FR3024289A1 - Dispositif de pile a combustible - Google Patents

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Abstract

Dispositif de pile à combustible comportant une unité de cellules à combustible (10), composée d'au moins deux cellules combustibles (12,14) et d'une unité d'interconnexion (16), reliant en série les deux cellules (12,14). L'unité d'interconnexion (16) comporte au moins deux couches (18,20) en des matériaux différents.

Description

1 Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un dispositif de pile à combustible comportant une unité de cellules à combustible, composée d'au moins deux cellules à combustible et d'une unité d'interconnexion, reliant en série les deux cellules. Etat de la technique On connait déjà un dispositif de pile à combustible com- portant une unité de cellules à combustible composée d'un ensemble de cellules. Les cellules à combustible sont branchées en série par une unité d'interconnexion réalisée en un matériau unique. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour objet un dispositif de pile à combustible comportant une unité de cellules à combustible, composée d'au moins deux cellules à combustible et d'une unité d'interconnexion, reliant en série les deux cellules, le dispositif étant caractérisé en ce que l'unité d'interconnexion comporte au moins deux couches en des matériaux différents. L'expression « dispositif de pile à combustible » désigne un dispositif mobile ou stationnaire permettant d'obtenir de l'énergie électrique et/ou thermique en utilisant au moins une unité de cellules à combustible. Une unité de cellules à combustible est une unité composée d'un ensemble de cellules à combustible reliées pour transformer au moins une certaine énergie chimique telle que celle d'un gaz de combustion notamment d'hydrogène et/ ou de monoxyde de carbone et d'au moins un agent d'oxydation notamment de l'oxygène pour obtenir de l'énergie électrique. Les cellules à combustible sont de préférence des cellules à combustible à oxyde solide (cellule SOFC). L'expression « prévue pour » utilisée dans certains cas indique qu'il s'agit d'une fonction ou d'un dispositif spécialement conçu pour assurer une certaine fonc- tion, en particulier dans un état d'application et/ou de fonctionnement. Une unité d'interconnexion permet de réaliser dans le présent contexte, une liaison électro conductrice entre au moins deux cellules à combustible pour pouvoir brancher les deux cellules en série. L'unité d'interconnexion est réalisée en différents maté- riaux sous la forme de couches. Les matériaux de l'unité 3024289 2 d'interconnexion ont en particulier des propriétés complémentaires et/ou fonctionnellement complémentaires en particulier du point de vue de la conductibilité et/ou du comportement ou de frittage. De façon préférentielle, les matériaux de l'unité d'interconnexion ont chacun une 5 structure de Pérovskite. Grâce à cette réalisation, le dispositif de pile à combustible, selon l'invention, offrira de meilleures conditions de fonctionnement. En particulier, grâce à l'unité d'interconnexion de différents matériaux, on pourra combiner avantageusement les propriétés des ma- 10 tériaux. Ainsi, l'unité d'interconnexion pourra répondre avantageuse- ment aux exigences d'un dispositif de pile à combustible, ce qui permet notamment d'augmenter la fonctionnalité ou/la durée de vie des piles à combustible. Suivant une autre caractéristique, l'unité 15 d'interconnexion comporte au moins une première couche en Pérovskite à base de manganèse. Cette Pérovskite à base de manganèse répond notamment à la formule chimique générale suivante : Lai, Srx Ay Mn 1_y 03 avec 0,05<x<0,6 ; 0,05<y<0,6 et A : Scandium (Sc), Titane (Ti), Nobium (Nb) ou Tantale (Ta). Ainsi, au moins cette couche dans une at- 20 mosphère réduite par exemple une atmosphère anodique présente une conductivité électrique extrêmement élevée. De façon préférentielle, l'unité d'interconnexion a au moins une seconde couche en Pérovskite à base de nickel. Cette Pérovskite à base de nickel répond notamment à la formule chimique générale suivante : La Nix Fei, 03 avec 0,05<x<0,6.
25 Cela permet de créer une seconde couche étanche aux gaz, ce qui aug- mente avantageusement l'étanchéité au gaz du dispositif de pile à combustible. En outre, on a avantageusement une très forte conductivité au moins de la seconde couche dans une atmosphère cathodique. La combinaison de la première couche et de la seconde couche pour former 30 l'unité d'interconnexion permet de réduire avantageusement les pertes ohmiques car à la fois dans une atmosphère anodique et dans une atmosphère cathodique, on aura d'une conductivité élevée. Suivant une autre caractéristique, l'unité de pile à com- bustible a au moins une couche cathodique pour former les cathodes 35 des deux cellules à combustible, au moins une couche d'anode pour 3024289 3 former les anodes pour au moins deux cellules à combustible et au moins une couche d'électrolyte pour constituer les électrolytes des deux cellules à combustible. La couche cathodique est notamment une couche de lanthane-strontium-oxyde de manganèse et/ou lanthane- 5 strontium-scandium-oxyde de manganèse et/ou lanthane-strontium- cobalt-oxyde de fer et/ou lanthane-nickel-oxyde de fer. De façon préférentielle, la couche cathodique est en lanthane-strontium-oxyde de manganèse, lanthane-strontium-scandium-oxyde de manganèse ou un mélange de ceux-ci. De façon préférentielle, le matériau d'au moins une 10 couche cathodique a une structure de Pérovskite. La couche anodique peut être notamment formée en cermet de nickel et d'oxyde de zirconium stabilisé par de l'yttrium ou encore de lanthane-strontium-oxyde de titane et/ou lanthane-strontium-scandium-oxyde de manganèse. La couche d'électrolyte peut être formée notamment d'oxyde de zirconium 15 stabilisé par de l'yttrium et/ou d'oxyde de zirconium stabilisé par du scandium. La couche d'électrolyte se trouve en particulier entre une couche d'anode et une couche de cathode. La couche de cathode forme une cathode pour au moins deux cellules à combustible. Les cathodes d'au moins la seconde cellule à combustible sont de préférence séparées 20 par un conducteur électrique et par un isolateur ionique. La couche d'anode forme ainsi une anode pour les deux cellules à combustible, ces anodes étant séparées par un isolant électrique et ionique. Cela permet avantageusement de former au moins deux cellules à combustible. Suivant une autre caractéristique, les deux cellules à 25 combustible de l'unité de cellules à combustible, sont disposées pour qu'une cathode de la première cellule à combustible chevauche au moins partiellement l'anode de la seconde cellule à combustible. On arrive ainsi de façon avantageuse à une structure compacte de l'unité de cellule à combustible.
30 Suivant une autre caractéristique, l'unité d'interconnexion est dans la couche d'électrolyte de l'unité de cellules à combustible. En particulier, l'interconnexion relie une cathode de la première cellule à combustible avec une anode de la seconde cellule à combustible. L'unité d'interconnexion est logée dans la couche 35 d'électrolyte de l'unité de cellule à combustible pour séparer l'électrolyte 3024289 4 de la première cellule à combustible notamment par une isolation ionique et l'électrolyte de la seconde cellule à combustible notamment par isolation ionique, de l'électrolyte de la seconde cellule à combustible. En particulier, l'unité d'interconnexion est logée dans une zone de la 5 couche d'électrolyte dans laquelle la cathode de la première cellule à combustible et l'anode de la seconde cellule à combustible se chevauchent au moins partiellement. On a ainsi une cellule à combustible avec des surfaces, activités électrochimiques ayant avantageusement de grandes dimensions.
10 Suivant une autre caractéristique, la première couche de l'unité d'interconnexion est tournée en direction de la couche d'anode et la seconde couche de l'unité d'interconnexion est tournée en direction de la couche de cathode. On réalise ainsi une disposition avantageuse des couches de l'unité d'interconnexion notamment vis-à-vis de 15 l'orientation des matériaux de l'unité d'interconnexion à l'intérieur de l'unité de cellules à combustible. Suivant une autre caractéristique, le dispositif de pile à combustible comporte au moins un support recevant l'unité de cellules à combustible. Le support dans le présent contexte est un élément qui 20 soutient au moins une pile à combustible, mécaniquement et/ou pour la stabiliser. Cela permet notamment une réalisation avantageusement mince de l'unité de cellules à combustible. En particulier, comme on réduit l'épaisseur de la couche d'électrolyte, on améliore la conductivité de l'électrolyte des deux cel- 25 iules à combustible et ainsi leur efficacité. Le support peut notamment avoir une forme tubulaire. Il peut, par exemple, avoir une extrémité de tube ouvert avec un segment de fixation notamment étanche aux gaz pour fixer le support à un substrat. L'autre extrémité du tube permet de fermer le support par un autre segment de fixation en recevant notam- 30 ment un couvercle étanche aux gaz. L'unité cellules à combustible est notamment installée sur le support pour que de préférence la couche de cathode soit adjacente au support. Dans les zones dans lesquelles l'unité de cellules à combustible est adjacente au corps de support, celui-ci est de préférence perméable aux gaz et pour cela, il comporte par 35 exemple des pores et/ou des orifices pour la sortie des gaz. Le corps de 3024289 5 support peut notamment être réalisé en une ou plusieurs matières céramiques et/ou matières vitreuses. Par exemple, le support sera réalisé en forsterite et/ou en dioxyde de zirconium et/ou en oxyde d'aluminium. Cela permet d'atteindre une solidité mécanique et/ou 5 thermique avantageuse. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif de pile à combustible tel que décrit ci-dessus. En particulier, dans au moins une étape du procédé, on réalise au moins l'unité d'interconnexion et de préférence toute l'unité de cellules à com- 10 bustible par sérigraphie. En particulier, dans au moins une autre étape du procédé, on peut cofritter les matériaux de l'unité d'interconnexion et/ou l'unité de cellules à combustible et/ou du support. Cela permet avantageusement une fabrication simple et/ou économique du dispositif de pile à combustible selon l'invention.
15 Le dispositif de pile à combustible selon l'invention n'est pas limité aux applications et aux formes de réalisation décrites ci-dessus. En particulier, pour assurer le fonctionnement décrit, le dispositif de pile à combustible selon l'invention comporte un nombre réduit d'élément de composants ou d'unité qui diffèrent.
20 Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de dispositif de pile à combustible selon l'invention, représentée dans le dessin annexé dans lequel l'unique figure est une section schématique d'un dispositif de pile à 25 combustible comportant une unité de cellules à combustible avec au moins deux cellules reliées en série pour une unité d'interconnexion à deux couches. Description du mode de réalisation de l'invention La figure est une coupe schématique d'un dispositif de 30 pile à combustible 46 qui n'est représenté ici que partiellement. Le dis- positif de pile à combustible 46 comporte une unité de cellules à combustible 10 formée par exemple de deux cellules à combustible 12,14 branchées en série. Cette connexion en série des deux cellules 12, 14 se fait par l'intermédiaire d'une unité d'interconnexion 12.
3024289 6 La figure montre que l'unité de cellules à combustible 10 se présente sous la forme d'un système à plusieurs couches ; les cellules à combustible 12, 14 sont pratiquement juxtaposées. L'unité de cellules à combustible 10 comporte ainsi une couche cathodique 22, 5 une couche électrolytique 34 et une couche anodique 28. La couche ca- thodique 22 forme les cathodes 24, 26 des cellules 12, 14. La couche anodique 28 forme les deux anodes 30, 32 des cellules 12,14. La couche d'électrolyte 34 forme ainsi des électrolytes 36,38 des cellules 12,14. L'unité d'interconnexion 16 est disposée pour que la ca- 10 thode 24 de la première cellule 12 soit reliée à l'anode 32 de la seconde cellule 14 par un montage en série. L'électrolyte 36 de la première cellule à combustible 12 est un ainsi isolée par l'unité d'interconnexion 16 notamment une isolation ionique de l'électrolyte 38 de la seconde cellule 14.
15 La figure montre en outre que les cathodes 24, 26 des cellules 12, 14 sont séparées par la zone 42 d'isolation électrique et ionique et les anodes 30, 32 des cellules 12, 14 sont séparées l'une de l'autre par au moins une zone 44 d'isolation électrique et ionique. Dans le mode de réalisation représenté, les cathodes 24, 26 et les anodes 30, 20 32 des cellules 12,14 sont formées par la couche de cathode 22 ou la couche d'anode 28 pour que la cathode 24 de la première cellule 12 et l'anode 32 de la seconde cellule 14 se chevauchent partiellement. Dans la zone de chevauchement, on aura l'unité d'interconnexion de la couche d'électrolyte 34. En variante, on peut également supprimer le 25 chevauchement de la cathode et de l'anode. La figure montre en outre que le dispositif de pile à combustible 46 comporte un support 40. Le support 40 peut être formé d'un ou plusieurs matériaux céramiques et/ou matériaux vitreux. En principe, le support 40 peut être un support tubulaire ou cylindrique 30 mais il peut également être constitué par un support plan. Le dispositif de pile à combustible 46 peut ainsi se présenter sous la forme d'un dispositif plan mais également et de préférence sous la forme d'une pile à combustible tubulaire. L'unité de cellules à combustible 10 peut être appliquée sur le côté intérieur ou sur le côté extérieur et de préférence 35 toutefois comme présentée ici sur le côté intérieur du support 40. La 3024289 7 figure montre que les cathodes 24,26 des cellules 12,14 ou la couche de cathode 22 de l'unité de cellules à combustible 10 sont adjacentes au corps de support. Les anodes 30,32 des cellules 12,14 ou la couche d'anode 28 de l'unité de cellules à combustible 10 sont ouvertes, c'est- 5 à-dire, librement accessibles. Le segment du support 40 adjacent aux cellules 12,14 est pour cela muni de pores et/ou d'ouvertures pour le passage des gaz. L'unité d'interconnexion 16 est en deux couches. Une première couche 18 de l'unité 16 est au moins pour l'essentiel consti- 10 tuée par de la Pérovskite à base de manganèse. Cette Pérovskite à base de manganèse répond à la formule chimique générale suivante Lai, Srx Ay Mni_y 03 avec 0,05<x<0,6 ; 0,05<x<0,6 et A = Scandium (Sc), Titane (Ti), Niobium (Nb) ou Tantale (Ta). Une seconde couche de l'unité d'interconnexion 16 est formée au moins dans la Pérovskite à base de 15 nickel. La Pérovskite à base de nickel répond à la formule chimique gé- nérale suivante La Nix Fei, 03 avec 0,05<x<0,6. Les couches 18, 20 de l'unité de l'interconnexion 16 sont disposées pour que la première couche 18 de l'unité d'interconnexion 16 soit dans la direction de la couche d'anode 28 et que la seconde couche de l'unité d'interconnexion 20 16 soit tournée en direction de la couche de cathode 22. La première couche 18 qui est constituée principalement par la Pérovskite à base de manganèse donne à l'unité d'interconnexion 16 et notamment dans l'atmosphère anodique, une conductivité suffisamment élevée (5 S/cm à 850°C). En même temps, la première couche 25 18 protège la seconde couche 22 qui se trouve en dessous et qui est pour l'essentiel formée par de la Pérovskite à base de nickel. Elle est ainsi protégée contre les influences gênantes créées par l'atmosphère anodique. La seconde couche est grâce aux bonnes propriétés de frittage de la Pérovskite à base de nickel, est avantageusement étanche au 30 gaz, ce qui est évite la sortie de gaz combustible hors du dispositif de pile à combustible 46. La structure en deux couches de l'unité d'interconnexion 16 permet de combiner des propriétés positives de la Pérovskite à base de manganèse de la première couche 18 et de la seconde couche 20 de Pérovskite à base de nickel.
35 3024289 8 NOMEMCLATURE 10 Unité de cellules à combustible 12,14, Cellule à combustible 5 16 Unité d'interconnexion 18 Première couche 20 Deuxième couche 22 Couche de cathode 28 Couche d'anode 10 30,32 Anode 34 Couche d'électrolyte 36,38 Electrolyte 46 Dispositif de pile à combustible 15

Claims (5)

  1. REVENDICATIONS1°) Dispositif de pile à combustible comportant une unité de cellules à combustible (10), composée d'au moins deux cellules à combustible (12,14) et d'une unité d'interconnexion (16), reliant en série les deux cellules (12,14) dispositif caractérisé en ce que l'unité d'interconnexion (16) comporte au moins deux couches (18,20) en des matériaux différents.
  2. 2°) Dispositif de pile à combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité d'interconnexion (16) a au moins une première couche (18) formée par de la Pérovskite à base de manganèse.
  3. 3°) Dispositif de pile à combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité d'interconnexion (16) comporte au moins une seconde couche (20) formée de Pérovskite à base de nickel.
  4. 4°) Dispositif de pile à combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de pile à combustible (10) comporte au moins une couche de cathode (2) qui constitue les cathodes (24, 26) des deux cellules à combustible (12,14), une couche d'anode (28) qui constitue les anodes (30, 32) des deux cellules à combustible (12,14) et une couche d'électrolyte (34) constituant les électrolytes (36, 38) des deux cellules à combustible (12,14).
  5. 5°) Dispositif de pile à combustible selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deux cellules à combustible (12,14) sont disposées dans l'unité de cellules à combustible (10) pour qu'une cathode (24) d'une cellule à combustible (12) couvre partiellement l'anode (32) de l'autre seconde cellule à combustible (14). 3024289 10 6°) Dispositif de pile à combustible selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'unité d'interconnexion (16) est logée dans la couche d'électrolyte (34) de l'unité de cellule à combustible (10). 5 7°) Dispositif de pile à combustible selon la revendication 6, caractérisé en ce qu' au moins la première couche (18) de l'unité d'interconnexion (16) est tournée en direction de la couche d'anode (28) et la seconde couche 20) 10 de l'unité d'interconnexion (16) est tournée vers la couche de cathode (22). 8°) Dispositif de pile à combustible selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' 15 elle comporte au moins un corps de support (40) portant l'unité de cel- lules à combustible (10). 9°) Procédé de réalisation d'un dispositif de pile à combustible (46) selon l'une des quelconques revendications 1 à 8 comportant une unité de 20 cellules à combustible (10), composée d'au moins deux cellules combus- tibles (12,14) et d'une unité d'interconnexion (16), reliant en série les deux cellules (12,14) et ayant au moins deux couches (18,20) en des matériaux différents. 25
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