FR3127850A1

FR3127850A1 - Système de conditionnement d’une pluralité d’empilements de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC à haute température superposés

Info

Publication number: FR3127850A1
Application number: FR2110517A
Authority: FR
Inventors: Julie Mougin; Stéphane DI IORIO
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2021-10-05
Filing date: 2021-10-05
Publication date: 2023-04-07
Also published as: WO2023057720A1; CA3233798A1

Abstract

L'objet principal de l'invention est un système (100) de conditionnement d’une pluralité d’empilements (20) de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC, caractérisé en ce qu’il comporte : une enceinte thermique (102) délimitant un volume interne (Vi) ; une pluralité d’empilements (20) placés dans le volume interne (Vi), au moins deux empilements (20) étant superposés ; une pluralité de dispositifs de support (103a, 103b, 103c) sur chacun desquels sont positionnés un ou plusieurs empilements (20) non superposés ; une pluralité de dispositifs d’application d’effort de compression (104a, 104b, 104c) contre un ou plusieurs empilements (20) ; et des moyens de mise en mouvement de ladite pluralité de dispositifs d’application d’effort de compression (104a, 104b, 104c) permettant un serrage mécanique indépendant du ou des empilements (20) de chaque dispositif de support. Figure pour l’abrégé : Figure 5

Description

Système de conditionnement d’une pluralité d’empilements de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC à haute température superposés

La présente invention se rapporte au domaine général de l’électrolyse à haute température (EHT), en particulier l’électrolyse de la vapeur d’eau à haute température (EVHT), désignée par les appellations anglaises « High Temperature Electrolysis » (HTE) et « High Temperature Steam Electrolysis » (HTSE), de l’électrolyse du dioxyde de carbone (CO₂), voire encore de la co-électrolyse de la vapeur d’eau et du dioxyde de carbone (CO₂) à haute température.

Plus précisément, l’invention se rapporte au domaine des électrolyseurs à oxydes solides à haute température, désignés habituellement par l’acronyme SOEC (pour « Solide Oxide Electrolysis Cell » en anglais).

Elle concerne également le domaine des piles à combustible à oxydes solides à haute température, désignées habituellement par l’acronyme SOFC (pour « Solid Oxide Fuel Cells » en anglais).

Ainsi, de façon plus générale, l’invention se réfère au domaine des empilements de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température.

Plus précisément, l’invention concerne un système de conditionnement d’une pluralité d’empilements de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC superposés fonctionnant à haute température, permettant le conditionnement simultané des empilements.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

Dans le cadre d’un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC, il s’agit de transformer par le biais d’un courant électrique, au sein d’un même dispositif électrochimique, la vapeur d’eau (H₂O) en dihydrogène (H₂) et en dioxygène (O₂), et/ou encore de transformer le dioxyde de carbone (CO₂) en monoxyde de carbone (CO) et en dioxygène (O₂). Dans le cadre d’une pile à combustible à oxydes solides à haute température de type SOFC, le fonctionnement est inverse pour produire un courant électrique et de la chaleur en étant alimentée en dihydrogène (H₂) ou d’autres combustibles tels que le méthane (CH₄), le gaz naturel, le biogaz, et en dioxygène (O₂), typiquement en air. Par souci de simplicité, la description suivante privilégie le fonctionnement d’un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC réalisant l’électrolyse de la vapeur d’eau. Toutefois, ce fonctionnement est applicable à l’électrolyse du dioxyde de carbone (CO₂), voire encore de la co-électrolyse de la vapeur d’eau à haute température (EHT) avec le dioxyde de carbone (CO₂). De plus, ce fonctionnement est transposable au cas d’une pile à combustible à oxydes solides à haute température de type SOFC.

Pour réaliser l’électrolyse de l’eau, il est avantageux de la réaliser à haute température, typiquement entre 600 et 1000°C, parce qu’il est plus avantageux d’électrolyser de la vapeur d’eau que de l’eau liquide et parce qu’une partie de l’énergie nécessaire à la réaction peut être apportée par de la chaleur, moins chère que l’électricité.

Pour mettre en œuvre l’électrolyse de la vapeur d’eau à haute température (EHT ou EVHT), un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC est constitué d’un empilement de motifs élémentaires comportant chacun une cellule d’électrolyse à oxyde solide, ou encore cellule électrochimique, constituée de trois couches anode/électrolyte/cathode superposées l’une sur l’autre, et de plaques d’interconnexion en alliages métalliques, aussi appelées plaques bipolaires ou interconnecteurs. Chaque cellule électrochimique est enserrée entre deux plaques d’interconnexion. Un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC est alors un empilement alterné de cellules électrochimiques et d’interconnecteurs. Une pile à combustible à oxydes solides à haute température de type SOFC est constituée du même type d’empilement de motifs élémentaires. Cette technologie à haute température étant réversible, le même empilement peut fonctionner en mode électrolyse et produire de l’hydrogène et de l’oxygène à partir d’eau et d’électricité, ou en mode pile à combustible et produire de l’électricité à partir d’hydrogène et d’oxygène.

Chaque cellule électrochimique correspond à un assemblage électrolyte/électrodes, qui est typiquement un assemblage multicouche en céramique dont l’électrolyte est formé par une couche centrale conductrice d’ions, cette couche étant solide, dense et étanche, et enserrée entre les deux couches poreuses formant les électrodes. Il est à noter que des couches supplémentaires peuvent exister, mais qui ne servent qu’à améliorer l’une ou plusieurs des couches déjà décrites.

Les dispositifs d’interconnexion, électrique et fluidique, sont des conducteurs électroniques qui assurent, d’un point de vue électrique, la connexion de chaque cellule électrochimique de motif élémentaire dans l’empilement de motifs élémentaires, garantissant le contact électrique entre une face et la cathode d’une cellule et entre l’autre face et l’anode de la cellule suivante, et d’un point de vue fluidique, l’apport en réactifs et l’évacuation des produits pour chacune des cellules. Les interconnecteurs assurent ainsi les fonctions d’amenée et de collecte de courant électrique et délimitent des compartiments de circulation des gaz, pour la distribution et/ou la collecte.

Plus précisément, les interconnecteurs ont pour fonction principale d’assurer le passage du courant électrique mais aussi la circulation des gaz au voisinage de chaque cellule (à savoir : vapeur d’eau injectée, hydrogène et oxygène extraits pour l’électrolyse EHT ; air et combustible dont l’hydrogène injecté et eau extraite pour une pile SOFC), et de séparer les compartiments anodiques et cathodiques de deux cellules adjacentes, qui sont les compartiments de circulation des gaz du côté respectivement des anodes et des cathodes des cellules.

En particulier, pour un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC, le compartiment cathodique comporte la vapeur d’eau et l’hydrogène, produit de la réaction électrochimique, tandis que le compartiment anodique comporte un gaz drainant, si présent, et de l’oxygène, autre produit de la réaction électrochimique. Pour une pile à combustible à oxydes solides à haute température de type SOFC, le compartiment anodique comporte le combustible, tandis que le compartiment cathodique comporte le comburant.

Pour réaliser l’électrolyse de la vapeur d’eau à haute température (EHT), on injecte de la vapeur d’eau (H₂O) dans le compartiment cathodique. Sous l’effet du courant électrique appliqué à la cellule, la dissociation des molécules d’eau sous forme de 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 (O^2-). Le dihydrogène (H₂) est collecté et évacué en sortie de compartiment à hydrogène. Les ions oxygène (O^2-) migrent à travers l’électrolyte et se recombinent en dioxygène (O₂) à l’interface entre l’électrolyte et l’électrode à oxygène (anode). Un gaz drainant, tel que de l’air, peut circuler au niveau de l’anode et ainsi collecter l’oxygène généré sous forme gazeuse à l’anode.

Pour assurer le fonctionnement d’une pile à combustible à oxydes solides (SOFC), on injecte de l’air (oxygène) dans le compartiment cathodique de la pile et de l’hydrogène dans le compartiment anodique. L’oxygène de l’air va se dissocier en ions O^2-. Ces ions vont migrer dans l’électrolyte de la cathode vers l’anode pour oxyder l’hydrogène et former de l’eau avec une production simultanée d’électricité. En pile SOFC, tout comme en électrolyse SOEC, la vapeur d’eau se trouve dans le compartiment de dihydrogène (H₂). Seule la polarité est inversée.

A titre d’illustration, la représente une vue schématique montrant le principe de fonctionnement d’un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC. La fonction d'un tel électrolyseur est de transformer la vapeur d'eau en hydrogène et en oxygène selon la réaction électrochimique suivante :
2 H₂O → 2 H₂+ O₂.

Cette réaction est réalisée par voie électrochimique dans les cellules de l’électrolyseur. Comme schématisée sur la , chaque cellule d’électrolyse élémentaire 1 est formée d’une cathode 2 et d’une anode 4, placées de part et d'autre d'un électrolyte solide 3. Les deux électrodes (cathode et anode) 2 et 4 sont des conducteurs électroniques et/ou ioniques, en matériau poreux, et l’électrolyte 3 est étanche au gaz, isolant électronique et conducteur ionique. L'électrolyte 3 peut être en particulier un conducteur anionique, plus précisément un conducteur anionique des ions O^2-et l’électrolyseur est alors dénommé électrolyseur anionique, par opposition aux électrolytes protoniques (H⁺).

Les réactions électrochimiques se font à l'interface entre chacun des conducteurs électroniques et le conducteur ionique.

A la cathode 2, la demi-réaction est la suivante :
2 H₂O + 4 e^-→ 2 H₂+ 2 O^2-.

A l'anode 4, la demi-réaction est la suivante:
2 O^2-→ O₂+ 4 e^-.

L'électrolyte 3, intercalé entre les deux électrodes 2 et 4, est le lieu de migration des ions O^2-sous l'effet du champ électrique créé par la différence de potentiel imposée entre l'anode 4 et la cathode 2.

Comme illustré entre parenthèses sur la , la vapeur d’eau en entrée de cathode peut être accompagnée d’hydrogène H₂et 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 côté anode pour évacuer l’oxygène produit. L’injection d’un gaz drainant a pour fonction supplémentaire de jouer le rôle de régulateur thermique.

Un électrolyseur, ou réacteur d’électrolyse, élémentaire est constitué d'une cellule élémentaire telle que décrite ci-dessus, avec une cathode 2, un électrolyte 3, et une anode 4, et de deux interconnecteurs qui assurent les fonctions de distribution électrique et fluidique.

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 interconnecteurs. L'ensemble est positionné entre deux plaques d'interconnexion d’extrémité qui supportent les alimentations électriques et les alimentations en gaz de l’électrolyseur (réacteur d’électrolyse).

Un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC comprend ainsi au moins une, généralement une pluralité de cellules d’électrolyse empilées les unes 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.

Comme indiqué précédemment, 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, le 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.

Le 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.

La représente une vue éclatée de motifs élémentaires d’un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC selon l’art antérieur. Cet électrolyseur comporte une pluralité de cellules d’électrolyse élémentaires C1, C2, de type cellules à oxydes solides (SOEC), empilées alternativement avec des interconnecteurs 5. Chaque cellule C1, C2 est constituée d’une cathode 2.1, 2.2 et d’une anode (seule l’anode 4.2 de la cellule C2 est représentée), entre lesquelles est disposé un électrolyte (seul l’électrolyte 3.2 de la cellule C2 est représenté).

L’interconnecteur 5 est un composant en alliage métallique qui assure la séparation entre les compartiments cathodique 50 et anodique 51, définis par les volumes compris entre l’interconnecteur 5 et la cathode adjacente 2.1 et entre l’interconnecteur 5 et l’anode adjacente 4.2 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 50. La collecte de l’hydrogène produit et de la vapeur d’eau résiduelle à la cathode 2.1, 2.2 est effectuée dans le compartiment cathodique 50 en aval de la cellule C1, C2 après dissociation de la vapeur d’eau par celle-ci. La collecte de l’oxygène produit à l’anode 4.2 est effectuée dans le compartiment anodique 51 en aval de la cellule C1, C2 après dissociation de la vapeur d’eau par celle-ci. L’interconnecteur 5 assure le passage du courant entre les cellules C1 et C2 par contact direct avec les électrodes adjacentes, c’est-à-dire entre l’anode 4.2 et la cathode 2.1.

Les conditions de fonctionnement d’un électrolyseur à oxydes solides à haute température (SOEC) étant très proches de celles d’une pile à combustible à oxydes solides (SOFC), les mêmes contraintes technologiques se retrouvent.

Ainsi, le bon fonctionnement de tels empilements de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température requiert principalement de satisfaire aux points énoncés ci-après.

Tout d’abord, il est nécessaire d’avoir une isolation électrique entre deux interconnecteurs successifs sous peine de court-circuiter la cellule électrochimique, mais aussi un bon contact électrique et une surface de contact suffisante entre une cellule et un interconnecteur. La plus faible résistance ohmique possible est recherchée entre cellules et interconnecteurs.

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.

Enfin, il est indispensable 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 différents motifs élémentaires, voire de dégradations rédhibitoires des cellules électrochimiques.

Les gaz entrants et sortants dans un empilement d’électrolyse à haute température (SOEC) ou de pile à combustible (SOFC) fonctionnant à haute température peuvent être gérés par le biais de dispositifs tel que celui illustré en référence à la . Le dispositif 13 comporte ainsi des parties froides PF et des parties chaudes PC, ces dernières comprenant la sole de four 11, la cloche du four 10, un tube en boucle 12 pour gérer les entrées et sorties de gaz et l’empilement 20, encore appelé « stack », d’électrolyse à haute température (SOEC) ou de pile à combustible (SOFC).

Par ailleurs, la permet d’illustrer un exemple d’ensemble 80 comprenant un tel empilement 20 ou stack et un système de serrage 60 de celui-ci. Un tel ensemble 80 peut être tel que décrit dans la demande de brevet français FR 3 045 215 A1.

Ainsi, l’empilement 20 comporte une pluralité de cellules électrochimiques 41 formées chacune d’une cathode, d’une anode et d’un électrolyte intercalé entre la cathode et l’anode, et une pluralité d’interconnecteurs intermédiaires 42 agencés chacun entre deux cellules électrochimiques 41 adjacentes. De plus, il comporte une plaque terminale supérieure 43 et une plaque terminale inférieure 44, respectivement également dénommées plaque terminale de stack supérieure 43 et plaque terminale de stack inférieure 44, entre lesquelles la pluralité de cellules électrochimiques 41 et la pluralité d’interconnecteurs intermédiaires 42 sont enserrées, soit entre lesquelles se trouve le stack.

Le système de serrage 60 comporte une plaque de serrage supérieure 45 et une plaque de serrage inférieure 46, entre lesquelles l’empilement 20 est enserré. Chaque plaque de serrage 45, 46 comporte quatre orifices de serrage 54 au travers desquels s’étendent des tiges de serrage 55, ou tirants. Aux extrémités de celles-ci sont prévus des moyens de serrage 56, 57, 58.

En général, à ce jour, les empilements 20 ont un nombre limité de cellules électrochimiques 41. Typiquement, la Demanderesse met en œuvre des empilements 20 d’un nombre de 25 cellules électrochimiques 41 de 100 cm² de surface active. L’étape de conditionnement se fait de manière unitaire, chaque stack étant placé seul dans un banc de conditionnement. Le cycle appliqué permet de réaliser à la fois l’étape d’obtention des étanchéités et l’étape de réduction des cellules électrochimiques 41. Le cycle se termine par différentes mesures électrochimiques permettant de caractériser la performance du stack, avant sa fourniture pour usage.

Avant son fonctionnement, il est nécessaire de faire subir à l’empilement 20 au moins une étape de traitement thermique dite de réduction, afin de mettre les cellules électrochimiques 41 sous leur forme réduite, et non pas oxydées comme elles le sont initialement. Cette étape de réduction peut être un cycle thermomécanique sous gaz réducteur pour l’électrode à hydrogène et air ou gaz neutre pour l’électrode à oxygène. Une telle étape de traitement thermique a par exemple été décrite dans la demande de brevet européen EP 2 870 650 A1.

Par ailleurs, les empilements 20 mis en œuvre à ce jour utilisent en général, à chacun de leurs étages, des joints qui doivent garantir l’étanchéité entre deux compartiments de circulation des gaz, adjacents et distincts, i.e. un compartiment anodique et un compartiment cathodique. De tels joints ont été décrits dans la demande de brevet européen EP 3 078 071 A1. Ces joints ont la particularité de nécessiter un conditionnement thermique pendant lesquels ils s’écrasent.

De plus, les éléments de contacts, tels que les couches décrites dans la demande de brevet EP 2 900 846 A1 ou les grilles de Nickel, s’écrasent également lors du conditionnement thermique et lors du fonctionnement de l’empilement 20, ce qui garantit leur bonne mise en place. Les éléments qui servent d’éléments de contact dans la chambre hydrogène s’écrasent également.

Autrement dit, pendant l’étape de conditionnement thermique, un empilement 20 s’écrase de plusieurs centimètres. A ce jour, compte-tenu du relativement faible nombre de cellules empilées, l’écrasement se déroule correctement.

Toutefois, la Demanderesse a envisagé des réalisations d’empilements à plus grand nombre de cellules électrochimiques, typiquement au-delà de 25 cellules. Dans ce cas, le déplacement attendu lors du serrage de l’empilement peut conduire à des problèmes mécaniques de blocage de type arc-boutement sur les tiges de guidage. Ces blocages empêchent alors un bon conditionnement thermique, et par voie de conséquence un fonctionnement normal de l’empilement.

Une solution à ces inconvénients est de prévoir un concept d’empilement ou stack dans lequel plusieurs sous-empilements sont assemblés, par le biais de plaques de rigidification, de sorte à gérer les grands écrasements. Cependant, il faut alors conditionner chaque sous-empilement séparément et ainsi un nombre important d’empilements et de sous-empilements doit être réalisé.

Or, le conditionnement d’un tel empilement est une étape longue et coûteuse car le chauffage demande de l’énergie. De plus, les dispositifs actuels permettent de conditionner un seul empilement ou sous-empilement à la fois.

En conséquence, il existe encore un besoin pour améliorer le principe de conditionnement des empilements d’électrolyse à haute température (SOEC) ou de pile à combustible (SOFC), notamment pour conditionner plusieurs empilements en même temps.

L’invention a pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés précédemment et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l’art antérieur.

Elle vise notamment la réalisation d’une conception de conditionnement multiple pour empilement d’électrolyse à haute température (SOEC) ou de pile à combustible (SOFC) tout en maintenant un serrage contrôlé malgré la grande course d’écrasement des empilements.

L’invention a ainsi pour objet, selon l’un de ses aspects, un système de conditionnement d’une pluralité d’empilements de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température,

chaque empilement comportant une pluralité de cellules électrochimiques formées chacune d’une cathode, d’une anode et d’un électrolyte intercalé entre la cathode et l’anode, et une pluralité d’interconnecteurs intermédiaires agencés chacun entre deux cellules électrochimiques adjacentes,
caractérisé en ce que le système comporte :
- une enceinte thermique délimitant un volume interne,
- une pluralité d’empilements placés dans le volume interne, au moins deux empilements étant superposés au moins partiellement, notamment totalement, l’un par rapport à l’autre, éventuellement tous les empilements étant superposés au moins partiellement, notamment totalement, les uns par rapport aux autres,
- une pluralité de dispositifs de support, superposés au moins partiellement les uns par rapport aux autres, notamment totalement, sur chacun desquels sont positionnés un ou plusieurs empilements non superposés les uns par rapport aux autres, notamment juxtaposés les uns aux autres, éventuellement au plus un empilement étant positionné sur chaque dispositif de support,
- une pluralité de dispositifs d’application d’effort de compression contre un ou plusieurs empilements, superposés au moins partiellement les uns par rapport aux autres, notamment totalement,
- des moyens de mise en mouvement de ladite pluralité de dispositifs d’application d’effort de compression permettant un serrage mécanique indépendant du ou des empilements positionnés sur chaque dispositif de support.

Grâce à l’invention, il peut ainsi être possible de conditionner plusieurs empilements ou stacks à la fois, en les plaçant les uns aux dessus des autres, éventuellement par groupes d’empilements les uns au-dessus des autres, ces groupes d’empilements étant notamment des empilements juxtaposés, afin de minimiser l’emprunte au sol des bancs de conditionnement, tout en permettant d’effectuer de manière indépendante pour chaque stack, ou chaque groupe, un serrage mécanique contrôlé.

Le système de conditionnement selon l’invention peut en outre comporter l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles.

Le nombre d’empilements à superposer n’est pas limité par conception. Cependant, afin de tenir compte de la hauteur acceptable du banc de conditionnement, le nombre d’empilements peut préférentiellement être compris entre 2 et 20.

Avantageusement, l’enceinte thermique peut être constituée d’une sole de four, formant la paroi horizontale inférieure de l’enceinte thermique, d’une paroi horizontale supérieure et de parois latérales, définissant ensemble le volume interne.

Selon une variante, un ou plusieurs des dispositifs de support peuvent se présenter sous la forme d’un arche comprenant notamment une partie d’arche supérieure sensiblement horizontale, sur laquelle sont disposés un ou plusieurs empilements, et au moins deux parties d’arche latérales situées de part et d’autre de la partie d’arche supérieure et en appui de manière directe ou indirecte sur l’enceinte thermique, notamment la sole.

En particulier, une pluralité des dispositifs de support peut se présenter sous la forme d’une pluralité d’arches gigognes, aptes à s’emboîter les uns dans les autres.

En outre, selon une autre variante, un ou plusieurs des dispositifs de support peuvent se présenter sous la forme d’une étagère sensiblement horizontale et supportée de manière directe ou indirecte par l’enceinte thermique, notamment les parois latérales.

De plus, l’enceinte thermique peut comporter, dans son volume interne, un cadre mécanique comprenant une pluralité d’encoches à différentes hauteurs pour le positionnement variable de dispositifs de support sous forme d’étagères.

Par ailleurs, un ou plusieurs des dispositifs d’application d’effort de compression peuvent se présenter sous la forme d’un arche comprenant notamment une partie d’arche supérieure, notamment sensiblement horizontale, apte à venir en appui de manière directe ou indirecte contre un ou plusieurs empilements et notamment de dimension supérieure à celle du ou des empilements, et au moins deux parties d’arche latérales situées de part et d’autre ou au travers de la partie d’arche supérieure, notamment sous forme de tiges de serrage, et traversant l’enceinte thermique, notamment la sole, au travers de premiers orifices formés dans celle-ci.

En particulier, une pluralité des dispositifs d’application d’effort de compression peut se présenter sous la forme d’une pluralité d’arches gigognes, aptes à s’emboîter les uns dans les autres.

Par ailleurs, un ou plusieurs des dispositifs d’application d’effort de compression peuvent être aptes à venir en appui contre un ou plusieurs empilements par le biais d’au moins un élément de contact formant une liaison rotule entre le ou les empilement et le dispositif d’application d’effort de compression correspondant.

En outre, chaque arche, sous la forme duquel peuvent être le ou les dispositifs d’application d’effort de compression, peut comporter une partie d’arche supérieure, apte à venir en appui de manière directe ou indirecte contre un ou plusieurs empilements, et au moins deux parties d’arche latérales situées au travers de la partie d’arche supérieure et traversant l’enceinte thermique au travers de premiers orifices formés dans celle-ci. De plus, une pluralité d’orifices de passage peut être formée au travers de la partie d’arche supérieure pour le passage desdites au moins deux parties d’arche latérales et éventuellement le passage de parties d’arche latérales d’une ou plusieurs autres arches.

Les moyens de mise en mouvement de ladite pluralité de dispositifs d’application d’effort de compression peuvent comporter un système de contrôle du déplacement de ladite pluralité de dispositifs d’application d’effort de compression placé en zone froide sous l’enceinte thermique, notamment sous la sole de four.

Par ailleurs, le système peut comporter au moins un système de soutien d’au moins un dispositif d’application d’effort de compression, situé en partie supérieure de l’enceinte thermique.

De plus, les moyens de mise en mouvement de ladite pluralité de dispositifs d’application d’effort de compression peuvent comporter des organes de rappel élastique, notamment des ressorts, des vérins et/ou des pistons, situés en dehors de l’enceinte thermique, notamment sous l’enceinte thermique en partie froide, étant notamment positionnés aux extrémités des parties d’arche latérales des dispositifs d’application d’effort de compression.

Les moyens de mise en mouvement de ladite pluralité de dispositifs d’application d’effort de compression peuvent notamment comporter un support de traverse commun à tous les organes de rappel élastique, vérins et/ou pistons permettant de leur imposer un mouvement identique.

La rigidité de chaque organe de rappel élastique peut être comprise entre 0,1 N/mm et 1000 N/mm, notamment entre 1 N/mm et 20 N/mm. De plus, la longueur de chaque organe de rappel élastique peut être comprise entre 0,1 m et 10 m, notamment entre 1 m et 2 m.

En outre, l’invention a également pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de serrage d’une pluralité d’empilements de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température par le biais d’un système de conditionnement tel que défini précédemment, caractérisé en ce qu’il comporte l’étape consistant à déplacer la pluralité de dispositifs d’application d’effort de compression par le biais des moyens de mise en mouvement en direction de la pluralité d’empilements pour permettre un serrage mécanique indépendant du ou des empilements de chaque dispositif de support.

Le procédé peut avantageusement être mis en œuvre sous un gaz neutre, directement à l’intérieur des empilements ou par le biais de l’enceinte thermique rendue totalement inerte.

L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, ainsi qu’à l’examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel :

est une vue schématique montrant le principe de fonctionnement d’un électrolyseur à oxydes solides à haute température (SOEC),

est une vue schématique éclatée d’une partie d’un électrolyseur à oxydes solides à haute température (SOEC) comprenant des interconnecteurs et des cellules selon l’art antérieur,

illustre le principe de l’architecture d’un dispositif sur lequel un empilement d’électrolyse à haute température (SOEC) ou de pile à combustible (SOFC) fonctionnant à haute température est placé,

représente, en perspective et par observation du dessus, un exemple d’un empilement de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC selon l’art antérieur avec un système de serrage de l’empilement,

représente, schématiquement en coupe, un premier exemple de système de conditionnement conforme à l’invention d’une pluralité d’empilements de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température,

représente, schématiquement en coupe, une variante de l’exemple de système de conditionnement de ,

représente, schématiquement en coupe, un deuxième exemple de système de conditionnement conforme à l’invention d’une pluralité d’empilements de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température,

,

et

illustrent, schématiquement en coupe partielle, des variantes de réalisation d’un dispositif d’application d’effort de compression pour un système de conditionnement conforme à l’invention,

représente, en vue de face partielle, un exemple de variante de dispositif d’application d’effort de compression pour un système de conditionnement conforme à l’invention,

illustre, selon une vue en coupe (à gauche) et selon une vue de face partielle (à droite), le principe de la variante de dispositif d’application d’effort de compression de ,

illustre, schématiquement en coupe, une variante de réalisation d’une enceinte thermique d’un système de conditionnement conforme à l’invention,

illustre, schématiquement en coupe, des exemples de moyens de soutien et de moyens de mise en mouvement d’un système de conditionnement conforme à l’invention,

illustre, selon une vue semblable à celle de , le principe de fonctionnement du procédé de serrage conforme à l’invention, et

et

illustrent, selon des vues semblables à celle de , des variantes de réalisation de moyens de mise en mouvement d’un système de conditionnement conforme à l’invention.

Dans l’ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.

De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.

Claims

Système (100) de conditionnement d’une pluralité d’empilements (20) de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température,
chaque empilement (20) comportant une pluralité de cellules électrochimiques (41) formées chacune d’une cathode, d’une anode et d’un électrolyte intercalé entre la cathode et l’anode, et une pluralité d’interconnecteurs intermédiaires (42) agencés chacun entre deux cellules électrochimiques (41) adjacentes,
caractérisé en ce que le système (100) comporte :
- une enceinte thermique (102) délimitant un volume interne (Vi),
- une pluralité d’empilements (20) placés dans le volume interne (Vi), au moins deux empilements (20) étant superposés au moins partiellement l’un par rapport à l’autre,
- une pluralité de dispositifs de support (103a, 103b, 103c), superposés au moins partiellement les uns par rapport aux autres, sur chacun desquels sont positionnés un ou plusieurs empilements (20) non superposés les uns par rapport aux autres,
- une pluralité de dispositifs d’application d’effort de compression (104a, 104b, 104c) contre un ou plusieurs empilements (20), superposés au moins partiellement les uns par rapport aux autres,
- des moyens de mise en mouvement (135, 140) de ladite pluralité de dispositifs d’application d’effort de compression (104a, 104b, 104c) permettant un serrage mécanique indépendant du ou des empilements (20) positionnés sur chaque dispositif de support (103a, 103b, 103c).
Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre d’empilements (20) est compris entre 2 et 20.
Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l’enceinte thermique (102) est constituée d’une sole de four (11), formant la paroi horizontale inférieure de l’enceinte thermique (102), d’une paroi horizontale supérieure (102s) et de parois latérales (102l), définissant ensemble le volume interne (Vi).
Système selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’un ou plusieurs des dispositifs de support (103a, 103b, 103c) se présentent sous la forme d’un arche comprenant notamment une partie d’arche supérieure (A_s) sensiblement horizontale, sur laquelle sont disposés un ou plusieurs empilements (20), et au moins deux parties d’arche latérales (A_l) situées de part et d’autre de la partie d’arche supérieure (A_s) et en appui de manière directe ou indirecte sur l’enceinte thermique (102), notamment la sole (11).
Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’un ou plusieurs des dispositifs de support (103a, 103b, 103c) se présentent sous la forme d’une étagère sensiblement horizontale et supportée de manière directe ou indirecte par l’enceinte thermique (102), notamment les parois latérales (102l).
Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que l’enceinte thermique (102) comporte, dans son volume interne (Vi), un cadre mécanique (120) comprenant une pluralité d’encoches (102e) à différentes hauteurs pour le positionnement variable de dispositifs de support (103a, 103b, 103c) sous forme d’étagères.
Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’un ou plusieurs des dispositifs d’application d’effort de compression (104a, 104b, 104c) se présentent sous la forme d’un arche comprenant notamment une partie d’arche supérieure (E_s), notamment sensiblement horizontale, apte à venir en appui de manière directe ou indirecte contre un ou plusieurs empilements (20) et notamment de dimension supérieure à celle du ou des empilements (20), et au moins deux parties d’arche latérales (E_l) situées de part et d’autre ou au travers de la partie d’arche supérieure (E_s), notamment sous forme de tiges de serrage, et traversant l’enceinte thermique (102), notamment la sole (11), au travers de premiers orifices (O₁) formés dans celle-ci.
Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque arche comporte une partie d’arche supérieure (E_s), apte à venir en appui de manière directe ou indirecte contre un ou plusieurs empilements (20), et au moins deux parties d’arche latérales (E_l) situées au travers de la partie d’arche supérieure (E_s) et traversant l’enceinte thermique (102) au travers de premiers orifices (O₁) formés dans celle-ci, et en ce qu’une pluralité d’orifices de passage (O₃) est formée au travers de la partie d’arche supérieure (E_s) pour le passage desdites au moins deux parties d’arche latérales (E_l) et éventuellement le passage de parties d’arche latérales (E_l) d’une ou plusieurs autres arches.
Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’un ou plusieurs des dispositifs d’application d’effort de compression (104a, 104b, 104c) sont apte à venir en appui contre un ou plusieurs empilements (20) par le biais d’au moins un élément de contact (110) formant une liaison rotule entre le ou les empilements (20) et le dispositif d’application d’effort de compression (104a, 104b, 104c) correspondant.
Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de mise en mouvement (135, 140) de ladite pluralité de dispositifs d’application d’effort de compression (104a, 104b, 104c) comportent un système de contrôle du déplacement de ladite pluralité de dispositifs d’application d’effort de compression (104a, 104b, 104c) placé en zone froide sous l’enceinte thermique (102), notamment sous la sole de four (11).
Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un système de soutien (130) d’au moins un dispositif d’application d’effort de compression (104a, 104b, 104c), situé en partie supérieure de l’enceinte thermique (102).
Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de mise en mouvement (135, 140) de ladite pluralité de dispositifs d’application d’effort de compression (104a, 104b, 104c) comportent des organes de rappel élastique (135), des vérins et/ou des pistons, situés en dehors de l’enceinte thermique (102), notamment sous l’enceinte thermique (102) en partie froide, étant notamment positionnés aux extrémités des parties d’arche latérales (E_l) des dispositifs d’application d’effort de compression (104a, 104b, 104c).
Système selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens de mise en mouvement (135, 140) de ladite pluralité de dispositifs d’application d’effort de compression (104a, 104b, 104c) comportent un support de traverse (140) commun à tous les organes de rappel élastique (135), vérins et/ou pistons permettant de leur imposer un mouvement identique.
Procédé de serrage d’une pluralité d’empilements (20) de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température par le biais d’un système (100) de conditionnement selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte l’étape consistant à déplacer la pluralité de dispositifs d’application d’effort de compression (104a, 104b, 104c) par le biais des moyens de mise en mouvement (135, 140) en direction de la pluralité d’empilements (20) pour permettre un serrage mécanique indépendant du ou des empilements (20) sur chaque dispositif de support (103a, 103b, 103c).
Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu’il est mis en œuvre sous un gaz neutre, directement à l’intérieur des empilements (20) ou par le biais de l’enceinte thermique (102) rendue totalement inerte.