FR3116387A1 - Dispositif de serrage pour un empilement electrochimique, et assemblage forme par le dispositif de serrage et l’empilement electrochimique - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un dispositif de serrage (400) pour un empilement électrochimique (200), ledit dispositif comprend :- une plaque de serrage supérieure (410) et une plaque de serrage inférieure (420), en regard l’une de l’autre ;- au moins un ressort hélicoïdal (500) agencé pour serrer les deux plaques de serrage (410, 420) contre un empilement électrochimique (200) susceptible d’être enserré entre lesdites plaques de serrage (410, 420), ledit au moins un ressort hélicoïdal (500) est pourvu d’au moins un canal de circulation fluidique (510) continu formé dans son volume et qui parcourt chacune des spires de l’au moins un ressort hélicoïdal (500) ; - au moins un moyen de maintien destiné à maintenir le serrage, imposé par l’au moins un ressort hélicoïdal (500) aux plaques de serrage (410, 420). Figure pour l’abrégé : Figure 4 .

Description

DISPOSITIF DE SERRAGE POUR UN EMPILEMENT ELECTROCHIMIQUE, ET ASSEMBLAGE FORME PAR LE DISPOSITIF DE SERRAGE ET L’EMPILEMENT ELECTROCHIMIQUE
La présente invention se rapporte au domaine des dispositifs de serrage et notamment aux dispositifs de serrage pour les empilements électrochimiques. Lesdits empilements électrochimiques considérés sont en particulier des empilements du type SOEC ou SOFC susceptibles de fonctionner à des températures supérieures à 700°C.
L’invention concerne en particulier un dispositif de serrage pourvu d’un ressort hélicoïdal destiné à exercer un effort conduisant au serrage, voire à l’écrasement de l’empilement électrochimique. Le ressort hélicoïdal, selon les termes de la présente invention, est notamment pourvu de moyens de thermalisation, et plus particulièrement d’un canal de circulation fluidique dans lequel un fluide de refroidissement est susceptible de s’écouler afin de maintenir ledit ressort dans une gamme de températures pour laquelle l’effort exercé par ledit ressort varie peu.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
La représente un dispositif électrochimique 100 connu de l’état de la technique et décrit dans le document [1] cité à la fin de la description.
Le dispositif électrochimique comprend un empilement 200 à oxydes solides fonctionnant à haute température enserré entre deux plaques de serrage 300 et 310 pouvant fonctionner soit en mode électrolyseur, soit en mode pile à combustible. Des tiges de serrage, s’étendant entre les deux plaques de serrage, sont par ailleurs mises en œuvre afin de maintenir le serrage de l’empilement par les plaques de serrage.
Le dispositif électrochimique 100 est généralement désigné sous l’un ou l’autre des acronymes anglo-saxon « SOEC » (« Solid Oxide Electrolyser Cell ») ou « SOFC » (« Solid Oxide Full Cell ») lorsqu’il fonctionne, respectivement, en mode électrolyseur ou en mode pile à combustible.
L’empilement 200, tel qu’illustré à la , comprend un empilement 200 de cellules électrochimiques élémentaires 210 entre lesquelles viennent s’interposer des interconnecteurs 230 destinés à assurer un contact électrique entre les cellules électrochimiques élémentaires. Ces interconnecteurs comprennent également des canaux permettant l’évacuation et/ou la distribution de gaz au niveau des cellules élémentaires.
Chaque cellule électrochimique élémentaire comprend un électrolyte 210e intercalé entre une anode 210a et une cathode 210c.
Tout au long de la description de la présente demande, par « anode », « cathode » et « électrolyte », on entend des éléments de forme généralement plane, par exemple sous forme de couche, qui comprennent deux faces principales essentiellement parallèles et reliées par un contour.
L’anode et la cathode de chaque cellule électrochimique élémentaire comprennent généralement une couche poreuse, tandis que l’électrolyte forme une couche dense et étanche.
Chaque interconnecteur disposé de part et d’autre d’une cellule électrochimique forme, respectivement, avec l’anode un compartiment anodique 230a de distribution et de collecte de gaz, et avec la cathode un compartiment cathodique 230c de distribution et de collecte de gaz.
En fonctionnement, l’anode et la cathode sont le siège de réactions électrochimiques, tandis que l’électrolyte permet le transport d’ions de la cathode vers l’anode, ou inversement selon que le dispositif électrochimique fonctionne en mode électrolyseur ou en mode pile à combustible.
Ainsi en mode électrolyseur, le compartiment cathodique permet un apport de vapeur d’eau et une évacuation des produits de réduction de l’eau, notamment de l’hydrogène, tandis que le compartiment anodique assure, via un gaz drainant, l’évacuation du dioxygène produit de l’oxydation des ions O2-migrant de la cathode vers l’anode.
Le mécanisme d’électrolyse (mode « SOEC ») de la vapeur d’eau par une cellule électrochimique élémentaire est illustré à la . Au cours de cette électrolyse, la cellule électrochimique élémentaire est alimentée par un courant circulant de la cathode vers l’anode. La vapeur d’eau distribuée par le compartiment cathodique est alors réduite sous l’effet du courant selon la demi-réaction suivante :
[Chem 1]
2 H2O + 4 e-→ 2 H2+ 2 O2-.
Le dihydrogène produit lors de cette réaction est alors évacué, tandis que les ions O2-produits lors de cette réduction migrent de la cathode vers l’anode, via l’électrolyte, où ils sont oxydés en dioxygène selon la demi-réaction :
[Chem 2]
2 O2-→ O2+ 4 e-.
Le dioxygène ainsi formé est quant à lui évacué par le gaz drainant circulant dans le compartiment anodique.
L’électrolyse de la vapeur d’eau répond à la réaction suivante :
[Chem 3]
2 H2O → 2 H2+ O2.
En mode pile à combustible (« SOFC »), de l’air est injecté dans le compartiment cathodique où l’oxygène se réduit alors en ions O2-. Ces ions O2-migrent alors vers l’anode et réagissent avec du dihydrogène circulant dans le compartiment anodique pour former de l’eau.
Le fonctionnement en mode pile à combustible permet la production d’un courant électrique.
L’optimisation du fonctionnement d’un tel dispositif électrochimique connu de l’état de la technique peut toutefois requérir certaines contraintes.
Notamment, il est nécessaire d’avoir une isolation électrique entre deux interconnecteurs successifs sous peine de court-circuiter la cellule électrochimique élémentaire. Un bon contact électrique et une surface de contact suffisante entre une cellule électrochimique élémentaire et un interconnecteur peut également être nécessaire. La plus faible résistance ohmique possible est alors recherchée entre cellules et interconnecteurs. Celle-ci dépend des matériaux en regard mais également du niveau de serrage de l’empilement.
Par ailleurs, il faut disposer d’une étanchéité entre les compartiments anodiques et cathodiques sous peine d’avoir une recombinaison des gaz produits entraînant une baisse de rendement et surtout l’apparition de points chauds endommageant l’empilement. De nouveau, cette étanchéité dépend de la conception des joints et des matériaux utilisés mais également du niveau de serrage de l’empilement.
Enfin, il est préférable d’avoir une bonne distribution des gaz à la fois en entrée et en récupération des produits sous peine de perte de rendement, d’inhomogénéité de pression et de température au sein des différentes cellules électrochimiques élémentaires, voire de dégradations rédhibitoires desdites cellules.
Le dispositif électrochimique 100 tel que représenté à la , par un choix de matériaux formant les tiges et les plaques de serrage, permet de répondre favorablement aux requis précités tant que l’empilement 200 contient moins de 25 cellules électrochimiques élémentaires. Toutefois, dès lors que l’empilement comprend un nombre de cellules électrochimique élémentaires excédant 25, ce dernier est susceptible de présenter une dilatation à haute température difficile à prévoir, et rend, par voie de conséquence, le dimensionnement des tiges et des plaques de serrage compliqué.
L’invention a donc pour but de proposer un dispositif de serrage pour enserrer un empilement électrochimique permettant d’accommoder un grand nombre, par exemple supérieur à 25, de cellules électrochimiques élémentaires.
L’invention a également pour but de proposer un dispositif de serrage dont la dilatation reste limitée lorsqu’il est soumis à de hautes températures et notamment des températures supérieures à 700°C.
L’invention a également pour but de proposer un assemblage qui comprend le dispositif de serrage et un empilement électrochimique.
Les buts sont, au moins en partie, atteints par un dispositif de serrage pour un empilement électrochimique, ledit dispositif comprend :
- deux plaques de serrage dites, respectivement, plaque de serrage supérieure et plaque de serrage inférieure, en regard l’une de l’autre par une de leur face, dites, respectivement, face interne supérieure et face interne inférieure, et entre lesquelles est destiné à être enserré un empilement électrochimique ;
- au moins un ressort hélicoïdal agencé pour serrer les deux plaques de serrage contre un empilement électrochimique susceptible d’être enserré entre lesdites plaques de serrage, ledit au moins un ressort hélicoïdal est pourvu d’au moins un canal de circulation fluidique continu formé dans son volume et qui parcourt chacune des spires de l’au moins un ressort hélicoïdal ;
- au moins un moyen de maintien destiné à maintenir le serrage, imposé par l’au moins un ressort hélicoïdal aux plaques de serrage.
Selon un mode de mise en œuvre, l’au moins canal de circulation fluidique comprend deux canaux, séparés par une âme centrale, et qui s’étendent de manière parallèle et continue dans chacune des spires.
Selon un mode de mise en œuvre, l’empreinte formée par les deux canaux et l’âme centrale selon un plan de coupe passant par un axe de révolution du ressort, est limitée par un cercle, l’âme centrale comprenant deux parois parallèles entre elles.
Selon un mode de mise en œuvre, les empreintes des deux parois selon le plan de coupe sont parallèles à l’axe de révolution.
Selon un mode de mise en œuvre, l’au moins un moyen de maintien comprend une plaque embase, et l’au moins un ressort hélicoïdal est disposé entre la plaque de serrage supérieure et la plaque embase, ladite plaque embase étant en regard par une face interne avec une face supérieure externe de la plaque de serrage supérieure et opposée à la face supérieure interne, la plaque embase étant agencée pour imposer une compression à l’au moins un ressort hélicoïdal permettant de maintenir les plaques de serrage serrées contre un empilement électrochimique susceptible d’être enserré entre lesdites plaques de serrage.
Selon un mode de mise en œuvre, l’au moins un moyen de maintien comprend en outre au moins deux tirants agencés pour ajuster la distance entre la plaque embase et la plaque de serrage inférieure afin d’imposer une compression à l’au moins un ressort hélicoïdal.
Selon un mode de mise en œuvre, les au moins deux tirants sont montés pivotants, par une première extrémité, sur un contour périphérique de la plaque de serrage inférieure, tandis que la plaque embase comprend des encoches destinées à être traversées par les tirants, chaque tirant comprend un filetage qui s’étend à partir d’une deuxième extrémité, opposée à la première extrémité et coopérant avec un écrou.
Selon un mode de mise en œuvre, l’au moins un ressort comprend un unique ressort.
Selon un mode de mise en œuvre, ledit dispositif comprend autant de tirants que de ressorts, chaque tirant traversant des ouvertures ménagées dans les plaques de serrage et de l’embase, ainsi qu’un des ressorts.
Selon un mode de mise en œuvre, ledit dispositif comprend en outre deux leviers, dits respectivement, levier supérieur et levier inférieur, en appui par, respectivement, une première extrémité supérieure et première extrémité inférieure, contre, respectivement la plaque de serrage supérieure et la plaque de serrage inférieure, le ressort hélicoïdal étant mécaniquement lié à l’un et l’autre des leviers de sorte qu’un effort en tension du ressort hélicoïdal se traduise par un serrage des plaques de serrage, par lesdits leviers, contre un empilement électrochimique susceptible d’être enserré entre les deux plaques de serrage.
Selon un mode de mise en œuvre, un levier intermédiaire est en liaison pivot par chacune de ses extrémités avec une deuxième extrémité, opposée à la première extrémité, de l’un et l’autre des leviers supérieur et inférieur.
L’invention concerne également un assemblage électrochimique qui comprend :
- un dispositif de serrage selon la présente invention,
- un empilement électrochimique à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température et comprenant au moins une cellule électrochimique élémentaire, ledit empilement étant enserré entre la plaque de serrage supérieure et la plaque de serrage inférieure, et de manière à exercer un effort d’écrasement prédéterminé sur ledit empilement.
Selon un mode de mise en œuvre, une plaque terminale supérieure et une plaque terminale inférieure viennent s’intercaler entre l’empilement et, respectivement, la plaque de serrage supérieure et la plaque de serrage inférieure.
D’autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va suivre d’un dispositif de serrage, donnés à titre d’exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
représente, selon une vue en perspective, un dispositif électrochimique connu de l’état de la technique (document [1]), et sur lequel la présente invention est susceptible d’être mise en œuvre ;
est une vue schématique éclatée d’un empilement de deux cellules électrochimiques élémentaires connu de l’état de la technique et susceptible d’être mise en œuvre dans le cadre de la présente invention ;
est une vue schématique montrant le principe de fonctionnement d’une cellule électrochimique élémentaire en mode électrolyseur à oxydes solides à haute température (SOEC), les flèches représentent la circulation des gaz au niveau des électrodes, notamment les flèches en trait plein représentent la circulation des gaz réactifs ou produits de réaction, tandis que la flèche en traits interrompus représente la circulation de gaz drainant ;
est une représentation schématique selon une vue de face d’un dispositif de serrage serrant un empilement électrochimique, selon une première variante d’un premier mode de réalisation de la présente invention ;
est une représentation schématique selon une vue en perspective d’un dispositif de serrage serrant un empilement électrochimique, selon une deuxième variante d’un premier mode de réalisation de la présente invention ;
est une représentation schématique selon une vue de côté d’un dispositif de serrage serrant un empilement électrochimique, selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention ;
est un vue selon un plan de coupe P passant par l’axe de révolution XX’ d’un ressort hélicoïdal susceptible d’être mis en œuvre dans le cadre de la présente invention ;
est un détail de la section du ressort de la selon le plan de coupe P ;
est une représentation graphique de l’effort (E en N sur l’axe vertical) exercé par un ressort hélicoïdal en fonction d’un écrasement (D en mm, sur l’axe horizontal) d’un empilement électrochimique de 25 cellules élémentaires ;
est une représentation schématique selon une vue de face d’un dispositif de serrage serrant un empilement électrochimique, notamment, dans cette représentation, les tirants traversent les encoches ménagées dans la plaque embase ;
est une représentation schématique du dispositif de serrage de la selon une vue en perspective ;
est une représentation schématique en perspective d’un ensemble monobloc formé par la plaque de serrage supérieure, de la plaque embase et du ressort hélicoïdal ;
sont des représentations schématiques de deux phases de mise en compression d’un empilement électrochimique avec le dispositif de serrage selon la présente invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
La présente invention concerne un dispositif de serrage pourvu de deux plaques de serrage entre lesquelles un empilement, par exemple un empilement électrochimique, est destiné à être enserré. En particulier, le dispositif selon la présente invention comprend un ressort, notamment un ressort hélicoïdal, agencé pour transmettre un effort aux plaques de serrage, afin d’imposer un écrasement audit empilement électrochimique. En outre, et de manière particulièrement avantageuse, le ressort hélicoïdal comprend un conduit de circulation fluidique dans son volume et qui parcourt l’ensemble des spires du ressort hélicoïdal. Ce canal de circulation fluidique autorise ainsi la circulation d’un fluide dans le volume du ressort de manière à limiter, voire prévenir, la dilatation du ressort hélicoïdal lorsqu’il est soumis à des températures élevées, et notamment à des températures supérieures à 700 °C.
Ainsi, le dispositif de serrage est avantageusement mis en œuvre dans un assemblage qui comprend un empilement électrochimique enserré entre les deux plaques de serrage.
Les figures 4 à 6 illustrent différents modes de mise en œuvre d’un dispositif de serrage 400 selon la présente invention. Sur ces figures, le dispositif de serrage 400 est représenté avec un empilement, et notamment un empilement électrochimique 200, enserré entre deux plaques de serrages dites, respectivement, plaque de serrage supérieure 410 et plaque de serrage inférieure 420.
Par « plaque de serrage », on entend une plaque de forme généralement plane, qui comprend deux faces principales reliées par un contour, et qui lorsqu’elles sont assemblées par paires sont destinées à maintenir la cohésion d’un empilement, par exemple d’un empilement électrochimique.
Par « empilement électrochimique », on entend un empilement de cellules électrochimiques élémentaires.
La plaque de serrage supérieure 410 comprend deux faces principales dites, respectivement, face interne supérieure 410a et une face externe supérieure 410b essentiellement parallèles et reliées par un contour supérieur 410c.
La plaque de serrage inférieure 420 comprend deux faces principales dites, respectivement, face interne inférieure 420a et une face externe inférieure 420b essentiellement parallèles et reliées par un contour inférieur 420c.
La plaque de serrage supérieure 410 et la plaque de serrage inférieure 420 sont notamment agencées de sorte que la face interne supérieure 410a et la face interne inférieure 420a soient en regard l’une de l’autre.
L’espace délimité par la face interne supérieure 410a et la face interne inférieure 420a est destiné à loger l’empilement, et plus particulièrement l’empilement électrochimique 200.
Le dispositif de serrage 400 comprend également au moins un ressort hélicoïdal 500. En particulier, le dispositif de serrage 400 peut comprendre un unique ressort hélicoïdal 500 (figures 4 et 6), ou une pluralité de ressorts hélicoïdaux, par exemple 4 ressorts hélicoïdaux 500a, 500b, 500c, 500d, ( ). En particulier, l’au moins un ressort hélicoïdal 500 ou 500a, 500b, 500c, 500d est agencé pour exercer un effort qui conduit au serrage de l’empilement électrochimique 200 par la plaque de serrage supérieure 410 et la plaque de serrage inférieure 420.
Par « ressort hélicoïdal », on entend un boudin enroulé en hélice. Plus particulièrement, l’hélice s’inscrit dans un cylindre de révolution qui comprend un axe de révolution XX’. Ainsi, tout au long de la description, l’axe de révolution XX’ du cylindre est également assimilé à l’axe de révolution XX’ du ressort hélicoïdal.
Enfin, l’au moins un ressort hélicoïdal 500 ou 500a, 500b, 500c, 500d comprend au moins un canal de circulation fluidique 510 ( et 7b). Cet au moins un canal de circulation fluidique 510 est notamment formé dans le volume du ressort hélicoïdal. L’au moins un canal de circulation fluidique 510 est, par ailleurs, continu et parcourt ainsi l’ensemble des spires de l’au moins un ressort hélicoïdal 500 ou 500a, 500b, 500c, 500d. Cet agencement permet ainsi d’imposer la circulation d’un fluide, d’une première extrémité 512a vers une deuxième extrémité 512b du ressort hélicoïdal 500 dans l’au moins un canal de circulation fluidique 510 à des fins de thermalisation dudit ressort hélicoïdal ( ).
De manière particulièrement avantageuse, il est possible d’imposer la circulation d’un fluide de refroidissement dans l’au moins un canal de circulation fluidique 510. La circulation du fluide de refroidissement peut notamment être adaptée pour maintenir le ressort hélicoïdal dans une gamme de températures pour lesquelles les propriétés mécaniques ne subissent que peu, voire pas, de variations. En d’autres termes, la circulation d’un fluide de refroidissement dans l’au moins un canal de circulation fluidique 510 permet de limiter la variation de l’effort exercé par le ressort hélicoïdal lorsque ce dernier se trouve à proximité d’une source de chaleur. À cet égard, un empilement électrochimique 200 à oxydes solides de type SOEC/SOFC est connu pour fonctionner à haute température, et notamment à des températures supérieures à 700°C, et peut, par voie de conséquence, générer un échauffement, par radiation ou par conduction, du ressort hélicoïdal. Cet échauffement, source de dilatation du ressort hélicoïdal, sans autres précautions, se traduit généralement par une variation de l’effort exercé par ce dernier qui risque ultimement de causer une rupture d’étanchéité au sein de l’empilement électrochimique. La mise en œuvre d’une thermalisation du ressort hélicoïdal par circulation d’un fluide de refroidissement permet ainsi de limiter le risque de rupture d’étanchéité.
L’au moins un ressort hélicoïdal peut de manière avantageuse comprendre au moins l’un des alliages choisis parmi : 310s, Inconel 718, Inconel 625.
À cet égard, l’Inconel 718 présente une résistance à la corrosion et des propriétés mécaniques sur une large gamme de températures qui en font un alliage de choix lorsque les applications considérées mettent en œuvre des températures pouvant atteindre 700°C.
Selon les termes de la présente invention, il peut être envisagé de considérer un au moins un canal de circulation fluidique 510 qui comprend deux canaux 510a et 510b, séparés par une âme centrale 510c (figures 7a et 7b). Les deux canaux 510a et 510b s’étendent de manière parallèle et continue dans chacune des spires.
De manière avantageuse, les deux canaux 510a et 510b peuvent présenter des caractéristiques géométriques et dimensionnelles essentiellement identiques.
L’âme centrale 510c peut comprendre deux parois parallèles 511a et 511b délimitant chacune, et pour partie, l’un et l’autre des canaux 510a et 510b. À cet égard, l’intersection des parois 511a et 511b avec un plan de coupe P passant par l’axe de révolution XX’ comprend deux segments parallèles avec ledit axe de révolution XX’. Cette orientation des parois 511a et 511b permet de rigidifier le ressort hélicoïdal.
Enfin, et toujours de manière avantageuse, l’intersection de l’ensemble formé par les deux canaux 510a, 510b et l’âme centrale 510c avec le plan de coupe P peut être délimité par un cercle C ( ). En d’autres termes, l’empreinte de chaque canal 510a et 510b selon le plan de coupe est délimitée pour partie par une section du cercle C et par l’empreinte d’une des parois 511a et 511b selon ce même plan de coupe.
Un tel ressort hélicoïdal peut être formé par une technique de fabrication additive, et notamment par fabrication 3D.
À titre d’exemple non limitatif, le ressort hélicoïdal est formé d’un boudin en Inconel 718 d’un diamètre, dit diamètre extérieur, égal à 18mm. Le diamètre du cercle C peut être égal à 10 mm, tandis que la distance entre les parois 511a et 511b (selon une direction perpendiculaire à l’axe de révolution XX’) peut être égale à 4 mm.
L’effort E (en N sur l’axe vertical) exercé par un tel ressort hélicoïdal en fonction d’un écrasement D (en mm, sur l’axe horizontal) d’un empilement électrochimique de 25 cellules élémentaires est représenté graphiquement à la . Sur ce graphique, il apparait qu’un écrasement D de 50 mm de l’empilement électrochimique est associé à un effort exercé par le ressort hélicoïdal de 2000 N. Cet empilement, lorsqu’il est soumis à un échauffement, notamment un échauffement à une température égale à 900°C, est susceptible de subir une dilatation d’environ 2 mm qui se traduit par une variation négligeable de l’effort effectivement exercé par le ressort hélicoïdal.
Le dispositif de serrage 400 comprend également au moins un moyen de maintien 600 destiné à maintenir le serrage, imposé par l’au moins un ressort hélicoïdal aux plaques de serrage.
La illustre à cet égard une première variante d’un premier mode de réalisation du moyen de maintien 600 selon la présente invention.
En particulier, le moyen de maintien 600 selon cette première variante comprend au moins deux tirants 610a et 610b, ainsi qu’une plaque embase 620. La plaque embase 620 est pourvue de deux faces principales dites, respectivement, face interne 620a et face externe 620b et reliées par un contour 620c. Plus particulièrement, la plaque embase 620 est en regard de la face externe supérieure 410b par sa face interne 620a, et le ressort hélicoïdal 500 se trouve entre la plaque embase 620 et la plaque de serrage supérieure 410, en appui, respectivement, contre la face interne 620a et la face externe supérieure 410b.
Par ailleurs, les au moins deux tirants 610a et 610b s’étendent entre la plaque de serrage inférieure et la plaque embase pour permettre un assemblage desdites plaques et ajuster la distance qui les sépare. Plus particulièrement, cet ajustement de la distance entre la plaque de serrage inférieure et la plaque embase est destiné à mettre en compression le ressort hélicoïdal 500 de sorte que ce dernier exerce un effort qui se traduit par le serrage de l’empilement électrochimique entre les plaques de serrage 410 et 420.
Les au moins deux tirants 610a et 610b peuvent, selon un premier aspect, traverser des ouvertures traversantes ménagées dans ces deux plaques et coopérer avec des moyens de serrage, par exemple des écrous, au niveau des ouvertures traversantes.
Selon un deuxième aspect, les au moins deux tirants 610a et 610b peuvent avantageusement être montés pivotants, par une première extrémité, sur le contour 420c de la plaque de serrage inférieure 420 (figures 4, 9a et 9b). Selon ce deuxième aspect, la plaque embase 620 comprend des encoches 612a et 612b destinées à être traversées par les tirants 610a et 610b. À l’instar du premier aspect, des moyens de serrage, par exemple des écrous, coopèrent avec les au moins deux tirants au niveau des encoches 612a et 612b.
Toujours selon la première variante de ce premier mode de réalisation, la plaque embase 620, la plaque de serrage supérieur 410 et le ressort hélicoïdal 500 peuvent former une pièce monobloc. Cette pièce monobloc peut être obtenue par un procédé de fabrication additive, et notamment par fabrication 3D ( ). De manière avantageuse, la première extrémité 512a émerge de la plaque de de serrage supérieure 510 au niveau du contour 510c, tandis que la deuxième extrémité 512b émerge de la plaque embase 620 au niveau du contour 620c. Selon cet agencement, un fluide, et notamment un fluide de refroidissement, peut circuler dans l’au moins un canal de circulation fluidique 510 du ressort hélicoïdal 500, de la première extrémité 512a vers la deuxième extrémité 5412b. Lors de cette circulation, le fluide de refroidissement, par exemple de l’eau, subit un échauffement susceptible de la transformer en vapeur en vapeur d’eau. Cette vapeur d’eau peut avantageusement être injectée dans l’empilement électrochimique ou dans tout autre système tel qu’une turbine par exemple.
De manière particulièrement avantageuse, la plaque embase comprend un orifice, dit orifice de montage 630, dans l’alignement de l’axe de révolution XX’ du ressort hélicoïdal 500. Cet orifice de montage est notamment mis en œuvre pour l’écrasement de l’empilement électrochimique 200.
À cet égard, les figures 11a et 11b sont des illustrations du montage d’un empilement électrochimique 200 et du dispositif de serrage.
Ce montage comprend, dans un premier temps, une phase de compression de l’empilement électrochimique 200 disposé entre les deux plaques de serrage 410 et 420. Lors de cette phase de compression, un vérin 800, traversant l’orifice de montage 630, vient appliquer un effort, par exemple de 2000 N, contre la face externe supérieure 410b de manière à écraser l’empilement électrochimique 200 ( ). Cette phase de compression peut faire intervenir des cycles thermiques. Par exemple, la compression peut, dans un premier temps, intervenir à température ambiante ou à une température inférieure à 200 °C. L’assemblage ainsi compressé peut être chauffé, par exemple à une température supérieure à 700°C, puis refroidi à sa température initiale tout en maintenant l’effort exercé par le vérin.
Le montage comprend également une deuxième phase lors de laquelle les tirants 610a et 610b sont positionnés dans les encoches 512a et 512b de manière à assembler la plaque de serrage inférieure 420 avec la plaque embase 620. Cette deuxième phase comprend également le positionnement d’écrous 611a et 611b coopérant avec les tirants 610a et 610b au niveau de la face externe supérieure 610b de sorte que le ressort hélicoïdal 500 applique l’effort initialement exercé par le vérin.
Le dispositif de serrage 400 selon la présente invention permet ainsi d’exercer un effort constant sur l’empilement électrochimique indépendamment de la température dudit empilement. Ce dispositif permet également d’envisager l’empilement d’un nombre relativement important, notamment supérieur 25 voire supérieur à 50, de cellules électrochimiques élémentaires.
Par ailleurs, le liquide de refroidissement circulant dans le canal de circulation fluidique peut comprendre de l’eau. Cette dernière rejetée sous forme de vapeur d’eau au niveau de la deuxième extrémité du ressort peu avantageusement être valorisée, et notamment être injectée dans l’empilement électrochimique en tant que réactif. Cet aspect contribue à l’amélioration du rendement énergétique de l’empilement électrochimique.
Enfin, ce dispositif de serrage reste relativement compact.
L’invention concerne également une deuxième variante de ce premier mode de réalisation ( ).
Selon cette deuxième variante, le dispositif de serrage 400 comprend 4 ressorts hélicoïdaux 500a, 500b, 500c, 500d.
Le dispositif de serrage 400 comprend également 4 tirants 610a, 610b, 610c et 610d qui traversent chacun et dans l’ordre, par des ouvertures traversantes, la plaque de serrage inférieure 420, la plaque de serrage supérieure 410 et la plaque embase 620. La plaque embase 620 selon cette variante peut prendre la forme d’un croisillon. Par ailleurs, chaque ressort hélicoïdal 500a, 500b, 500c, 500d, disposé entre la plaque de serrage supérieure 410 et la plaque embase 620, est également traversé de manière coaxiale par un des tirants 610a, 610b, 610c et 610d.
L’invention concerne également un deuxième mode de réalisation ( ).
Selon ce deuxième mode de réalisation, le ressort hélicoïdal 500 ne fonctionne plus en compression mais en tension et se trouve déporté latéralement.
Le dispositif de serrage 400 selon ce deuxième mode de réalisation comprend en outre deux leviers, dits respectivement, levier supérieur 900a et levier inférieur 900b, en appui par, respectivement, une première extrémité supérieure 901a et première extrémité inférieure 901b, contre, respectivement la plaque de serrage supérieure 410 et la plaque de serrage inférieure 420.
Le ressort hélicoïdal 500 est mécaniquement lié à l’un et l’autre des leviers 900a et 900b de sorte qu’un effort en tension du ressort hélicoïdal se traduise par un serrage des plaques de serrage 410 et 420, par lesdits leviers, contre un empilement électrochimique 200.
Un levier intermédiaire 900c en liaison pivot par chacune de ses extrémités avec une deuxième extrémité 902a et 902b, opposée à la première extrémité 901a et 901b, de l’un et l’autre des leviers supérieur 900a et inférieur 900b peut également être considéré.
L’invention concerne également un assemblage électrochimique qui comprend :
- un dispositif de serrage 400 selon l’un quelconque des modes de réalisation de la présente invention,
- un empilement électrochimique 200 à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température et comprenant au moins une cellule électrochimique élémentaire, ledit empilement étant enserré entre la plaque de serrage supérieure et la plaque de serrage inférieure, et de manière à exercer un effort d’écrasement prédéterminé sur ledit empilement.
L’assemblage peut également comprendre une plaque terminale supérieure 240b et une plaque terminale inférieure 240a qui viennent s’intercaler entre l’empilement électrochimique 200 et, respectivement, la plaque de serrage supérieure 410 et la plaque de serrage inférieure 420.
RÉFÉRENCES
[1] FR 3 045 215.

Claims (13)

  1. Dispositif de serrage (400) pour un empilement électrochimique (200), ledit dispositif comprend :
    - deux plaques de serrage (410, 420) dites, respectivement, plaque de serrage supérieure (410) et plaque de serrage inférieure (420), en regard l’une de l’autre par une de leur face, dites, respectivement, face interne supérieure (420a) et face interne inférieure (420b), et entre lesquelles est destiné à être enserré un empilement électrochimique (200) ;
    - au moins un ressort hélicoïdal (500, 500a, 500b, 500c, 500d) agencé pour serrer les deux plaques de serrage (410, 420) contre un empilement électrochimique (200) susceptible d’être enserré entre lesdites plaques de serrage (410, 420), ledit au moins un ressort hélicoïdal (500, 500a, 500b, 500c, 500d) est pourvu d’au moins un canal de circulation fluidique (510, 510a, 510b) continu, formé dans son volume, et qui parcourt chacune des spires de l’au moins un ressort hélicoïdal (500, 500a, 500b, 500c, 500d) ;
    - au moins un moyen de maintien destiné à maintenir le serrage, imposé par l’au moins un ressort hélicoïdal (500, 500a, 500b, 500c, 500d) aux plaques de serrage (410, 420).
  2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l’au moins canal de circulation fluidique (510, 510a, 510b) comprend deux canaux (510a, 510b), séparés par une âme centrale (510c), et qui s’étendent de manière parallèle et continue dans chacune des spires.
  3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel l’empreinte formée par les deux canaux (510a, 510b) et l’âme centrale (510c) selon un plan de coupe passant par un axe de révolution du ressort hélicoïdal, est limitée par un cercle, l’âme centrale (510c) comprenant deux parois (511a, 511b) parallèles entre elles.
  4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel les empreintes des deux parois (511a, 511b) selon le plan de coupe sont parallèles à l’axe de révolution.
  5. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’au moins un moyen de maintien comprend une plaque embase (620) pourvue d’une face, dite face interne, et en regard d’une face externe supérieure (410b) de la plaque de serrage supérieure (410), et opposée à la face interne supérieure (420a), l’au moins un ressort hélicoïdal (500, 500a, 500b, 500c, 500d) étant disposé entre la plaque de serrage supérieure (410) et la plaque embase (620), de sorte qu’une compression du ressort hélicoïdal (500, 500a, 500b, 500c, 500d) imposée par la plaque embase (620) permette de maintenir les plaques de serrage (410, 420) serrées contre un empilement électrochimique (200) susceptible d’être enserré entre lesdites plaques de serrage (410, 420).
  6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel l’au moins un moyen de maintien comprend en outre au moins deux tirants agencés pour ajuster la distance entre la plaque embase (620) et la plaque de serrage inférieure (420) afin d’imposer une compression à l’au moins un ressort hélicoïdal (500, 500a, 500b, 500c, 500d).
  7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel les au moins deux tirants (610a, 610b) sont montés pivotants, par une première extrémité, sur un contour périphérique (420c) de la plaque de serrage inférieure (420), tandis que la plaque embase (620) comprend des encoches (612a, 612b) destinées à être traversées par les tirants (610a, 610b), chaque tirant (610a, 610b) comprend un filetage qui s’étend à partir d’une deuxième extrémité, opposée à la première extrémité et coopérant avec un écrou.
  8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel l’au moins un ressort hélicoïdal comprend un unique ressort hélicoïdal (500).
  9. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel ledit dispositif comprend autant de tirants (610a, 610b) que de ressorts hélicoïdaux, chaque tirant étant associé à un ressort hélicoïdal donné, et traverse des ouvertures ménagées dans les plaques de serrage (410, 420) et de la plaque embase, ainsi que le ressort hélicoïdal auquel il est associé.
  10. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel ledit dispositif comprend en outre deux leviers (900a, 900b), dits respectivement, levier supérieur (900a) et levier inférieur (900b), en appui par, respectivement, une première extrémité supérieure et première extrémité inférieure, contre, respectivement la plaque de serrage supérieure (410) et la plaque de serrage inférieure (420), le ressort hélicoïdal (500) étant mécaniquement lié à l’un et l’autre des leviers de sorte qu’un effort en tension du ressort hélicoïdal (500) se traduise par un serrage des plaques de serrage (410, 420), par lesdits leviers, contre un empilement électrochimique (200) susceptible d’être enserré entre les deux plaques de serrage (410, 420).
  11. Dispositif de serrage selon la revendication 10, dans lequel un levier intermédiaire est en liaison pivot par chacune de ses extrémités avec une deuxième extrémité, opposée à la première extrémité, de l’un et l’autre des leviers supérieur et inférieur.
  12. Assemblage électrochimique qui comprend :
    - un dispositif de serrage selon l’une des revendications 1 à 11,
    - un empilement électrochimique (200) à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température et comprenant au moins une cellule électrochimique élémentaire, ledit empilement étant enserré entre la plaque de serrage supérieure (410) et la plaque de serrage inférieure (420), et de manière à exercer un effort d’écrasement prédéterminé sur ledit empilement.
  13. Assemblage selon la revendication 12, dans lequel une plaque terminale supérieure et une plaque terminale inférieure viennent s’intercaler entre l’empilement et, respectivement, la plaque de serrage supérieure (410) et la plaque de serrage inférieure (420).
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