite les contraintes sur celle-ci.
Par ailleurs, la figure 8 représente un empilement 20 de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température conforme à l'invention.
Plus précisément, la figure 8 montre un ensemble 80 comprenant l'empilement 20 de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC et un système de serrage 60.
Cet ensemble 80 présente une structure semblable à celle de l'ensemble décrit dans la demande de brevet français FR 3 045 215 Al.
L'empilement 20 comporte une pluralité de cellules électrochimiques 1 formées chacune d'une cathode, d'une anode et d'un électrolyte intercalé entre la cathode et l'anode, et une pluralité d'interconnecteurs 5 conformes à l'invention agencés chacun entre deux cellules électrochimiques 1 adjacentes. Cet ensemble de cellules électrochimiques 1 et d'interconnecteurs 5 peut également être désigné par « stack ».
De plus, l'empilement 20 comporte une plaque terminale supérieure 43 et une plaque terminale inférieure 44, respectivement également dénommées plaque terminale de stack supérieure 43 et plaque terminale de stack inférieure 44, entre lesquelles la pluralité de cellules électrochimiques 1 et la pluralité d'interconnecteurs 5 sont enserrées, soit entre lesquelles se trouve le stack.
Par ailleurs, l'ensemble 80 comporte aussi un système de serrage 60 de l'empilement 20 de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC, comportant une plaque de serrage supérieure 45 et une plaque de serrage inférieure 46, entre lesquelles l'empilement 20 de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC est enserré.
Chaque plaque de serrage 45, 46 du système de serrage 60 comporte quatre orifices de serrage 54. De plus, le système de serrage 60 comporte en outre quatre tiges de serrage 55, ou tirants, s'étendant au travers d'un orifice de serrage 54 de la plaque de serrage supérieure 45 et au travers d'un orifice de serrage 54 correspondant de la plaque de serrage inférieure 46 pour permettre l'assemblage entre elles des plaques de serrage supérieure 45 et inférieure 46. Le système de serrage 60 comporte de plus des moyens de serrage 56, 57, 58 au niveau de chaque orifice de serrage 54 des plaques de serrage supérieure 45 et inférieure 46 coopérant avec les tiges de serrage 55 pour permettre l'assemblage entre elles des plaques de serrage supérieure 45 et inférieure 46. Plus précisément, les moyens de serrage comportent, au niveau de chaque orifice de serrage 54 de la plaque de serrage supérieure 45, un premier écrou de serrage 56 coopérant avec la tige de serrage 55 correspondante insérée au travers de l'orifice de serrage 54. De plus, les moyens de serrage comportent, au niveau de chaque orifice de serrage 54 de la plaque de serrage inférieure 46, un deuxième écrou de serrage 57 associé à une rondelle de serrage 58, ceux-ci coopérant avec la tige de serrage 55 correspondante insérée au travers de l'orifice de serrage 54. La rondelle de serrage 58 est située entre le deuxième écrou de serrage 57 et la plaque de serrage inférieure 46. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits. Diverses modifications peuvent y être apportées par l'homme du métier.

Claims

REVENDICATIONS
1. Interconnecteur (5) pour un empilement (20) de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température, destiné à être agencé entre deux cellules électrochimiques (1) adjacentes de l'empilement (20), chaque cellule électrochimique (1) étant formée d'une cathode, d'une anode et d'un électrolyte intercalé entre la cathode et l'anode, l'interconnecteur (5) étant formé par l'assemblage d'au moins trois plaques (21, 22, 23) allongées selon un premier axe de symétrie (X) et un deuxième axe de symétrie (Y) orthogonaux entre eux, une plaque centrale (22) étant intercalée entre une première plaque d'extrémité (21) et une deuxième plaque d'extrémité (23), la plaque centrale (22) comportant une partie centrale (70) et, à sa périphérie, au moins deux lumières (71, 73) allongées sur une longueur correspondant sensiblement à la longueur de la partie centrale (70) selon le premier axe de symétrie (X) et deux lumières (72, 74) allongées sur une longueur correspondant sensiblement à la longueur de la partie centrale (70) selon le deuxième axe de symétrie (Y), chaque lumière (71, 72, 73, 74) comportant des languettes (710, 720, 730, 740) espacées les unes des autres pour former un peigne et des fentes (711) définies entre le bord d'une lumière (71) et une languette (710) ou entre deux languettes (711) successives, caractérisé en ce qu'au moins l'une de la première plaque d'extrémité (21) et de la deuxième plaque d'extrémité (23) est recouverte, au niveau d'une partie centrale (69, 89), d'une couche de contact (90) avec une cellule électrochimique (1), dont la surface est supérieure à celle de la partie centrale (70) de la plaque centrale (22), et notamment à celle d'une cellule électrochimique (1), la couche de contact (90) comportant au moins une lumière de contact (92) allongée sur une longueur (Lc) supérieure à la longueur (Lp) de la partie centrale (70) selon le premier axe de symétrie (X) et/ou le deuxième axe de symétrie (Y) et formée en superposition au moins partiellement d'au moins une lumière (71, ni, 73, 74) de la plaque centrale (22) comportant des languettes (710, 720, 730, 740).
2. Interconnecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite au moins une lumière de contact (92) de la couche de contact (90) est une découpe au laser.
3. Interconnecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite couche de contact (90) est une couche de revêtement épaisse en céramique, poreuse ou non, le matériau en céramique étant notamment choisi parmi un manganite de lanthane de formule Lai-xSrxMO3 avec M (métaux de transition) = Nickel (Ni), Fer (Fe), Cobalt (Co), Manganèse (Mn), Chrome(Cr), seul ou en mélange, ou des matériaux de structure lamellaire tels que les nickelâtes de lanthanide de formule Ln2NiÜ4 (Ln = Lanthane (La), Néodyme (Nd), Praséodyme (Pr)), ou un autre oxyde pérovskite conducteur électrique.
4. Interconnecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite couche de contact (90) est une couche de revêtement épaisse métallique, le matériau métallique étant notamment choisi parmi le Nickel (Ni) et ses alliages ou les alliages chromino- formeurs dont l'élément de base est le Fer (Fe).
5. Interconnecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la largeur (lc) de ladite au moins une lumière de contact (92) est supérieure à la largeur (la) du canal (71a, 73a) formé par la portion visible au travers de ladite au moins une lumière de contact (92) des languettes (710, 720, 730, 740) de ladite au moins une lumière (71, 72, 73, 74).
6. Interconnecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la différence entre la largeur (lc) de ladite au moins une lumière de contact (92) et la largeur (la) de la partie du canal (71a, 73a) qui est visible au travers de ladite au moins une lumière de contact (92) des languettes (710, 720, 730, 740) de ladite au moins une lumière (71, 72, 73, 74) est supérieure ou égale à 2,5 mm.
7. Interconnecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une partie de ladite au moins l'une de la première plaque d'extrémité (21) et de la deuxième plaque d'extrémité (23) et une partie des languettes (710, 720, 730, 740) de ladite au moins une lumière (71, 72, 73, 74) de la plaque centrale (22) sont visibles au travers de ladite au moins une lumière de contact (92).
8. Interconnecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la différence entre la longueur (Lc) de ladite au moins une lumière de contact (92) et la longueur (Lp) de la partie centrale (70) de la plaque centrale (22) est supérieure ou égale à 2,5 mm.
9. Interconnecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la distance entre un bord de ladite au moins une couche de contact (90) et ladite au moins une lumière de contact (92) est supérieure ou égale à 5mm.
10. Interconnecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport de la surface de ladite au moins une couche de contact (90) sur la surface de ladite partie centrale (70) de la plaque centrale (22), notamment d'une cellule électrochimique (1), est supérieur ou égal à 75 %.
11. Empilement (20) de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température, comportant une pluralité de cellules électrochimiques (1) formées chacune d'une cathode, d'une anode et d'un électrolyte intercalé entre la cathode et l'anode, et une pluralité d'interconnecteurs (5) selon l'une quelconque des revendications précédentes, agencés chacun entre deux cellules électrochimiques (1) adjacentes.
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Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004513500A (ja) * 2000-11-08 2004-04-30 グローバル　サーモエレクトリック　インコーポレイテッド 電気化学電池の連結装置
JP4429571B2 (ja) * 2002-05-31 2010-03-10 本田技研工業株式会社 燃料電池のセパレータ
JP4692001B2 (ja) * 2005-02-08 2011-06-01 トヨタ自動車株式会社 燃料電池のセパレータ
FR2996065B1 (fr) 2012-09-26 2017-02-24 Commissariat Energie Atomique Composant constituant un interconnecteur d'electrolyseur eht ou de pile a combustible sofc et procedes de realisation associes
FR2999612B1 (fr) * 2012-12-17 2015-02-20 Commissariat Energie Atomique Procede d'electrolyse a haute temperature de la vapeur d'eau et d'un autre gaz, interconnecteur, reacteur et procedes de fonctionnement associes
FR3024985B1 (fr) 2014-08-22 2020-01-17 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Procede d'electrolyse ou de co-electrolyse a haute temperature, procede de production d'electricite par pile a combustible sofc, interconnecteurs, reacteurs et procedes de fonctionnement associes.
FR3045215B1 (fr) 2015-12-15 2023-03-03 Commissariat Energie Atomique Systeme de serrage autonome d'un empilement a oxydes solides de type soec/sofc a haute temperature
FR3056337B1 (fr) 2016-09-22 2021-01-22 Commissariat Energie Atomique Reacteur d'electrolyse de l'eau (soec) ou pile a combustible (sofc) a taux d'utilisation de vapeur d'eau ou respectivement de combustible augmente
FR3104324B1 (fr) * 2019-12-10 2021-12-03 Commissariat A L Energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Procédé de réalisation amélioré d’un composant constituant un interconnecteur d’électrolyseur EHT ou de pile à combustible SOFC.

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