FR2933160A1

FR2933160A1 - Assemblage comportant un joint d'etancheite intercale entre deux composants de coefficient de dilatation moyen thermique different, joint d'etancheite associe, application a l'etancheite d'electrolyseurs eht et des piles a combustible

Info

Publication number: FR2933160A1
Application number: FR0854232A
Authority: FR
Inventors: Gatien Fleury; Gallo Patrick Le
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2010-01-01
Anticipated expiration: 2028-06-25
Also published as: KR20110033192A; FR2933160B1; US20110079966A1; JP2011526329A; WO2009156373A1; EP2288832A1; JP5438102B2

Abstract

L'invention concerne un assemblage fonctionnant typiquement au-delà de 500°C, entre deux composants de coefficient de dilatation thermique moyens différents entre lesquels est intercalé un joint dont le coefficient est différent d'une valeur d'au moins 1.10-6 K-1 avec celui d' au moins un des deux composants. Selon l'invention: - en dessous d'une température seuil, le joint subit une compression orthogonale obtenue par serrage constant des deux composants l'un vers l'autre, - au-dessus de la température seuil, le joint subit la compression orthogonale par serrage et une compression radiale obtenue par le glissement de surfaces du joint en appui sur au moins l'un des composants jusqu'à la mise en compression radiale d'une portion d'extrémité du joint contre le même composant, cette portion étant libre de tout contact en dessous de la température seuil. Le joint est prévu pour ne pas atteindre sa limite de rupture en fluage pendant un cycle d'utilisation d'une durée prédéterminée.

Description

1 ASSEMBLAGE COMPORTANT UN JOINT D'ETANCHEITE INTERCALE ENTRE DEUX COMPOSANTS DE COEFFICIENT DE DILATATION MOYEN THERMIQUE DIFFERENT, JOINT D'ETANCHEITE ASSOCIE, APPLICATION A 1'ETANCHEITE D'ELECTROLYSEURS EHT ET DES PILES A COMBUSTIBLE SOFC

DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne généralement la réalisation de l'étanchéité entre deux composants de coefficient de dilatation thermique moyen différents, choisis par exemple parmi des composants métalliques et des composants céramiques. Elle s'applique généralement aux liaisons céramique-métal fonctionnant à haute température. Elle s'applique avantageusement aux électrolyseurs de vapeur d'eau à haute température (désigné usuellement et ci-après par EHT) utilisés pour la production d'hydrogène.

Elle peut également s'appliquer aux piles à combustibles fonctionnant à haute température (en anglais : Solid Oxyde Fuel Cell désigné usuellement et ci-après par SOFC). ART ANTÉRIEUR Les EHT sont des systèmes électrochimiques visant à produire de l'hydrogène à partir de l'électrolyse de l'eau entre 600°C et 1000°C. Ils représentent un des procédés de production d'hydrogène les plus prometteurs. 2 Ainsi, la demanderesse envisage de réaliser rapidement des électrolyseurs couplés à des sources thermiques non génératrices de gaz à effet de serre, notamment d'origine nucléaire, géothermique ou solaire.

Pour parvenir à des coûts de production compétitifs, une des options est d'électrolyser l'eau en phase vapeur et à température élevée. Pour cette technologie, la gestion des gaz et le maintien de l'étanchéité dans le temps constituent un des verrous majeurs. En effet, pour les températures envisagées, on utilise une cellule électrochimique constituée d'un empilement principalement tri-couche en céramique, dont un inconvénient est sa fragilité. Celle-ci peut limiter les efforts applicables sur les joints. De plus, les matériaux d'électrolyte présentant des propriétés de conduction ionique faibles à basse température, il est nécessaire, en conséquence, d'élever la température de fonctionnement au dessus de 600°C pour limiter les pertes ohmiques. Cela engendre des difficultés pour la tenue des matériaux métalliques, notamment les plaques bipolaires et les joints d'étanchéité. Si l'oxydation apparaît comme l'inconvénient majeur des hautes températures pour les plaques bipolaires, la tenue mécanique des joints est encore plus pénalisante. En effet, une étanchéité des joints insuffisante, c'est-à-dire qui générerait une perte de combustible (respectivement de produit final) supérieure à 1 %, ne permettrait pas aux EHT ou piles à combustibles fonctionnant à haute température (SOFC) 3 d'avoir un rendement énergétique compétitif par rapport aux technologies matures à ce jour. Les solutions de référence pour l'étanchéité de ces systèmes sont aujourd'hui à base de verre. Cependant, les verres possèdent de mauvaises propriétés de cyclage thermique. Les solutions d'étanchéité à base de joints métalliques mis en compression actuellement commercialisées qui permettraient d'obtenir des performances suffisantes, nécessitent l'application d'une force de serrage importante, typiquement supérieur à 20 N/cm de joint. Or, comme mentionné plus haut, la cellule utilisée dans les piles à combustible de type SOFC ou électrolyseur EHT comporte des matériaux fragiles, tels que l'électrolyte en céramique et les électrodes poreuses. Ces matériaux fragiles ne peuvent supporter des efforts de serrage importants évoqués ci-dessus. Aussi, de nombreux joints à faible force de compression sont développés depuis récemment. Certains joints sont, dès le développement, intégrés dans les entretoises séparant les cellules élémentaires dans un assemblage de pile à combustible. On peut citer le document US 7,226,687 qui divulgue un empilement de cellules à combustible dans lequel l'anode d'une cellule et la cathode de la cellule adjacente sont séparées par des entretoises métalliques jouant le rôle de joint d'étanchéité. Chaque entretoise est réalisée selon un procédé d'estampage et par roulage des bords. Chaque entretoise à bord roulé n'agit qu'en compression axiale. Ce 4 document ne s'intéresse pas à l'étanchéité entre deux matériaux à coefficient de dilatation thermique moyen différents. Ainsi, peu de solutions d'étanchéité sont aujourd'hui proposées pour des joints applicables directement en SOFC et/ou EHT avec un faible effort de serrage, typiquement inférieur à 20 N/cm de joint. Le but de l'invention est alors de proposer un nouveau type de liaison entre deux composants de coefficient de dilatation thermique moyen différent dont l'étanchéité est assurée efficacement à haute température, typiquement supérieure à 500°C, à partir d'un faible effort de serrage et qui tienne les cycles thermiques réalisés dans des EHT et/ou des SOFC.

EXPOSÉ DE L'INVENTION A cet effet, l'invention a pour objet un assemblage entre deux composants de coefficient de dilatation thermique moyen différents comprenant un élément formant joint intercalé entre les deux composants, dont le coefficient de dilatation thermique moyen est différent d'une valeur d'au moins 1.10-6 K-1 avec celui d'au moins un des deux composants et dont la forme continue comprend des surfaces planes séparées l'une de l'autre et au moins une portion d'extrémité située à l'extérieur des portions formées entre les surfaces. Selon l'invention, l'étanchéité de l'assemblage est réalisée : - en dessous d'une température seuil prédéterminée, par compression du joint selon une direction orthogonale aux composants obtenue par un serrage constant des composants l'un vers l'autre, qui met en appui fixe une partie des surfaces planes avec l'un des composants et une autre partie des surfaces 5 planes avec l'autre composant tout en laissant libre de tout contact la portion d'extrémité du joint, - au-dessus de la température seuil, par compression orthogonale du joint toujours obtenue par le serrage, et par compression du joint selon une direction radiale aux composants obtenue par glissement d'au moins une partie des surfaces planes en appui sur un composant lors de la montée en température, jusqu'à la mise en compression radiale de la portion d'extrémité par le même composant.

La solution selon l'invention consiste donc en une combinaison de compression orthogonale aux composants obtenue par serrage initial et par compression radiale obtenue par glissement du joint dû à la différence de dilatation thermique jusqu'à mise en compression radiale du joint par le(s) composant(s). Il faut par ailleurs tenir compte aussi des phénomènes de fluage et de relaxation dus aux propriétés visco-plastiques des matériaux. Le fluage est un phénomène bien appréhendé et est fonction du temps. Il intervient lorsqu'un matériau visco-plastique est soumis à une force constante au cours du temps. L'homme du métier veillera ainsi à définir une forme de joint telle que sa limite de rupture ne soit jamais atteinte lors des cyclages thermiques sur la durée d'utilisation de l'assemblage. 6 De même, si le joint travaille à hauteur constante, c'est-à-dire sous force variable au cours du temps (puisque le matériau se relaxe), on sélectionnera un matériau et une épaisseur adaptés de manière à ce que sa relaxation reste suffisamment faible et garder ainsi une force de contact suffisante pour assurer l'étanchéité souhaitée. Le tableau illustré en figure 1 est donné par la société UGINE et concerne l'acier ferritique AISI 430 ou F17. Il montre la limite de rupture (en MPa) au fluage de ce matériau en fonction de la température à laquelle il est soumis et du nombre d'heures d'utilisation. Ainsi, dans le cadre de l'invention, lorsque l'assemblage est soumis à un cycle d'utilisation supérieur à 10000 heures à une température de 600°C (par exemple dans le cas d'une application stationnaire d'un électrolyseur EHT), la limite de rupture d'un joint en acier ferritique F17 approprié à l'invention sera inférieure à 45 MPa.

Pour tenir compte de tous ces problèmes, on peut utiliser des logiciels de simulation du commerce qui permettent de sélectionner les matériaux et leur épaisseur. Selon un mode de réalisation avantageux, le joint a un coefficient de dilatation thermique moyen différent de celui d'un des composants d'une valeur comprise entre 0 et 10-6 K-1 et une forme continue comprenant trois surfaces planes séparées l'une de l'autre et une portion d'extrémité située à l'extérieur des portions formées entre les surfaces, l'étanchéité étant réalisée : 7 - en dessous de la température seuil, par le serrage constant qui met en appui l'une des trois surfaces planes avec le composant de coefficient de moindre différence avec celui du joint, les deux autres surfaces planes avec le composant de coefficient de plus grande différence avec celui du joint tout en laissant la portion d'extrémité libre de tout contact, - au-dessus de la température seuil, par compression orthogonale du joint obtenue par le même serrage constant qui maintient en appui fixe la surface plane avec le composant de coefficient de moindre différence, et par compression du joint selon une direction radiale aux composants obtenue par glissement des deux autres surfaces planes sur le composant de coefficient de plus grande différence jusqu'à la mise en compression radiale de la portion d'extrémité par le même composant. Selon un mode de réalisation, le composant de coefficient de dilatation moyen moyen thermique de moindre différence est un composant métallique et le composant de coefficient de dilatation moyen moyen thermique de plus grande différence est un composant céramique. Selon une variante, le composant métallique et le joint peuvent constituer un élément monobloc. Cela permet notamment d'intégrer le joint directement dans une pièce structurelle d'un empilement d'électrolyseur EHT ou de pile à combustible SOFC, telle qu'un interconnecteur ou un collecteur chargé de la distribution des gaz. 8 Selon une configuration avantageuse, les deux composants sont des substrats plans, au moins l'un d'entre eux comprenant une gorge dans laquelle est logée une surface plane reliée à la portion d'extrémité, la mise en compression radiale de cette dernière s'effectuant contre un bord de cette gorge. Selon une autre configuration préférée, la mise en compression radiale de la portion d'extrémité s'effectuant contre un bord de l'un des substrats.

L'invention concerne également un joint d'étanchéité, destiné à être intercalé dans un assemblage décrit précédemment, comprenant au moins une forme continue comprenant des surfaces planes séparées l'une de l'autre et une portion d'extrémité située à l'extérieur des portions formées entre les surfaces, la forme étant obtenue par une unique opération emboutissage d'un feuillard métallique. Un mode de réalisation d'un tel joint peut comprendre avantageusement deux formes continues obtenues chacune par une unique opération d'emboutissage d'un feuillard métallique et fixées entre elles par soudage ou brasage au niveau d'une de leurs surfaces planes. Selon une variante de réalisation, les deux formes continues sont sensiblement identiques et fixées entre elles de manière tête-bêche de sorte que les deux portions d'extrémité ne soient pas en regard. Cette variante de réalisation du joint peut être avantageuse dans le cas où les deux composants à assembler ont des coefficients de dilatation thermique moyens a différents avec chacun une différence au moins égale 9 à 1.10-6 K-1-avec celui du joint mais seul le coefficient d'un des composant est inférieur à celui du joint. Selon une variante de réalisation, les deux formes continues sont sensiblement identiques et fixées entre elles de manière symétrique par rapport à un plan défini par la surface plane en commun. Cette variante de réalisation du joint peut être avantageuse dans le cas où les deux composants à assembler ont des coefficients de dilatation thermique différents et tous deux inférieurs à celui du joint avec des différences au moins égale à 10-6 K-1. L'invention concerne également un joint d'étanchéité, destiné à être intercalé dans un assemblage décrit précédemment, dont la forme continue comprend une première partie comprenant des surfaces planes séparées l'une de l'autre et obtenue par une unique opération d'emboutissage d'un feuillard métallique, et une deuxième partie comprenant une portion d'extrémité située à l'extérieur des portions formées entre les surfaces et fixée à la première partie par soudage et/ou brasage. Le feuillard métallique à emboutir pour parvenir à la forme du joint peut comprendre avantageusement un acier ferritique ou un acier austénitique ou un alliage à base de nickel du type Inconel 600 ou Haynes 230. Dans les applications où il est nécessaire de prévoir une isolation électrique concomitante à l'étanchéité, le feuillard métallique peut être revêtu d'un matériau isolant électriquement. Ce revêtement peut être réalisé en faisant croitre un oxyde à la 10 surface du feuillard métallique embouti, ou par un dépôt de couche usuel, avantageusement à partir d'un alliage aluminoformeur. En outre, afin de garantir encore mieux l'étanchéité radiale, une couche de matériau ductile peut être avantageusement déposée, après emboutissage du feuillard métallique, sur au moins une portion d'extrémité, ou sur une zone de contact, soit avec contact direct soit sur le revêtement de matériau isolant électriquement. Il peut s'agir d'une couche d'argent ou de composé à base d'argent et comprenant de préférence l'un des éléments suivants : Cu, Sn, Bi, Si, Co. Cette couche ductile supplémentaire peut être appliquée par dépôt électrolytique ou sérigraphie, ces deux méthodes de dépôt utilisant avantageusement un masquage, ce qui permet de localiser précisément cette couche. Elle peut avoir une épaisseur comprise entre 1 et 10 pm. Selon une variante, la portion d'extrémité est une simple courbure reliée directement à l'une des surfaces planes. Dans le cas d'assemblage de dimension de l'ordre de 100 mm, l'épaisseur du feuillard métallique est avantageusement comprise entre 0.07 mm et 0,5 mm.

La hauteur séparant deux surfaces planes correspondant à une profondeur d'embouti du feuillard métallique est comprise de préférence entre 0.2 mm et 1 mm. L'inclinaison des segments entre les surfaces planes peut être comprise entre 30 et 80°, avantageusement entre 30 et 55°. 11 L'invention concerne enfin une pile à combustible fonctionnant à haute température (SOFC) ou électrolyseur à haute température (EHT) comprenant un assemblage mentionné plus haut.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite en référence aux figures suivantes parmi lesquelles : - la figure 1 est un tableau montrant la valeur de la limite de rupture au fluage pour de l'acier ferritique de désignation commerciale F17 en fonction de la température et du nombre d'heure d'utilisation, - la figure 2 montre un assemblage selon un premier mode de réalisation de l'invention tel que réalisé dans un électrolyseur à haute température EHT ; - la figure 2A montre une cellule d'électrolyse élémentaire, de type ESC (en anglais, 20 Electrolyte Supported cell), utilisée dans l'électrolyseur EHT de la figure 2, - la figure 3A est une vue en coupe du joint d'étanchéité selon l'invention avant son implantation dans l'assemblage des figures 2 et 3B, 25 - la figure 3B montre en détail l'assemblage de la figure 2, - la figure 4 montre une variante de l'assemblage selon le premier mode, 15 12 - les figures 5 et 6 montrent respectivement un assemblage selon un deuxième et un troisième mode de réalisation de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PARTICULIER L'assemblage selon l'invention est réalisé ici dans un électrolyseur haute température EHT. La solution d'étanchéité proposée est réalisée grâce à un joint d'étanchéité 5 tel que représenté schématiquement aux figures 3 à 6.

On précise ici que la direction orthogonale ou axiale X est la direction qui s'étend selon une section transversale à la cellule d'électrolyse 1 et aux composants 2, 3. La direction radiale R est la direction qui s'étend selon une section parallèle à la cellule d'électrolyse 1 et aux composants 2, 3. L'électrolyseur haute température EHT de la figure 2 comprend une cellule d'électrolyse 1 supportée par un support en céramique 2 et prise en sandwich entre un interconnecteur cathodique 3 et un interconnecteur anodique 4 et un joint d'étanchéité selon l'invention 5 (figure 2). Seule une partie de la cellule 1 est montrée, l'autre partie étant symétrique par rapport à l'axe représenté à droite. La cellule d'électrolyse 1 telle que représentée comprend un électrolyte 10 supporté directement par le support en céramique 2, et pris en sandwich entre une anode 11 et une cathode 12 (figure 2A). 13 Dans le mode de réalisation illustré aux figures 2 et 2A, l'interconnecteur cathodique 3 est un substrat plan, et le matériau dans lequel il est réalisé est un acier ferritique à environ 22 % de Chrome désigné commercialement par Crofer 22APU (réputé pour sa tenue à la corrosion en atmosphère SOFC). Son coefficient de dilatation thermique moyen a3 est de l'ordre de. 12 x 10-6 K-1. Par coefficient de dilatation thermique moyen , il faut comprendre l'intégrale de la fonction représentant les valeurs de ce coefficient en fonction de la température, entre la température ambiante Tamb et la température de fonctionnement Tfonc, divisée par l'écart entre ces deux températures : o c a f(T)dT = OT Tamb De façon plus usuelle, une simple moyenne arithmétique entre les deux valeurs extrêmes (a (Tfonc) - a (Tamb)) divisée par l'écart de température 4 = Tfonc - Tamb est suffisante pour dimensionner correctement le joint. D'autres aciers inoxydables ou d'alliages à base de Nickel peuvent aussi être envisagés. Le porte-cellule 2, quant à lui, est un substrat plan réalisé dans une pièce massive en zircone yttriée. Son coefficient de dilatation thermique moyen a2 est de l'ordre de 10-6 Kù1 à température ambiante. Le joint d'étanchéité 5 selon le premier mode de réalisation des figures 2, 3A et 3B a une forme continue comprenant trois surfaces planes 50, 51, 52 séparées l'une de l'autre et une portion d'extrémité 53 14 située à l'extérieur des portions formées entre les surfaces. La portion d'extrémité 53 est ici une simple courbure reliée directement à la surface plane 52. Cette forme continue a été obtenue par une unique opération emboutissage d'un feuillard métallique. Ce feuillard métallique est un acier ferritique de type F17 (AISI 430) ou austénitique (par exemple AISI 316 L) ou un alliage à base de nickel du type Inconel 600 ou Haynes 230. Leurs coefficients de dilatation thermique moyens aj sont de l'ordre respectivement de 11.10-6, 17.10-6, 15.10-6, 11.10-6 K-1. En outre, la forme du joint est prévue afin que ce dernier n'atteigne pas sa limite de rupture en fluage pendant un cycle d'utilisation de l'assemblage d'une durée prédéterminée. Cette durée prédéterminée est fonction de l'application envisagée pour l'électrolyseur EHT : d'au moins 5000 heures pour une application nomade, d'au moins 50000 heures pour une application stationnaire.

En effet, à partir de la connaissance de la limite de rupture en fluage du joint 5 en acier ferritique AISI 430 en fonction de la température et du nombre d'heures d'utilisation visée pour l'électrolyseur (voir tableau en figure 1), il est possible de définir l'architecture du joint 5. Dans le mode de réalisation des figures 2, et 3A, pour une cellule de diamètre 120 mm, le joint 5 a, avant son implantation dans l'assemblage selon l'invention, une épaisseur e moyenne de l'ordre de 0,1 mm, la profondeur d'embouti p1 séparant les deux parties planes est de l'ordre de 0,3 mm, la profondeur 15 p2 d'embouti séparant les deux autres parties planes est de l'ordre de 0,6 mm et l'inclinaison e des segments reliant les surfaces planes 50, 51 et 51, 52 est de l'ordre de 45°.

Dans le mode de réalisation des figures 2, 3, la surface plane 52 ainsi que la portion d'extrémité 53 sont logées dans une gorge 20 pratiquée dans le porte-cellule 2. Ainsi, l'assemblage selon un premier mode de réalisation de l'invention, illustré des figures 2 et 3, réalise l'étanchéité entre le porte-cellule 2 et l'interconnecteur métallique 3 de la manière suivante. 1) En dessous d'une température seuil prédéterminée, le joint 5 est compressé selon une direction X orthogonale aux composants 2, 3 obtenue par un serrage constant des composants 2, 3 l'un vers l'autre. Ce serrage initial met en appui fixe la surface plane 51 en appui fixe avec l'interconnecteur métallique 3 et les surfaces planes 51, 52 avec le porte-cellule 2 tout en laissant libre de tout contact la portion d'extrémité 53 du joint (voir figure 3 l'espace libre entre l'extrémité 53 et le bord vertical 200 de la gorge 20). 2) au-dessus de la température seuil, le joint 5 reste compressé selon la direction X toujours par le serrage, et devient compressé selon la direction radiale R aux composants 2, 3. Plus précisément, lors de la montée en température, la surface plane 51 est maintenue en appui fixe avec l'interconnecteur 3, tandis que suite à la différence de dilatation thermique entre le porte-cellule 2 et le joint 5, les 16 surfaces planes 50 et 52 glissent sur le porte-cellule jusqu'à la mise en compression radiale de la portion d'extrémité 53 par le bord vertical 200 de la gorge 20. La température seuil est déterminée en fonction des dimensions radiales de l'assemblage, des matériaux, de leur coefficient de dilatation, ainsi que de la température de fonctionnement de l'assemblage. Sur les figures, on a représenté par des flèches F1 l'effort de serrage, inférieur à 20N/cm de joint 5, entre le porte-cellule 2 et l'interconnecteur 3 qui contribue à la compression axiale selon la direction X et par des flèches F2 la compression radiale exercée sur le joint 5 par suite de la différence de dilatation thermique entre le joint 5 et le porte-cellule 2. On a représenté en outre par des ellipses les zones où l'étanchéité selon l'invention est établie lors de la montée en température. Dans le mode de réalisation de la figure 4, où le joint 5 comprend deux formes continues 5a, 5b obtenues chacune par une unique opération d'emboutissage d'un feuillard métallique et fixées entre elles par soudage ou brasage au niveau d'une de leurs surfaces planes 52a, 52b. La soudure peut être avantageusement réalisée au moyen d'un laser. Ce mode de réalisation permet notamment d'éviter la réalisation d'une gorge spécifique dans une pièce massive telle que le porte-cellule 2. La mise en compression radiale de la portion d'extrémité 53 s'effectue ici contre un bord vertical 2A du porte-cellule 2. Ce bord vertical 2A est le bord celui qui est dirigé vers l'intérieur de l'électrolyseur, c'est-à-dire celui avec lequel les gaz 17 issus de la cellule 1 sont susceptibles d'être en contact. Dans ce mode de réalisation de la figure 4, avant l'implantation du joint 5 dans l'assemblage selon l'invention, l'épaisseur moyenne est de l'ordre de 0,1 mm, la profondeur d'embouti séparant les surfaces 50, 52 de la surface 51 est de l'ordre de 0,3 mm, la surface 52a, 52b en commun est de l'ordre de 0,5 mm, la profondeur d'embouti séparant la surface 52b de la surface intermédiaire 54 est de l'ordre de 0,5 mm et l'inclinaison e des segments reliant les surfaces planes entre elles est de l'ordre de 45°. Le joint 5 du mode de réalisation des figures 2, 3 et 3A peut être utilisé avec la même architecture dans le cas où l'assemblage doit être réalisé avec un composant 2 tel que la différence de coefficient de dilatation thermique moyen a2 - ccj est supérieure à 1.10-6 K-1 et qui présente un coefficient a2 supérieur à celui du joint (figure 3A).

Le mode de réalisation de la figure 6 correspond à un assemblage entre deux composants 2, 3 dans lequel le joint 5 présente un coefficient de dilatation thermique moyen ccj dont la différence avec chacun des coefficients a1 et a2 est supérieure d'au moins 1.10-6 K-1. Ici, les deux formes continues 5a, 5b sont sensiblement identiques et fixées entre elles de manière symétrique par rapport à un plan P défini par la surface plane 51a, 51b en commun. Ainsi, une gorge 30 est également pratiquée dans le composant 3.

On a donc dans ce mode de réalisation, deux étanchéités combinées par compression axiale dûe à l'effort de 18 serrage et par compression radiale dûe à la différence de dilatation thermique. Le mode de réalisation de la figure 7 correspond à un assemblage entre deux composants 2, 3 dans lequel le joint 5 a la même architecture que celui utilisé dans le mode de réalisation de la figure 5. Ici, le joint 5 présente un coefficient de dilatation thermique moyen ccj tel que : - la différence ccj - a2 est supérieure d'au moins 1.10-6 K-1 ; - la différence a3 - ccj est supérieure d'au moins 1.10-6 . E n d'autres termes, le composant 3 a ici un coefficient de dilatation thermique moyen supérieur à celui du joint. Ici, les deux formes continues 5a, 5b sont sensiblement identiques et fixées entre elles de manière tête-bêche de sorte que les deux portions d'extrémité 53a, 53b ne soient pas en regard. On a donc encore dans ce mode de réalisation de la figure 7, deux étanchéités combinées par compression axiale dûe à l'effort de serrage et par compression radiale dûe à la différence de dilatation thermique entre le joint 5 et chacun des composants 2, 3 mais comparativement au mode de réalisation de la figure 6, ici le composant 3 se dilate plus que le joint 5.

D'autres améliorations peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Ainsi, l'assemblage à haute température selon l'invention a été décrit en référence avec les figures pour étancher le compartiment cathodique et ne pas perdre l'hydrogène produit dans un EHT. Il peut 19 tout aussi bien être reproduit côté anodique en réalisant ainsi l'étanchéité côté oxygène. Le joint d'étanchéité 5 tel que représenté dans l'EHT en figure 2 est de forme générale annulaire.

Les dimensions d'un tel EHT sont de l'ordre de R1 = 60 mm, R2 = 70 mm et H = 10 mm. On peut tout aussi bien réaliser un joint d'étanchéité 5 de forme générale rectangulaire ou autre avec des dimensions de même grandeur ou différentes.

L'assemblage selon l'invention est en outre particulièrement adapté à des architectures d'électrolyseur EHT ou de piles à combustible SOFC de grandes dimensions où les différences entre les coefficients de dilatation induisent des déformations importantes.

Claims

REVENDICATIONS1. Assemblage entre deux composants (2,3) de coefficient de dilatation thermique moyens différents a2, a3 comprenant un élément formant joint (5) intercalé entre les deux composants, dont le coefficient de dilatation thermique moyen a est différent d'une valeur d'au moins 1.10-6 K-1 avec celui d'au moins un des deux composants (2,3) et dont la forme continue comprend des surfaces planes (50, 51, 52) séparées l'une de l'autre et au moins une portion d'extrémité (53) située à l'extérieur des portions formées entre les surfaces, assemblage dans lequel l'étanchéité est réalisée : - en dessous d'une température seuil prédéterminée, par compression du joint selon une direction orthogonale (X) aux composants obtenue par un serrage constant des composants l'un vers l'autre, qui met en appui fixe une partie des surfaces planes (51) avec l'un des composant (3) et une autre partie des surfaces planes (50, 52) avec l'autre composant (2) tout en laissant libre de tout contact la portion d'extrémité (53) du joint, - au-dessus de la température seuil, par compression orthogonale du joint toujours obtenue par le serrage, et par compression du joint selon une direction radiale (R) aux composants obtenue par glissement d'au moins une partie des surfaces planes (50, 52) en appui sur un composant (2) lors de la montée en température, jusqu'à la mise en compression 21 radiale de la portion d'extrémité (53) par le même composant.
2. Assemblage selon la revendication 1, dans lequel le joint (5) a un coefficient de dilatation thermique moyen a différent de celui a3 d'un des composants (3) d'une valeur comprise entre 0 et 10-6 K-1 et une forme continue comprenant trois surfaces planes (50, 51, 52) séparées l'une de l'autre et une portion d'extrémité (53) située à l'extérieur des portions formées entre les surfaces, l'étanchéité étant réalisée : - en dessous de la température seuil, par le serrage constant qui met en appui l'une (51) des trois surfaces planes avec le composant (3) de coefficient a3 de moindre différence avec celui du joint, les deux autres surfaces planes (50, 52) avec le composant (2) de coefficient de plus grande différence avec celui a du joint (5) tout en laissant la portion d'extrémité (53) libre de tout contact, - au-dessus de la température seuil, par compression orthogonale du joint obtenue par le même serrage constant qui maintient en appui fixe la surface plane avec le composant (3) de coefficient a3 de moindre différence, et par compression du joint selon une direction radiale (R) aux composants obtenue par glissement des deux autres surfaces planes (50, 52) sur le composant (2) de coefficient a2 de plus grande différence jusqu'à la mise en compression radiale de la portion d'extrémité (53) par le même composant (2). 22
3. Assemblage selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le composant de coefficient de dilatation moyen moyen thermique de moindre différence a3 est un composant métallique (3) et le composant de coefficient de dilatation moyen moyen thermique de plus grande différence a2 est un composant céramique (2).
4. Assemblage selon la revendication précédente, dans lequel le composant métallique et le 10 joint constituent un élément monobloc.
5. Assemblage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les deux composants (2, 3) sont des substrats plans, au moins 15 l'un d'entre eux comprenant une gorge (20, 30) dans laquelle est logée une surface plane (52) reliée à la portion d'extrémité (53), la mise en compression radiale de cette dernière s'effectuant contre un bord (200, 300) de cette gorge. 20
6. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les deux composants sont des substrats plans, la mise en compression radiale de la portion d'extrémité s'effectuant contre 25 un bord (2A) de l'un des substrats (2).
7. Joint d'étanchéité (5), destiné à être intercalé dans un assemblage selon les revendications précédentes, présentant au moins une forme continue 30 comprenant des surfaces planes (50, 51, 52) séparées l'une de l'autre et une portion d'extrémité (53) située 23 à l'extérieur des portions formées entre les surfaces, la forme étant obtenue par une unique opération emboutissage d'un feuillard métallique.
8. Joint d'étanchéité (5) selon la revendication 7, comprenant deux formes continues (5a, 5b) obtenues chacune par une unique opération d'emboutissage d'un feuillard métallique et fixées entre elles par soudage ou brasage au niveau d'une de leurs surfaces planes (52a, 52b).
9. Joint d'étanchéité (5) selon la revendication 8, dans lequel les deux formes continues sont sensiblement identiques et fixées entre elles de manière tête-bêche de sorte que les deux portions d'extrémité (53a, 53b) ne soient pas en regard.
10. Joint d'étanchéité (5) selon la revendication 8, dans lequel les deux formes continues sont sensiblement identiques et fixées entre elles de manière symétrique par rapport à un plan (P) défini par la surface plane en commun.
11. Joint d'étanchéité (5), destiné à être intercalé dans un assemblage selon les revendications 1 à 6, dont la forme continue comprend une première partie comprenant des surfaces planes (50, 51, 52a) séparées l'une de l'autre et obtenue par une unique opération d'emboutissage d'un feuillard métallique, et une deuxième partie comprenant une portion d'extrémité (53) située à l'extérieur des portions formées entre 24 les surfaces et fixée à la première partie par soudage ou brasage.
12. Joint d'étanchéité (5) selon l'une des revendications 7 à 11, dans lequel le feuillard métallique comprend un acier ferritique ou un acier austénitique ou un alliage à base de nickel du type Inconel 600 ou Haynes 230.
13. Joint d'étanchéité (5) selon l'une des revendications 7 à 12, dans lequel le feuillard métallique est revêtu d'un matériau isolant électriquement produit avantageusement à partir d'un matériau aluminoformeur.
14. Joint d'étanchéité (5) selon l'une des revendications 7 à 13, dans lequel une couche de matériau ductile est déposée, après emboutissage du feuillard métallique, sur au moins une portion d'extrémité ou sur une zone de contact, soit avec contact direct soit sur le revêtement de matériau isolant électriquement.
15. Joint d'étanchéité selon la revendication 14, dans lequel la couche ductile est une couche d'argent ou de composé à base d'argent et comprenant de préférence l'un des éléments suivants : Cu, Sn, Bi, Si, Co.
16. Joint d'étanchéité selon l'une des revendications 7 à 15, dans lequel la portion25 d'extrémité (53) est une simple courbure reliée directement à l'une des surfaces planes (52).
17. Pile à combustible fonctionnant à haute 5 température (SOFC) ou électrolyseur à haute température (EHT) comprenant un assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.