FR3001232A1 - Procede de realisation d'un module d'interconnecteur pour dispositif d'electrolyse de l'eau a haute temperature ou une pile sofc. - Google Patents

Abstract

L'invention est relative à une réalisation selon WO 2011/110677. Selon l'invention, la pièce métallique de l'interconnecteur comprend deux tôles (90, 91) planes espacées l'une de l'autre, et au moins un élément formant entretoise (92, 93) percée, l'(les) entretoise(s) étant agencée(s) pour être en appui contre les deux tôles planes sans obstruer les trous débouchant définissant ainsi la chambre adjacente au plan P1 d'électrode, les deux tôles et l'(les) entretoise(s) étant soudées entre elles au moins autour des portions de chaque trou d'un groupe de trous.

Description

PROCEDE DE REALISATION D'UN MODULE D'INTERCONNECTEUR POUR DISPOSITIF D'ELECTROLYSE DE L'EAU A HAUTE TEMPERATURE OU UNE PILE SOFC Domaine technique La présente invention concerne un dispositif d'électrolyse de l'eau à haute température (EHT) appelé aussi électrolyse de vapeur d'eau à haute température (EVHT pour électrolyse de la vapeur d'eau à haute température, ou HTE acronyme anglais pour « High Temperature Eleetrolysis », ou encore HTSE acronyme anglais pour « High Temperature Steam Eleetrolysis »), Elle a trait plus particulièrement à la réalisation plus simple d'interconnecteurs fluidique et électrique d'un électrolyseur EHT selon la demande de brevet WO 2011/110677. Bien que décrite en référence à l'application EHT, l'invention s'applique à des piles à combustibles à oxyde solide (SOFC, acronyme anglais pour « Solid Oxid Fuel Cell >>). Art antérieur Dans les électrolyseurs à haute température EHT, l'électrolyse de l'eau à haute température est réalisée à partir d'eau vaporisée. La fonction d'un électrolyseur haute température EHT est de transformer la vapeur d'eau en hydrogène et en oxygène selon la réaction suivante: 2H20 2H2 + 02. Cette réaction est réalisée par voie électrochimique dans les cellules de l'électrolyseur. Comme schématisée en figure 1, chaque cellule d'électrolyse élémentaire 1 est formée d'une cathode 2 et d'une anode 4, placées de part et d'autre d'un électrolyte solide 6 généralement sous forme de membrane. Les deux électrodes (cathode et anode) 2, 4 sont des conducteurs électroniques, en matériau poreux, et l'électrolyte 6 est étanche au gaz, isolant électronique et conducteur ionique. L'électrolyte peut être en particulier un conducteur anionique, plus précisément un conducteur anionique des ions 02- et l'électrolyseur est alors dénommé électrolyseur anionique.

Les réactions électrochimiques se font à l'interface entre chacun des conducteurs électroniques et le conducteur ionique. A la cathode 2, la demi-réaction est la suivante : 2 H20 + 4 e- --> 2 H2 + 2 02-. Et à l'anode 4, la demi-réaction est la suivante: 2 02- -> 02+ 4 e-. L'électrolyte 6 intercalé entre les deux électrodes 2, 4, est le lieu de migration des ions 02-' sous l'effet du champ électrique créé par la différence de potentiel imposée entre l'anode 4 et la cathode 2. Un réacteur élémentaire est constitué d'une cellule élémentaire 1 telle que décrite plus haut, avec une cathode 2, un électrolyte 6, et une cathode 4 et de deux connecteurs mono-polaires qui assurent les fonctions électrique, hydraulique et thermique. 10. Pour augmenter les débits d'hydrogène et d'oxygène produits, il est connu d'empiler plusieurs cellules d'électrolyse élémentaires les unes sur les autres en les séparant par des dispositifs d'interconnexion, usuellement appelés interconnecteurs ou plaques d'interconnexion bipolaires. L'ensemble est positionné entre deux plaques d'interconnexion d'extrémité qui supportent les alimentations électriques et des alimentations en gaz de 15 l'électrolyseur EHT. Un électrolyseur de l'eau à haute température (EHT) comprend ainsi au moins une, généralement une pluralité de cellule d'électrolyse empilées les uns sur les autres, chaque cellule élémentaire étant formée d'un électrolyte, d'une cathode et d'une anode, l'électrolyte étant intercalé entre les l'anode et la cathode. 20 Les dispositifs d'interconnexion fluidique et électrique qui sont en contact électrique avec une ou des électrodes assurent en général les fonctions d'amenée et de collecte de courant électrique et délimitent un ou des compartiments de circulation des gaz. Ainsi, un compartiment dit cathodique a pour fonction la distribution du courant électrique et de la vapeur d'eau ainsi que la récupération de l'hydrogène à la 25 cathode en contact. Un compartiment dit anodique a pour fonction la distribution du courant électrique ainsi que la récupération de l'oxygène produit à l'anode en contact. Un gaz drainant peut en outre être injecté en entrée du compartiment anodique pour évacuer l'oxygène produit. L'injection d'un gaz drainant a pour fonction supplémentaire de jouer le 30 rôle de régulateur thermique. La demanderesse a proposé dans la demande de brevet internationale WO 2011/ 10677, une nouvelle architecture d'électrolyseur EHT à fonctionnement plus homogène dans le but de s'affranchir au moins en partie des inconvénients des plaques interconnectrices existantes à la cathode d'un dispositif d'électrolyse de l'eau à haute température telles que décrites dans le préambule de cette demande. Ainsi, selon cette demande, il est prévu un dispositif d'électrolyse de l'eau à 5 haute température, comprenant : - au moins une cellule d'électrolyse élémentaire foi ée d'une cathode, d'une anode, et d'un électrolyte intercalé entre la cathode et l'anode, - un premier dispositif formant un interconnecteur électrique et fluidique consistant en une pièce métallique délimitée par au moins un plan Pl, 10 ladite pièce métallique comprenant intérieurement deux chambres, superposées l'une sur l'autre et une pluralité de trous répartis sur la surface, sensiblement perpendiculaires au plan et divisés en deux groupes, dont un groupe de trous débouche à la fois sur le plan Pl et directement dans la chambre adjacente et l'autre groupe des trous débouche à la fois sur le plan P1 et dans la chambre la plus éloignée par l'intermédiaire de 15 canaux, le plan Pl du premier interconnecteur étant en contact mécanique avec le plan de la cathode. Une partie d'un compartiment cathodique par laquelle on amène la vapeur d'eau est ainsi constituée d'une des deux chambres et un groupe de trous. L'autre groupe de trous et l'autre chambre constituent une autre partie du compartiment cathodique par 20 laquelle on récupère l'hydrogène produit à la cathode. Avec un tel dispositif, on s'affranchit avantageusement des inconvénients de la traditionnelle architecture de plaque interconnectrice à canaux selon l'état de l'art. Autrement dit, on peut obtenir grâce à un dispositif selon la demande WO 2011/110677, comparativement aux architectures d' électrolyseur MT selon l'état de 25 l'art, une densité de production uniforme par cellule d'électrolyse et un meilleur taux d'utilisation (ou de conversion) de vapeur d'eau. En effet, grâce à la pluralité de trous débouchant sur le plan de la cathode, on permet tout d'abord à toute la surface de cellule d'avoir un comportement électrique homogène en tout point avec une résistance de contact électrique limitée entre cathode et 30 premier interconnecteur. Autrement dit, la distribution du courant à la cathode est optimale. De même, du fait de la superposition des chambres et de la pluralité des trous, on peut injecter la vapeur d'eau directement de manière homogène en tout point de la cathode au travers d'un groupe de trous, ce qui a pour effet, contrairement à l'état de l'art présenté précédemment, une limitation de la surtension de concentration. Dans cette même demande WO 2011/110677, il est prévu de combiner 5 judicieusement le premier interconnecteur à la cathode avec un deuxième interconnecteur à l'anode consistant lui également en une pièce métallique délimitée par au moins un plan P2, ladite pièce métallique comprenant intérieurement une chambre et une pluralité de trous répartis sur la surface, sensiblement perpendiculaires au plan et débouchant à la fois sur ce dernier P2 et dans la chambre, le plan P2 du deuxième interconnecteur étant en 10 contact mécanique avec le plan de l'anode. Ainsi, on définit selon cette demande WO 2011/110677, un électrolyseur (EHT) à empilement de cellules d'électrolyse élémentaires formées chacune d'une cathode, d'une anode et d'un électrolyte intercalé entre la cathode et l'anode, dans laquelle un module interconnecteur comprenant un premier et un deuxième interconnecteur est 15 agencée entre deux cellules élémentaires adjacentes, tel que le plan. P1 du premier interconnecteur est en contact mécanique avec la cathode d'une des deux cellules élémentaires et le plan P2 du deuxième interconnecteur est en contact mécanique avec l'anode de l'autre des deux cellules élémentaires. L'invention décrite dans la demande W02011/110677 s'applique également à 20 la réalisation d'une pile à combustible SOFC, la pièce métallique de l'interconnecteur électrique et fluidique définissant le plan P1 étant alors destiné à venir en contact avec le plan d'une anode d'une cellule électrochimique élémentaire d'une pile SOFC. Une partie d'un compartiment anodique par laquelle on amène l'hydrogène est alors constituée d'une des deux chambres et un groupe de trous. L'autre groupe de trous et 25 l'autre chambre constituent une autre partie du compartiment anodique par laquelle on récupère l'eau produite à l'anode. Il a été envisagé de réaliser chaque module interconnecteur en assemblant des plaques métalliques massives et en soudant des tubes rapportés pour réaliser les canaux de communication fluidique du premier interconnecteur à la cathode, pour amener soit la 30 vapeur d'eau en contact avec le plan Pl de cathode depuis la chambre du dessus soit récupérer l'hydrogène produit à celle-ci vers la chambre du dessus, c'est-à-dire celle superposée'à la chambre adjacente au plan de cathode.

Les inconvénients d'une telle réalisation peuvent être énumérés comme suit : - coût de matière première métallique élevé, - complexité des assemblages à réaliser, notamment un nombre de soudures élevé, avec un coût élevé des usinages nécessités, - poids non négligeable, - durée d'assemblage importante. Pour pallier ces inconvénients, la demanderesse a déjà proposé dans la demande de brevet français déposée sous le numéro FR 11 55275 intitulé « Module interconnecteur de réalisation simplifiée pour dispositif d'électrolyse de l'eau à haute température », une solution d'assemblage de tôles embouties avec liaison de type cône-cône, soudées entre elles pour réaliser tout ou partie d'un module interconnecteur d'EHT applicable également à la réalisation d'un module d'interconnecteur de pile à combustible SOFC. Le but de l'invention est de proposer une solution alternative à celle proposée 15 dans la demande FR 11 55275, qui permette de réaliser tout ou partie d'un module interconnecteur selon la demande de brevet précitée WO 2011/110677 sans les inconvénients précités. Exposé de l'invention Pour ce faire, l'invention a pour objet un dispositif formant un interconnecteur 20 électrique et fluidique pour l'électrolyse de l'eau à haute température (EHT) ou pour une pile à combustible à oxydes solides (SOFC) consistant en une pièce métallique délimitée par au moins un plan Pl, ladite pièce métallique comprenant intérieurement deux chambres, superposées l'une sur l'autre par rapport audit plan P1 et une pluralité de trous répartis sur la surface, sensiblement perpendiculaires au plan et divisés en deux groupes, 25 dont un premier groupe de trous débouche à la fois sur le plan P1 et directement dans la chambre adjacente au plan Pl et un second groupe de trous débouche à la fois sur le plan P1 et dans la chambre la plus éloignée par l'intermédiaire de canaux, le plan Pl de l'interconnecteur étant destiné à venir en contact mécanique avec le plan d'une anode d'une cellule électrochimique élémentaire à oxydes solides d'une pile SOFC ou le plan 30 d'une cathode d'une cellule d'électrolyse élémentaire, une cellule élémentaire étant formée de la cathode, d'une anode, et d'un électrolyte intercalé entre la cathode et l'anode. Selon l'invention, la pièce métallique comprend : - deux tôles planes espacées l'une de l'autre, l'une des deux tôles, dite première tôle, étant percée du premier groupe de trous et d'un premier groupe de trous complémentaire définissant chacun une portion d'au moins un trou du second groupe, l'autre des tôles, dite deuxième tôle, étant également percée d'un deuxième groupe de trous 5 complémentaire définissant chacun une portion d'au moins un trou du second groupe, - au moins un élément formant entretoise percée d'au moins un troisième groupe de trous complémentaire définissant chacun une portion d'un trou du second groupe, chaque trou du troisième groupe complémentaire étant débouchant à la fois sur au moins un trou du premier groupe et sur au moins un trou du deuxième groupe 10 complémentaire en définissant les canaux, l'(les) entretoise(s) étant agencée(s) pour être en appui contre les deux tôles planes sans obstruer le premier groupe de trous débouchant définissant ainsi la chambre adjacente au plan Pl, les deux tôles et l'(les) entretoise(s) étant soudées entre elles au moins autour des portions de chaque trou définissant le second groupe. 15 Les tôles planes ainsi que le ou les éléments foiniant entretoise(s) selon l'invention sont des tôles minces métalliques à partir desquelles on réalise des découpes pour obtenir les formes géométriques souhaitées de l'interconnecteur. On précise que l'on distingue le terme « tôle » pour désigner les composants qui recouvrent la totalité de la surface, du terme « entretoise » pour désigner des 20 composants qui recouvrent qu'une partie de la surface selon des découpes faites, en particulier les entretoises percées qui ne recouvrent que les trous ou rangées de trous du deuxième groupe, i.e. ceux destinés à la récupération de l'hydrogène produit. On précise que par « tôles minces », on entend le sens technologique usuel, c'est-à-dire des tôles en métal de faible épaisseur, typiquement d'épaisseur inférieure à 25 3 mm. Grâce à l'invention, on s'affranchit des inconvénients d'un assemblage de plaques massives avec soudure de tubes rapportés selon l'état de l'art, pour la réalisation d'un demi-interconnecteur du côté du compartiment cathodique d'un électrolyseur EHT ou du côté anodique d'une pile à combustible SOFC. En particulier, un interconnecteur 30 conforme à l'invention est plus simple à assembler et ce dans un temps de fabrication moindre que selon l'état de l'art.

En outre, l'invention permet d'obtenir un demi-interconnecteur du côté cathodique d'un électrolyseur EHT dont les étanchéités autour des trous de récupération de l'hydrogène produit sont très fiables. En effet, les liaisons métal/métal par soudure initiale étant homogènes sur tôles minces autour des trous du second groupe, c'est-à-dire des trous 5 par lesquels l'hydrogène produit H2 est récupéré, on peut envisager ultérieurement une soudure par diffusion autour desdits trous lors du fonctionnement à haute température de l'électrolyseur EHT. Autrement dit, l'étanchéité initiale créée autour des trous de récupération d'hydrogène par soudure, de préférence par transparence, entre tôles minces est améliorée par diffusion du métal engendrée par les hautes températures de 10 fonctionnement de l'électrolyseur EHT. D'ailleurs, ces liaisons métal/métal autour des trous selon l'invention, renforcées par leur soudage par diffusion améliorent encore la conduction du courant électrique pour l'alimentation électrique des cellules d'électrolyse. Enfin, le ou les éléments formant entretoises selon l'invention peuvent, selon 15 une variante précisée ci-après, être réalisés sous la forme de croix à multi croisillons en appui sur la majeure partie des surfaces des tôles planes de l'interconnecteur. Cela permet une bonne répartition de l'effort mécanique induit sur chaque cellule de l'électrolyseur par serrage de part et d'autre des plaques d'extrémité de l'électrolyseur. On rappelle que dans un électrolyseur EHT à empilement de cellules conforme à l'invention, le rendement 20 continue de dépendre de la qualité de conduction du courant à travers l'empilement et donc de l'effort de compression (effort de serrage) appliqué sur l'empilement. On précise qu'on entend par interconnecteur fluidique et électrique, un système de connexion à la fois d'amenée ou de collecte de courant électrique et d'amenée et de collecte d'un fluide à une électrode d'une cellule d'électrolyse de l'eau ou d'une cellule 25 électrochimique à oxydes solides d'une pile SOFC. Ainsi, un dispositif selon l'invention peut comprendre une seule cellule d'électrolyse ou électrochimique avec un premier interconnecteur en contact avec respectivement sa cathode ou son anode et un deuxième interconnecteur décrit ci-dessous en contact avec respectivement l'anode de la cellule d'électrolyse adjacente ou la cathode de la cellule électrochimique adjacente. 30 Selon un mode de réalisation avantageux, la pièce métallique comprend deux éléments formant entretoises, percées respectivement du troisième groupe de trous complémentaire et d'un quatrième groupe de trous complémentaires définissant également chacun une portion du second groupe de trous, les deux entretoises étant superposées l'une sur l'autre en étant orientées différemment parallèlement au plan Pl, une des entretoises étant en appui direct contre la première tôle plane et l'autre des entretoises étant en appui direct contre la deuxième tôle plane.

Les trous du premier et du deuxième groupe sont de préférence alignés en rangée, une rangée du deuxième groupe étant intercalée entre deux rangées consécutives du premier groupe et chaque entretoise est de préférence réalisée sous la forme d'une croix comportant un croisillon principal de forme rectiligne sur lequel sont reliés une pluralité de croisillons secondaires de forme rectiligne, chaque croisillon couvrant une rangée des trous du deuxième groupe. Selon un mode de réalisation avantageux, la pièce métallique comprend une troisième tôle, emboutie en partie et soudée à la deuxième tôle, et une ou plusieurs entretoises non percés et en appui contre la deuxième et troisième tôles pour rigidifier ledit interconnecteur et pour permettre le passage du courant électrique, l'espace délimité par les parties non embouties de la deuxième et troisième tôles définissant la chambre superposée à la chambre adjacente au plan P1. Selon une variante de réalisation, lorsque le dispositif est un interconnecteur pour l'électrolyse de l'eau, la chambre adjacente au plan Pl constitue la chambre par laquelle la vapeur d'eau est amenée et la chambre superposée constitue la chambre de collecte de l'hydrogène produit par l'électrolyse. Selon cette même variante de réalisation, lorsque le dispositif est un interconnecteur pour une pile SOFC, la chambre adjacente au plan P1 constitue la chambre par laquelle l'hydrogène est amené et la chambre superposée constitue la chambre de collecte de l'eau produite. L'invention concerne également un module interconnecteur comprenant un premier interconnecteur tel qu'il vient d'être décrit, et un deuxième interconnecteur électrique et fluidique consistant en une pièce métallique délimitée par au moins un plan P2, ladite pièce métallique comprenant intérieurement une chambre et une pluralité de trous répartis sur la surface, sensiblement perpendiculaires au plan P2 et débouchant à la fois sur ce dernier P2 et dans la chambre, dans lequel la pièce métallique du deuxième interconnecteur comprend deux tôles, dites respectivement quatrième et cinquième tôles, la quatrième tôle étant plane en définissant le plan P2 et percée des trous répartis sur la surface, tandis que la cinquième tôle est emboutie en partie et soudée à la quatrième tôle, une ou plusieurs entretoises non percées étant en appui contre la quatrième et cinquième tôles pour rigidifier ledit deuxième interconnecteur et pour permettre le passage du courant électrique, l'espace délimité par la quatrième tôle qui est plane et les parties non embouties de la cinquième tôle définissant la chambre sur laquelle débouche la pluralité des trous du deuxième interconnecteur, dans lequel les troisième et cinquième tôles sont soudées entre elles en définissant le module interconnecteur. Avantageusement, les troisièmes et cinquième tôle sont soudées dos-à-dos, avec les entretoises en regard individuellement les unes avec les autres à la fois pour rigidifier tout le module et pour permettre le passage du courant électrique depuis la première tôle jusqu'à la cinquième tôle. De préférence, toutes les tôles et élément(s) formant entretoise(s) sont soudés par transparence laser. L'invention concerne également un dispositif d'électrolyse de l'eau à haute température comprenant : - un empilement de cellules d'électrolyse élémentaires formées chacune d'une cathode, d'une anode et d'un électrolyte intercalé entre la cathode et l'anode, et - une pluralité de modules interconnecteurs comme celui décrit précédemment, chaque module interconnecteur étant agencé entre deux cellules élémentaires adjacentes tel que le plan Pl du premier interconnecteur est en contact mécanique avec la cathode d'une des deux cellules élémentaires et le plan P2 du deuxième interconnecteur est en contact mécanique avec l'anode de l'autre des deux cellules élémentaires le plan P2 du deuxième interconnecteur. L'invention concerne également un ensemble de production d'hydrogène comprenant une pluralité de dispositifs d'électrolyse décrit ci-avant.

L'invention concerne également une pile à combustible SOFC comprenant : - un empilement de cellules électrochimiques à oxydes solides élémentaires formées chacune d'une cathode, d'une anode et d'un électrolyte intercalé entre la cathode et l'anode, et - une pluralité de modules interconnecteurs comme décrit précédemment, chaque module interconnecteur étant agencé entre deux cellules élémentaires adjacentes tel que le plan P1 du premier interconnecteur est en contact mécanique avec l'anode d'une des deux cellules élémentaires et le plan P2 du deuxième interconnecteur est en contact mécanique avec la cathode de l'autre des deux cellules élémentaires le plan P2 du deuxième interconnecteur. Description détaillée D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d'exemples de mise en oeuvre de l'invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue schématique illustrant le principe de fonctionnement d'une cellule d'électrolyse de l'eau à haute température ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un dispositif d'électrolyse selon la demande de brevet WO 2011/110677 à une seule cellule d'électrolyse, - la figure 3 est une vue schématique en coupe d'un dispositif d'électrolyse selon la demande de brevet précitée WO 2011/110677 à empilement de cellules d'électrolyse, - les figures 4 à 7 sont des vues en coupe et en perspective montrant les différents composants et leur agencement relatif d'un dispositif interconnecteur réalisé selon l'invention ; - la figure 8 est une vue en coupe partielle transversale d'un dispositif d'électrolyse selon la demande de brevet précitée WO 2011/110677 à empilement de cellules d'électrolyse et réalisé selon l'invention, - la figure 8A est une vue de détail de la figure 8. La figure I relative au principe de fonctionnement d'une cellule d'électrolyse de l'eau à haute température à déjà été commentée en détail en préambule. Elle n'est donc pas décrite ci-après. Les symboles et les flèches de parcours de vapeur d'eau H2O, hydrogène H2 et 25 d'oxygène 02 sont montrés dans l'ensemble des figures à des fins de clarté. L'électrolyse à haute température selon l'invention peut être réalisée à des températures d'au moins 450°C, typiquement comprises entre 700°C et 1000°C. Tel que représenté en figures 2 et 3, un dispositif d'électrolyse selon la demande de brevet WO 2011/110677 comprend une cellule d'électrolyse élémentaire 30 formée d'une cathode 2, d'une anode 4, et d'un électrolyte 6 intercalé entre la cathode et l'anode.

Typiquement, les caractéristiques d'une cellule d'électrolyse élémentaire convenant à l'invention peuvent être celles indiquées comme suit dans le tableau : TABLEAU Cellule d'électrolyse Unité Valeur Cathode 2 Matériau constitutif Ni-YSZ Epaisseur pin 315 Conductivité thermique W m 1 K-1 13,1 Conductivité électrique Ir 1 m-1 105 Porosité 0,37 P ennéabilité m2 10-13 Tortuosité 4 Densité de courant A.m-2 5300 Anode 4 Matériau constitutif LSM Epaisseur pm 20 Conductivité thermique W m-1K-1 9,6 Conductivité électrique 52-1 m-1 1 104 Porosité 0,37 Perméabilité m2 104 3 Tortuosité 4 Densité de courant A.m.-2 2000 Electrolyte 6 Matériau constitutif Y SZ Epaisseur p.m Résistivité S2 m 0,42 Un premier dispositif 8.0 formant un interconnecteur électrique et fluidique consiste en une pièce métallique 80 délimitée par au moins un plan P1 en contact avec une cathode 2. La pièce métallique 80 comprend intérieurement deux chambres 81, 82 superposées l'une sur l'autre et une pluralité de trous 810, 820 sensiblement perpendiculaires au plan Pl et divisés en deux groupes. Par trou perpendiculaire au plan Pl, on entend un trou dont l'axe est perpendiculaire au plan Pl. Sa surface est donc parallèle au plan Pl . Un des groupes de trous 810 débouche à la fois sur le plan P1 et directement dans la chambre adjacente 81 et l'autre groupe des trous 820 débouche à la fois sur le plan Pl et dans la chambre 82 la plus éloignée par l'intermédiaire de canaux 83. Le plan P1 du premier interconnecteur 8.0 est en contact mécanique avec le plan de la cathode 2. Tel que représenté en figure 3, on injecte directement la vapeur d'eau par la chambre 82 la plus éloignée du plan Pi en vue de la réaction d'électrolyse.

Comme illustré à l'aide de la flèche et des symboles H2 et H2O en figure 3, la vapeur d'eau injectée par cette chambre 82 circule ensuite par les canaux 83, puis est transformée progressivement en hydrogène dans la porosité de la cathode 2 et grâce à l'amenée uniforme de courant électrique sur toute la surface de cellule par l'interconnecteur 8.0.

Une partie d'hydrogène est prélevée de manière uniforme par chacun des trous 810 de l'autre groupe puis évacuée par la chambre 81 sur laquelle les trous 810 débouchent. Le dispositif d'électrolyse selon la demande de brevet précitée WO 2011/110677 tel que représenté en figure 1 comprend, du côté anode 4, un deuxième interconnecteur 8.1. Cet interconnecteur 8.1 consiste également en une pièce métallique 84 délimitée par un plan P2 en contact mécanique direct avec le plan de l'anode 4. La pièce métallique 84 comprenant intérieurement une chambre 85 et une pluralité de trous 800 répartis sur la surface, sensiblement perpendiculaires au plan et 25 débouchant à la fois sur ce plan P2 et dans la chambre 85. Comme illustré à l'aide de la flèche et du symbole 02 en figure 2, l'oxygène produit à l'anode 4 est collecté par chacun des trous 800 puis est évacuée par la chambre 85. On a représenté schématiquement en figure 3 un empilement de trois cellules 30 d'électrolyse Cl, C2, C3 avec les interconnecteurs selon la demande de brevet précitée WO 2011/110677.

Plus exactement, le courant est amené et récupéré aux bornes de l'empilement constituées d'une part par un premier dispositif interconnecteur 8.0 en contact avec la cathode de la cellule Cl et d'autre part par un deuxième dispositif interconnecteur 8.1 en contact avec la cellule C3.

Un module interconnecteur 8 constitué d'un deuxième interconnecteur 8.1 et d'un premier interconnecteur 8.0 est agencé entre la cellule Cl et la cellule C2, le deuxième interconnecteur 8.1 étant en contact avec le plan P2 de l'anode de la cellule Cl et le premier interconnecteur 8.0 étant en contact avec le plan Pl de la cathode de la cellule C2 adjacente.

Cela est réalisé de manière identique entre les deux cellules C2 et C3 adjacentes. La pièce métallique 84 constituant le deuxième interconnecteur 8.1 est en contact mécanique direct avec l'anode 4, comme représenté en figure 2. Le plan P2 de ce deuxième interconnecteur 8.1 est en contact mécanique direct avec le plan de l'anode comme représenté en figure 2. Les trous 800 de collecte de l'oxygène produit, peuvent être alignés en alternance en quinconce exactement comme l'ensemble des trous 810, 820 d'amenée de vapeur d'eau et de collecte d'oxygène respectivement. Un tel électrolyseur (EHT) à empilement peut tout à fait fonctionner sous une pression élevée, typiquement à une pression de l'ordre de 30 bars. Ainsi, l'alimentation en vapeur d'eau H2O peut se faire avantageusement depuis l'environnement interne d'une enveloppe étanche qui reçoit de la vapeur d'eau sous pression depuis l'extérieur par un tuyau. Pour réaliser chaque premier interconnecteur 8.0 ou deuxième interconnecteur 8.1, il a déjà été envisagé: - d'assembler des plaques métalliques massives, c'est-à-dire fabriquées dans une pièce brute, - de rapporter et de souder des tubes à deux plaques massives pour la réalisation des canaux 83 dont la fonction est soit d'alimenter en vapeur d'eau à haute température une cathode 2 depuis la chambre du dessus 82 comme représenté en figures 2 et 3, soit de récupérer l'hydrogène 112 produit à la cathode 2 pour l'amener dans la chambre du dessus comme représenté ci- après.

Cette solution ne peut être retenue car complexe en particulier avec des usinages onéreux et des soudures nombreuses notamment pour les tubes, coûteuses, générant un poids d'ensemble non négligeable. Cette solution complexe nécessite en outre un temps d'assemblage important.

Aussi, selon l'invention, on prévoit un module interconnecteur 8 entre deux cellules d'électrolyse adjacentes tel que montré aux figures 8 et 8A et qui est réalisé uniquement à partir de tôles minces métalliques planes, percées et assemblées entre elles par soudures, comme montré sur les figures 4 à 7. Les tôles minces selon l'invention sont des tôles d'épaisseur inférieure à 3mm, typiquement de l'ordre de 0,2 mm.

On précise ici que contrairement au mode de réalisation selon les figures 2 et 3 selon lequel la chambre du dessus 82 est celle par laquelle la vapeur d'eau est alimentée et la chambre 81 adjacente au plan de cathode est celle de récupération de l'hydrogène produit, le mode de réalisation selon l'invention et des figures 8 et 8A prévoit une alimentation périphérique de la vapeur d'eau par la chambre 81, i-e celle adjacente au plan de cathode 2 d'une cellule, et la récupération de l'hydrogène produit est faite par la chambre 82 du dessus, i-e celle superposée à la chambre 81. On peut ainsi, selon le mode de réalisation des figures 8 et 8A, amener la vapeur d'eau à hautes températures sous pression élevée depuis l'intérieur d'une enveloppe étanche adaptée pour contenir de la vapeur d'eau contenant au plus 1 % d'hydrogène et dans laquelle est logée l'empilement de cellules d'électrolyse comme décrit dans la demande de brevet WO 2011/110674 au nom de la demanderesse. Typiquement, la vapeur d'eau à haute température sous pression est amenée depuis la périphérie de l'interconneeteur 8.0 dans la chambre 81 adjacente au plan Pl de cathode 2 comme montré par les flèches horizontales en figure 8.

Selon l'invention, afin d'éviter la complexité d'assemblage et le temps nécessaire avec des tubes rapportés et soudés, on prévoit que la pièce métallique 80 est réalisée à partir de deux tôles 90, 91 planes et d'au moins un élément 92, 93 formant entretoise définissant la chambre 81 d'amenée de vapeur d'eau H2O, adjacente au plan Pl. Les tôles planes 90, 91 et les entretoises selon l'invention sont réalisées à partir de tôles minces métalliques. Dans le mode de réalisation illustré aux figures 4 à 8A, les trous 810 du premier groupe, c'est-à-dire les trous par lesquels la vapeur d'eau d'alimentation est injectée, sont alignés en rangées en alternance avec les rangées des trous 820 du deuxième groupe, c'est-à-dire les trous par lesquels l'hydrogène produit aux cathodes 2 est évacué. Autrement dit, une rangée des trous 820 est intercalée entre deux rangées consécutives de trous 810.

Dans ce mode de réalisation également, comme mieux illustré en figure 4, les trous 810, 820 sont répartis sur une surface sensiblement circulaire. La première tôle plane 90 est percée des trous débouchant 810 destinés à former le premier groupe de trous débouchant sur le plan Pl. Elle est également percée de trous débouchant 820a de moindre diamètre que les trous 810, chacun de ces trous 820a étant destiné à former une portion d'un trou 820 du deuxième groupe (figure 4). Les trous débouchant 820a peuvent être de même diamètre, voire de diamètre supérieur aux trous 810. La deuxième tôle plane 91 est quant à elle percée uniquement de trous débouchant 820b de même diamètre que les trous 820a, chacun des trous 820b étant destiné à former une autre portion d'un trou 820 du deuxième groupe (figure 5). En outre, chacune des deux tôles planes 90, 91 est percée à sa périphérie de trous de plus gros diamètre, les trous 10 étant destinés à l'insertion de moyens de serrage de l'empilement de cellules de l'électrolyseur, les trous 11 et 12 étant respectivement destinés à récupérer l'oxygène et l'hydrogène produit lors de l'électrolyse à haute température. Selon l'invention, chaque élément formant entretoise 92, 93 est percé de trous débouchant 820e, 820d définissant chacun une portion d'un trou 820 du second groupe. Ainsi, une fois l'assemblage réalisé, chaque trou 820e, 820d des entretoises débouche à la fois sur un trou 820a et sur un trou 820b en définissant les canaux 83, qui sont ceux traversés par l'hydrogène produit qui se dirige ainsi vers la chambre 82 superposée à la chambre 81, comme mieux illustré en figure 8A. Comme visible également en figure 8A, l'(les) entretoise(s) 92, 93 est (sont) agencée(s) pour être en appui contre les deux tôles planes 90, 91 sans obstruer le premier groupe de trous débouchant 810 définissant ainsi la chambre adjacente 81 au plan P1.

Pour réaliser l'interconnecteur 8.0 qui vient d'être défini, les deux tôles planes 90, 91 et l'(les) entretoise(s) sont soudées entre elles au moins autour des portions 820a, 820b, 820e, 820d de chaque trou définissant le second groupe. Toutes les soudures entre tôles 90, 91 réalisées à la fabrication, en dehors de tout fonctionnement de l'électrolyseur EHT peuvent être réalisées avantageusement selon une technique de laser par transparence, ce qui est possible du fait de la très faible épaisseur des tôles minces, typiquement de l'ordre de 0,2 mm.

Toutes les tôles 90, 91 et entretoises 92, 93 sont avantageusement en acier ferritique à 20% de chrome, de préférence en CROFER® 22APU à base Nickel de type Inconel® 600 ou Haynes® ou le FT18TNb dans des épaisseurs typiquement comprises entre 0,1 et 1 mm. L'assemblage par soudures autour des trous 820 entre tôles planes 90, 91 et entretoises 92, 93 garantit une bonne étanchéité entre la vapeur d'eau amenée H20 et l'hydrogène H2 produit et récupéré, lors du fonctionnement de l'électrolyseur EHT. En outre, du fait de ces liaisons initiales métal/métal homogènes entre les différentes éléments réalisés en tôles minces autour des trous 820, on peut considérer qu'il va se créer des soudures par diffusion de métal lors du fonctionnement à haute température, ce qui améliore l'étanchéité. Avantageusement, il peut être prévu deux entretoises 92, 93 superposées l'une sur l'autre, ce qui permet d'augmenter la hauteur de la chambre 81 d'alimentation en vapeur d'eau H20. Dans le mode de réalisation illustré aux figures 4 à 9, les deux entretoises 92, 93 sont identiques entre elles et ont une forme générale de croix à plusieurs croisillons secondaires 921, 931 tous reliés à un croisillon principal 920, 930. Plus exactement, comme mieux représenté en figure 6 en référence avec l'entretoise en appui direct contre la première tôle plane 90, l'entretoise en croix 92 comporte un croisillon principal 920 de forme rectiligne sur lequel sont reliés une pluralité de croisillons secondaires 921 de forme rectiligne. Telle qu'agencée, l'entretoise 92 en forme de croix à multi-croisillons 920, 921 permet d'avoir en regard les portions de trous 820e dont elle est percée avec les portions de trous 820a de la tôle plane 90 sans obstruer aucun des trous 810 d'alimentation en vapeur d'eau. Ainsi, chaque croisillon 920, 921 couvre une rangée des trous 820 du deuxième groupe. Un exemple d'entretoise 92, 93 est montré en figure 6 pour une répartition de trous 820 selon une surface circulaire et en un nombre pair de rangées : on voit que la croix est dissymétrique par rapport au croisillon principal 920 et que les croisillons secondaires 921 sont de longueur décroissante de l'intérieur vers l'extérieur.

Comme illustré en figure 7, les deux entretoises 92, 93 en forme de croix sont superposées l'une sur l'autre en étant orientées à 90° l'une par rapport à l'autre dans un plan parallèle au plan PI, c'est-à-dire orthogonalement à l'axe longitudinal X de l'interconnecteur 8.0. Ainsi, les croisillons principaux 920, 930 des deux entretoises sont agencées orthogonalement l'un par rapport à l'autre (figure 7). L'orientation différente d'une entretoise 92 par rapport à l'autre 93 permet avantageusement à la vapeur d'eau d'alimentation de circuler dans d'autres directions au sein de la chambre 81 avant de parvenir aux trous 810 d'alimentation des cathodes 2 des cellules d'électrolyse. En outre, l'agencement des deux entretoises 92, 93 superposées l'une sur l'autre et à 90° l'une de l'autre permet une distribution uniforme du courant électrique au travers de l' interconnecteur. Pour finaliser l'interconnecteur 8.0 selon l'invention, c'est-à-dire la réalisation de la chambre 82 de récupération de l'hydrogène produit qui est superposée à la chambre 81 d'alimentation en vapeur d'eau, on vient souder une tôle métallique 94, dite troisième tôle, également réalisée à partir d'une tôle mince, sur la tôle plane 91. Pour rigidifier l'interconnecteur 8.0 au niveau de la chambre 82 de récupération de l'hydrogène produit et pour permettre le passage du courant électrique d'alimentation nécessaire à l'électrolyse ou autrement dit la continuité électrique à travers l'empilement des cellules de l'électrolyseur EHT selon l'invention, on prévoit de réaliser une ou plusieurs entretoises 97, 98 de manière analogue aux entretoises 92, 93 mais sans aucun perçage. Les deux entretoises 97, 98 montrées en figure 8, superposées l'une sur l'autre sont respectivement en appui contre la tôle plane 91 et la tôle emboutie 94 sans obstruer les trous 820 de récupération de l'hydrogène H2. La pièce métallique 84 du deuxième interconnecteur 8.1 est réalisée à partir de deux tôles 95, 96, dites respectivement quatrième et cinquième tôles. La quatrième tôle 95 est plane et définit le plan P2. Elle est percée des trous 800 répartis sur la surface par lesquels l'oxygène 02 produit est récupéré. La cinquième tôle 96 est emboutie en partie et soudée à la quatrième tôle 95. Les emboutis 960 de la cinquième tôle sont non percés et en appui contre la quatrième tôle 95 pour rigidifier le deuxième interconnecteur 8.1 et pour per mettre le passage du courant électrique d'alimentation nécessaire à 1 ' électrolyse.

L'espace délimité entre la quatrième tôle plane 95 et les parties non embouties de la cinquième tôle définissent la chambre 85 de récupération de l'oxygène produit, sur laquelle débouche la pluralité de trous 800 du deuxième interconnecteur 8.1. Les troisième 94 et cinquième tôles 96 sont soudées entre elles, ce qui définit ainsi le module interconnecteur 8 selon l'invention. Comme visible en figure 8, les troisième 94 et cinquième 96 tôles sont identiques et soudées dos-à-dos. Comme visible également en figure 8, pour rigidifier tout le module interconnecteur et pour permettre le passage du courant électrique depuis la première tôle plane 90 jusqu'à la cinquième tôle 96, on peut prévoir deux entretoises 97, 98 superposées l'un sur l'autre dans chaque chambre 82 et 85 et soudées entre elles et à chaque tôle. Les entretoises 97, 98 dans une chambre 82 sont en regard ou autrement dit en dos-à-dos avec celles de l'autre chambre 85. Ces entretoises 97, 98 peuvent être réalisées avantageusement avec les mêmes formes de croix et les mêmes dimensions que les entretoises 92, 93 décrites précédemment mais sans être percées. L'agencement de ces entretoises 97, 98 est prévu pour ne pas obstruer les trous 820 de récupération d'hydrogène et les trous 800 de récupération d'oxygène. L'agencement dos-à-dos des entretoises 97, 98 permet d'avoir un interconnecteur 8 apte à résister aux efforts de compression (serrage) soumis à l'empilement de cellules d'électrolyse et d'assurer la continuité électrique à travers tous les modules interconnecteurs et donc à travers tout l'empilement de cellules lors du fonctionnement de l'électrolyseur EHT. L'interconnecteur 8.0 selon l'invention qui vient d'être décrit peut également constituer un interconnecteur pour une pile à combustible SOFC : la chambre adjacente 81 25 au plan Pl constitue alors la chambre par laquelle l'hydrogène est amenée et la chambre superposée 82 constitue la chambre de collecte de l'eau produite. D'autres améliorations et variantes peuvent être prévues sans pour autant sortir du cadre de l'invention. L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits ; on peut 30 notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif (8.0) formant un interconnecteur électrique et fluidique pour l'électrolyse de l'eau à haute température (EHT) ou pour une pile à combustible à oxydes solides (SOFC) consistant en une pièce métallique (80) délimitée par au moins un plan Pl, ladite pièce métallique comprenant intérieurement deux chambres (81, 82), superposées l'une sur l'autre par rapport audit plan Pl et une pluralité de trous (810, 820) répartis sur la surface, sensiblement perpendiculaires au plan et divisés en deux groupes, dont un premier groupe de trous (810) débouche à la fois sur le plan P1 et directement dans la chambre (81) adjacente au plan Pl et un second groupe de trous (820) débouche à la fois sur le plan P 1 et dans la chambre (82) la plus éloignée par l'intermédiaire de canaux (83), le plan Pl de l'interconnecteur étant destiné à venir en contact mécanique avec le plan d'une anode d'une cellule électrochimique élémentaire à oxydes solides d'une pile SOFC ou le plan d'une cathode (2) d'une cellule (C2) d'électrolyse élémentaire, une cellule élémentaire étant formée d'une cathode (2), d'une anode (4), et d'un électrolyte (6) intercalé entre la cathode et l'anode, dans lequel la pièce métallique comprend : - deux tôles (90, 91) planes espacées l'une de l'autre, l'une des deux tôles, dite première tôle, étant percée du premier (810) groupe de trous débouchant et d'un premier groupe de trous complémentaire (820a) définissant chacun une portion d'au moins un trou (820) du second groupe, l'autre des tôles, dite deuxième tôle, étant également percée d'un deuxième groupe de trous complémentaire (820b) définissant chacun une portion d'au moins un trou (820) du second groupe, - au moins un élément formant entretoise (92, 93) percée d'au moins un troisième groupe de trous complémentaire (820e, 820d) définissant chacun une portion d'un trou (820) du second groupe, chaque trou (820c) du troisième groupe complémentaire étant débouchant à la fois sur au moins un trou (820a) du premier groupe et sur au moins un trou (820b) du deuxième groupe complémentaire en définissant les canaux (83), l'(les) entretoise(s) étant agencée(s) pour être en appui contre les deux tôles planes (90, 91) sans obstruer le premier groupe de trous débouchant (810) définissant ainsi la chambre adjacente (81) au plan P1, les deux tôles et l'(les) entretoise(s) étant soudées entre elles au moins autour des portions (820a, 820b, 820e, 820d) de chaque trou définissant le second groupe.
2. 2. Dispositif formant un interconnecteur électrique et fluidique pour l'électrolyse de l'eau à haute température ou pour une pile SOFC selon la revendication 1, dans lequel la pièce métallique comprend deux éléments (92, 93) formant entretoises, percées respectivement du troisième groupe de trous complémentaire (820c) et d'un quatrième groupe de trous complémentaires (820d) définissant également chacun une portion du second groupe de trous, les deux entretoises (92, 93) étant superposées l'une sur l'autre en étant orientées différemment parallèlement au plan P 1 , une des entretoises étant en appui direct contre la première tôle plane et l'autre des entretoises étant en appui direct contre la deuxième tôle plane.
3. 3. Dispositif formant un interconnecteur électrique et fluidique pour l'électrolyse de l'eau à haute température ou pour une pile SOFC selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les trous (810, 820) du premier et du deuxième groupe sont alignés en rangée, une rangée du deuxième groupe étant intercalée entre deux rangées consécutives du premier groupe et dans lequel chaque entretoise (92, 93) est réalisée sous la forme d'une croix comportant un croisillon principal (920) de forme rectiligne sur lequel sont reliés une pluralité de croisillons secondaires (921) de forme rectiligne, chaque croisillon (920, 921) couvrant une rangée des trous (820) du deuxième groupe.
4. 4. Dispositif formant un interconnecteur électrique et fluidique pour l'électrolyse de l'eau à haute température ou pour une pile SOFC selon la revendication 1 à 3, dans lequel la pièce métallique comprend une troisième tôle (94), emboutie en partie et soudée à la deuxième tôle (91), et une ou plusieurs entretoises (97, 98) non percés et en appui contre la deuxième (91) et troisième (94) tôles pour rigidifier ledit interconnecteur et pour permettre le passage du courant électrique, l'espace délimité par les parties non embouties de la deuxième et troisième tôles définissant la chambre (82) superposée à la chambre adjacente (81) au plan Pl.
5. 5. Dispositif formant un interconnecteur électrique et fluidique pour l'électrolyse de l'eau à haute température selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la chambre adjacente (81) au plan P1 constitue la chambre par laquelle la vapeur d'eau est amenée et la chambre superposée (82) constitue la chambre de collecte de l'hydrogène produit par l'électrolyse.
6. 6. Dispositif formant un interconnecteur électrique et fluidique pour une pile SOFC selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la chambre adjacente (81)au plan Pl constitue la chambre par laquelle l'hydrogène est amenée et la chambre superposée (82) constitue la chambre de collecte de l'eau produite.
7. 7. Module interconnecteur (8) comprenant un premier (8.0) interconnecteur selon l'une des revendications 1 à 5, et un deuxième (8.1) interconnecteur électrique et fluidique consistant en une pièce métallique (84) délimitée par au moins un plan P2, ladite pièce métallique comprenant intérieurement une chambre (85) et une pluralité de trous (800) répartis sur la surface, sensiblement perpendiculaires au plan P2 et débouchant à la fois sur ce dernier P2 et dans la chambre (85), dans lequel la pièce métallique (84) du deuxième interconnecteur comprend deux tôles (95, 96), dites respectivement quatrième et cinquième tôles, la quatrième tôle (95) étant plane en définissant le plan P2 et percée des trous répartis sur la surface, tandis que la cinquième tôle (96) est emboutie en partie et soudée à la quatrième tôle, une ou plusieurs entretoises (97, 98) non percées étant en appui contre la quatrième (95) et cinquième (96) tôles pour rigidifier ledit deuxième interconnecteur et pour permettre le passage du courant électrique, l'espace délimité par la quatrième tôle (95) qui est plane et les parties non embouties de la cinquième tôle (96) définissant la chambre (85) sur laquelle débouche la pluralité des trous du deuxième interconnecteur, dans lequel les troisième et cinquième tôles sont soudées entre elles en définissant le module interconnecteur (8).
8. 8. Module interconnecteur (8) selon la revendication 7, dans lequel les troisièmes et cinquième tôle sont soudées dos-à-dos, avec les entretoises (97, 98) en regard individuellement les unes avec les autres à la fois pour rigidifier tout le module et pour permettre le passage du courant électrique depuis la première tôle jusqu'à la cinquième tôle.
9. 9. Module interconnecteur (8) selon l'une des revendications 6 ou 7, dans lequel toutes les tôles (90, 91, 94, 95, 96) et élément(s) formant entretoise(s) (92, 93, 97, 98) sont soudés par transparence laser.
10. 10. Dispositif d'électrolyse de l'eau à haute température comprenant : - un empilement de cellules d'électrolyse (Cl, C2) élémentaires formées chacune d'une cathode (2), d'une anode (4) et d'un électrolyte (6) intercalé entre la cathode et l'anode, et - une pluralité de modules interconnecteurs (8) selon l'une des revendications 6 à 8, chaque module interconnecteur (8) étant agencé entre deux cellules élémentairesadjacentes (Cl, C2) tel que le plan Pl du premier interconnecteur est en contact mécanique avec la cathode d'une des deux cellules élémentaires et le plan P2 du deuxième interconnecteur (8.1) est en contact mécanique avec l'anode (4) de l'autre des deux cellules élémentaires le plan P2 du deuxième interconnecteur,
11. 11. Ensemble de production d'hydrogène comprenant une pluralité de dispositifs d'électrolyse selon la revendication 10,
12. 12. Pile à combustible SOFC comprenant : - un empilement de cellules électrochimiques à oxydes solides élémentaires formées chacune d'une cathode (2), d'une anode (4) et d'un électrolyte (6) intercalé entre la cathode et l'anode, et - une pluralité de modules interconnecteurs (8) selon l'une des revendications 6 à 8, chaque module interconnecteur (8) étant agencé entre deux cellules élémentaires adjacentes (Cl, C2) tel que le plan Pl du premier interconnecteur est en contact mécanique avec l'anode (4) d'une des deux cellules élémentaires et le plan P2 du deuxième interconnecteur (8.1) est en contact mécanique avec la cathode (2) de l'autre des deux cellules élémentaires le plan P2 du deuxième interconnecteur.