FR3016084A1 - Interconnecteur electrique et fluidique pour electrolyseur eht ou pile a combustible sofc - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une nouvelle conception d'interconnecteur pour réacteur EHT ou pile à combustible SOFC selon laquelle la hauteur d'une chambre de distribution, i.e. alimentation ou récupération des gaz, est déterminée par l'épaisseur d'une tôle intermédiaire et la distribution proprement dite est assurée par des lumières allongées selon un axe Y qui communiquent avec les lumières d'une tôle d'extrémité allongées selon un autre axe X. Ces dernières délimitent les canaux qui assurent la circulation des gaz en contact avec une cellule électrochimique adjacente.

Description

INTERCONNECTEUR ELECTRIQUE ET FLUIDIQUE POUR ELECTROLYSEUR EHT OU PILE A COMBUSTIBLE SOFC Domaine technique La présente invention concerne le domaine des piles à combustibles à oxyde solide (SOFC, acronyme anglais pour Solid Oxid Fuel Cell) et celui de l'électrolyse de l'eau à haute température (EHT, ou EVHT pour électrolyse de la vapeur d'eau à haute température, ou HTE acronyme anglais pour High Temperature Electrolysis, ou encore HTSE acronyme anglais pour High Temperature Steam Electrolysis) également à oxydes solides (SOEC, acronyme anglais La présente invention concerne les dispositifs d'interconnexion qui sont soumis aux hautes températures et d'un côté à une atmosphère réductrice soit riche en vapeur d'eau H20/H2 (hydrogène humide ou hydrogène riche en vapeur d'eau) dans les réacteurs d'électrolyse EHT soit riche en H2 dans les piles SOFC, et de l'autre côté à une atmosphère oxydante soit riche en 02 dans les réacteurs EHT, soit riche en air dans les piles SOFC dont une des fonctions est d'assurer le passage du courant électrique dans les réacteurs d'électrolyse EHT. Les dispositifs d'interconnexion, électrique et fluidique, aussi appelés interconnecteurs ou encore plaques d'interconnexion, sont les dispositifs qui assurent la connexion en série de chaque cellule électrochimique (pile ou cellule d'électrolyse) dans l'empilement de piles à combustible et des réacteurs EHT, combinant ainsi la production de chacune. Les interconnecteurs assurent ainsi les fonctions d'amenée et collecte de courant et délimitent des compartiments de circulation (l'alimentation et/ou la collecte) des gaz. La présente invention vise plus particulièrement à réduire le volume nécessaire aux interconnecteurs tout en préservant le niveau de fonctionnement des cellules électrochimiques. Elle vise également un procédé de réalisation d'interconnecteurs qui soit peu coûteux. Art antérieur Une pile à combustible SOFC ou un électrolyseur EHT est constitué d'un empilement de motifs élémentaires (aussi appelés SRU pour « Single Repeat Unit ») comportant chacun une cellule électrochimique à oxydes solides, constituée de trois couches superposées l'une sur l'autre anode/électrolyte/cathode, et de plaques d'interconnexion en alliages métalliques aussi appelées plaques bipolaires, ou interconnecteurs. Les interconnecteurs ont pour fonction d'assurer à la fois le passage du courant électrique et la circulation des gaz au voisinage de chaque cellule (vapeur d'eau injectée, hydrogène et oxygène extrait dans un électrolyseur EHT; air et hydrogène injectés et eau extraite dans une pile SOFC) et de séparer les compartiments anodiques et cathodiques qui sont les compartiments de circulation des gaz du côté respectivement des anodes et des cathodes des cellules. Pour réaliser l'électrolyse de la vapeur d'eau à haute température EHT, typiquement entre 600 et 950°C, on injecte de la vapeur d'eau H20 dans le compartiment cathodique. Sous l'effet du courant appliqué à la cellule, la dissociation des molécules d'eau sous forme vapeur est réalisée à l'interface entre l'électrode à hydrogène (cathode) et l'électrolyte : cette dissociation produit du gaz dihydrogène H2 et des ions oxygène. Le dihydrogène est collecté et évacué en sortie de compartiment à hydrogène. Les ions oxygène 02- migrent à travers l'électrolyte et se recombinent en dioxygène à l'interface entre l'électrolyte et l'électrode à oxygène (anode). Pour assurer le fonctionnement d'une pile à combustible SOFC, on injecte de l'air (oxygène) dans le compartiment cathodique et de l'hydrogène dans le compartiment anodique. L'hydrogène H2 va se transformer en ions H+ et libérer des électrons qui sont captés par l'anode. Les ions H+ arrivent sur la cathode où ils se combinent aux ions 02- constitués à partir de l'oxygène de l'air, pour former de l'eau. Le transfert des ions H+ et des électrons vers la cathode va produire un courant électrique continu à partir de l'hydrogène. Les conditions de fonctionnement d'un électrolyseur EHT étant très proches de celles d'une pile à combustible SOFC, les mêmes contraintes technologiques se retrouvent, à savoir principalement la tenue mécanique aux cyclages thermiques d'un empilement de matériaux différents (céramiques et alliage métallique), le maintien de l'étanchéité entre les compartiments anodique et cathodique, la tenue au vieillissement des interconnecteurs métalliques et la minimisation des pertes ohmiques à diverses interfaces de l'empilement.

En ce qui concerne la géométrie des interconnecteurs, on a représenté en figures 1, 1 A et 1B, une plaque à canaux 1 couramment utilisée à la fois dans les électrolyseurs EHT et dans les piles à combustibles SOFC. L'amenée ou la collecte du courant à l'électrode est réalisée par les dents ou nervures 10 qui sont en contact mécanique direct avec l'électrode concernée. L'amenée de vapeur d'eau à la cathode ou de gaz drainant à l'anode dans un électrolyseur EHT, l'amenée d'air (02) à la cathode ou d'hydrogène à l'anode dans une pile SOFC est symbolisée par les flèches en figure 1. La collecte de l'hydrogène produit à la cathode ou de l'oxygène produit à l'anode dans un électrolyseur EHT, la collecte de l'eau produite à la cathode ou de l'hydrogène en surplus à l'anode dans une pile SOFC est faite par les canaux 11 qui débouchent dans une connexion fluidique, couramment appelée clarinette, commune à l'empilement de cellules. La structure de ces interconnecteurs est faite pour réaliser un compromis entre les deux fonctions d'amenée et de collecte (gaz/courant). Une autre plaque interconnectrice 1 a déjà été proposée : [1]. Elle est représentée en figure 2 avec la circulation du fluide représentée par les flèches: sa structure est de type interdigitée. Un des inconvénients majeurs de cette plaque à canaux ou de structure interdigitée sont liés à leur technique de réalisation. Ainsi, ces structures de plaques nécessitent une épaisseur de matière importante, typiquement de 5 à 10 mm, pour la zone de collection des gaz produits et une mise en forme par usinage dans la masse, des canaux de distribution des gaz. Une représentation photographique d'une telle plaque usinée est donnée en figure 3. Les coûts de matière et d'usinage sont importants et directement reliés à la finesse de pas des canaux à usiner, plus particulièrement des distances entre canaux inférieures à 1 mm. Un autre inconvénient majeur est que, comme déjà évoqué, il est nécessaire d'avoir des profondeurs de canaux dans les plaques qui soient relativement importantes, typiquement de 5 à lOmm, afin d'assurer une distribution homogène des gaz sur l'ensemble des canaux depuis leur alimentation transversale. On pourra se reporter notamment à la publication [2]. Cette profondeur relativement importante des canaux impliquent une épaisseur de plaque interconnectrice relativement importante et donc une épaisseur unitaire d'un motif élémentaire SRU relativement élevée. Au final, les architectures avec ces plaques interconnectrices à canaux ou interdigitées impliquent une hauteur relativement importante d'un réacteur EHT ou d'une pile à combustible SOFC, qui est donc bien supérieure aux hauteurs des cellules électrochimiques.

L'emploi de tôles minces, typiquement de 0,5 à 2 mm, embouties puis assemblées entre elles par soudage laser a déjà été éprouvé. Une représentation photographique d'une telle plaque obtenue par assemblage de tôles embouties est donnée en figure 4. Cette technique a pour avantage de limiter le coût de matière première mais ne permet pas d'atteindre une finesse de canaux aussi élevée que par usinage. De fait, les possibilités de réalisation pour la profondeur des canaux, la largeur unitaire de dent et le pas entre dents sont limitées. De plus, le coût de l'outillage d'emboutissage nécessite une production en grande série. En outre, avec ces interconnecteurs à tôles minces selon l'état de l'art, il est connu d'avoir des architectures de motifs élémentaires SRU, dans lesquelles les chambres de distribution (alimentation ou récupération) des gaz sont déportées latéralement par rapport au plan principal des SRU: [3], [4]. Dans ces architectures, la circulation des gaz est dite « cross-flow », car les canaux de circulation/distribution anodiques ont des directions perpendiculaires à ceux cathodiques dans un plan horizontal. Dans de telles architectures, les chambres de distribution anodiques et cathodiques sont réparties sur les quatre côtés de l'empilement, c'est-à-dire déportées latéralement par rapport au plan principal des SRU Dans de telles architectures, le déport lateral des chambres de distribution des gaz permet certes d'avoir un gain d'épaisseur des SRU. En revanche, cela implique une largeur des SRU plus importante. Autrement dit, les architectures avec ces plaques à tôles minces et chambres de distribution déportées latéralement impliquent une largeur relativement importante d'un réacteur EHT ou d'une pile à combustible SOFC, qui est donc bien supérieure aux largeurs des cellules électrochimiques. Ainsi, quelle que soit la réalisation et l'architecture des plaques d'interconnecteurs et des chambres de distribution des gaz, au moins l'une des dimensions d'un motif élémentaire SRU est bien supérieur à celle(s) d'une cellule électrochimique dans un réacteur EHT ou une pile à combustible SOFC. Il existe donc un besoin d'améliorer les interconnecteurs pour les piles SOFC ou les réacteurs EHT, notamment en vue de diminuer au moins l'une des dimensions d'un motif élémentaire SRU comparativement à celui d'une cellule électrochimique.

Il existe un besoin particulier de diminuer au moins l'une des dimensions d'un motif élémentaire SRU comparativement à celui d'une cellule électrochimique, tout en conservant les performances électrochimiques de cette dernière. Un but de l'invention est de répondre au moins en partie à ce(s) besoin(s).

Un autre but de l'invention est de proposer un interconnecteur permettant d'atteindre le but précédent et qui soit peu coûteux à réaliser. Exposé de l'invention Pour ce faire, l'invention concerne, sous l'un de ses aspects, un dispositif formant un interconnecteur électrique et fluidique pour un réacteur d'électrolyse à haute température de la vapeur d'eau (EHT) ou pour une pile à combustible SOFC, le dispositif consistant en cinq tôles planes allongées selon deux axes de symétrie (X, Y) orthogonaux entre eux avec les deux tôles d'extrémité (identiques entre elles et avec les deux tôles intermédiaires, agencées chacune entre une tôle d'extrémité et la tôle centrale, identiques entre elles, l'une des tôles d'extrémité étant destinée à venir en contact mécanique avec le plan d'une cathode d'une cellule électrochimique élémentaire et l'autre des tôles d'extrémité étant destinée à venir en contact mécanique avec le plan d'une anode d'une cellule électrochimique élémentaire adjacente, chacune des deux cellules électrochimiques élémentaires adjacentes, de type à oxydes solides (SOEC), étant formée d'une cathode, d'une anode, et d'un électrolyte intercalé entre la cathode et l'anode, dispositif dans lequel : - chacune des cinq tôles planes est percée, aux quatre coins de sa partie centrale, de quatre lumières, dites première à quatrième lumières des tôles; les premières et deuxièmes lumières étant disposées de part et d'autre de l'axe X et du même côté par rapport à l'axe Y, tandis que les troisièmes et quatrièmes lumières sont disposées de part et d'autre de l'axe X et du même côté par rapport à l'axe Y, opposé à celui dans lequel sont disposées les premières et quatrièmes lumières et que les premières et quatrièmes lumières sont disposées de part et d'autre de l'axe Y et du même côté par rapport à l'axe X; - la tôle centrale comporte une partie centrale non percée ; - les deux tôles d'extrémités comportent chacune une partie centrale percée d'une pluralité de lumières, dites cinquièmes lumières de tôle d'extrémité, allongées sur une longueur correspondant sensiblement à la longueur de la partie centrale selon l'un X des axes; - les deux tôles intermédiaires comportent chacune deux parties percées chacune d'une lumière allongée sur une longueur correspondant sensiblement à la longueur de la partie centrale selon l'autre Y des axes, les deux lumières de chacune des tôles intermédiaires, dite cinquième et sixième lumières de tôle intermédiaire, comportant des languettes de tôles espacées les unes des autres en formant un peigne, - la cinquième lumière de l'une des tôles intermédiaires est en communication fluidique avec la première lumière de ladite une des tôles intermédiaires et la sixième lumière de ladite une des tôles intermédiaires est en communication fluidique avec la troisième lumière de ladite une tôles intermédiaires, tandis que la cinquième lumière de l'autre des tôles intermédiaires est en communication fluidique avec la deuxième lumière de ladite autre des tôles intermédiaires et la sixième lumière de ladite autre des tôles intermédiaires est en communication fluidique avec la quatrième lumière de ladite autre des tôles intermédiaires, et dans lequel les cinq tôles sont stratifiées et assemblées entre elles telles que: - chacune des première à quatrième lumières de l'une des cinq tôles est en communication fluidique individuellement respectivement avec l'une des première à quatrième lumières correspondantes des quatre autres tôles, - les cinquième et sixième lumières de chaque tôle intermédiaire sont en communication fluidique avec les cinquièmes lumières d'une des tôles d'extrémité - les languettes de chaque tôle intermédiaire sont en appui à la fois contre les parois séparant les cinquièmes lumières d'une des tôles d'extrémité et contre la partie centrale non percée de la tôle centrale, Par « lumière » on entend ici et dans le cadre de l'invention, un trou débouchant de part et d'autre d'une tôle métallique.

Dans un interconnecteur selon l'invention, la hauteur d'une chambre de distribution, i.e. alimentation ou récupération des gaz, est déterminée par l'épaisseur d'une tôle intermédiaire puisque la distribution proprement dite est assurée par leurs lumières allongées selon l'axe Y et qui communiquent avec les lumières d'une tôle d'extrémité allongées selon l'autre X. Ces dernières délimitent les canaux qui assurent la circulation des gaz en contact avec une cellule électrochimique adjacente.

La tôle centrale délimite de manière étanche la circulation des gaz au sein d'un interconnecteur selon l'invention entre d'une part celle au niveau d'une cellule électrochimique et d'autre part celle au niveau de la cellule adjacente. Les languettes formant un peigne d'une tôle intermédiaire transmettent le courant électrique aux parois séparant les canaux de circulation des gaz d'une tôle d'extrémité. Grâce à l'invention, on conserve les avantages d'une architecture à interconnecteurs à tôles minces connue sans son inconvénient de largeur relativement importante lié au déport latéral de chambres de distribution, et ce tout en conservant les performances des cellules électrochimiques de mêmes dimensions. Autrement dit, on définit des chambres de distribution des gaz de faible hauteur, et on obtient par conséquent un interconnecteur et donc un motif élémentaire SRU compacts aussi bien en largeur qu'en hauteur au sein d'un réacteur EHT ou d'une pile à combustible SOFC tout en conservant de faibles dimensions de cellules électrochimiques.

Grâce à l'invention, on peut définir une hauteur de chambre de distribution des gaz définie par l'épaisseur d'une tôle intermédiaire, de l'ordre de 0,5 mm, tandis que dans un interconnecteur à plaques à canaux connu, il est nécessaire d'avoir au moins minimum 5mm de hauteur, et ce avec un même métal constitutif En outre, le coût de réalisation d'un interconnecteur selon l'invention peut être faible du fait de la faible épaisseur de tôles planes, de l'utilisation de tôles minces en matériau métallique déjà éprouvé de la réalisation identique entre tôles intermédiaires d'une part et tôles d'extrémité d'autre part. En résumé, l'invention qui vient d'être décrite présente les avantages suivants : - augmentation de de la compacité de l'interconnecteur électrique et fluidique à comparativement à celle des interconnecteurs selon l'art antérieur, et ce pour une même surface de cellule électrochimique active, - obtention d'un faible coût matière pour la réalisation d'un interconnecteur, du fait de la faible épaisseur des tôles nécessaires, de la nécessité de seuls trois types de tôles planes qui en outre n'ont pas à être mises en forme, et enfin de la possibilité de découpe des tôles par laser ou jet d'eau, procédés beaucoup plus économiques que l'usinage nécessaire pour la réalisation des interconnecteurs selon l'état de l'art, - obtention d'une densité de courant plus élevée et plus homogène que celle obtenue pour au moins certains interconnecteurs à plaques selon l'état de l'art. De préférence, les cinquièmes lumières des tôles d'extrémité sont de forme droite délimitant des canaux rectilignes.

De préférence encore, les cinq tôles sont assemblées entre elles par soudure ou par brasure. Avantageusement, les cinq tôles sont en acier ferritique à environ 20% de chrome, de préférence en CROFER® 22APU ou le FT18TNb, à base Nickel de type Inconel® 600 ou Haynese.

Selon une variante avantageuse, chacune des cinq tôles a une épaisseur comprise entre 0,1 et lmm. Selon cette variante, la tôle centrale peut avoir une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,5 mm, chaque tôle d'extrémité une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,5 mm, chaque tôle intermédiaire une épaisseur comprise entre 0,5 et 1 mm.

De préférence, la largeur unitaire d'un canal défini par une cinquième lumière d'une tôle d'extrémité est comprise entre 0,15 et 5 mm. De préférence encore, la largeur unitaire d'un canal défini entre deux languettes consécutives d'une tôle intermédiaires est comprise entre 5 et 10 mm. L'invention a également pour objet un réacteur d'électrolyse comportant un empilement de cellules d'électrolyse élémentaires de type SOEC formées chacune d'une cathode, d'une anode et d'un électrolyte intercalé entre la cathode et l'anode, et une pluralité d'interconnecteurs électrique et fluidique tel que décrit précédemment, agencés chacun entre deux cellules élémentaires adjacentes avec l'une des tôles d'extrémité en contact électrique avec la cathode de l'une des deux cellules élémentaires et l'autre des tôles d'extrémité en contact électrique avec l'anode de l'autre des deux cellules élémentaires. L'invention a encore pour objet un procédé de fonctionnement d'un réacteur d'électrolyse décrit précédemment, selon lequel : - on alimente les premières lumières en vapeur d'eau et simultanément les quatrièmes lumières en un gaz drainant, tel que l'air, - on récupère l'hydrogène produit par l'électrolyse de la vapeur d'eau, dans les troisièmes lumières et simultanément l'oxygène produit par l'électrolyse de la vapeur d'eau dans les deuxièmes lumières. L'invention a encore pour objet une pile à combustible SOFC comportant un empilement de cellules électrochimiques élémentaires de type SOEC formées chacune d'une cathode, d'une anode et d'un électrolyte intercalé entre la cathode et l'anode, et une pluralité d'interconnecteurs électrique et fluidique tel que décrit précédemment, agencés chacun entre deux cellules élémentaires adjacentes avec l'une des tôles d'extrémité en contact électrique avec la cathode de l'une des deux cellules élémentaires et l'autre des tôles d'extrémité en contact électrique avec l'anode de l'autre des deux cellules élémentaires. L'invention a enfin pour objet un procédé de fonctionnement d'une pile à combustible SOFC comme ci-dessus, selon lequel : - on alimente les premières lumières en air et simultanément les quatrièmes lumières en hydrogène H2, - on récupère l'hydrogène produit, dans les troisièmes et simultanément l'hydrogène non utilisé dans les deuxièmes lumières. 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 de face d'une plaque interconnectrice d'un électrolyseur EHT selon l'état de l'art, - la figure 1 A est une vue de détail en coupe d'une plaque interconnectrice selon la figure 1, - la figure 1B est une vue analogue à la figure 1 A montrant les lignes de courant parcourant la plaque, - la figure 2 est une vue schématique de face d'une autre plaque interconnectrice d'un électrolyseur selon l'état de l'art, - la figure 3 est une reproduction photographique d'une plaque selon la figure 1, obtenue par usinage mécanique, - la figure 4 est une reproduction photographique d'une plaque selon la figure 1, obtenue par emboutissage, - la figure 5 est une vue schématique en éclaté d'une partie d'un électrolyseur à haute température comprenant des interconnecteurs selon l'état de l'art, - la figure 6 est une vue schématique en éclaté d'une partie d'une pile à combustible SOFC comprenant des interconnecteurs selon l'état de l'art, - la figure 7 est une vue en éclaté d'un interconnecteur selon l'invention montrant les cinq tôles planes qui le constituent ainsi que deux cellules d'électrolyse de part et d'autre, - les figures 8A à 8E sont des vues de face respective de chacune des cinq tôles planes stratifiées et assemblées qui constituent un interconnecteur selon l'invention, - les figures 9A et 9B représentent le niveau de courant de transfert et la distribution de celui-ci dans un électrolyte d'une cellule d'électrolyse d'un réacteur EHT respectivement dans une architecture à empilement d'interconnecteurs selon l'invention et dans une architecture à empilement à plaques à canaux selon l'état de l'art. Les figures 1 à 4 relatives à l'état de l'art ont déjà été commentées en préambule. Elles ne sont donc pas détaillées ci-après. Par souci de clarté, les mêmes éléments d'un réacteur d'électrolyse EHT selon l'état de l'art et d'un réacteur d'électrolyse EHT selon l'invention sont désignés par les 20 mêmes références numériques. On précise ici dans l'ensemble de la présente demande, les termes « inférieur », « supérieur », « intérieur », « extérieur », « « interne » « externe» sont à comprendre par référence à un interconnecteur selon l'invention en vue de coupe transversale selon l'un des axes X ou Y de symétrie. 25 On précise également qu'ici et dans l'ensemble de la présente demande, les termes «hauteur » et « épaisseur » sont à comprendre comme étant synonymes. On précise que les conditions dans lesquelles les simulations avec un interconnecteur à plaque à canaux et un interconnecteur selon l'invention ont été faites et pour lesquelles les résultats sont montrés respectivement en figure 9A et 9B, ont été les 30 suivantes : - cellule d'électrolyse à cathode support, à une température de 800°C; - ratio H20/H2 en entrée de cathode de cellule : 90/10; - débit de H20/H2 en entrée de cathode de cellule : 1200 mL.min-1 ; - débit d'air en entrée d'anode de cellule : 1200 mL.min-1 ; - régime permanent des fluides à l'anode et cathode ; - parois des interconnecteurs en conditions adiabatiques ; - fonctionnement de la cellule d'électrolyse à la tension dite tension thermo- neutre de 1,298 V. On précise également que sur l'ensemble des figures 1 à 7, les symboles et les flèches d'alimentation de vapeur d'eau H20 et d'air en tant que gaz drainant, de distribution et de récupération de dihydrogène H2 et d'oxygène 02, et du courant sont montrés à des fins de clarté et de précision, pour illustrer le fonctionnement d'un réacteur d'électrolyse de vapeur d'eau EHT selon l'état de l'art et d'un réacteur d'électrolyse EHT selon l'invention. On précise également que tous les électrolyseurs décrits sont de type à oxydes solides (SOEC, acronyme anglais de « Solid Oxyde Electrolyte Cell ») fonctionnant à haute 15 température. Ainsi, tous les constituants (anode/électrolyte/cathode) d'une cellule d'électrolyse sont des céramiques. La haute température de fonctionnement d'un électrolyseur (réacteur d'électrolyse) est typiquement comprise entre 600°C et 1000°C. On précise que dans le mode de réalisation illustré d'un interconnecteur d'électrolyseur EHT selon les figures 7 à 8E, les dimensions indiquées sont donnés à titre 20 indicatif en référence à une cellule d'électrolyse dont la surface électrochimiquement active est un carré de 100mm X 100mm. Il va de soi que d'autres dimensions de tôles planes et des lumières d'un interconnecteur selon l'invention peuvent convenir à la réalisation en fonction des dimensions de cellules d'électrolyse. Typiquement, les caractéristiques d'une cellule d'électrolyse élémentaire 25 SOEC convenant à l'invention, du type cathode support (CSC), peuvent être celles indiquées comme suit dans le tableau ci-dessous. 30 TABLEAU Cellule d'électrolyse Unité Valeur Cathode 2 Matériau constitutif Cermet Nickel Zircone Epaisseur um 500 Conductivité thermique w m-1 K-1 13,1 Conductivité électrique 1-2-1 m-1 105 Porosité 0,3 Perméabilité m2 6.10-12 Tortuosité 4 Densité de courant A.M-2 5300 Anode 4 Matériau constitutif LSCF Epaisseur um 35 Conductivité thermique w m-1 K-1 9,6 Conductivité électrique 1-2-1 m-1 1 104 Porosité 0,2 Perméabilité m2 9.10-12 Tortuosité 4 Densité de courant A.M-2 2000 Electrolyte 3 Matériau constitutif YSZ Epaisseur um 10 Résistivité S2 m 0,42 Un électrolyseur d'eau est un dispositif électrochimique de production d'hydrogène (et d'oxygène) sous l'effet d'un courant électrique.

Dans les électrolyseurs à haute température EHT, l'électrolyse de l'eau à haute température est réalisée à partir de vapeur d'eau. 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 5, chaque cellule d'électrolyse élémentaire Cl, C2 est formée d'une cathode 2.1, 2.2 et d'une anode 4.1, 4.2, placées de part et d'autre d'un électrolyte solide 6.1, 6.2 généralement sous forme de membrane. Les deux électrodes (cathode et anode) 2.1, 2.2 et 4.1, 4.2 sont des conducteurs électroniques, en matériau poreux, et l'électrolyte 6.1, 6.2 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 2.1, 2.2, la demi-réaction est la suivante : 2 H20 + 4 e- -> 2 H2 + 2 02-. A l'anode 4.1, 4.2, la demi-réaction est la suivante: 202- -> 02+4 e-. L'électrolyte 6.1, 6.2 intercalé entre les deux électrodes 2.1, 2.2 ; 4.1, 4.2 est le lieu de migration des ions 02-, sous l'effet du champ électrique créé par la différence de potentiel imposée entre l'anode et la cathode. Comme illustré entre parenthèses en figure 5, la vapeur d'eau en entrée de cathode peut être accompagnée d'hydrogène H2 et l'hydrogène produit et récupéré en sortie peut être accompagné de vapeur d'eau. De même, comme illustré en pointillés, un gaz drainant, tel que l'air peut en outre être injecté en entrée pour évacuer l'oxygène produit. L'injection d'un gaz drainant a pour fonction supplémentaire de jouer le rôle de régulateur thermique. Un réacteur d'électrolyse élémentaire est constitué d'une cellule élémentaire Cl telle que décrite ci-dessus, avec une cathode 2.1, un électrolyte 3.1, et une anode 4.1 et de deux connecteurs mono-polaires qui assurent les fonctions de distribution électrique, hydraulique et thermique. 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 l'électrolyseur (réacteur d'électrolyse). Un électrolyseur de l'eau à haute température (EHT) comprend ainsi au moins une, généralement une pluralité de cellules 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 l'anode et la cathode. 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 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, éventuellement à l'aide d'un gaz drainant. Un fonctionnement satisfaisant d'un électrolyseur EHT nécessite: - une bonne isolation électrique entre deux interconnecteurs adjacents dans l'empilement, sous peine de court-circuiter la cellule d'électrolyse élémentaire intercalée entre les deux interconnecteurs, - un bon contact électrique et une surface de contact suffisante entre chaque cellule et interconnecteur, afin d'obtenir la plus faible résistance ohmique entre cellule et interconnecteur, - une bonne étanchéité entre les deux compartiments distincts, i.e. et cathodique, sous peine de recombinaison des gaz produits entraînant une baisse de rendement et surtout l'apparition de points chauds endommageant l'électrolyseur, - une bonne distribution des gaz à la fois en entrée et en récupération des gaz produits, sous peine de perte de rendement, d'inhomogénéité de pression et de 20 température au sein des différentes cellules élémentaires voire de dégradations rédhibitoires des cellules. La figure 5 représente une vue éclatée de motifs élémentaires d'un électrolyseur de vapeur d'eau à haute température selon l'état de l'art. Cet électrolyseur EHT comporte une pluralité de cellules d'électrolyse élémentaires Cl, C2. de type à oxyde 25 solide (SOEC) empilées alternativement avec des interconnecteurs 8. Chaque cellule Cl, C2... est constituée d'une cathode 2.1, 2.2,... et d'une anode 4.1, 4.2, entre lesquelles est disposé un électrolyte 3.1, 3.2.... Dans un électrolyseur EHT, un interconnecteur 8 est un composant en alliage métallique qui assure la séparation entre les compartiments anodique 7 et cathodique 9, 30 définis par les volumes compris entre l'interconnecteur 8 et l'anode adjacente 4.2 et entre l'interconnecteur 8 et la cathode adjacente 2.1 respectivement. Il assure également la distribution des gaz aux cellules. L'injection de vapeur d'eau dans chaque motif élémentaire se fait dans le compartiment cathodique 9. Le collectage de l'hydrogène produit et de la vapeur d'eau résiduelle à la cathode 2.1 2.2 .. est effectué dans le compartiment cathodique 9 en aval de la cellule Cl, C2.. après dissociation de la vapeur d'eau par celle-ci. Le collectage de l'oxygène produit à l'anode 4.2 est effectué dans le compartiment anodique 7 en aval de la cellule Cl, C2.. après dissociation de la vapeur d'eau par celle-ci. L'interconnecteur 8 assure le passage du courant entre les cellules Ci et C2 par contact direct avec les électrodes adjacentes, c'est-à-dire entre l'anode 4.2 et la cathode 2.1 (figure 5).

La figure 6 représente les mêmes motifs élementaires que ceux de la figure 5 mais pour une pile à combustible SOFC avec des cellules de piles élémentaires Cl, C2 et les interconnecteurs 8. Les symboles et les flèches de parcours d'air, de dihydrogène et d'oxygène, du courant sont montrés sur cette figure 6 à des fins de clarté. L'injection de l'air contenant l'oxygène dans chaque motif élémentaire se fait dans le compartiment cathodique 9. Le collectage de l'eau produit à la cathode 2.1, 2.2 .. est effectué dans le compartiment cathodique 9 en aval de la cellule C1,C2.. après recombinaison de l'eau par celle-ci avec l'hydrogène H2 injecté à l'anode 4.2 est effectué dans le compartiment anodique 7 en amont de la cellule Cl, C2. Le courant produit lors de la recombinaison de l'eau est collecté par les interconnecteurs 8.

Selon l'état de l'art, ces interconnecteurs 8 sont usuellement réalisés par usinage mécanique de plaques épaisses ou par emploi de tôles minces, typiquement de 0,5 à 2 mm, embouties puis assemblées entre elles par soudage laser. Les coûts de matière et d'usinage sont importants. La technique de réalisation a pour avantage de limiter le coût de matière première mais ne permet pas d'atteindre une finesse de canaux aussi élevée que par usinage. De fait, les possibilités de réalisation pour la profondeur des canaux, la largeur unitaire de dent et le pas entre dents sont limitées. De plus, le coût de l'outillage d'emboutissage nécessite une production en grande série. En outre, le contact électrique entre les électrodes et l'interconnecteur n'est pas complètement satisfaisant en particulier du fait du défaut de planéité des électrodes.

Enfin, les dimensions d'un interconnecteur 8 selon l'état de l'art, et donc d'un motif élémentaire SRU restent relativement importantes, notamment au regard de celles des cellules électrochimiques Cl, C2....

Aussi, pour diminuer les dimensions d'un motif élémentaire SRU dans une pile à combustible SOFC ou électrolyseur EHT tout en préservant les performances des cellules électrochimiques, l'inventeurs propose un nouveau type d'interconnecteur 8 dont un exemple est représenté en figure 7.

La figure 7 montre ainsi en éclaté un interconnecteur 8 selon l'invention permettant s'assurer l'alimentation de vapeur d'eau H20 et d'air en tant que gaz drainant ainsi que la récupération respectivement de l'oxygène 02 avec le gaz drainant et de l'hydrogène H2 avec la vapeur d'eau, produits au sein de l'empilement d'un réacteur d'électrolyse. Comme détaillé par la suite, l'interconnecteur 8 permet d'assurer une circulation du gaz H20/H2 aux cathodes des cellules à contre-courant avec la circulation du gaz récupéré 02 avec son gaz drainant aux anodes des cellules. L'interconnecteur 8 est constitué de cinq tôles planes 80, 81, 82, 83, 84 allongées selon deux axes de symétrie (X, Y) orthogonaux entre eux, les cinq tôles étant stratifiées et assemblées entre elles par soudure.

Toutes les cinq tôles planes 80, 81, 82, 83, 84 peuvent être réalisées dans un même métal, par exemple un alliage ferritique commercial du type CROFER 22 APU. Les deux tôles d'extrémité 81 et 82 sont identiques entre elles. A titre d'exemple, chaque tôle d'extrémité 81, 82 a une épaisseur de 0,15 mm. Les deux tôles intermédiaires 83 et 84, agencées chacune entre une tôle d'extrémité 81ou 82 et la tôle centrale 80, sont identiques entre elles. A titre d'exemple, chaque tôle d'extrémité 83, 84 a une épaisseur de 0, 5 mm. L'une 81 des tôles d'extrémité est destinée à venir en contact mécanique avec le plan d'une cathode 2.1 d'une cellule (Cl) d'électrolyse élémentaire et l'autre des tôles 82 d'extrémité est destinée à venir en contact mécanique avec le plan d'une anode 4.2 d'une cellule (C2) d'électrolyse élémentaire adjacente. Chacune des deux cellules d'électrolyse élémentaires adjacentes (Cl, C2) de type SOEC est formée d'une cathode 2.1, 2.2, d'une anode 4.1, 4.2 et d'un électrolyte 3.1, 3.2 intercalé entre la cathode et 1 ' anode. Chacune des cinq 80, 81, 82, 83, 84 tôles planes est percée, aux quatre coins de sa partie centrale, de quatre lumières 801 à 804; 811 à 814; 821 à 824; 831 à 834; 841 à 844 dites première à quatrième lumières des tôles. De préférence, tel qu'illustré dans le mode de réalisation des figures 7 à 8 E, les tôles planes 80, 81, 82, 83, 84 présentent une surface identique, avec une section carrée ou rectangulaire. Les premières lumières 801, 811, 821, 831, 841 sont dédiées à l'alimentation des cathodes de cellules en vapeur d'eau.

Les deuxièmes lumières 802, 812, 822, 832, 842 sont dédiées à la récupération et l'évacuation de l'air en tant que gaz drainant et de l'oxygène produit aux anodes des cellules. Les troisièmes lumières 803, 813, 823, 833, 843 sont dédiées à la récupération et l'évacuation de l'hydrogène produit aux cathodes des cellules.

Les quatrièmes lumières 804, 814, 824, 834, 844 sont dédiées à l'alimentation des anodes des cellules en air en tant que gaz drainant. Les premières 801, 811, 821, 831, 841 et deuxièmes 802, 812, 822, 832, 842 lumières sont disposées de part et d'autre de l'axe X et du même côté par rapport à l'axe Y. Les troisièmes 803, 813, 823, 833, 843 et quatrièmes 804, 814, 824, 834, 844 lumières sont disposées de part et d'autre de l'axe X et du même côté par rapport à l'axe Y, opposé à celui dans lequel sont disposées les premières et quatrièmes lumières. Enfin les premières 801, 811, 821, 831, 841 et quatrièmes 804, 814, 824, 834, 844 lumières sont disposées de part et d'autre de l'axe Y et du même côté par rapport à l'axe X. De préférence, tel qu'illustré en figure 7 à 8E, les premières à quatrièmes lumières d'une même tôle plane forment un carré. De préférence également, tel qu'illustré en figure 7 à 8E, les premières à quatrièmes lumières sont de section circulaire. La tôle centrale 80 comporte une partie centrale 800 non percée. Les deux tôles d'extrémités 81, 82 comportent chacune une partie centrale percée d'une pluralité de lumières 815, 825, dites cinquièmes lumières de tôle d'extrémité, allongées sur une longueur correspondant sensiblement à la longueur de la partie centrale selon l'un X des axes. Avantageusement, tel qu'illustré en figures 8A et 8E, les cinquièmes 815, 825 lumières des tôles d'extrémité 81, 82 sont de forme droite délimitant des canaux rectilignes parallèles entre eux. Ces canaux forment les canaux d'alimentation en vapeur d'eau aux cathodes 2.1, 2.2 des cellules. La surface de canaux délimitée par les cinquièmes lumières 815 ou 825 correspond sensiblement à toute la surface électrochimiquement active d'une cathode 2.1, 2.2 afin de l'alimenter complètement en vapeur d'eau. Les parois de section rectangulaire séparant chacune deux cinquièmes lumières 815, 825 consécutives assurent le contact électrique avec la cellule d'électrolyse Cl, C2. Pour assurer un fonctionnement satisfaisant avec une cellule de type CSC, telle que décrite dans le tableau ci-avant, une largeur de l'ordre de 1 mm à la fois pour les canaux délimités par les cinquièmes lumières 815, 825 et pour les parois les séparant est adaptée. Les deux tôles intermédiaires 83, 84 comportent chacune deux parties percées chacune d'une lumière 835, 836 ; 845, 846 allongée sur une longueur correspondant sensiblement à la longueur de la partie centrale selon l'autre Y des axes. Les lumières 835, 836 ; 845, 846 couvrent chacune toute la largeur, i.e. dimension selon l'axe Y, des canaux délimités par les cinquièmes lumières 815, 825 des tôles d'extrémité 81, 82. Les deux lumières 835, 836 ; 845, 846 de chacune des tôles intermédiaires 83, 84, dites cinquième et sixième lumières de tôle intermédiaire, comportent des languettes 83L, 84L de tôles espacées les unes des autres en formant un peigne (figures 8B et 8D). En lieu et place d'un peigne comme celui représenté aux figures 8B et 8D, on peut prévoir une grille horizontale à mailles entrelacées. Un telle grille a la même épaisseur qu'peigne qu'elle remplace et permet ainsi le passage du courant dans le sens vertical et horizontal. Elle est également perméable dans les directions horizontale et verticale pour le passage du fluide.

Ces languettes 83L, 84L ont pour fonction de transmettre le courant électrique aux parois séparant les canaux les tôles d'extrémité 81, 82, contre lesquelles elles sont en appui. Pour assurer un fonctionnement satisfaisant, une largeur de cinquièmes lumières 835, 845 et sixièmes lumières 836, 846, de l'ordre de 23 mm est adaptée, soit un nombre de trois languettes de 1 mm séparant des canaux de 5mm de largeur.

La cinquième lumière 835 de l'une des tôles intermédiaires 83 est en communication fluidique avec la première 831 lumière de cette même tôle intermédiaire 83 (figure 8D). Autrement dit, cette cinquième lumière 835 qui constitue la chambre d'alimentation en vapeur d'eau H20 de la cathode 2.1 de la cellule Cl, englobe la lumière 831 par laquelle la vapeur d'eau arrive.

La sixième lumière 836 de la tôle intermédiaire 83 est en communication fluidique avec la troisième 833 lumière de cette même tôle intermédiaire 83 (figure 8D). Autrement dit, cette sixième lumière 836 qui constitue la chambre de récupération de l'hydrogène H2 produit à la cathode 2.1 de la cellule Cl, englobe la lumière 833 par laquelle l'hydrogène produit est collecté et extrait de l'empilement EHT. La cinquième 845 lumière de l'autre 84 des tôles intermédiaires est en communication fluidique avec la deuxième 842 lumière de cette même tôle intermédiaire 84 (figure 8B). Autrement dit, cette cinquième lumière 845 qui constitue la chambre de récupération de l'oxygène 02 produit à l'anode 4.2 de la cellule C2, englobe la lumière 842 par laquelle l'oxygène produit est collecté avec l'air en tant que gaz drainant et extrait de l'empilement EHT. La sixième lumière 846 de la tôle intermédiaire 84 est en communication fluidique avec la quatrième 844 lumière de cette même tôle intermédiaire 84 (figure 8B). Autrement dit, cette sixième lumière 846 qui constitue la chambre d'alimentation en air en tant que gaz drainant à l'anode 4.2 de la cellule C2, englobe la lumière 844 par laquelle l'air arrive. La stratification et l'assemblage par soudure des cinq tôles 80, 81, 82, 83, 84 entre elles sont telles que: *chacune des première à quatrième lumières 801 à 804, 811 à 814, 821 à 824, 831 à 834 de l'une des cinq tôles est en communication fluidique individuellement respectivement avec l'une des première à quatrième lumières 801 à 804, 811 à 814, 821 à 824, 831 à 834 correspondantes des quatre autres tôles, *les cinquième 835, 845 et sixième 836, 846 lumières de chaque tôle intermédiaire 83, 84 sont en communication fluidique avec les cinquièmes 815 ou 825 lumières d'une des tôles d'extrémité 81 ou 82, *les languettes 83L, 84L de chaque tôle intermédiaire 83, 84 sont en appui à la fois contre les parois séparant les cinquièmes lumières 815, 825 d'une des tôles d'extrémité 81, 82 et contre la partie centrale 800 non percée de la tôle centrale 80. Dans un réacteur d'électrolyse à empilement de cellules d'électrolyse élémentaires de type SOEC selon l'invention, un empilement d'une pluralité d'interconnecteurs 8 agencés chacun entre deux cellules élémentaires adjacentes Cl, C2 est réalisé avec la première 81 tôle d'extrémité en contact électrique avec la cathode 2.1 de l'une Cl des deux cellules élémentaires et la deuxième 82 tôle d'extrémité en contact électrique avec l'anode 4.2 de l'autre C2 des deux cellules élémentaires. L'ensemble des cellules d'électrolyse est alimenté en série par le courant électrique et en parallèle par les gaz. On décrit maintenant en référence à la figure 7, le procédé de fonctionnement d'un réacteur d'électrolyse selon l'invention tel qu'il vient d'être décrit: - on alimente les premières 811, 831, 801, 841, 821, lumières en vapeur d'eau et simultanément les quatrièmes 814, 834, 804, 844, 824 lumières en un gaz drainant, tel que l'air, - on récupère l'hydrogène produit par l'électrolyse de la vapeur d'eau, dans les troisièmes 813, 833, 803, 843, 823 lumières et simultanément l'oxygène produit par l'électrolyse de la vapeur d'eau dans les deuxièmes 812, 832, 802, 842, 822 lumières. Les parcours respectivement de la vapeur d'eau injectée et de l'hydrogène produit et de l'air en tant que gaz drainant injecté et de l'oxygène produit en entrée et en sortie d'un interconnecteur 8 sont schématisés en pointillés sur la figure 7. Un interconnecteur selon l'invention 8 est plus compact qu'un interconnecteur selon l'état de l'art. Typiquement, avec les dimensions données à titre d'exemple, l'épaisseur totale de l'interconnecteur 8 est de 1,4 mm. Pour des mêmes dimensions et performances de cellules, un interconnecteur 8 selon l'invention, tel que décrit en référence aux figures 7 à 8 E, nécessite une hauteur de chambre de distribution de la vapeur d'eau définie par l'épaisseur de la tôle d'extrémité 81, de l'ordre de 0,5 mm tandis que pour un interconnecteur 8 à plaques à canaux selon l'état de l'art, tel que décrit en référence à la figure 5, la hauteur requise est de l'ordre de 5mm. En outre, les avantages en termes de fabrication et de coût afférent procurés par l'invention sont nombreux : - une faible épaisseur de chacune des cinq tôles planes permet d'envisager un faible coût matière, - seuls trois types de tôles planes sont à fabriquer : tôle centrale 80, tôles intermédiaires 83, 84 et tôles d'extrémité 81, 82, - les tôles sont planes et n'ont donc pas à être mises en forme par emboutissage, usinage..., - les tôles peuvent être découpées par laser ou jet d'eau, procédés beaucoup plus économiques que l'usinage, - l'assemblage des cinq tôles d'un interconnecteur entre elles peut être réalisé par soudage laser. Plusieurs de ces tôles, voir la totalité peuvent être soudées ensemble par transparence étant donné les faibles épaisseurs. Pour démontrer les avantages en fonctionnement d'un interconnecteur 8 selon l'invention comparativement à un interconnecteur à plaque canaux selon l'état de l'art, on a procédé à l'aide du logiciel du commerce FLUENT une simulation pour mesurer le niveau de courant de transfert et son homogénéité dans l'électrolyte d'une cellule d'électrolyse. Les conditions de simulation sont rappelées ci-avant. On précise en outre que les dimensions des canaux de distribution en vapeur d'eau, à savoir leur hauteur et la largeur des parois les séparant sont les mêmes pour l'interconnecteur selon l'invention et pour un interconnecteur à plaque à canaux selon l'état de l'art. Une résistance électrique de contact, égale à 5*10-6 S2.m2 est appliquée entre un interconnecteur et la cellule d'électrolyse.

Les résultats sont montrés en figure 9A pour un interconnecteur à plaque à canaux selon l'état de l'art et, en figure 9B pour un interconnecteur 8 selon l'invention. Il ressort de cette simulation que sous une tension thermiquement neutre (1,298V), on obtient un courant égal à 88,6A avec un interconnecteur 8 selon l'invention tandis qu'il est égal à 82,3 A avec un interconnecteur 8 selon l'état de l'art. Le gain sur la valeur du courant de transfert avec l'interconnecteur selon l'invention 8 est donc égal à plus de 7%. En outre, comme cela ressort des figures 9A et 9B, le courant est beaucoup plus homogène avec un interconnecteur 8 selon l'invention. En effet, il varie entre une valeur de 0,577 A/cm2 et une valeur de 1,1 A/cm2 avec un interconnecteur 8 selon l'invention tandis qu'il varie entre 0,087 A/cm2 et 1.17 A/cm2 avec un interconnecteur 8 selon l'état de l'art. L'interconnecteur 8 selon l'invention qui vient d'être décrit peut tout à fait être utilisé dans une pile à combustible SOFC. Le procédé de fonctionnement d'une telle pile à combustible SOFC est réalisé de la manière suivante: - on alimente les premières 811, 831, 801, 841, 821 lumières en air et simultanément les quatrièmes 814, 834, 804, 844, 824 lumières en hydrogène H2, - on récupère l'hydrogène produit, dans les troisièmes 813, 833, 803, 843, 823 lumières et simultanément l'hydrogène non utilisé dans les deuxièmes 812, 832, 802, 842, 822 lumières. L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits ; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.

Références citées [1].Xiango Li, International Journal of hydrogen Energy 30 (2005) pp 359-371. [2].M. Petitjean, M. Reytier, A. Chatroux, L. Bruguiere, A. Mansuy, H. Sassoulas, S. Di brio, B. Morel, J. Mougin, "Performance and Durability of High 5 Temperature Steam Electrolysis: From Single Cell to Short-Stack Scale", ECS Transactions, 35 (1) (2011) pp 2905-2913. [3]. Sune Dalgaard Ebbesen, Jens Flogh, Karsten Agersted Nielsen, Jens Ulrik Nielsen, Mogens Mogensen, "Durable SOC stacks for production of hydrogen and synthesis gas by high temperature electrolysis", International journal of hydrogen energy 10 36 ( 2011 ) pp 7363-7373. [4].K. Foger, J.G. Love, "Review Fifteen years of SOFC development in Australia", Solid State Ionics 174 (2004) pp 119-126. 24

Claims (14)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif (8) formant un interconnecteur électrique et fluidique pour un réacteur d'électrolyse à haute température de la vapeur d'eau (EHT) ou pour une pile à combustible SOFC, le dispositif consistant en cinq tôles planes (80, 81, 82, 83, 84, 85) 5 allongées selon deux axes4de symétrie (X, Y) orthogonaux entre eux aeec les deux tôles d'extrémité (81, 82) identiques entre elles et avec les deux tôles intermédiaires (83,84), agencées chacune entre une tôle d'extrémité et la tôle centrale, identiques entre elles, l'une (81) des tôles d'extrémité étant destinée à venir en contact mécanique avec le plan d'une cathode (2.1) d'une cellule (Cl) électrochimique élémentaire et l'autre (82) des tôles 10 d'extrémité étant destinée à venir en contact mécanique avec le plan d'une anode (4.2) d'une cellule (C2) électrochimique élémentaire adjacente, chacune des deux cellules électrochimiques élémentaires adjacentes, de type à oxydes solides (SOEC), étant formée d'une cathode (2), d'une anode (4), et d'un électrolyte (3) intercalé entre la cathode et l'anode, dispositif dans lequel 15 - chacune des cinq tôles planes (80, 81, 82, 83, 84, 85) est percée, aux quatre coins de sa partie centrale, de quatre lumières, dites première à quatrième lumières des tôles (801 à 804; 811 à 814; 821 à 824; 831 à 834; 841 à 844); les premières (801, 811, 821, 831, 841) et deuxièmes (802, 812, 822, 832, 842) lumières étant disposées de part et d'autre de l'axe X et du même côté par rapport à l'axe Y, tandis que les troisièmes 20 (803, 813, 823, 833, 843) et quatrièmes (804, 814, 824, 834, 844) lumières sont disposées de part et d'autre de l'axe X et du même côté par rapport à l'axe Y, opposé à celui dans lequel sont disposées les premières et quatrièmes lumières et que les premières et quatrièmes lumières sont disposées de part et d'autre de l'axe Y et du même côté par rapport à l'axe X ; 25 - la tôle centrale (80) comporte une partie centrale (800) non percée ; les deux tôles d'extrémités (81, 82) comportent chacune une partie centrale percée d'une pluralité de lumières, dites cinquièmes lumières (815, 825) de tôle d'extrémité, allongées sur une longueur correspondant sensiblement à la longueur de la partie centrale selon l'un X des axes; 30 - les deux tôles intermédiaires (83, 84) comportent chacune deux parties percées chacune d'une lumière allongée sur une longueur correspondant sensiblement à la longueur de la partie centrale selon l'autre Y des axes, les deux lumières de chacune des 25 3016084 tôles intermédiaires, dite cinquième (835, 845) et sixième (836, 846) lumières de tôle intermédiaire, comportant des languettes de tôles (83L, 84L) espacées les unes des autres en formant un peigne, - la cinquième lumière (835) de l'une des tôles intermédiaires (83) est en communication fluidique avec la première (831) lumière de ladite une (81) des tales intermédiaires et la sixième lumière (836) de ladite une (83) des tôles intermédiaires est en communication fluidique avec la troisième (833) lumière de ladite une (83) tôles intermédiaires, tandis que la Cinquième (845) lumière de l'autre (84) des tôles intermédiaires est en communication fluidique avec la deuxième (842) lumière de ladite autre (84) des tôles intermédiaires .et la sixième lumière (846) de ladite autre des tôles intermédiaires est en communication fluidique avec la quatrième (844) lumière de ladite autre des tôles intermédiaires, et dans lequel les cinq tôles (80, 81, 82, 83, 84) sont stratifiées et assemblées entre elles telles que: - chacune des première à quatrième lumières (801 à 804, 811 à 814, 821 à 824, 831 à 834) de l'une des cinq tôles est en communication fluidique individuellement respectivement avec l'une des première à quatrième lumières (801 à 804, 811 à 814, 821 à 824, 831 à 834) correspondantes des quatre autres tôles, - les cinquième (835, 845) et sixième (836, 846) lumières de chaque 20 tôle intermédiaire (83, 84) sont en communication fluidique avec les cinquièmes (815 ou 825) lumières d'une des tôles d'extrémité (81 ou 82), - les languettes (83L, 84L) de chaque tôle intermédiaire (83, 84) sont en appui à la fois contre les parois séparant les cinquièmes lumières (815, 825) d'une des tôles d'extrémité (81, 82) et contre la partie centrale (800) non percée de la tôle centrale 25 (80).
2. 2. Interconnecteur électrique et fluidique selon la revendication 1, dans lequel les cinquièmes lumières (815, 825) des tôles d'extrémité (81, 82) sont de forme droite délimitant des canaux rectilignes.
3. 3. Interconnecteur électrique et fluidique selon l'une des revendications 1 ou 2, 30 dans lequel les cinq tôles sont assemblées entre elles par soudure ou par brasure.
4. 4. Interconnecteur électrique et fluidique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les cinq tôles sont en acier ferritique à environ 20% de chrome, 26 3016084 de préférence en CROFER® 22APU ou le FT18TNb, à base Nickel de type Inconel® 600 ou Haynes®.
5. 5. Interconnecteur électrique et fluidique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chacune des cinq tôles (80, 81, 82, 83, 84) a une épaisseur 5 comprise entre 0,1 et lmm.
6. 6. Interconnecteur électrique et fluidique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la tôle centrale (80) a une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,5 mm.
7. 7. Interconnecteur électrique et fluidique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque tôle d'extrémité (81, 82) a une épaisseur comprise entre 10 0,1 et 0,5 mm.
8. 8. Interconnecteur électrique et fluidique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque tôle intermédiaire (83, 84) a une épaisseur comprise entre 0,5 et 1 mm.
9. 9. Interconnecteur électrique et fluidique selon l'une des revendications 15 précédentes, dans lequel la largeur unitaire d'un canal défini par une cinquième lumière d'une tôle d'extrémité est comprise entre 0,15 et 5 mm.
10. 10. Interconnecteur électrique et fluidique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la largeur unitaire d'un canal défini entre deux languettes consécutives d'une tôle intermédiaires est comprise entre 5 et 10 mm.
11. 11. Réacteur d'électrolyse comportant un empilement de cellules d'électrolyse (Cl, C2) élémentaires de type SOEC formées chacune d'une cathode (2.1, 2.2..), d'une anode (4.1, 4.2) et d'un électrolyte (3.1, 3.2) intercalé entre la cathode et l'anode, et une pluralité d'interconnecteurs (8) électrique et fluidique selon l'une des revendications 1 à 10, agencés chacun entre deux cellules élémentaires adjacentes avec l'une (81) des tôles d'extrémité en contact électrique avec la cathode (2.1) de l'une des deux cellules (Cl) élémentaires et l'autre (82) des tôles d'extrémité en contact électrique avec l'anode (4.2) de l'autre (C2) des deux cellules élémentaires.
12. 12. Procédé de fonctionnement d'un réacteur d'électrolyse selon la revendication 11, selon lequel : - on alimente les premières (811, 831, 801, 841, 821) lumières en vapeur d'eau et simultanément les quatrièmes (814, 834, 804, 844, 824) lumières en un gaz drainant, tel que l'air, 27 3016084 - on récupère l'hydrogène produit par l'électrolyse de la vapeur d'eau, dans les troisièmes (813, 833, 803, 843, 823) lumières et simultanément l'oxygène produit par l'électrolyse de la vapeur d'eau dans les deuxièmes (812, 832, 802, 842, 822) lumières.
13. 13. Pile à combustible SOFC comportant un empilement de cellules 5 électrochimiques (Cl, C2) élémentaires de type SOEC formées chacune d'une cathode (2.1, 2.2..), d'une anode (4.1, 4.2) et d'un électrolyte (3.1, 3.2) intercalé entre la cathode et l'anode, et une pluralité d'interconnecteurs (8) électrique et fluidique selon l'une des revendications 1 à 10, agencés chacun entre deux cellules élémentaires adjacentes avec l'une (81) des tôles d'extrémité en contact électrique avec la cathode (2.1) de l'une des 10 deux cellules (Cl) élémentaires et l'autre (82) des tôles d'extrémité en contact électrique avec l'anode (4.2) de l'autre (C2) des deux cellules élémentaires.
14. 14. Procédé de fonctionnement d'une pile à combustible SOFC selon la revendication 13, selon lequel - on alimente les premières (811, 831, 801, 841, 821) lumières en air et 15 simultanément les quatrièmes (814, 834, 804, 844, 824) lumières en hydrogène 1-12, - on récupère l'hydrogène produit, dans les troisièmes (813, 833, 803, 843, 823) lumières et simultanément l'hydrogène non utilisé dans les deuxièmes (812, 832, 802, 842, 822) lumières.