FR2582155A1 - Cellule electrochimique composee d'elements electrochimiques a oxyde solide et a coeur monolithique raccordes en serie, et element constitutif d'une telle cellule - Google Patents
Cellule electrochimique composee d'elements electrochimiques a oxyde solide et a coeur monolithique raccordes en serie, et element constitutif d'une telle cellule Download PDFInfo
- Publication number
- FR2582155A1 FR2582155A1 FR8607065A FR8607065A FR2582155A1 FR 2582155 A1 FR2582155 A1 FR 2582155A1 FR 8607065 A FR8607065 A FR 8607065A FR 8607065 A FR8607065 A FR 8607065A FR 2582155 A1 FR2582155 A1 FR 2582155A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- anode
- cathode
- cell
- constituting
- fuel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
- H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
- H01M8/2435—High-temperature cells with solid electrolytes with monolithic core structure, e.g. honeycombs
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
- H01M8/2484—Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
L'INVENTION CONCERNE UNE CELLULE ELECTROCHIMIQUE COMPOSEE D'ELEMENTS ELECTROCHIMIQUES A OXYDE SOLIDE ET A COEUR MONOLITHIQUE RACCORDES EN SERIE, AINSI QU'UN ELEMENT CONSTITUTIF D'UNE TELLE CELLULE. LADITE CELLULE 20 PRESENTE UNE RANGEE 25 D'ELEMENTS 26 AGENCES LONGITUDINALEMENT ET RACCORDES EN SERIE. CHAQUE ELEMENT 26 COMPREND DE MINCES COUCHES D'UN MATERIAU CATHODIQUE ET D'UN MATERIAU ANODIQUE PRENANT EN SANDWICH UNE MINCE COUCHE D'ELECTROLYTE, POUR DELIMITER UN GRAND NOMBRE DE PASSAGES 36, 37 EMPRUNTES PAR UN COMBUSTIBLE ET PAR UN OXYDANT. UN MATERIAU D'INTERCONNEXION RACCORDE EN SERIE LES CATHODES ET LES ANODES D'ELEMENTS ADJACENTS 26. DES MOYENS 21, 22 DIRIGENT LE COMBUSTIBLE ET L'OXYDANT PAR LES PASSAGES RESPECTIFS 36, 37. DES MOYENS 28, 29 TRANSMETTENT LA PUISSANCE GALVANIQUE DE SORTIE A UN CIRCUIT EXTERNE. APPLICATIONS AUX BATTERIES D'ACCUMULATEURS.
Description
CELLULE ELECTROCHIRIQUE COMPOSEE D'ELEMENTS ELECTROCHIMIQUES
A OXYDE SOLIDE ET A COEUR MONOLITHIQUE RACCORDES EN
SERIE, ET ELEMENT CONSTITUTIF D'UNE TELLE CELLULE.
La présente invention se rapporte à une cellule électrochimique composée d'éléments électrochimiques à oxyde solide et à coeur monolithique raccordés en série, ainsi qu'à un éLément constitutif d'une telle cellule.
Une cellule électrochimique consiste fondamenta-
lement en un dispositif de conversion galvanique d'énergie qui convertit chimiquement de l'hydrogène ou un combustible hydrocarbure et un oxydant, dans des compartiments catalytiques, afin de produire un courant continu. Dans l'une des réalisations d'une telle cellule, le matériau constituant la cathode délimite les passages empruntés par l'oxydant et le matériau constituant l'anode délimite les passages empruntés par le combustible, la cathode et l'anode étant séparées par un électrolyte. Le combustible et l'oxydant se présentant typiquement sous la forme de gaz, circulent ensuite continuement par les passages de la cellule séparés les uns des autres, tandis que, en général du combustible et de l'oxydant non utilisés projetés par la cellule serve.it également à éliminer les produits de réaction, ainsi qu'à dissiper la chaleur engendrée dans la cellule. Du fait que le combustible et l'oxydant sont des substances rapportées, ils ne sont typiquement pas considérés comme faisant partie
intégrante de la cellule proprement dite.
Le type de cellule électrochimique auquel la présente invention s'applique directement est connu sous la dénomination "cellule électrochimique à électrolyte ou à oxyde solide", dans laquelle l'électrolyte se présente sous forme solide. Dans cette cellule à oxyde solide, de l'hydrogène ou un hydrocarbure de haute
82155
performance est utilisé en tant que combustible et de l'oxygène ou de l'air est employé en tant qu'oxydant, les températures de fonctionnement de la cellule étant
comprises entre 700 C et 1100 C.
La réaction de l'hydrogène sur l'anode (électrode négative) avec des ions oxydes engendre de L'eau avec la libération d'électrons; et la réaction de l'oxygène sur la cathode avec les électrons donne effectivement naissance aux ions oxydes. Les électrons circulent de l'anode à la cathode-en traversant la charge extérieure appropriée, le circuit étant fermé intérieurement par
le transfert d'ions oxydes à travers l'électrolyte.
Toutefois, cet électrolyte isole électriquement l'une de l'autre la cathode et l'anode. Les réactions sont par conséquent les suivantes: cathode 1/2 02 + 2e- 0-2 (1) anode H2 + 0-2 9 H20 + 2e-. (2) La réaction globale de la cellule est
H2 + 1/2 02. H20. (3)
En plus de l'hydrogène, le combustible peut être dérivé d'un hydrocarbure tel que le méthane (CH4) reformé par exposition à de la vapeur ayant une température de 350 C à 800 C, ce qui produit initialement du monoxyde de carbone (CO) et trois molécules d'hydrogène. Lorsque l'hydrogène est consommé, il se produit la réaction suractivée suivante:
CO + H20;C02 + H2. (4)
La réaction globale des hydrocarbures est représentée par la formule: CH4 + 202 bC02 + 2H20. (5) Etant donné que la conversion est électrochimique, les limitations thermiques du cycle de Carnot sont contournées; par conséquent, il est théoriquement possible d'obtenir des efficacités de l'ordre de 50 % dans la conversion de l'énergie thermique du combustible en énergie électrique. Ce pourcentage est considérablement plus fort que celui de moteurs thermiques équivalents utilisant la même conversion du combustible, y compris même un moteur classique du type Diesel. L'électrolyte isole l'un de l'autre les gaz constituant respectivement le combustible et l'oxydant, tout en produisant un milieu permettant le transfert ionique et la formation d'une tension à travers cet électrolyte. Les électrodes (cathode et anode) forment des trajets pour le mouvement interne du courant électrique circulant dans la cellule électrochimique jusqu'aux bornes de cette cellule, lesquelles sont ensuite raccordées à une charge externe. La tension parcourant chaque cellule est de l'ordre de 0,7 volt au maximum, de sorte que la cellule individuelle doit être branchée en série pour obtenir une tension utilisable. Un branchement en série est effectué entre des cellules adjacentes à l'aide d'un matériau d'interconnexion qui isole mutuellement le combustible et l'oxydant sous forme gazeuse, tout en raccordant électroniquement l'anode de l'une des cellules à la cathode d'une cellule attenante. Du fait que la génération électrochimique active d'électricité a lieu seulement à travers les régions de la cellule contenant l'électrolyte, une quelconque séparation d'interconnexion entre la cathode et l'anode, en vue d'assurer le branchement électrique en série des cellules,
rend cette partie de la cellule électriquement improductive.
Le pourcentage d'interconnexion à la superficie de la paroi de l'électrolyte délimitant chaque cellule, s'il est élevé, pourrait réduire notablement les intensités
d'énergie ou de puissance d'une telle cellule électrochimique.
La diffusion des substances réactives (combustible ou oxydant) à travers les électrodes limite elle aussi le rendement de la cellule. Le combustible et l'oxydant
82155
doivent diffuser à angLe droit vers les lieux de réaction, en bifurquent de leur trajectoire d'écoulement par Les passages respectifs à travers les électrodes. Le combustible et l'oxydant diffusent à travers les électrodes et réagissent à la limite ou à proximité de la limite entre les trois phases constituées par les gaz, l'électrode (anode ou cathode) et l'électrolyte dans lequel il s'opère une consommation électrochimique. Etant donné que la pression partielle de l'hydrogène des gaz combustibles décroît en parcourant la longueur des passages empruntés par le combustible, une tension moindre est engendrée à l'extrémité aval desdits passages ou à proximité
de cette extrémité.
Bien qu'il soit possible d'extraire thermiquement et électriquement de grandes quantités d'énergie du combustible, it est par ailleurs fondamentalement inefficace d'extraire de telles énergies jusqu'à l'épuisement complet du combustible et de l'oxydant. Ainsi, l'on ne recherche pas une conversion complète du combustible dans la ceLlule électrochimique, du fait que cette conversion s'avère intrinsèquement inefficace pour ce qui concerne la tension globale délivrée par la cellule. Aussi bien dans le cas d'une cellule simple que de cellules interconnectées par une circulation gazeuse, la tension théorique maximale décroît le long de la cellule. Dans la pratique par conséquent, des cellules électrochimiques consomment seulement de 80 % à 90 % du combustible, car la tension de la cellule diminue rapidement lorsque l'hydrogène représente moins de 5 Z du combustible gazeux. La réduction affectant la tension maximale de la cellule au fur et à mesure de la consommation du combustible constitue une limitation importante. L'un des agencements proposés regroupant une série de cellules électrochimiques à oxyde solide
82155
comporte un tube de support en céramique, sur lequel les électrodes (anode et cathode) et l'électrolyte sont formés sous la forme de couches. Le tube de support est confiné dans un boîtier étanche, le combustible et l'oxydant sont délivrés à ce boîtier par L'intermédiaire d'un collecteur, et les produits de réaction sont évacués dudit boîtier de la manière opportune. En fonction de La formation des couches, le combustible est acheminé à l'intérieur du tube du support et l'oxydant est acheminé à l'extérieur de ce tube, ou inversement. Une cellule électrochimique se composerait concrètement de plusieurs tubes de ce genre supportés à l'intérieur d'un boîtier externe, et un réseau de collecteurs séparerait et dirigerait le combustible et l'oxydant au voisinage
des tubes.
Un tube de support typique peut consister en de la zircone stabilisée par de l'oxyde de calcium (ZrO2+CaO); la cathode serait typiquement déposée à la face extérieure du tube de support, et pourrait consister en du manganite de lanthane (LaMnO3); l'électrolyte serait déposé sur une région de la cathode consistant, par exemple, en de la zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium (ZrO2+Y203); et l'anode serait déposé sur l'électrolyte consistant, par exemple, en un cermet ou un mélange de cobalt et de zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium (Co+ZrO2Y2O3). Dans ce cas, l'oxydant circulerait à l'intérieur du tube structuré, tandis que le combustible serait mis en circulation à l'extérieur de ce tube. Pour la partie de la cellule dans laquelle un branchement en série avec une cellule adjacente devrait être exécuté, la substance d'interconnexion serait déposée sur la cathode à cet emplacement au lieu de l'être sur l'électrolyte et l'anode, afin d'établir le contact avec l'anode de la cellule ajdacente. Ce matériau d'interconnexion pourrait consister, par exemple, en du chromite de
lanthane (LaCrO3).
Pour former ce type de cellule électrochimique, le tube de support doit être conçu avec un haut degré de porosité. Même avec une porosité de l'ordre de 40 X, L'anode et La cathode déposées en couches représentent d'importantes barrières de diffusion. Les pertes par diffusion augmentent selon une progression très marquée à de fortes intensités de courant, et elles représentent une limite imposée à ce courant, et par conséquent à la puissance. Le tube de support a comporté jusqu'à présent, au minimum, un diamètre d'environ 1 cm et une épaisseur de paroi Latérale d'environ 1 mm. Un facteur limitatif de ce coeur présentant le tube de support est la longueur du trajet que le courant doit parcourir le Long des matériaux constituant respectivement la cathode et l'anode, en induisant ainsi des pertes de résistance électrique considérables. Dans l'une des tentatives visant à minimiser ce phénomène, les tubes respectifs ont été raccourcis dans le sens longitudinal et empiLés bout à bout Les uns sur les autres, et les anodes et cathodes des tubes successifs respectifs
ont été raccordées en série par un moyen d'interconnexion.
IL en résulte un seul et unique tube pouvant être parcouru
par le combustible et/ou L'oxydant, tandis que le branche-
ment en série génère une tension plus forte cumuLant le nombre total des tubes individuels interconnectés en série. La circulation du courant est alignée avec la direction du flux du combustible et/ou de l'oxydant,
c'est-à-dire suivant l'axe longitudinal du tube.
Une variante de réalisation propose une intercon-
nexion électrique sur une région en arc de cercle du tube reliée par exempte à l'anode interne, des tubes adjacents étant alors regroupés tangentiellement les uns à côté des autres afin d'établir un branchement en série entre La cathode et L'anode. Du fait que la courant doit circuler circonférentiellement le long des matériaux constituant La cathode et L'anode, il
se produit d'importantes pertes par résistance électrique.
De plus, Les tubes de support sont passifs et Lourds, si bien que les intensités de puissance et d'énergie sont réduites par comparaison avec d'autres formes de conversion d'énergie, englobant même les celLuLes électrochimiques à électrolyte liquide d'une
utilisation plus courante à de plus basses températures.
La présente invention fournit une réaLisation perfectionnée de cellules électrochimiques raccordées en série et présentant chacune un noyau ou coeur du type nids d'abeilles formé d'un grand nombre d'alvéoles ou passages individuels de petites dimensions et de conception monolithiques, que le combustible et l'oxydant
parcourent en vue de leur conversion électrochimique.
Un objet fondamental de la présente invention consiste à proposer un ensemble ou une rangée d'éléments de cellule électrochimique reliés en série, et dont chacun comporte un coeur monolithique du type nids d'abeilles comprenant seulement et exclusivement les matériaux actifs constituant l'anode, la cathode, L'électrolyte et le moyen d'interconnexion, sans aucune substance
passive assurant le support.
Un objet plus spécifique de l'invention consiste à fournir un ensemble ou une rangée d'éléments du type précité branchés en série, dont chacun possède un coeur monolithique du type nids d'abeilles comprenant seulement et exclusivement soit les matériaux constituant l'anode et la cathode prenant en sandwich l'électrolyte, soit ces matériaux constituant l'anode et la cathode prenant en sandwich le matériau d'interconnexion, si bien que les cellules sont par ailleurs dépourvues de matériaux
passifs destinés au support.
L'invention vise en outre à proposer un ensemble ou une rangée d'éléments du genre précité raccordés
82155
en série, et dont chacun présente un coeur monolithique formé seulement et exclusivement des matériaux actifs spécifiques constituant l'anode, la cathode, l'électrolyte et le moyen d'interconnexion; des régions correspondantes des parois des coeurs sont transformées par fusion en des structures composites similaires, puis ces régions sont orientées côte à côte selon des rangées de passages agencés en alternance et conçus de façon que le combustible et l'oxydant parcourent les passages adjacents en alternance; les anodes et les cathodes d'éléments de la cellule
longitudinalement adjacents sont raccordées en série.
Un autre objet de la présente invention consiste à fournir une cellule pour combiner électrochimiquement un combustible et un oxydant de manière à engendrer une puissance galvanique de sortie, comprenant une rangée d'éléments agencés longitudinalement et raccordés en série, chaque élément de la cellule consistant pour l'essentiel en de minces couches d'un matériau constituant la cathode et d'un matériau constituant l'anode qui emprisonnent respectivement en sandwich une mince couche du matériau constituant L'électrolyte, de façon à délimiter un grand nombre de passages empruntés par le combustible et l'oxydant et dont les surfaces internes sont formées seulement par le matériau constituant l'anode ou par le matériau constituant la cathode, un matériau d'interconnexion établissant le branchement en série entre les cathodes et les anodes d'éléments longitudinalement adjacents, La cellule présentant par ailleurs des moyens pour diriger le combustible et l'oxydant par les passages respectifs, ainsi que des moyens pour diriger la puissance galvanique de sortie, provenant des matériaux consituant
l'anode et la cathode, vers un circuit externe.
Sous un autre de ses aspects, la présente invention propose un élément de cellule électrochimique pour combiner électrochimiquement un combustible et
82155
un oxydant de manière à engendrer une puissance galvanique de sortie, consistant en une structure du type nids d'abeilles constituée pour l'essentiel par de minces couches d'un matériau constituant la cathode et d'un matériau constituant l'anode, qui prennent respectivement en sandwich une mince couche de matériau constituant l'électrolyte et conçu pour délimiter un grand nombre de passages empruntés par le combustible et l'oxydant, et dont les surfaces internes sont formées seulement par le matériau constituant l'anode ou seulement par le matériau constituant la cathode; dans chaque passage, le matériau constituant la cathode s'étend au-delà du matériau constituant l'anode à l'une de ses extrémités, et le matériau constituant l'anode s'étend au-deLà
du matériau constituant la cathode à son autre extrémité.
Les matériaux constituant respectivement l'anode, la cathode, l'électrolyte et le moyen d'interconnexion sont sélectionnés et modifiés pour correspondre aux caractéristiques considérées de conduction électrique de la cathode, de l'anode et du matériau d'interconnexion; aux propriétés de transfert ionique et d'isolation électronique de l'électrolyte; à l'exigence relative à la perméabilité de la cathode et de l'anode aux gaz; ainsi qu'à l'exigence concernant l'inperméabilité aux
gaz de l'électrolyte et du matériau d'interconnexion.
Similairement, l'intégrité structurelle, les coefficients de dilatation et de contraction thermiques ainsi que l'intégrité cristalline du coeur monolithique composite représentent les paramètres fonctionnels spécifiques de température de pression de débit gazeux, de tension et d'intensité du courant nécessaires pour fournir
une efficacité optimale.
Dans une forme de réalisation préférentielle de l'invention, les couches d'interconnexion et d'électrolyte sont minces (0,002-0,01 cm), tandis que les couches
82155
emprisonnantes de la cathode et de l'anode peuvent
accuser du simple au quintuple de cette épaisseur (0,002-
0,05 cm).
Les coeurs monolithiques et leur branchement en série fournissent une intensité de puissance notablement accrue (représentant approximativement cinquante fois celle d'une cellule chimique classique du type à tube de support), du fait des plus grandes zones actives d'exposition au combustible et à L'oxydant en comparaison avec les volumes correspondants en circulation et, en outre, par suite des longueurs réduites des trajets parcourus par le courant, qui accusent globalement de moindre grandes pertes électriques internes par résistance. Le coeur monolithique de chacun des éléments de la cellule électrochimique branchés en série élimine toutes les structures de support autres que les matériaux actifs proprement dits; de plus, les couches constituant
l'anode, la cathode, l'électrolyte et le matériau d'inter-
connexion sont très minces de façon à réduire Le poids de la cellule. Comme les passages délimités dans le coeur et parcourus par le combustible et l'oxydant présentent de petites dimensions, les couches de substances peuvent être minces tout en exerçant un effet d'autosupport couvrant les faibles distances à travers les passages ainsi délimités. Il est possible de supprimer des structures classiques du type à tubes de support. De surcroît, les trajets plus courts nécessaires à la circulation du courant permettent la présence de minces couches de matériaux actifs. La conception du coeur monolithique minimise des pertes par diffusion en éliminant totalement le tube de support épais et en faisant usage de minces électrodes actives, tandis que le branchement en série des éléments de la cellule, ayant exclusivement lieu avec les composants précités contribue à l'efficacité
globale de la cellule.
82155
D'autres objets, avantages et caractéristiques nouvelles de l'invention seront exposés en partie dans
la description ci-après et apparaîtront en partie à
l'homme de l'art à la lumière de ce qui suit, ou par la mise en pratique de l'invention. Selon d'autres possibilités de réalisation de la cellule et de l'élément conformes à l'invention: - le matériau constituant la cathode est le manganite de lanthane (LaMnO3); le matériau constituant l'anode est un cermet ou un mélange de cobalt et de zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium (Co + ZrO2Y203); le matériau constituant l'électrolyte est de la zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium (ZrO2 + Y203); et le matériau d'interconnexion est du chromite de lanthane (LaCrO3), le manganite de lanthane et le chromite de lanthane étant adéquatement dopés pour obtenir la conductivité électrique; - le matériau d'interconnexion est intercalé entre le matériau constituant l'anode et le matériau constituant la cathode d'éléments adjacents de ladite cellule; - les parois délimitant les passages sont sensiblement pleines et forment un grand nombre de carrés observés en coupe transversale; - la cathode est du manganite de lanthane (LaMnO3); l'anode est un cermet ou un mélange de cobalt et de zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium (Co+ZrO2Y203); l'électrolyte est de la zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium (ZrO2+Y203) ; et le
82155
matériau d'interconnexion est du chromite de Lanthane (LaCrO 3), le manganite de Lanthane et le chromite de lanthane étant adéquatement dopés pour obtenir la conductivité électrique; - les moyens pour diriger la puissance galvanique de sortie des matériaux constituant l'anode et la cathode, vers un circuit externe, consistent en un matériau électriquement conducteur entourant l'éLément extrême à chaque extrémité de la rangée; chaque couche des matériaux constituant l'électrolyte et le moyen d'interconnexion présente une épaisseur de l'ordre de 0,002 cm à 0,01 cm, chaque couche des matériaux constituant la cathode et l'anode comportant une épaisseur de l'ordre de 0,002 à 0,05 cm; - chaque paroi formant le passage emprunté par le combustible ou l'oxydant présente une épaisseur de 0,006 cm à 0,11 cm;
- chaque élément présente une étendue longi-
tudinale comprise entre environ 0,1 cm et environ cm; - la rangée compte entre deux et environ cinquante éLéments; - le nombre d'éléments présents dans la rangée se situe dans La plage allant de deux à environ dix; chaque élément est carré, observé en coupe transversalement à la direction de l'écoulement du combustible et de l'oxydant, sa longueur de côté étant située dans la plage d'environ 5 cm à environ 70 cm;
82155
- La cellule présente une isolation thermique entourant La rangée; - La Longueur dont Les matériaux constituant respectivement L'anode ou La cathode dépassent au-delà L'un de L'autre se situe dans La plage comprise entre environ 0,002 cm et environ 0,01 cm; - Le matériau d'interconnexion est en contact électrique avec le matériau constituant
l'anode ou La cathode, et s'étendant vers l'extérieur.
La demande de brevet n 541 184, intitulée "Method of Fabricating a Monolithic Core for a Solid Oxide Fuel CelL", déposée Le 12 Octobre 1983 et dont les co-inventeurs sont Stanley A. Awick and John P. Ackerman, traite de L'application répétitive et séquentielle de couches superposées de chacun des matériaux constituant L'anode, la cathode, L'électrolyte et Le moyen d'interconnexion, de manière à former les parois du coeur constituant le matériau d'interconnexion et l'électrolyte aux extrémités des parois ou dans l'alignement des
passages de circulation délimités par ces parois.
Chaque paroi du coeur constituant électrolyte et le matériau d'interconnexion est formée par les matériaux respectifs constituant l'anode et la cathode, qui sont déposés par couches sur les côtés opposés du matériau constituant l'électrolyte,
ou sur les côtés opposés du matériau d'interconnexion.
Chaque dépôt individuel de chaque matériau séparé a lieu simultanément sur toute la section transversale
du coeur, ce qui permet de donner, aux passages par-
courus par le combustible et l'oxydant, des formes ou
82155
des sections compliquées d'une manière aussi simple
que pour des sections réguLières ou symétriques.
La demande de brevet intitulée "Integral Manifolding Structure for Fuel CelL Core Having Parallel Gas Flow", dont l'inventeur unique est Joseph E. Herceg et qui est entre-temps devenue le brevet U.S. 4 476 197 délivré le 9 Octobre 1984, décrit des moyens pour diriger le combustible et
l'oxydant sous forme gazeuse vers des passages d'écou-
lement parallèles ménages dans le coeur. Une paroi du coeur fait saillie au-delà des extrémités ouvertes
des passages ainsi délimités, et se trouve approxi-
mativement à mi-distance entre les parois adjacentes d'interconnexion susjacentes et sous-jacentes, de manière à délimiter des chambres collectrices sur des côtés opposés de la paroi. Chaque paroi d'électrolyte délimitant Les passages d'écoulement est configurée de manière à se confondure avec cette paroi et à lui être assujettie, en vue de renvoyer les passages correspondants à combustible et à oxydant vers les chambres collectrices respectives situées soit au-dessus, soit au- dessous de cette paroi intermédiaire. Des raccords respectifs d'admission et de sortie sont ménagés sur ces chambres collectrices séparées, de façon à acheminer les gaz combustible et oxydant vers le coeur, et à éliminer de ce coeur
les produits de réaction desdits gaz.
La demande de brevet intitulée "Solid Oxide Fuel Cell Having Monolithic Cross Flow Core and Manifolding", dont les co-inventeurs, sont Roger B. Poeppel et Joseph T. Dusek et qui est devenue le brevet U.S. 4 476 196 délivré Le 9 Octobre 1984, expose une conception de coeur monolithique dans lequel
82155
les passages de circulation du combustible et de l'oxydant s'étendent transversalement les uns aux autres, ce qui permet d'atteindre pour ces gaz et
leurs produits de réaction, un recueillement s'effec-
tuant sur toute la surface du coeur. La réalisation de ce coeur est telle que seulement le matériau
constituant l'anode entoure chaque passage de circu-
lation du combustible et seul le matériau constituant la cathode entoure chaque passage emprunté par l'oxydant, chacun de ces matériaux constituant respectivement l'anode et la cathode étant par ailleurs emprisonné, sur des côtés opposés espacés, entre les matériaux
constituant l'électrolyte et le moyen d'interconnexion.
En outre, ces structures composites des parois de l'anode et de la cathode sont empilées alternativement l'une sur l'autre (l'éLectrolyte de séparation ou le matériau d'interconnexion étant typiquement formé par une unique couche commune), ce qui fait que les passages de circulation du combustible et de l'oxydant sont
agencés transversalement les uns aux autres.
La demande de brevet n 541 176, déposée le 12 Octobre 1983, intitulée "Solid Oxide Fuel Cell Having Compound Cross Flow Gas Patents" et dont l'inventeur unique est Anthony W. Fraioli, décrit une réalisation d'un coeur présentant des trajets à la fois
parallèLes et transversaux d'écoulement des gaz com-
bustible et oxydant. Chaque paroi d'interconnexion de la cellule se présente sous la forme d'une feuille de matière inerte de support renfermant de petits plots espacés d'un matériau d'interconnexion, les matériaux constituant la cathode et l'anode étant conçus en tant que couches sur des côtés opposés de chaque feuille, et étant en contact électrique mutuel par l'intermédiaire des plots de matériau d'interconnexion. Chaque paroi
82155
d'interconnexion de forme ondulée est intercalée, Le
long de zones de contact linéaire espacées et sensi-
blement parallèles, entre des paires espacées corres-
pondantes de parois sensiblement parallèles formant l'électrolyte, ayant pour fonction de délimiter un échelon de passages sensiblement parallèles, assurant la circulation des gaz combustible et oxydant. Des échelons intercalaires sont agencés de telle sorte que leurs passages soient perpendiculaires les uns aux autres. Cela confère la liaison mécanique robuste, uniquement en des zones espacées de contact ponctuel, entre les parois d'interconnexion d'échelons adjacents et les côtés opposés de la paroi électrolytique commune emprisonnée entre ces derniers, les zones de contact linéaire précitées se croisant mutuellement. La matière inerte de support représente entre 2 % et 98 X en poids de l'ensemble du coeur, ce pourcentage variant selon
les besoins afin de minimiser les différences de dila-
tation thermique des structures composites des parois
du coeur.
La demande de brevet intitulée "Solid Oxide Fuel Cell Having MonolithicCore", dont les co-inventeurs sont John P. Ackerman et John E. Young et qui est devenu entre-temps le brevet US-4 476 198 délivré le
9 Octobre 1984, décrit un coeur de conception mono-
lithique se composant seulement de matériaux prenant part activement aux réactions électrochimiques. Cela
signifie que les parois électrolytique et d'intercon-
nexion du coeur seraient formées, respectivement, seulement par des matériaux constituant l'anode et la cathode et déposés sur des côtés opposés du matériau électrolytique, ou sur des côtés opposés du matériau d'interconnexion. Cela autorise l'utilisation de couches de matériaux très minces avec, pour résultat, de très
82155
minces parois composite du coeur. Ces parois composites très minces peuvent être conformées afin de délimiter de petits passages, tout en continuant de présenter une integrité- structureLLe suffisante pour résister à la pression du fluide engendrée par La circulation des gaz dans Les passages, ainsi qu'aux contraintes mécaniques du poids des parois du coeur empiLées les unes sur les autres. Cela augmente avantageusement l'intensité de puissance de la cellule électrochimique,
du fait de sa dimension et son poids réduits.
L'invention va à présent être décrite plus en détail à titre d'exemples nullement limitatifs, en regard des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une perspective schématique d'une cellule électrochimique présentant une rangée d'éléments, cette figure illustrant une partie des collecteurs extrêmes qui met en évidence la conception de base de l'invention; - la figure 2 est une coupe fragmentaire à effet agrandie de la rangée d'éléments de la cellule illustrés sur la figure 1; - la figure 3 est une coupe fragmentaire de la rangée de la figure 2, selon la ligne III-III; - la figure 4 est une coupe fragmentaire de la rangée illustrée sur la figure 3, selon la ligne
IV-IV;
- la figure 5 est une coupe fragmentaire de la rangée représentée s-ur la figure 4, selon la ligne V-V; - la figure 6 est une coupe fragmentaire de la rangée représentée sur la figure 5, selon la ligne VI-VI; - la figure 7 est une vue partielle en coupe de la cellule électrochimique montrée par la figure 1, illustrant des parties de la réalisation des collecteurs;
82155
- la figure 8 est une vue similaire à La figure 2, concernant une autre forme de réalisation de L'invention; - la figure 9 est une coupe fragmentaire de la ceLLuLe iLLustrée sur La figure 8 selon la ligne
IX-IX;
- la figure 10 est un graphique mettant en évidence la relation existante entre La longueur de rangée et la puissance électrique d'une rangée d'éléments de la cellule selon l'invention; et - la figure 11 est un graphique représentant la relation existant entre la perte par résistance et la longueur du trajet parcourue par le courant dans le coeur monolythique de la présente invention, comparé avec le coeur combustible selon l'art antérieur, du
type Westinghouse.
La figure 1 illustre une cellule électrochimique composée d'une rangée 25 d'éléments 26, l'élément occupant la position extrême étant respectivement relié à un collecteur d'admission 21 et à un collecteur de sortie 22. Ces collecteurs 21 et 22 présentent des raccords d'admission 23 et des raccords de sortie 24 permettant la délivrance ou l'expulsion des produits de réaction comme exposé ci-après. Chacun des éléments 26 de la cellule est raccordé en série aux éléments voisins, à l'aide d'une zone 27 d'un matériau d'interconnexion 41. Des conducteurs 28 de prélèvement de puissance sont connectés électriquement à des barres omnibus 29 en contact le matériau d'interconnexion 41, lequel traverse une paroi 31 de la rangée 25 sur ses éléments extrêmes. Pour finir, comme représenté sur la figure 2, L'ensemble de la rangée 25 est entouré par une isolation
thermique 30.
Comme le montrent les figures 2 à 6, la rangée 25 se compose d'une série d'éléments 26 de la cellule, qui sont chacun de section carrée et sont reliés les uns aux autres pour former une structure 35 du type nids d'abeilles, qui délimitent des passages adjacents 36 et 37 assurant respectivement la circulation du combustible et de l'oxydant. Chacun des éléments 26 est formé uniquement et exclusivement de parois planes d'un matériau 38 constituant l'anode ou de parois planes d'un matériau 39 constituant la cathode, qui emprisonnent entre-elles un matériau 40 constituant l'électrolyte, ou le matériau d'interconnexion 41. D'une manière bien connue, la puissance galvanique de sortie effective est engendrée par la présence d'une anode 38 et d'une cathode 39 prenant en sandwich un électrolyte 40, le combustible étant mis en contact avec l'anode 38 et l'oxydant étant mis en contact avec la cathode 39, ce qui engendre la puissance galvanique de sortie de
la cellule électrochimique 20.
Comme on le voit notamment sur la figure 3, la structure 35 du type nids d'abeilles se compose de plusieurs passages adjacents 36 et 37 de section carrée, par lesquels circulent respectivement le combustible et l'oxydant, et qui sont respectivement délimités par quatre parois anodiques planes 38 d'interconnexion
et par quatre parois cathodiques planes 39 d'interconnexion.
L'utilisation des expressions "parois cathodiques" ou "parois anodiques" signifie que le matériau formant la paroi est exclusivement le matériau constituant la cathode ou l'anode. Par conséquent, la structure en nids d'abeilles est exclusivement composée de matériaux prenant activement part à la production d'une énergie galvanique de sortie, exception faite, comme expliqué ci-après, du matériau d'interconnexion 41 servant à établir le branchement en série des éléments 26 adjacents. La réalisation conforme à l'invention ne renferme ni matière de support, ni autre matière
82155
2O passive pouvant diminuer l'efficacité de la cellule électrochimique. Bien qu'on puisse utiliser un grand nombre de configurations géométriques (par exemple triangulaires ou circulaires), la forme de réalisation préférentielle est un élément 26 de section transversale carrée, comme illustré sur la figure 3. Comme il apparaîtra à l'homme de l'art, chaque élément 26 de la cellule dans une rangée particulière de la structure 35 en nid d'abeilles est raccordé en parallèle et présente sensiblement la même tension, étant donné que la tension est déterminée par le débit et le volume du combustible et de l'oxydant longeant les parois anodiques 38 et les parois cathodiques 39. La structure préférentielle n'accuse aucun espace mort entre les parois, sauf
aux coins de chaque élément 26, ce qui prodigue la -
configuration géométrique la plus efficace possible.
Comme représenté sur les figures 2 à 6, chaque élément 26 de la cellule possède une section transversale carrée et se compose de quatre parois anodiques 38 et de quatre parois cathodiques 39, sur des côtés opposés d'un mince électrolyte 40. A l'une des extrémités de chaque élément 26, une région de la paroi anodique s'étend au-delà de l'électrolyte adjacent 40 s'étendant au-delà du matériau adjacent 39 constituant la cathode; à l'autre extrémité dudit élément 26, le matériau 39 constituant la cathode s'étend au-delà du matériau adjacent 40 formant l'électrolyte, lequel s'étend à
son tour au-delà du matériau adjacent 38 formant l'anode.
Les trois couches représentant le matériau anodique 38, le matériau cathodique 39 et le matériau électrolytique intercalaire 40 sont étagées, ce qui est important pour la formation d'un branchement en série, tout en
évitant un court-circuitage d'éléments 26 adjacents.
Comme le met particulièrement en évidence la figure 5, le matériau d'interconnexion 41 se présente comme des
82155
carrés entourant chaque élément 26, et établit une connexion électrique entre l'anode 38 s'étendant vers l'extérieur dans une cellule et la cathode 39 s'étendant vers l'extérieur dans la cellule adjacente, afin de relier en série des éléments 26 adjacents. En outre, on fera observer que les anodes 38 d'éléments 26 adjacents sont séparées comme le sont Les cathodes 39 de ces éléments 26, afin d'empêcher un court-circuit électrique d'éléments voisins de la cellule. Les figures 4 et 6 montrent respectivement les espaces situés entre la cathode 39 et l'anode 38 dans des éléments adjacents 26 de la cellule. Le matériau 41 assure la connexion électrique en série entre les segments voisins 26 s'étendant longitudinalement, formant ainsi la rangée 25 d'éléments présentant la structure
en nids d'abeilles illustrée sur les dessins.
Comme le montre la figure 7, les collecteurs 21 et 22 comportent chacun une matière de blocage 45 qui coopère avec des bandes 46 de matière collectrice, ce qui délimitent des trajets de jonction de l'oxydant vers les cathodes 39 et du combustible vers les anodes 38, par l'intermédiaire des passages respectifs 37 et 36. IL convient de noter que la matière de blocage se trouve aux coins d chaque élément 26 afin d'établir une liaison entre des anodes 38 opposées diagonalement et des cathodes 39 opposées diagonalement, tout en
empêchant un mélange du combustible et de l'oxydant.
Les matières 45 et 46 utilisées dans les collecteurs peuvent être identiques aux matériaux électrolytiques
40 comme exposé ci-après.
L'on se référera aux figures 8 et 9, qui représentent une variante de réalisation de l'invention dans laquelle une rangée 55 d'éléments individuels 56 de la cellule électrochimique comporte des conducteurs 58 de prélèvement de puissance, raccordés par des barres
82155
omnibus 59 en contact avec un matériau d'interconnexion 71 qui traversent une paroi 61 de la rangée, sur ses éléments 56 occupant les positions extrêmes. Une isolation thermique
est prévue, comme dans Le type de réalisation précédent.
Les éléments 56 sont agencés en une structure 65 du type nid d'abeilles dans laquelle des parois anodiques 68 et des parois cathodiques 69 délimitent des passages adjacents 66 et 67 assurant respectivement La circulation du combustible et de l'oxydant, exactement de la même
manière que pour la structure 35 en nids d'abeilles.
Un matériau 68 constituant l'anode est séparé d'un matériau 69 constituant la cathode par un matériau constituant l'électrolyte de la manière décrite ci-avant, Le raccordement électrique en série de cathodes et d'anodes adjacentes étant établi au moyen d'un matériau
d'interconnexion 71.
La différence entre les éléments 26 et 56 de La cellule réside dans la conception du matériau d'interconnexion 71, qui n'est pas chevauché par une anode 68 et une cathode 69 adjacentes, mais se trouve entre Les surfaces extrêmes de L'anode 68 et de la cathode 69 dans des éléments 56 voisins. Dans la forme de réalisation illustrée sur les figures 8 et 9, le matériau 71 est plus épais que Le matériau 41 et bute seulement contre les surfaces extrêmes de l'anode 68 et de la cathode 69, tandis que, sur La figure 2, le matériau 41 se trouve entre les régions de chevauchement d'une anode 38 et d'une cathode 39 attenantes. Dans le cas des éléments 56 également, les surfaces extrêmes de l'électrolyte 70 viennent à fleur des surfaces extrêmes de l'anode 68 à l'une des extrémités et de la cathode 69 à l'autre extrémité, ce qui fournit L'isolation électrique nécessaire entre les cathodes d'éléments 56 ajdacents, ainsi qu'entre les anodes de ces éléments 56. A touts autres égards, les éléments 56 de la cellule
82155
sont identiques aux éléments 26.
Comme on le voit sur les figures 2 et 3, chaque paroi de la structure 35 en nid d'abeilles comprend le matériau 38 constituant l'anode, le matériau 39 constituant la cathode et l'électrolyte intercalaire 40, ce qui donne naissance à des passages 36 et 37 permettant respectivement la circulation du combustible et de l'oxydant sur des côtés opposés de chaque cellule, ayant une structure du type à trois couches. Le combustible gazeux est convoyé, à partir d'une source non représentée, vers l'un des collecteurs 21, 22 de façon à parcourir les passages 36 en direction du collecteur de sortie, à l'autre extrémité de la rangée 25. Similairement, l'oxydant est acheminé à partir d'une source vers l'autre collecteur si la circulation s'effectue à contre-courant, ou vers l'autre extrémité du même collecteur que le combustible si la circulation s'opère dans le même sens. Le combustible et l'oxydant, délivrés à la structure avec les degrés de pureté et les débits requis, réagissent électrochimiquement en traversant les parois formés par les matériaux à trois couches sus-mentionnés, c'est-à-dire les parois formées par une combinaison de l'anode 38, de la cathode 39 et de l'électrolyte 40 emprisonnés entre ces dernières. Le combustible et l'oxydant qui ne sont pas consommés dans la structure , avec des produits réactifs combinés par combustion à l'intérieur du collecteur de sortie 21, 22, sont ensuite évacués de la cellule 20 en même temps que
les autres produits de réaction.
IL peut être avantageux de prévoir une légère réduction de section de l'extrémité de sortie des passages 36 empruntés par le combustible, de telle sorte que du combustible non consommé provenant desdits passages soit projeté dans les collecteurs de sortie 21, 22 dans lesquels il entre en réaction, sous la forme de
82155
jets de flammes, avec l'oxydant qui s'y trouve. Cette réduction de la section de sortie du combustible atténue également l'éventualité d'un reflux d'oxydant dans les passages 36 à combustible à partir des collecteurs de sortie 21, 22, ce qui provoquerait une réaction directe combustible-oxydant à l'intérieur du passage anodique. En général, la différence de pression entre le combustible et les produits de réaction dans le collecteur 21, 22 est très faible, de même que la vitesse
des gaz circulant dans les passages 36, 37.
L'on fera observer que le matériau 38 constituant l'anode et le matériau 39 constituant la cathode étant situés sur des côtés opposés de l'électrolyte 40, il est donné naissance à une cellule électrochimique qui combine éLectrochimiquement le combustible et l'oxydant charriés respectivement dans les passages 36 et 37, de manière à engendrer un potentiel électrique à travers
l'électrolyte 40.
Il est évident que le matériau anodique 38 et le matériau cathodique 39 présentent le degré de
porosité requit afin de permettre la combinaison éLectrochi-
mique des gaz combustible et oxydant emprisonnés sur
des côtés opposés de ces matériaux; en revanche, l'électro-
lyte 40 et le matériau d'interconnexion 41 sont imperméables et servent à isoler complètement l'un de l'autre le combustible gazeux et l'oxydant gazeux. Similairement, le matériau 40 constituant l'électrolyte n'assure aucune conduction électrique entre le matériau 38 formant l'anode et le matériau 39 formant la cathode qui sont situés sur ces côtés opposés, mais ce matériau 40 assure une conductivité ionique; de surcroît, tant l'anode 38
que la cathode 39 sont électriquement conductrices.
D'autre part, le matériau d'interconnexion 41 raccorde électriquement des éléments 26 adjacents dans la cellule, en reliant l'anode 38 de l'un des éléments à la cathode 39
de l'élément voisin.
82155
Concrètement, une celLuLe électrochimique du type ilLustré dans le présent mémoire comrpend un grand nombre d'éléments 26 raccordés en série et, par exemple, pas moins de cinquante éléments branchés en série qui s'étendent longitudinalement. Les éléments extrêmes 26 dans la rangée 25 sont connectés électriquement par l'intermédiaire de conducteurs de prélèvement 28, lesquels sont raccordés électriquement auxdits éléments extrêmes 26 au moyen de barres omnibus 29 ou d'autres connexions électriques appropriées. Les conducteurs 28 peuvent être raccordés aux éléments extrêmes 26 par Le matériau d'interconnexion 41 ou par un autre matériau adéquat, qui peut former un seul tenant avec la cellule 20 ou peut entourer cette dernière avec contact électrique. D'une manière bien connue dans le domaine des cellules électrochimiques à oxyde solide, il est préférable que les conducteurs 28 se trouvent dans un environnement de combustible plutôt que dans un environnement d'oxydation, de sorte qu'il peut-être avantageux de soutirer une petite quantité de combustible
au-dessus des conducteurs 28, afin d'en minimiser l'oxyda-
tion. Dans la structure décrite 35 en nid d'abeilles, les interstices entre les parois des éléments 26 de la cellule sont plutôt restreints, de manière à doter les passages 36 et 37 de sections relativement modestes, de l'ordre de plusieurs millimètres-carrés. Du fait de ces interstices restreints entre les parois, les matériaux déposés en des couches minces, dont l'épaisseur ne totalise à chaque fois que des fractions d'un millimètre, présente néanmoins une robustesse structurelLe suffisante pour supporter le poids des éLéments 26 et n'importe quelles charges de pression imposées par les gaz et/ou
par la réaction.
La forme de réalisation de la cellule électrochi-
mique 20 illustrée dans le présent mémoire fournit
82155
un réseau de passages du combustible et de l'oxydant ayant un rapport très efficace entre la superficie du matériau 40 constituant la paroi électrolytique et celle du matériau d'interconnexion 41, de manière à produire à la fois une forte intensité de courant ainsi qu'une haute tension, par suite du branchement des éléments 26 en série. Dans la réalisation illustrée, Les passages 36 à combustible et les passages 37 à oxydant sont mutuellement parallèles, cependant que les parois formant ce passage sont planes et délimitent
un grand nombre de carrés observées en coupe transversale.
La longueur de chaque élément 26 peut être comprise entre environ 0,1 cm et environ 5 cm, tandis que la largeur de chaque élément ou la longueur de paroi de chaque élément formant chaque carré sera du même ordre, c'està-dire comprise entre environ 0,1 cm et environ cm. La largeur de toute la structure 35 en nid d'abeilles ainsi que sa hauteur peuvent se situer à n'importe quel endroit dans la plage comprise entre environ 5 cm et environ 70 cm, le nombre des éléments 26 reliés longitudinalement pouvant être compris entre environ 2 et environ 50. Le procédé pour fabriquer la structure ainsi que les collecteurs 21, 22 est exposé dans Les documents cités en référence dans le préambule
auxquels il convient de se référer.
Typiquement, l'électrolyte 40 peut présenter une épaisseur comprise entre 0,002 cm et 0,01 cm et située de préférence dans la plage de 0,002 cm à 0, 05 cm; quand à elles, l'anode et la cathode peuvent posséder une épaisseur comprise entre environ 0,002 cm et 0,05 cm et située, de préférence, dans la plage d'environ 0,005 cm à environ 0,002 cm. Par conséquent, la paroi composite englobant le matériau 38 constituant l'anode, le matériau 39 constituant La cathode et le matériau éLectrolytique présenterait une épaisseur comprise entre environ 0,006 cm
82155
et 0,011 cm et située de préférence dans la plage d'environ 0,012 cm à environ 0,045 cm. Le matériau d'interconnexion 41 possède une épaisseur correspondant à celle du matériau constituant l'électrolyte et, en conséquence, la combinaison du matériau 38 constituant l'anode, du
matériau 39 constituant la cathode et du matériau d'inter-
connexion 41 a la même épaisseur que celle mentionnée ci-dessus au sujet de la combinaison de l'anode, de
la cathode et de l'électrolyte.
Une cathode typique consiste en du manganite de lanthane (LaMnO3); l'électrolyte consiste en de La zircone
stabilisée à l'oxyde d'yttrium (ZrO2+Y203); et l'anode con-
siste en un cermet ou un méLange de cobaLt et de zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium (Co+ZrO2Y203). Le matériau d'interconnexion 41 pourrait par exemple consister en du chromite de lanthane (LaCrO3) lorsque le manganite de lanthane (LaMnO3) et le chromite de lanthane (LaCrO3) sont adéquatement dopés pour obtenir une conductivité
électrique, comme cela est notoire dans l'art antérieur.
L'avantage de cellules électrochimiques raccordées en série est illustré par la figure 10, qui met en évidence la relation existant entre La puissance de la cellule et la longueur des éléments branchés en série. Un accroissement d'environ 6 % de la puissance électrique est disponible lorsque des éléments individuels sont connectés électriquement en série suivant le sens du trajet parcouru par les produits réactifs, par opposition
à des configurations à connexions de potentiels égaux.
Cet avantage obtenu résulte du gradient de potentiel électrique provenant de l'épuisement des produits de réaction sur la longueur du coeur monolithique. Par rapport à la cellule de l'art antérieur raccordée en série, décrite par la Westinghouse Electric Corporation dans un rapport annuel couvrant la période du 1er Juin 1980 au 30 Mai 1981 et intitulé "Higt Temperature, Solid
82155
Oxide Electrolyte Fuel CeLL Power Generating System", L'un des avantages principaux de la réalisation conforme à la présente invention réside dans les courts trajets devant être parcourus par le courant dans les électrodes, ce qui minimise les pertes par résistance dans les électrodes, constituant les pertes principales dans
une cellule de ce genre.
La figure 11 met en évidence la relation existant entre le potentiel électrique et la perte par résistance réduite du fait des moindres longueurs des trajets du coeur monolithique de la présente invention, en comparaison avec la conception Westinghouse de cellules électrochimiques à oxyde solide, de configuration tubulaire ou du type pile pour lampe de poche. Comme il ressort de la figure 11, la perte par résistance de la cellule selon l'invention est considérablement moindre que
celle accusée par la cellule tubulaire selon Westinghouse.
Sous un autre aspect de l'invention, Les conducteurs 28 de prélèvement de puissance peuvent être directement raccordés aux éléments extrêmes 26 de la rangée 25 au moyen du matériau d'interconnexion 41, ce qui supprime la présence nécessaire de barres omnibus 29 et diminue grandement les trajets parcourus par le courant, ainsi que la résistance électrique dans la cellule 20. L'ensemble de la conception de cette cellule 20, englobant la réalisation de la structure à nid d'abeilles ainsi que l'utilisation d'un matériau d'interconnexion 41 pour raccorder en série les éléments 26 adjacents, produit une cellule 20 bien plus compacte que jusqu'à présent, ce qui autorise la génération
de tensions notablement plus grandes.
Bien que la description qui précède concerne
les formes de réalisation de la présente invention actuellement considérées comme préférentielles, il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être
82155
apportées à la cellule et à l'élément décrits et représentés,
sans sortir du cadre de l'invention.
82155
Claims (20)
1. CelLule éLectrochimique pour combiner éLectrochimiquement un combustible et un oxydant de manière à engendrer une puissance galvanique de sortie, cellule caractérisée par le fait qu'elle comprend une rangée (25; 55) d'éléments (26; 56) agencés Longitudinalement et raccordés en série, chaque élément de ladite cellule consistant pour l'essentiel en de minces couches d'un matériau constituant la cathode (39; 69) et d'un matériau constituant l'anode (38; 68), qui prennent respectivement en sandwich une mince couche du matériau constituant l'électrolyte (40; 70) conçu pour délimiter un grand nombre de passages (36, 37; 66, 67) empruntés par le combustible et l'oxydant et dont les surfaces internes sont formées seulement par le matériau constituant l'anode ou seulement par le matériau constituant la cathode; un matériau d'interconney (41; 71) établissant le branchement en série entre les cathodes et les anodes d'éléments longitudinalement adjacents (26; 56); des moyens (21, 22) pour diriger le combustible et l'oxydant par les passages respectifs; ainsi que des moyens (28, 29; 58, 59) pour diriger la puissance galvanique de sortie, provenant des matériaux constituants l'anode (38; 68) et la cathode (39; 69),
vers un circuit externe.
2. Cellule selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le matériau constituant la cathode (39; 69) est du manganite de lanthane (LaMnO3); le matériau constituant l'anode (38; 68) est un cermet ou un mélange de cobalt et de zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium (Co+ ZrO2Y203); le matériau constituant l'électrolyte (40; 70) est de la zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium (ZrO2+Y203); et le matériau d'interconne: (41; 71)est du chromite de Lanthane (LaCrO3), le manganite de lanthane et le chromite de lanthane étant adéquatement
dopés pour obtenir la conductivité électrique.
82155
3. CelLule selon La revendication 1, caractérisée par Le fait que Le matériau d'interconnexion (41; 71) est intercalé entre Le matériau constituant L'anode (38; 68) et Le matériau constituant la cathode (39; 69) d'éléments adjacents (26; 56) de Ladite cellule.
4. CeLlule selon La revendication 1, caractérisée par Le fait que les parois (38, 39) sont sensiblement pleines et délimitent un grand nombre de passages
(36, 37; 66, 67) à section transversale carrée.
5. Cellute selon la revendication 4, caractérisée par le fait que la cathode (39; 69) est du manganite de lanthane (LaMnO3); l'anode (38; 68) est un cermet ou un mélange de cobalt et de zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium (Co+ZrO2Y203); l'électrolyte (40; 70) est de la zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium (ZrO2+Y203); et le matériau d'interconnexion (41; 71) est du chromite de lanthane (LaCrO3), le manganite de lanthane et Le chromite de lanthane étant adéquatement
dopés pour obtenir la conductivité électrique.
6. Cellule selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les moyens pour diriger la puissance galvanique de sortie des matériaux (39, 69; 38, 68) constituant l'anode et la cathode, vers un circuit externe, consistent en un matériau électriquement conducteur entourant l'élément extrême (26; 56) à
chaque extrémité de la rangée (25; 55).
7. Cellule selon la revendication 1, caractérisée par le fait que chaque couche des matériaux constituant l'électrolyte (40; 70) et le moyen d'interconnexion (41; 71) présente une épaisseur de l'ordre de 0,002 cm à 0,01 cm, chaque couche des matériaux constituant la cathode (39; 69) et l'anode (38; 68) comportant
une épaisseur de l'ordre de 0,002 à 0,05 cm.
8. Cellule selon la revendication 7, caracté-
risée par le fait que chaque paroi formant le passage (36,
37; 66, 67) emprunté par le combustible ou L'oxydant pré-
sente une épaisseur de 0,006 cm à 0,11 cm.
9. Cellule selon la revendication 1, caracté- risée par le fait que chaque élément (26; 56) présente une étendue longitudinale comprise entre environ 0,1 cm
et environ 5 cm.
10. Cellule selon la revendication 9, caracté-
risée par le fait que la rangée compte entre deux et envi-
ron cinquante éléments (26; 56).
11. Cellule selon La revendication 10, caracté-
risée par le fait que le nombre d'éléments (26; 56) pré-
sents dans la rangée se situe dans la plage allant de
deux à environ dix.
12. Cellule selon la revendication 1, caractéri-
sée par le fait que chaque élément (26; 56) est carré,
observé en coupe transversalement à la direction de l'écou-
lement du combustible et de l'oxydant, sa longueur de côté
étant située dans la plage d'environ 5 cm à environ 70 cm.
13. Cellule selon la revendication 1, caractéri-
sée par Le fait qu'elle présente une isolation thermique
entourant la rangée (25; 55).
14. Elément de cellule électrochimique pour
combiner électrochimiquement un combustible et un oxy-
dant de manière à engendrer une puissance galvanique de sortie, élément caractérisé par le fait qu'il consiste en une structure (35) du type nids d'abeilles formée pour
l'essentiel par de minces couches d'un matériau consti-
tuant la cathode (39; 69) et d'un matériau constituant
l'anode (38; 68) qui prennent respectivement en sand-
wich une mince couche d'un matériau constituant l'élec-
trolyte (40; 70) et conçu pour délimiter un grand nombre de passages (36, 37; 66, 67) empruntés par le combustible et par l'oxydant, et dont les surfaces
internes sont formées seulement par le matériau consti-
tiJant I 'anndp nl im pI impnt nt r I m=fari -al nefI *an
82155
la cathode; et par le fait que, dans chaque passage (36, 37; 66, 67), Le matériau constituant la cathode (39, 69) s'étend au-delà du matériau constituant
l'anode (38; 68) à l'une des extrémités, et le maté-
riau constituant l'anode s'étend au-deLà du matériau
constituant la cathode, à l'autre extrémité.
15. Elément selon la revendication 14, carac-
térisé par le fait que le matériau constituant la cathode (39; 69) est du manganite de lanthane (LaMnO3); le matériau constituant L'anode (38; 68) est un cermet ou un mélange de cobalt et de zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium (Co+ZrO2Y203); le matériau constituant l'électrolyte (40; 70) est de la zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium (ZrO2+Y203); et le matériau d'interconnexion (41; 71) est du chromite de lanthane (LaCrO3), le manganite de lanthane et le chromite de lanthane étant adéquatement dopés pour obtenir la
conductivité électrique.
16. ELément selon la revendication 14, carac-
térisé par le fait que l'épaisseur de la mince couche d'éLectrolyte (40; 70) se situe dans la plage comprise
entre environ 0,002 cm et environ 0,01 cm.
17. Elément selon la revendication 14, carac-
térisé par le fait que l'épaisseur de la mince couche
de matériau constituant l'anode (38; 68) ou de maté-
riau constituant la cathode (39; 69) se situe dans la
plage comprise entre environ 0,002 et environ 0,05 cm.
18. Elément selon la revendication 14, carac-
térisé par le fait que la longueur de cet éLément est
comprise entre environ 0,1 cm et environ 5 cm.
19. Elément selon la revendication 14, carac-
térisé par le fait que la longueur dont les matériaux constituant respectivement l'anode (38; 68) ou la cathode (39; 69) dépassent au-delà l'un de l'autre se situe dans la plage comprise entre environ 0,002 cm
et environ 0,01 cm.
82155
20. ELément selon La revendication 19, caractérisé par le fait le matériau d'interconnexion (41; 71) est en contact électrique avec le matériau constituant l'anode (38; 68) ou la cathode (39; 69), et s'étendant vers l'extérieur.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/736,168 US4666798A (en) | 1985-05-20 | 1985-05-20 | Serially connected solid oxide fuel cells having monolithic cores |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2582155A1 true FR2582155A1 (fr) | 1986-11-21 |
Family
ID=24958784
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR8607065A Withdrawn FR2582155A1 (fr) | 1985-05-20 | 1986-05-16 | Cellule electrochimique composee d'elements electrochimiques a oxyde solide et a coeur monolithique raccordes en serie, et element constitutif d'une telle cellule |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4666798A (fr) |
| JP (1) | JPS61269868A (fr) |
| CA (1) | CA1269699A (fr) |
| DE (1) | DE3616878A1 (fr) |
| FR (1) | FR2582155A1 (fr) |
| GB (1) | GB2175736B (fr) |
Families Citing this family (37)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3640206A1 (de) * | 1986-11-25 | 1988-06-01 | Basf Ag | Batterien aus methanol/luft-brennstoffzellen hoher energie- und leistungsdichte |
| US4761349A (en) * | 1987-03-19 | 1988-08-02 | University Of Chicago | Solid oxide fuel cell with monolithic core |
| US5009763A (en) * | 1989-04-24 | 1991-04-23 | Advanced Technologies Management, Inc. | Honeycomb solid oxide electrolytic cell assembly and method |
| DE3914244A1 (de) * | 1989-04-29 | 1990-10-31 | Asea Brown Boveri | Brennstoffzellenanordnung und verfahren zu deren herstellung |
| US5145753A (en) * | 1989-09-12 | 1992-09-08 | Mitsubishi Jukogyo Kabushiki Kaisha | Solid electrolyte fuel cell |
| DK166747B1 (da) * | 1989-12-05 | 1993-07-05 | Topsoe Haldor As | Braendselscelle og braendselscellestabel |
| JP2528989B2 (ja) * | 1990-02-15 | 1996-08-28 | 日本碍子株式会社 | 固体電解質型燃料電池 |
| DE4011079A1 (de) * | 1990-04-05 | 1991-10-10 | Interatom | Hochtemperaturbrennstoffzelle |
| DE4011506A1 (de) * | 1990-04-10 | 1991-10-17 | Abb Patent Gmbh | Brennstoffzellenanordnung und verfahren zu deren herstellung |
| US5205990A (en) * | 1990-08-02 | 1993-04-27 | Lawless William N | Oxygen generator having honeycomb structure |
| US5162167A (en) * | 1990-09-11 | 1992-11-10 | Allied-Signal Inc. | Apparatus and method of fabricating a monolithic solid oxide fuel cell |
| US5290642A (en) * | 1990-09-11 | 1994-03-01 | Alliedsignal Aerospace | Method of fabricating a monolithic solid oxide fuel cell |
| GB9023091D0 (en) * | 1990-10-24 | 1990-12-05 | Ici Plc | Composite membranes and electrochemical cells containing them |
| DE4104840A1 (de) * | 1991-02-16 | 1992-08-20 | Abb Patent Gmbh | Brennstoffzellenanordnung |
| DE4104838A1 (de) * | 1991-02-16 | 1992-08-20 | Abb Patent Gmbh | Keramisches material zur herstellung einer verstaerkungsschicht fuer die luftelektrode einer brennstoffzelle mit festelektrolyt |
| DE4136448A1 (de) * | 1991-03-13 | 1992-09-17 | Abb Patent Gmbh | Brennstoffzellenmodul und verfahren zu seiner herstellung |
| DE4300520C1 (de) * | 1993-01-12 | 1994-03-17 | Abb Patent Gmbh | Brennstoffzellenmodul |
| US5453331A (en) * | 1994-08-12 | 1995-09-26 | University Of Chicago | Compliant sealants for solid oxide fuel cells and other ceramics |
| US5712055A (en) * | 1996-02-29 | 1998-01-27 | Gas Research Institute | Multi-stage fuel cell arrangement |
| US5856035A (en) * | 1996-02-29 | 1999-01-05 | Gas Research Institute | Electrical connector apparatus for planar solid oxide fuel cell stacks |
| JP3215650B2 (ja) * | 1996-05-23 | 2001-10-09 | 日本碍子株式会社 | 電気化学セル、その製造方法および電気化学装置 |
| US6054228A (en) * | 1996-06-06 | 2000-04-25 | Lynntech, Inc. | Fuel cell system for low pressure operation |
| US5882809A (en) * | 1997-01-02 | 1999-03-16 | U.S. The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Solid oxide fuel cell with multi-unit construction and prismatic design |
| US6183897B1 (en) * | 1998-09-16 | 2001-02-06 | Sofco | Via filled interconnect for solid oxide fuel cells |
| US6415270B1 (en) * | 1999-09-03 | 2002-07-02 | Omnihub, Inc. | Multiple auction coordination method and system |
| EP1252680A4 (fr) | 1999-12-28 | 2005-10-19 | Corning Inc | Pile a combustible a electrodes en structure de nid d'abeille |
| JP4630484B2 (ja) * | 2000-05-08 | 2011-02-09 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池 |
| US7273671B2 (en) * | 2000-05-08 | 2007-09-25 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Fuel cell and method for making the same |
| US6772501B2 (en) * | 2001-07-23 | 2004-08-10 | Itn Energy Systems, Inc. | Apparatus and method for the design and manufacture of thin-film electrochemical devices |
| GB2390739B (en) * | 2002-07-10 | 2005-07-20 | Thomas Gordon Lindsay | A novel planar seal-less fuel cell stack |
| US7638219B2 (en) * | 2003-03-07 | 2009-12-29 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell without Z-like connection plates and the method producing the same |
| WO2005001980A1 (fr) * | 2003-06-30 | 2005-01-06 | Japan Energy Corporation | Pile a combustible avec dispositif de reformage |
| KR20050108047A (ko) * | 2004-05-11 | 2005-11-16 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료전지 |
| US7666386B2 (en) | 2005-02-08 | 2010-02-23 | Lynntech Power Systems, Ltd. | Solid chemical hydride dispenser for generating hydrogen gas |
| US20060257313A1 (en) * | 2005-02-17 | 2006-11-16 | Alan Cisar | Hydrolysis of chemical hydrides utilizing hydrated compounds |
| DE102009003074A1 (de) * | 2009-05-13 | 2010-11-18 | Robert Bosch Gmbh | Elektrochemische Zelle zur Gewinnung elektrischer Energie |
| EP4340081A1 (fr) * | 2022-09-19 | 2024-03-20 | Airbus Operations GmbH | Structure de pile à combustible supportée par un électrolyte de mise en réseau |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1143116A (en) * | 1965-10-08 | 1969-02-19 | Battelle Institut E V | Solid electrolyte construction for fuel cells |
| FR2305865A1 (fr) * | 1975-03-27 | 1976-10-22 | Bbc Brown Boveri & Cie | Batterie a electrolyte solide, en particulier d'accumulation d'energie electrique |
| US4195119A (en) * | 1978-11-21 | 1980-03-25 | Ford Motor Company | Fuel cell |
| US4279974A (en) * | 1977-09-02 | 1981-07-21 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Solid electrolytic material and use thereof |
| US4476198A (en) * | 1983-10-12 | 1984-10-09 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Solid oxide fuel cell having monolithic core |
| US4499663A (en) * | 1983-10-12 | 1985-02-19 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Method of fabricating a monolithic core for a solid oxide fuel cell |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3472697A (en) * | 1965-10-08 | 1969-10-14 | Battelle Institut E V | High temperature fuel cell |
| DE2614728A1 (de) * | 1976-04-06 | 1977-10-20 | Bbc Brown Boveri & Cie | Bauteil fuer eine elektrochemische batterie |
| US4431715A (en) * | 1982-03-24 | 1984-02-14 | Westinghouse Electric Corp. | Electrical contact structures for solid oxide electrolyte fuel cell |
| US4510212A (en) * | 1983-10-12 | 1985-04-09 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Solid oxide fuel cell having compound cross flow gas patterns |
| US4476197A (en) * | 1983-10-12 | 1984-10-09 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Integral manifolding structure for fuel cell core having parallel gas flow |
| US4476196A (en) * | 1983-10-12 | 1984-10-09 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Solid oxide fuel cell having monolithic cross flow core and manifolding |
| US4547437A (en) * | 1984-10-05 | 1985-10-15 | Westinghouse Electric Corp. | Protective interlayer for high temperature solid electrolyte electrochemical cells |
-
1985
- 1985-05-20 US US06/736,168 patent/US4666798A/en not_active Expired - Lifetime
-
1986
- 1986-05-07 GB GB08611115A patent/GB2175736B/en not_active Expired
- 1986-05-12 CA CA000508864A patent/CA1269699A/fr not_active Expired - Fee Related
- 1986-05-15 JP JP61111742A patent/JPS61269868A/ja active Pending
- 1986-05-16 FR FR8607065A patent/FR2582155A1/fr not_active Withdrawn
- 1986-05-20 DE DE19863616878 patent/DE3616878A1/de not_active Withdrawn
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1143116A (en) * | 1965-10-08 | 1969-02-19 | Battelle Institut E V | Solid electrolyte construction for fuel cells |
| FR2305865A1 (fr) * | 1975-03-27 | 1976-10-22 | Bbc Brown Boveri & Cie | Batterie a electrolyte solide, en particulier d'accumulation d'energie electrique |
| US4279974A (en) * | 1977-09-02 | 1981-07-21 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Solid electrolytic material and use thereof |
| US4195119A (en) * | 1978-11-21 | 1980-03-25 | Ford Motor Company | Fuel cell |
| US4476198A (en) * | 1983-10-12 | 1984-10-09 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Solid oxide fuel cell having monolithic core |
| US4499663A (en) * | 1983-10-12 | 1985-02-19 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Method of fabricating a monolithic core for a solid oxide fuel cell |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US4666798A (en) | 1987-05-19 |
| DE3616878A1 (de) | 1986-11-20 |
| CA1269699A (fr) | 1990-05-29 |
| GB2175736B (en) | 1989-02-01 |
| GB2175736A (en) | 1986-12-03 |
| GB8611115D0 (en) | 1986-06-11 |
| JPS61269868A (ja) | 1986-11-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| FR2582155A1 (fr) | Cellule electrochimique composee d'elements electrochimiques a oxyde solide et a coeur monolithique raccordes en serie, et element constitutif d'une telle cellule | |
| FR2553582A1 (fr) | Pile a combustible a oxyde solide comportant un noyau a ecoulement transversal et un systeme de distribution | |
| US4476198A (en) | Solid oxide fuel cell having monolithic core | |
| US4476197A (en) | Integral manifolding structure for fuel cell core having parallel gas flow | |
| US5145754A (en) | Solid oxide fuel cell | |
| EP2771934B1 (fr) | Systeme electrochimique type electrolyseur ou pile a combustible haute temperature a gestion thermique amelioree | |
| EP0055016A1 (fr) | Arrangements de piles à combustible à électrolyte solide fonctionnant à haute température | |
| EP0307462A1 (fr) | Pile a combustible d'oxyde solide comportant un noyau monolithique | |
| JPH0447951B2 (fr) | ||
| EP1846976B1 (fr) | Convertisseur electrochimique compact | |
| JP2003178775A (ja) | 燃料電池 | |
| US20050008916A1 (en) | Solid oxide fuel cell, solid oxide fuel cell assembly, solid oxide fuel cell module, and solid oxide fuel cell power generator | |
| CA2992130A1 (fr) | Procedes d' (de co) electrolyse de l'eau (soec) ou de production d'electricite a haute temperature a echangeurs integres en tant qu'etages d'un empilement de reacteur (eht) ou d'une pile a combustible (sofc) | |
| FR2819107A1 (fr) | Procede de fabrication d'un assemblage d'elements de base pour un etage de pile a combustible | |
| EP3195392A1 (fr) | Plaque de guidage d'ecoulement d'un fluide pour reacteur electrochimique et ensemble comportant cette plaque | |
| EP3092671B1 (fr) | Plaque de guidage d'ecoulement pour pile a combustible | |
| FR2499774A1 (fr) | Bloc de pile a combustible constitue d'un empilement d'elements creux portant des electrodes | |
| US8709675B2 (en) | Fuel cell module, manufacturing method thereof and unit containing several of the latter | |
| WO2009030648A1 (fr) | Module coaxial de pile a combustible ou electrolyseur a interconnecteurs a billes | |
| EP3375033B1 (fr) | Separateur bipolaire pour pile a combustible | |
| JPH07245107A (ja) | 固体電解質燃料電池 | |
| FR2858117A1 (fr) | Empilement de cellules dans une pile a combustible | |
| Herceg | Integral manifolding structure for fuel cell core having parallel gas flow | |
| JPH05166516A (ja) | 耐熱性金属を用いた固体電解質型燃料電池 | |
| FR2836283A1 (fr) | Pile a combustible a puissance renforcee et son procede de fabrication et utilisation pour la traction electrique d'un vehicule |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TP | Transmission of property | ||
| ST | Notification of lapse |