EP4754819A1 - Réacteur électrochimique à électrolyte d'oxyde solide comportant un dispositif de chauffage - Google Patents

Abstract

Réacteur électrochimique à oxyde solide, comportant : – au moins un empilement (2) de cellules électrochimiques (3) à oxyde solide disposé dans une enceinte thermique (4), chacune de ces cellules électrochimiques (3) comportant une couche d'électrolyte solide disposée entre deux couches d'électrodes; – un dispositif de chauffage dudit empilement (2) à une température de fonctionnement Le dispositif de chauffage comporte : – au moins une plaque de chauffage (9) disposée dans l'empilement (2), un insert suscepteur étant disposé au moins partiellement dans la plaque de chauffage (9); – au moins une bobine d'induction (10) disposée hors de l'empilement (2), en vis-à-vis de la plaque de chauffage (9).

Description

RÉACTEUR ÉLECTROCHIMIQUE À ÉLECTROLYTE D'OXYDE SOLIDE COMPORTANT UN DISPOSITIF DE CHAUFFAGE

DOMAINE TECHNIQUE

L’invention concerne le domaine technique des réacteurs électrochimiques à oxyde solide, et plus précisément les électrolyseurs à oxyde solide (SOEC, « Solid Oxide Electrolyzer Cell ») et les piles à combustible à oxyde solide (SOFC, « Solid Oxide Fuel Cell »), fonctionnant à haute température.

Ces électrolyseurs et piles à combustible sont des réacteurs électrochimiques de même nature mais de fonctionnement inversé, fonctionnant nécessairement à haute température, actuellement de l’ordre de 600°C à 1000°C. Ils permettent, dans le cas d’un électrolyseur, d’obtenir du dihydrogène et du dioxygène à partir d’eau (pour l’électrolyse de l’eau), et dans le cas d’une pile à combustible, de fournir de l’énergie électrique à partir de dihydrogène, ou d’un autre carburant, et de dioxygène.

Ces réacteurs électrochimiques sont constitués d’un ou plusieurs empilements de cellules électrochimiques maintenues serrées pour assurer les contacts électriques et l’étanchéité. Chaque cellule électrochimique comporte une couche d’électrolyte solide enserrée entre deux couches d’électrodes. La couche d’électrolyte solide permet le transport d’ions entre les couches anodiques et cathodiques, ces dernières étant le siège des réactions chimiques.

Lorsqu’un empilement réunit plusieurs cellules électrochimiques, des plaques d’interconnexion sont généralement interposées entre les cellules pour assurer une étanchéité entre cellules, ainsi que pour gérer l’alimentation et la collecte des gaz ou liquides participant à la réaction.

Les réacteurs électrochimiques à oxyde solide présentent de nombreuses spécificités relatives notamment au fonctionnement à haute température, en matière de corrosion, de tenue mécanique, de capacité à subir d’importants écarts de température, et de consommation d’énergie. L’eau, sous forme d’apport dans le cas d’un électrolyseur et sous forme de produit dans le cas d’une pile à combustible, est traitée sous forme de vapeur à la température de fonctionnement du réacteur électrochimique.

ART ANTÉRIEUR

Les hautes températures nécessaires au fonctionnement de ces réacteurs électrochimiques à oxyde solide sont généralement obtenues en disposant l’empilement de cellules dans un four avec une capacité de chauffe d’une puissance pouvant être importante. Compte tenu des températures en jeu, un tel four implique une enceinte encombrante et des moyens thermiques à consommation électrique conséquente.

Le document WO2017102657 décrit un exemple de réacteur électrochimique comportant un empilement de cellules à oxyde solide disposé dans un four. Des contraintes liées aux fortes variations de température imposent ici l’emploi de moyens de serrage de l’empilement plus complexes car adaptés à maintenir un serrage constant.

Le document WO202084258 décrit un réacteur électrochimique prévu pour résoudre certains des inconvénients des réacteurs décrits précédemment, en prévoyant des moyens de chauffage directement intégrés dans des plaques de serrage. Cependant, ces moyens imposent des contraintes supplémentaires en matière de construction des empilements, et de tels réacteurs restent difficiles à mettre en œuvre.

Les documents WO2012095331 , DE102019214617, et DE102019208896 décrivent des réacteur électrochimiques à oxyde solide comportant des moyens de chauffage par induction.

EXPOSÉ DE L’INVENTION

L’invention a pour but d’améliorer les réacteurs électrochimiques à oxyde solide de l’art antérieur.

À cet effet, l’invention vise un réacteur électrochimique à oxyde solide, comportant :

- au moins un empilement de cellules électrochimiques à oxyde solide disposé dans une enceinte thermique, chacune de ces cellules électrochimiques comportant une couche d’électrolyte solide disposée entre deux couches d’électrodes ;

- un dispositif de chauffage dudit empilement à une température de fonctionnement.

Le dispositif de chauffage comporte :

- au moins une plaque de chauffage disposée dans l’empilement, un insert suscepteur étant disposé au moins partiellement dans la plaque de chauffage ;

- au moins une bobine d’induction disposée hors de l’empilement, en vis-à-vis de la plaque de chauffage.

Selon un autre objet, l’invention vise un procédé de fabrication d’un réacteur électrochimique, comportant : une étape de réalisation par fabrication additive de la plaque de chauffage avec une cavité et un orifice de remplissage ; une étape de coulée d’un matériau suscepteur en fusion par l’orifice de remplissage ; et une étape d’obturation de l’orifice de remplissage par un bouchon.

Selon un autre objet, l’invention vise un procédé de fabrication d’un réacteur électrochimique, comportant : une étape de réalisation par fabrication additive d’une portion de l’enveloppe structurelle avec une cavité correspondant au logement de l’insert suscepteur ; l’arrêt de la fabrication additive et la pose de I’ insert suscepteur dans la cavité ; et une étape de reprise de la fabrication additive en formant une dernière épaisseur de l’enveloppe structurelle, refermant la cavité.

L’invention permet un chauffage direct des cellules du réacteur électrochimique qui est rapide, efficace, précis et reproductible. Les plaques de chauffage sont chauffées directement par un champ magnétique, avec peu de pertes dues au chauffage d’autres éléments, ce qui entraine des économies d’énergies et une capacité de chauffe rapide. Le chauffage est localisé, constant et précis, avec un contrôle de température plus réactif.

L’invention permet un apport de chaleur en étant peu intrusive sur la structure du réacteur électrochimique. En effet, le bon fonctionnement des empilements constituant le réacteur électrochimique requiert : une isolation électrique entre deux cellules successives pour éviter de court-circuiter une cellule ; une étanchéité entre les compartiments d’entrée et de sortie ; et une bonne distribution à la fois des gaz en entrée et des gaz produits. L’invention permet ainsi de maintenir l’intégrité des empilements, tout en leur fournissant un apport de chaleur direct. Par ailleurs, l’invention fournit une solution à un cout de production inférieur aux solutions de l’art antérieur, par l’amélioration du rendement énergétique du réacteur électrochimique dans un contexte où la haute température de fonctionnement impose une consommation d’énergie supplémentaire qu’il est nécessaire de minimiser pour augmenter l’efficacité énergétique du réacteur électrochimique.

L’invention permet également d’améliorer la capacité d’isolation de l’enceinte thermique, en permettant un dimensionnement de cette enceinte thermique au plus près des empilements de cellules, pour renvoyer par rayonnement l’énergie reçue afin de contribuer également à l’optimisation de l’efficacité thermique du système.

L’invention est compatible avec l’implémentation d’un dispositif de balayage d’air, qui est couramment prévu dans ce domaine, permettant notamment de détecter une fuite éventuelle d’hydrogène. Ce balayage d’air, ou d’un autre gaz, est ici réduit grâce à la possibilité d’ajuster l’enceinte thermique au plus près des éléments chauffés, et de réduire donc le volume balayé, ce qui contribue également au rendement énergétique.

Parmi les différents modes de transfert de chaleur dans la zone du réacteur électrochimique, le mode prépondérant à ces niveaux de température de fonctionnement (de 600 à 1 000 °C, et couramment autour de 650 °C à 800 °C) sont les échanges radiatifs par rayonnement, et l’invention permet de limiter les pertes par rayonnement, car la surface d’échange est réduite.

L’invention permet ainsi de récupérer la conduction thermique de la chaleur produite dans les plaques de chauffage qui apporteront l’énergie nécessaire pour élever les gaz à la bonne température.

Par ailleurs, l’invention permet une réalisation compacte en imbriquant la ou les bobines d’induction et l’enceinte thermique. L’alimentation électrique des moyens de chauffage est également simplifiée, sans câblage nécessaire à l’intérieur de l’enceinte thermique.

Le réacteur électrochimique selon l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles suivantes, seules ou en combinaison :

- I’ insert suscepteur est disposé dans l’épaisseur de la plaque de chauffage ; - la plaque de chauffage comporte une enveloppe structurelle renfermant l’insert suscepteur de manière hermétique ;

- l’enveloppe structurelle comporte une cavité pour l’insert suscepteur, cette cavité étant débouchante à l’extérieur de l’enveloppe structurelle par un orifice de remplissage, l’orifice de remplissage étant obturé par un bouchon de même matériau que l’enveloppe structurelle ;

- l’enveloppe structurelle est en matériau amagnétique ;

- l’enveloppe structurelle est en acier inoxydable ;

- l’insert suscepteur présente une température de curie inférieure à ladite température de fonctionnement ;

- l’insert suscepteur est en matériau ferromagnétique ;

- l’insert suscepteur est en acier ;

- l’insert suscepteur est en cobalt ;

- l’insert suscepteur est en alliage cobalt/nickel ;

- l’insert suscepteur est en graphite ;

- la plaque de chauffage comporte un dispositif de serrage de l’empilement ;

- le réacteur électrochimique comporte deux plaques de chauffage, à deux extrémités de l’empilement, et le dispositif de serrage est adapté à serrer l’empilement entre les deux plaques de chauffage ;

- la bobine d’induction est une bobine plane disposée en vis-à-vis de la plaque de chauffage ;

- la bobine d’induction s’étend dans un plan sensiblement parallèle à la plaque de chauffage ;

- la bobine d’induction est disposée dans l’épaisseur de l’enceinte thermique ;

- l’enceinte thermique comporte une paroi en matériau thermiquement isolant, avec un logement pour la bobine d’induction ; - la distance entre la bobine d’induction et la plaque de chauffage est comprise sensiblement entre 30 et 80 mm ;

- la bobine d’induction est formée d’un conducteur tubulaire, et le dispositif de chauffage comporte un dispositif de refroidissement de la bobine d’induction par circulation d’un fluide caloporteur dans le conducteur tubulaire.

PRÉSENTATION DES FIGURES

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit, en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 illustre un exemple simplifié de réacteur électrochimique selon l’invention, vu en perspective avec son enceinte thermique en coupe ;

- la figure 2 illustre schématiquement un empilement de cellules du réacteur électrochimique ;

- la figure 3 est une vue de face de la figure 1 ;

- la figure 4 illustre le réacteur électrochimique de la figure 1 sans son enceinte thermique ;

- la figure 5 est une vue en coupe de la figure 4 ;

- la figure 6 illustre une plaque de chauffage du réacteur électrochimique ;

- la figure 7 est une vue en coupe de la figure 6 ;

- la figure 8, la figure 9, et la figure 10 illustrent des étapes de procédés de fabrication selon l’invention.

Les éléments similaires et communs aux divers modes de réalisation portent les mêmes numéros de renvoi aux figures.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE

Les figures 1 et 3, illustrent un exemple de réacteur électrochimique 1 à oxyde solide selon l’invention, fonctionnant à haute température.

Ce réacteur électrochimique peut être un électrolyseur à oxyde solide ou une pile à combustible à oxyde solide, avec une température de fonctionnement de l’ordre de 600 à 1 000 °C. Ce réacteur électrochimique peut également être réversible, pouvant fonctionner alternativement selon les deux modes (électrolyseur à oxyde solide, ou pile à combustible à oxyde solide) mais toujours à haute température.

Le réacteur électrochimique 1 comporte une enceinte thermique 4 réalisée dans un matériau adapté qui est réfractaire et thermiquement isolant. L’enceinte thermique 4 entoure le réacteur électrochimique 1 pour le maintenir à la température de fonctionnement. Sur les figures 1 et 3, l’enceinte thermique 4 est vue en coupe.

Le réacteur électrochimique 1 comporte de plus un empilement 2 de cellules électrochimiques 3 disposé dans l’enceinte thermique 4. Le réacteur électrochimique 1 peut comporter autant d’empilements 2 que nécessaire, disposés côte à côte, dans le prolongement les uns des autres, ou selon tout autre disposition. Dans le présent exemple simplifié à des fins didactiques, le réacteur électrochimique 1 comporte un seul empilement 2. L’épaisseur de cet empilement 2 est ici, également pour des raisons de simplification, réduite et peut bien entendu en pratique être plus importante.

L’empilement 2 est une alternance de cellules électrochimiques 3, et est illustré fonctionnellement sur la vue éclatée schématique de la figure 2. Chaque cellule électrochimique 3 est un assemblage électrolyte-électrodes réalisé par un ensemble multicouche, en général en céramique, comportant une couche centrale d’électrolyte solide 5 conductrice d’ions. La couche d’électrolyte solide 5 est formée d’un électrolyte solide, dense et étanche, et est insérée entre deux couches d’électrodes 6, 7 qui constituent des électrodes poreuses. Des couches supplémentaires peuvent également être prévues pour améliorer la fonctionnalité de ces couches.

Un empilement 2 comporte ainsi au moins une cellule électrochimique 3, qui est formée autour d’une couche d’électrolyte solide 5, disposée entre deux couches d’électrodes 6, 7.

La paire de couches d’électrodes 6, 7 comporte une couche anodique et une couche cathodique, en fonction de la nature du réacteur électrochimique 1 : - lorsque le réacteur électrochimique 1 est une pile à combustible à oxyde solide, l’une de ces couches d’électrodes 6, 7 sera l’anode et sera le siège d’une oxydation du combustible, tandis que l’autre couche d’électrode 6, 7 sera la cathode et sera le siège de la réduction du comburant ;

- lorsque le réacteur électrochimique 1 est un électrolyseur à oxyde solide, pour l’électrolyse de l’eau, l’une de ces couches d’électrodes 6, 7 sera l’anode et sera le siège d’une oxydation de la vapeur d’eau, tandis que l’autre couche d’électrode 6, 7 sera la cathode et sera le siège d’une réduction produisant le dihydrogène.

Les différentes cellules électrochimiques 3 empilées sont séparées par des plaques d’interconnexion 8. L’empilement 2 est ainsi un empilement alterné de ces cellules électrochimiques 3 et des plaques d’interconnexion 8. Les plaques d’interconnexion 8 sont des conducteurs électroniques qui assurent le contact entre la cathode d’une cellule 3 (en contact avec l’une des faces d’une plaque d’interconnexion) et l’anode de la cellule 3 suivante (en contact avec l’autre face de cette plaque d’interconnexion). La vue schématique de la figure 2 est une illustration partielle d’un empilement 2 montrant une cellule 3 centrale, une couche d’électrode 6 de la cellule 3 inférieure, et avec deux plaques d’interconnexion 8.

Les plaques d’interconnexion 8 sont connues et sont généralement constituées de plaques métalliques permettant d’alimenter la cellule 3 en courant électrique ou de récupérer le courant électrique produit par la cellule 3. Les plaques d’interconnexion 8 servent également à distribuer les éléments participant à la réaction électrochimique et à récupérer les produits de la réaction électrochimique, grâce à des canaux 18 (des rainures dans l’exemple illustré). Les flèches visibles sur la figure 2 illustrent le parcours croisé de ces éléments dans les canaux 18.

Les plaques d’interconnexion 8 servent également à séparer les compartiments anodiques et cathodiques de deux cellules électrochimiques 3 adjacentes. Par exemple, dans le cas de l’électrolyse : le compartiment cathodique contient la vapeur d’eau et le dihydrogène, produit de la réaction électrochimique ; et le compartiment anodique contient un gaz drainant (s’il est prévu) et le dioxygène, autre produit de la réaction électrochimique à la fois dans le cas de l’électrolyse de l’eau ou du dioxyde de carbone. En mode pile à combustible, le compartiment anodique contient le carburant (tel que le dihydrogène), et le compartiment cathodique contient le comburant (tel que l’oxygène de l’air). Sur les vues simplifiées des figures 1 et 3 à 5, l’empilement 2 peut être constitué d’une ou plusieurs cellules 3. Dans le présent exemple, l’empilement 2 est constitué de 12 ou 24 cellules.

Le réacteur électrochimique comporte de plus un dispositif de chauffage permettant de porter les cellules électrochimiques 3 présentes dans l’empilement 2 à leur température de fonctionnement.

La figure 3 est une vue de côté du réacteur électrochimique 1 , avec l’enceinte thermique 4 en coupe, et rend visible les éléments du dispositif de chauffage. Le dispositif de chauffage comporte au moins une bobine d’induction 10 disposée hors de l’empilement 2 et au moins une plaque de chauffage 9 disposée dans l’empilement 2.

Dans cet exemple, le réacteur électrochimique 1 comporte deux plaques de chauffage 9, disposées chacune à une extrémité de l’empilement 2, ainsi que deux bobines d’induction 10 disposées chacune en vis-à-vis d’une plaque de chauffage 9.

En variante, le dispositif de chauffage peut comporter un nombre différent de bobines d’induction 10 et de plaques de chauffage 9, et ces dernières peuvent être réparties à l’intérieur de l’empilement 2.

Dans le présent exemple, de manière particulièrement avantageuse, les plaques de chauffage 9, disposées aux deux extrémités de l’empilement 2, sont de plus pourvues d’un dispositif de serrage 11. Dans cet exemple, le dispositif de serrage comporte des boulons adaptés à serrer les plaques de chauffage 9 l’une en direction de l’autre. Les plaques de chauffage 9 remplacent ainsi tout autre moyen de serrage, en assurant un effort de compression sur l’empilement 2 pour garantir son bon fonctionnement. En effet, le bon fonctionnement de l’empilement 2 requiert notamment :

- une isolation électrique entre deux plaques d’interconnexion 8 successives, sous peine de court-circuiter la cellule 3 située entre ces deux plaques d’interconnexion 8, ainsi qu’un bon contact électrique et une surface de contact suffisante entre les cellules 3 et les plaques d’interconnexion 8. La plus faible résistance ohmique possible est recherchée entre cellules 3 et plaques d’interconnexion 8 ;

- une étanchéité entre les deux compartiments (comburant et carburant) sous peine de recombinaison des gaz produits entrainant une baisse de rendement et surtout l’apparition de points chauds endommageant l’empilement 2 ;

- une bonne distribution des gaz à la fois en entrée de combustibles et en récupération des produits sous peine de perte de rendement, d’inhomogénéité de pression et de température au sein des différentes cellules 3, voire de dégradations rédhibitoires des cellules 3.

Le réacteur électrochimique 1 ne nécessite ainsi pas d’autre moyen de mise en compression des cellules que celui procuré par les plaques de chauffage 9. Il peut être dépourvu de tout autre moyen de serrage.

Les bobines d’induction 10 sont de préférence disposées à l’intérieur de l’enceinte thermique 4, dans l’épaisseur de la paroi. Ce dispositif de chauffage fonctionnant par induction, cette intégration des bobines d’induction 10 a très peu d’incidence sur la performance de chauffe, et permet d’approcher l’enceinte thermique 4 au plus près de l’empilement 2 qui doit être porté à la haute température de fonctionnement. Ainsi, l’enceinte thermique 4 est ajustée jusqu’à venir quasiment en contact, voire en contact, avec des éléments de l’empilement 2 de manière à augmenter les performances de l’isolation et ainsi augmenter les performances énergétiques du réacteur électrochimique 1. De préférence, un jeu réduit est prévu pour le passage d’un gaz de balayage, pour des raisons de sécurité.

Dans le présent exemple, la distance entre chaque bobine d’induction 10 et la plaque de chauffage 9 correspondante est de l’ordre de 30 mm à 80 mm, valeur pouvant être modulée en fonction des caractéristiques choisies pour l’alimentation électrique de la bobine d’induction 10.

L’enceinte thermique 4 est réalisée par tout matériau isolant et réfractaire, adapté à l’application. Dans le présent exemple, l’enceinte thermique 4 est réalisée par des laines de silicate alcalino-terreux (AES, « Alcaline Earth Silicate ») procurant une isolation thermique adaptée à la température de fonctionnement.

La figure 4 est une vue en perspective similaire à la figure 1 mais illustrant le réacteur électrochimique 1 dépourvu de son enceinte thermique 4, de manière à rendre compte du positionnement mutuel des bobines d’induction 10 et de l’empilement 2. Les bobines d’induction 10 sont ici constituées par un enroulement d’un conducteur tubulaire 12. Le caractère tubulaire du conducteur 12 permet d’une part de favoriser une circulation pelliculaire du courant qui est ici adaptée, et d’autre part de ménager un conduit interne pour permettre un refroidissement liquide de la bobine d’induction 10, avec un fluide caloporteur circulant dans le conducteur tubulaire 12. La bobine d’induction 10 est donc formée d’un conducteur tubulaire 12 et le dispositif de chauffage du réacteur électrochimique comporte un dispositif de refroidissement de la bobine d’induction 10 par circulation d’un fluide caloporteur dans le conducteur tubulaire 12, grâce à un circuit de refroidissement adapté (muni de conduits, pompes, etc., non représentés).

Le conducteur tubulaire 12 forme dans cet exemple une spirale plane d’un diamètre de l’ordre de 120 mm. Le conducteur tubulaire 12 peut présenter un diamètre de l’ordre de 10 à 12 mm, et former trois diamètres concentriques spiralés, par exemple 120 mm, 90 mm, et 60 mm.

La bobine d’induction 10 est disposée dans l’épaisseur de l’enceinte thermique 4, dans un logement 19 qui est pratiqué dans la paroi en matériau isolant de l’enceinte thermique 19. La bobine d’induction 10 est ainsi protégée de la chaleur directe produite au sein des plaques de chauffage 9 de sorte que cette bobine peut être réalisée en un matériau dont le point de fusion est proche, voire inférieur, à la température de fonctionnement. La bobine d’induction peut ainsi être notamment réalisée en cuivre, malgré les hautes températures de fonctionnement de l’empilement 2, ce qui est particulièrement avantageux.

Alternativement, ou en complément, une plaque en céramique pourra être interposée entre la bobine d’induction 10 et la plaque de chauffage 9, cette plaque en céramique étant insensible aux champs magnétiques et présentant une épaisseur de l’ordre de 10 à 12 mm, et un diamètre correspondant au diamètre extérieur de la bobine d’induction 10.

Le logement 19 pour la bobine d’induction 10 comporte des conduits de connectique (non représentés) menant à l’extérieur de l’enceinte thermique 4, de sorte qu’aucune connectique relative au dispositif de chauffage n’est à prévoir sur l’empilement 2. Les bobines d’induction 10 sont adaptées à un chauffage par induction des plaques de chauffage 9, que ce soit par courants de Foucault ou par hystérésis. Les bobines d’induction 10 servent ici à transférer une énergie électrique aux plaques de chauffage 9 par l’intermédiaire d’un champ électromagnétique alternatif. De manière connue dans le domaine du chauffage par induction, le courant alternatif circulant dans les bobines d’induction 10 crée un champ électromagnétique induisant à son tour dans les plaques de chauffage 9 un courant symétrique en miroir de celui qui passe dans les bobines 10.

Les bobines d’induction 10 peuvent présenter toute forme alternative, adaptée à leur insertion dans le réacteur électrochimique 1. Les bobines d’induction 10 peuvent être par exemple constituées d’un enroulement hélicoïdal (de type solénoïde) formé d’un certain nombre de spires d’un conducteur tubulaire en cuivre enroulé sur un mandrin qui serait en conductivité thermique avec la ou les plaques de chauffage 9.

De préférence, la bobine d’induction 10 s’étend, dans cet exemple, dans un plan sensiblement parallèle à la plaque de chauffage 9. La forme de la bobine d’induction 10 de l’exemple illustré, en spirale plane, est adaptée à la coopération avec des plaques de chauffage 9 planes, en mettant les deux plans correspondants en vis-à-vis et sensiblement perpendiculaires. La disposition des plaques de chauffage 9 aux deux extrémités d’un empilement 2 permet, en plus des fonctions de serrage, d’obtenir une distance optimale entre chaque bobine d’induction 10 et la plaque de chauffage 9 correspondante.

Dans le présent exemple, les bobines d’induction 10 sont alimentées, de manière classique dans le domaine du chauffage par induction, par une alimentation électrique qui comporte un onduleur avec un circuit oscillant délivrant un courant alternatif. Dans le présent exemple, la tension est de l’ordre de 115 V, avec un courant délivré de l’ordre de 15 A, ou de l’ordre de 230 V, avec un courant délivré de l’ordre de 16 A, à une fréquence de l’ordre de 50 kHz ou plus (haute fréquence adaptée aux plaques de chauffage 9 de petite taille) ou de l’ordre de 10 kHz (basse fréquence permettant d’obtenir un échauffement plus profond, plus adapté aux plaques de chauffage 9 massives). La puissance dans cet exemple est de 1 ,7 kVA (115 V) ou de 3,6 kVA (230 V). Les plaques de chauffage 9 sont adaptées au chauffage par induction et peuvent être constituées de tout matériau réceptif à ce mode de chauffage.

Dans un exemple particulièrement avantageux, les plaques de chauffage 9 sont des plaques bimatière. La figure 5 est une vue en coupe, en perspective, de l’empilement 2. Les plaques de chauffage 9 sont ainsi constituées d’une enveloppe structurelle 13 dans l’épaisseur de laquelle est positionné un insert suscepteur 14. L’enveloppe structurelle 13 peut être réalisée à partir d’un quelconque matériau de rigidité adaptée, y compris en un matériau amagnétique. L’enveloppe structurelle 13 est choisie et dimensionnée pour sa fonction structurelle, et éventuellement de serrage de l’empilement 2, ainsi que de résistance à la température de fonctionnement, et de résistance aux contraintes physicochimiques correspondantes.

L’insert suscepteur 14, quant à lui, a pour seule fonction d’être le siège de la production de chaleur par le dispositif de chauffage par induction. L’insert suscepteur 14 peut donc être constitué par un matériau qui aurait été inadapté au placement direct dans l’enceinte thermique 4, en raison par exemple d’une susceptibilité à la dégradation par des phénomènes tels que la température ou la corrosion propre au milieu à haute température du réacteur électrochimique. Le matériau de l’insert suscepteur 14 est adaptés au chauffage par induction, et peut présenter un quelconque point de fusion, voire un point de fusion inférieur à la température de fonctionnement (sans dépasser sa température de Curie), ce qui est permis par cette disposition où l’insert suscepteur 14 est hermétiquement contenu dans l’enveloppe structurelle 13.

Dans le présent exemple, l’insert suscepteur est de préférence en matériau ferromagnétique, ou en graphite.

L’enveloppe structurelle 13 est donc ici prévue pour contenir l’insert suscepteur 14 de manière hermétique et présente de préférence une bonne conductivité thermique pour la transmission de la chaleur à l’empilement 2.

Dans cet exemple de réalisation, l’enveloppe structurelle 13 est réalisée en alliage d’acier inoxydable 310, qui présente une bonne conductivité thermique. Dans cette application, cet alliage a de plus la particularité de présenter une excellente résistance à l’oxydation et à la corrosion thermique. Cet alliage est cependant amagnétique et va peu contribuer à la fonction de chauffage. Cette dernière est assurée par l’insert suscepteur 14, qui est adapté à conjuguer le chauffage résultant de différents phénomènes tels que les courants de Foucault, les pertes par hystérésis et viscosité magnétique, de manière à augmenter sensiblement la dissipation de chaleur.

De préférence, le matériau de l’insert suscepteur 14 présente une température de Curie élevée, et préférentiellement au-delà de la température de fonctionnement. Dans un mode de réalisation, l’insert suscepteur 14 est en cobalt, matériau présentant une température de Curie de 1 114,85 °C. Certains aciers à température de Curie élevée sont également envisageables. Selon un autre mode de réalisation, l’insert suscepteur 14 est en alliage cobalt-nickel, avec 50 % de cobalt, matériau présenterait une température de Curie comprise entre 854 °C et 877 °C, adapté pour une application dont les températures de fonctionnement sont en deçà de ces températures.

Selon un autre mode de réalisation, l’insert suscepteur 14 est en graphite.

La figure 6 illustre une plaque de chauffage 9 seule, vue en perspective. La plaque de chauffage 9 comporte un orifice de remplissage 15 fermé par un bouchon 16 (le bouchon 16 est illustré, en vue éclatée, au-dessus de l’orifice de remplissage 15). Le bouchon 16 est par exemple constitué du même métal que l’enveloppe structurelle 13 et rebouche l’orifice de remplissage 15 par soudage.

Selon un mode de réalisation, les plaques de chauffage 9 peuvent être réalisées par fabrication additive, par exemple par fusion sur lit de poudre. La fabrication additive a alors pour base le matériau constitutif de l’enveloppe structurelle 13.

La figure 7 illustre la plaque de chauffage 9 de la figure 6 vue en coupe. La plaque de chauffage 9 comporte une cavité 17 destinée à recevoir l’insert suscepteur 14. Dans cet exemple, l’insert suscepteur 14 est réalisé en un matériau fusible.

Après la réalisation de l’enveloppe structurelle 13 par fabrication additive, l’insert suscepteur 14, après fusion, est coulé dans la cavité 17 par l’orifice de remplissage 15, et ce dernier est ensuite refermé par le bouchon 16. La cavité 17 (et donc l’insert suscepteur 14) est symétrique par rapport au plan médian de la plaque de chauffage 9, et équidistante par rapport au centre de celle-ci.

En variante, pour tous les modes de réalisation, la cavité 17 (et donc l’insert suscepteur 14) peut présenter d’autres formes, telles que circulaire, rectangulaire, ou en étoile.

Les figures 8 à 10 illustrent un autre mode de réalisation des plaques de chauffage 9 par fabrication additive. Dans cet exemple, l’enveloppe structurelle 13 est dépourvue d’orifice de remplissage.

La figure 8 illustre une première étape de la fabrication de l’enveloppe structurelle 13, de sorte à produire une portion d’enveloppe structurelle 13 (qui est illustrée à la figure 8). Cette portion d’enveloppe structurelle 13 présente une épaisseur s’étendant seulement jusqu’à une hauteur qui correspond à la face supérieure de l’insert suscepteur 14, laissant ainsi une cavité 17 ouverte, cavité qui correspond au logement de l’insert suscepteur 14. Les termes « hauteur », « épaisseur », et « supérieur » renvoient ici aux illustrations des figures 8 à 10.

La fabrication additive est ensuite interrompue.

En référence à la figure 9, une deuxième étape du procédé consiste à poser l’insert suscepteur 14 à l’état solide dans la cavité 17 ainsi constituée.

La figure 10 illustre le résultat de la mise en place de l’insert suscepteur : une surface plane est constituée par la surface supérieure de la portion d’enveloppe structurelle 13, et par la face supérieure de l’insert suscepteur 14 en position.

Alternativement, l’insert suscepteur 14 peut présenter une épaisseur supérieure à la profondeur de la cavité 17. Le procédé comporte alors une étape supplémentaire d’usinage de la surface supérieure de l’insert suscepteur 14, pour aligner horizontalement la surface supérieure de la portion d’enveloppe structurelle 13 et la face supérieure de l’insert suscepteur 14.

La fabrication additive est ensuite reprise sur cette surface plane en formant une dernière épaisseur du matériau constitutif de l’enveloppe structurelle 13, en refermant complètement la cavité 17, jusqu’à l’obtention de la pièce complète formée de l’enveloppe structurelle 13 finie avec l’insert suscepteur 14 contenu dans cette enveloppe structurelle 13.

Des variantes de réalisation peuvent être envisagées. Par exemple, les plaques de chauffage 9 peuvent être réalisées par des plaques associées à des barres ou à toute autre géométrie adaptée. Au moins une plaque de chauffage 9 est nécessaire, et l’empilement peut en outre comporter un nombre plus important de plaques de chauffage 9, par exemple réparties régulièrement au sein de l’empilement, entre les cellules électrochimiques 3. De telles plaques de chauffage 9 disposées au sein de l’empilement peuvent également remplir une fonction de plaque d’interconnexion, grâce à des canaux.

Claims

REVENDICATIONS

1 . Réacteur électrochimique à oxyde solide, comportant :

- au moins un empilement (2) de cellules électrochimiques (3) à oxyde solide disposé dans une enceinte thermique (4), chacune de ces cellules électrochimiques (3) comportant une couche d’électrolyte solide (5) disposée entre deux couches d’électrodes (6,7) ;

- un dispositif de chauffage dudit empilement (2) à une température de fonctionnement ; caractérisé en ce que le dispositif de chauffage comporte :

- au moins une plaque de chauffage (9) disposée dans l’empilement (2), un insert suscepteur (14) étant disposé au moins partiellement dans la plaque de chauffage (9) ;

- au moins une bobine d’induction (10) disposée hors de l’empilement (2), en vis-à-vis de la plaque de chauffage (9).

2. Réacteur électrochimique à oxyde solide selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l’insert suscepteur (14) est disposé dans l’épaisseur de la plaque de chauffage (9).

3. Réacteur électrochimique à oxyde solide selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque de chauffage (9) comporte une enveloppe structurelle (13) renfermant l’insert suscepteur (14) de manière hermétique.

4. Réacteur électrochimique à oxyde solide selon la revendication 3, caractérisé en ce que l’enveloppe structurelle (13) comporte une cavité (17) pour l’insert suscepteur (14), cette cavité (17) étant débouchante à l’extérieur de l’enveloppe structurelle (13) par un orifice de remplissage (15), l’orifice de remplissage (15) étant obturé par un bouchon (16) de même matériau que l’enveloppe structurelle (13).

5. Réacteur électrochimique à oxyde solide selon l’une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que l’enveloppe structurelle (13) est en matériau amagnétique.

6. Réacteur électrochimique à oxyde solide selon la revendication 5, caractérisé en ce que l’enveloppe structurelle (13) est en acier inoxydable.

7. Réacteur électrochimique à oxyde solide selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’insert suscepteur (14) présente une température de curie inférieure à ladite température de fonctionnement.

8. Réacteur électrochimique à oxyde solide selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’insert suscepteur (14) est en matériau ferromagnétique.

9. Réacteur électrochimique à oxyde solide selon la revendication 8, caractérisé en ce que l’insert suscepteur (14) est en acier.

10. Réacteur électrochimique à oxyde solide selon la revendication 8, caractérisé en ce que l’insert suscepteur (14) est en cobalt.

11. Réacteur électrochimique à oxyde solide selon la revendication 8, caractérisé en ce que l’insert suscepteur (14) est en alliage cobalt/nickel.

12. Réacteur électrochimique à oxyde solide selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit insert suscepteur (14) est en graphite.

13. Réacteur électrochimique à oxyde solide selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque de chauffage (9) comporte un dispositif de serrage (11 ) de l’empilement (2).

14. Réacteur électrochimique à oxyde solide selon la revendication 13, caractérisé en ce qu’il comporte deux plaques de chauffage (9), à deux extrémités de l’empilement (2), et le dispositif de serrage (11 ) est adapté à serrer l’empilement (2) entre les deux plaques de chauffage (9).

15. Réacteur électrochimique à oxyde solide selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bobine d’induction (10) est une bobine plane disposée en vis-à-vis de la plaque de chauffage (9).

16. Réacteur électrochimique à oxyde solide selon la revendication 15, caractérisé en ce que la bobine d’induction (10) s’étend dans un plan sensiblement parallèle à la plaque de chauffage (9).

17. Réacteur électrochimique à oxyde solide selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bobine d’induction (10) est disposée dans l’épaisseur de l’enceinte thermique (4).

18. Réacteur électrochimique à oxyde solide selon la revendication 17, caractérisé en ce que l’enceinte thermique (4) comporte une paroi en matériau thermiquement isolant, avec un logement (19) pour la bobine d’induction (10).

19. Réacteur électrochimique à oxyde solide selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la distance entre la bobine d’induction (10) et la plaque de chauffage (9) est comprise sensiblement entre 30 et 80 mm.

20. Réacteur électrochimique à oxyde solide selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bobine d’induction (10) est formée d’un conducteur tubulaire (12), et en ce que le dispositif de chauffage comporte un dispositif de refroidissement de la bobine d’induction (10) par circulation d’un fluide caloporteur dans le conducteur tubulaire (12).

21. Procédé de fabrication d’un réacteur électrochimique selon la revendication 4, caractérisé en ce qu’il comporte : une étape de réalisation par fabrication additive de la plaque de chauffage (9) avec ladite cavité (17) et l’orifice de remplissage (15) ; une étape de coulée d’un matériau suscepteur en fusion par l’orifice de remplissage (15) ; et une étape d’obturation de l’orifice de remplissage (15) par ledit bouchon (16).

22. Procédé de fabrication d’un réacteur électrochimique selon la revendication 3, caractérisé en ce qu’il comporte : une étape de réalisation par fabrication additive d’une portion de l’enveloppe structurelle (13) avec une cavité (17) correspondant au logement de l’insert suscepteur (14) ; l’arrêt de la fabrication additive et la pose de l’insert suscepteur (14) dans la cavité (17) ; et une étape de reprise de la fabrication additive en formant une dernière épaisseur de l’enveloppe structurelle (13), refermant la cavité (17).