WO2016096752A1 - Motif elementaire pour reacteur d'electrolyse ou de co-electrolyse de l'eau (soec) ou pile a combustible (sofc) a fonctionnement sous pression - Google Patents

Motif elementaire pour reacteur d'electrolyse ou de co-electrolyse de l'eau (soec) ou pile a combustible (sofc) a fonctionnement sous pression Download PDF

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electrolysis
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Michel Planque
Magali Reytier
Guilhem Roux
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Definitions

  • the present invention relates to the field of solid oxide fuel cells (SOFC), that of the electrolysis of water at high temperature (EHT, or EVHT for electrolysis of steam and steam.
  • SOFC solid oxide fuel cells
  • EHT electrolysis of water at high temperature
  • EVHT electrolysis of steam and steam.
  • High Temperature Electrolysis also known as High Temperature Steam Electrolysis (HTSE), also known as Solid Oxide Electrolyser (SOEC)
  • HTSE High Temperature Steam Electrolysis
  • SOEC Solid Oxide Electrolyser
  • the invention relates more particularly to the production of a new module integrating electrical and fluidic interconnectors for the distribution of electric current and gases in a high-water electrolysis or co-electrolysis reactor.
  • temperature (EHT) SOEC type to produce hydrogen 3 ⁇ 4 from H2O water vapor, or a SOFC fuel cell, and an elementary electrochemical cell.
  • the module according to the invention allows operation under pressure.
  • the invention is equally applicable to a co-electrolysis of water and another gas chosen from carbon dioxide. CO2 or nitrogen dioxide NO2, than at a SOFC fuel cell.
  • the invention applies to a SOFC fuel cell using as fuel either hydrogen or hydrocarbon, for example methane CH 4 .
  • Electrolysis of water an electrolytic reaction that decomposes water into dioxygen and gaseous dihydrogen with the help of an electric current according to the reaction:
  • the function of the interconnectors is to ensure both the passage of electric current and the circulation of gases in the vicinity of each cell (injected water vapor, hydrogen and oxygen extracted in an EHT electrolyser, injected air and hydrogen and water extracted in a SOFC stack) and to separate the anode and cathode compartments which are the gas circulation compartments on the anode side and the cathode side of the cells respectively.
  • EHT electrolysis water vapor
  • cathode compartments which are the gas circulation compartments on the anode side and the cathode side of the cells respectively.
  • the dissociation of water molecules in vapor form is carried out at the interface between the hydrogen electrode (cathode) and the electrolyte: the dissociation product dihydrogen H 2 gas and oxygen ions. Hydrogen is collected and discharged at the outlet of the hydrogen compartment. The O 2 O 2 ions migrate through the electrolyte and recombine in oxygen at the interface between the electrolyte and the oxygen electrode (anode).
  • each elementary electrolysis cell 1 is formed of a cathode 2 and an anode 4 placed on either side of a solid electrolyte 3 generally in the form of a membrane.
  • the two electrodes (cathode and anode) 2,4 are electrical conductors made of porous material, and the electrolyte 3 is gastight, electronic insulator and ionic conductor.
  • the electrolyte may in particular be an anionic conductor, more specifically an anionic conductor of O 2 - ions and the electrolyzer is then called anionic electrolyzer.
  • the electrochemical reactions are at the interface between each of the electronic conductors and the ionic conductor.
  • the electrolyte 3 interposed between the two electrodes 2, 4 is the place of migration of the ions O 2 " 'under the effect of the electric field created by the potential difference imposed between the anode 4 and the cathode 2.
  • the water vapor at the cathode inlet may be accompanied by hydrogen H 2 and the hydrogen produced and recovered at the outlet may be accompanied by water vapor.
  • a draining gas such as air can also be injected at the inlet to evacuate the oxygen produced.
  • the injection of a draining gas has the additional function of acting as a thermal regulator.
  • An elementary electrolysis reactor consists of an elementary cell as described above, with a cathode 2, an electrolyte 3, and anode 4 and two mono-polar connectors which perform the functions of electrical, hydraulic and electrical distribution. thermal.
  • interconnection devices usually called interconnectors or bipolar interconnection plates.
  • the assembly is positioned between two end interconnection plates that support the power supplies and gas supplies to the electrolyser (electrolysis reactor).
  • a high temperature water electrolyser thus comprises at least one, generally a plurality of electrolysis cells stacked on top of one another, each elementary cell being formed of an electrolyte, a cathode and a cathode. an anode, the electrolyte being interposed between the anode and the cathode.
  • the fluidic and electrical interconnection devices which are in electrical contact with one or more electrodes generally provide the power supply and collection functions and define one or more gas circulation compartments.
  • a so-called cathodic compartment has the function of distributing electric current and water vapor as well as recovering hydrogen from the cathode in contact.
  • An anode compartment has the function of distributing the electric current and recovering the oxygen produced at the anode in contact, possibly using a draining gas.
  • This EUT electrolyzer comprises a plurality of elementary electrolysis cells Cl. C2 ... type solid oxide (SOEC) alternately stacked with interconnectors 5.
  • Each cell Cl, C2 ... is composed of a cathode 2.1, 2.2 ... and an anode 4.1, 4.2, between which is disposed an electrolyte 3.1, 3.2 .... all the electrolysis cell is fed in series by the electric current and in parallel by gas.
  • the interconnector 5 is a component in the IAGE al metall ic which ensures the separation between the anode 50 and cathode compartments 51, defined volumes between 1 "interconnector 5 and the adjacent cathode 2. ⁇ 1 and between the interconnector 5 and 'respectively adjacent anode 4.2. 11 also distributes gas to the cells.
  • the steam injection of water in each unit pattern is in the cathode compartment 50.
  • the collectage hydrogen product and water vapor residual at the cathode 2. 1, 2.2, ... is performed in the cathode compartment 50 downstream of the cell C 1, C2 ... after dissociation of the water vapor through it.
  • the collectage oxygen produced at anode 4.2 is performed in the anode compartment 5 1 downstream of the cell CI, C2 ... after dissociation of the water vapor into oxygen ions by the latter.
  • the interconnector 5 ensures the passage of the current between the cells C1 and C2 for direct contact with adjacent electrodes, that is to say between 4.2 anode and the cathode 2.
  • the cells C1, C2 ... and interconnectors util ized 5 are the same components, but the operation is opposite to that of an EUT electrolyser such that has just been explained with attention reverse current, with the air supplied to the cathode compartments and hydrogen as fuel which feeds the anode compartments.
  • the seals are conventionally made glass-based or glass-ceramic.
  • a glass joint is in the pasty state at the operating temperature.
  • the simplest configuration consists in placing the glass between two dense planes, as opposed to the different porous materials present in a SOEC reactor or a SOFC fuel cell: the surface tension makes it possible to avoid its flow up to a certain differential of pressure on both sides of the joint. To promote this strength, it is necessary to reduce the height of the seal, to increase the area of the areas in contact with the glass and to reduce the pressure differential undergone by the seal.
  • the cell C1 is kept flat. on its support 2.1 (EHT cathode or SOFC anode) and sandwiched between two adjacent interconnectors 5, a first 61 and second 62 glass or vitroceramic type joints, separated from an electrical insulator 7 to avoid any circuit, are arranged between interconnectors to allow sealing of the product hydrogen (fuel brought into SOFC) and finally, a third seal 63 of the same type is arranged on the side of the anode 4.1 (SOFC cathode) between the electrolyte 3.1 and interconnector 5 making it possible to seal the oxygen produced (or the air brought into SOFC).
  • EHT cathode or SOFC anode EHT cathode or SOFC anode
  • each seal 61, 62, 63 rests on an inherently tight and therefore non-porous support.
  • a high surface tension between the seals and their support makes it possible to prevent the flow of the glass to a certain differential pressure on either side of a seal.
  • the reduction in height of the glass or glass-ceramic joints as explained above is achieved by clamping. Clamping is also required to reduce the impact of the contact resistances in the stack, that is to say to ensure the D / function above, a good electrical contact between the cell and interconnectors.
  • an electrolysis cell C1, C2 ... is mounted cantilevered by virtue of its seal 63.
  • the clamping required to reduce the height of the joints and to ensure the function D / good electrical contact between cell and interconnectors must also be achieved without prohibitive bending of the cell that could lead to its rupture.
  • configurations with a glass-based or glass-ceramic joint such as that illustrated in FIG. 3, have undeniable advantages of electrical insulation and accommodation of the deformations between pieces of an EHT or SOFC stack.
  • glass-based or glass-ceramic seals inherently have the major disadvantage of only withstanding small pressure differences of the order of a few hundred millibars.
  • the presence of the enclosure complicates the maintenance of clamping of the stack which ensures good electrical contact between interconnectors and cells.
  • the offset of the clamping members in a relatively cold area is not easy.
  • the pressurized chamber must be made with passages both through and sealed to achieve supply / recovery of gas and electricity from outside the enclosure.
  • these passages must be electrical insulators for some of them and be temperature-controlled for those containing water vapor so as to avoid any puffs of water vapor. Indeed, if one does not control the temperature in the inlet and outlet pipes, the water vapor circulating continuously inside can meet a cold zone, and then condense in an uncontrolled way. This causes puffs that generate variations in gas supply and pressure.
  • An object of the invention is to respond at least in part to this need. Presentation of the invention
  • the invention relates, under an alternative, to a module, intended to form an elementary pattern of a SOEC-type electrolysis or co-electrolysis reactor, comprising:
  • an elementary electrochemical cell formed of a cathode, an anode and an electrolyte interposed between the cathode and the anode,
  • a first and a second device each forming an electrical and fluidic interconnector, each consisting of a component of electronic conductive material and gas-tight; the first and second interconnectors being arranged on either side of the elementary cell; the first interconnector being pierced with a conduit for supplying water vapor, opening onto the cell on the cathode side, and a conduit for recovering hydrogen produced, opening at the periphery of the cell of the the cathode side so as to achieve a homogeneous distribution respectively of the water vapor supplied and the hydrogen produced, from the supply duct to the recovery duct; the second interconnector being pierced with a product oxygen recovery duct, opening at the periphery of the cell on the side of the anode so as to achieve a homogeneous distribution of the produced oxygen to the recovery duct; a first seal arranged at the periphery of the elementary cell and bearing against both the first interconnector and the second interconnector;
  • a second seal arranged at the periphery of the anode of the elementary cell and bearing both against the second interconnector and against the electrolyte; the first and second seals being based on glass and / or glass ceramic;
  • an insulation and sealing device consisting of an electrically insulating washer sandwiched by a third and a fourth non-contacting seal with the other, the third and fourth seals being metallic, the device being arranged at the periphery of the first seal with the third and fourth seals bearing respectively against the first and against the second interconnector;
  • the first and / or second interconnectors is (are) pierced (s) of at least one supply duct and at least one gas recovery duct, said balancing gas, opening on the space defined between the first seal and the isolation and sealing device so as to achieve a homogeneous distribution of the equilibration gas from its supply duct to its recovery duct in order to balance the pressures of both sides of the first seal during operation in pressure of the reactor.
  • the second interconnector is pierced with a duct for supplying draining gas, such as air, opening onto the cell on the anode side so as to achieve a homogeneous distribution respectively of the supplied draining gas and the oxygen produced, from the supply duct to the recovery duct.
  • draining gas such as air
  • the invention also relates, according to another alternative, to a module, intended to form an elementary pattern of a SOFC type fuel cell, comprising:
  • an elementary electrochemical cell formed of a cathode, an anode and an electrolyte interposed between the cathode and the anode,
  • first and a second device each forming an electrical and fluidic interconnector, each consisting of a component; the first and second interconnector being arranged on either side of the elementary cell; the first interconnector being pierced with a fuel supply conduit, opening on the cell on the side of the anode and a conduit for recovering the produced water, opening at the periphery of the cell on the side of the anode so as to achieve a homogeneous distribution respectively of the supplied fuel and the produced water, from the supply conduit to the recovery conduit; the second interconnector being pierced with an air or oxygen supply duct leading to the cell on the cathode side, and a surplus air or oxygen recovery duct leading to the periphery of the cell on the cathode side so as to achieve a homogeneous distribution of air or oxygen, from the supply duct to the recovery duct;
  • a second seal arranged at the periphery of the cathode of the elementary cell and bearing both against the second interconnector and against the electrolyte; the first and second seals being based on glass and / or glass ceramic;
  • an insulation and sealing device consisting of an electrically insulating washer sandwiched by a third and a fourth non-contacting seal with the other, the third and fourth seals being metallic, the device being arranged at the periphery of the first seal with the third and fourth seals bearing respectively against the first and against the second interconnector;
  • the first and / or second interconnectors is (are) pierced (s) of at least one supply duct and at least one gas recovery duct, said balancing gas, opening on the space defined between the first seal and the isolation and sealing device so as to achieve a homogeneous distribution of the equilibration gas from its supply duct to its recovery duct, in order to balance the pressures on both sides of the first seal when operating in pressure of the battery.
  • the invention consists essentially of a module comprising a circulation circuit of a gas, additional to the reactive gases required for the electrolysis reaction or the reverse reaction in an SOFC cell, the circuit being adapted so that, during operation in pressure, this additional gas balances the pressure of the reactive gases generated on the other side on one side of the glass-based and / or glass-ceramic seals.
  • the elementary electrochemical cell, the first and second interconnectors, the first and second seals as well as the isolation and sealing device are of axisymmetric shape around a central axis (X).
  • the reactive gas supply ducts water vapor or fuel
  • draining gas such as air, or air or oxygen
  • the sealing device consists of an insulating washer with a square or rectangular cross-section and third and fourth seals comprising, on each of their faces, one or more projections, preferably of triangular cross section, the vertex projections of each of the third and fourth seals being adapted to deform by bearing respectively on the insulating washer and on the first or on the second interconnector, in order to establish sealing on both the insulating washer and on each interconnector.
  • the third and fourth joints each having two projections facing one another, in contact with the washer and the first or second interconnector respectively, the projections being adapted to ensure a concentration of the force at the contact between seal and seal range, ie the part to be sealed.
  • the projections make it possible to achieve the desired seal under a relatively low compression load on either side of the joints.
  • the sealing device consists of an insulating washer based on zirconium oxide (zirconia) and third and fourth joints being based on iron-chromium-aluminum alloy Fecralloy® type.
  • the first and / or second interconnector comprises (nent) a first annular groove formed between the first seal and the cell, the supply conduit of the first interconnector being in communication with the first annular groove, so that performing the radial distribution of the supplied water vapor and the hydrogen produced or the fuel supplied and the produced water to the recovery conduit of the first interconnector.
  • the second interconnector comprises a second annular groove formed inside an area delimited by the second seal, the supply duct of the second interconnector being in communication with the second annular groove so as to performing the radial distribution of the produced oxygen or the supply air to the recovery conduit of the second interconnector.
  • Each of these first and second annular grooves makes it possible to ensure a good homogeneity of radial distribution of the gas on the electrode concerned, whatever the pressure level.
  • the first and / or second interconnector comprises (ent) a third annular groove formed at the periphery of the interconnectors and in which are arranged the third or fourth seals and the insulating washer, the arrangement being such that the insulating washer protrudes from the third annular groove.
  • This third annular groove facilitates the mounting and mechanical strength of the three components of the sealing device.
  • the projecting arrangement of the insulating washer makes it possible to guarantee the absence of a short circuit between the interconnectors.
  • the first seal consists of a mica washer having slots inside which is deposited a glass or glass-ceramic cord filling the slots of the mica after clamping the module.
  • the first seal consists of a slotted mica washer, the mica washer being sandwiched between two glass-ceramic washers each bearing respectively with the first and second interconnectors and filling the slits. mica after tightening the module. When clamped, the glass or glass ceramic fills the slots of the mica and ensures a good seal between the interconnectors.
  • the module comprises electrical contact elements, preferably metal grids, between each of the electrodes and one or the other of the interconnectors.
  • electrical contact elements preferably metal grids, between each of the electrodes and one or the other of the interconnectors.
  • it may be a nickel grid for contact with the H2 / H2O electrode and gold or platinum for contact with the electrode O2.
  • An LSM ceramic layer may also be envisaged for contact with the electrode 02.
  • the metal component of the first and / or second interconnector is (are) of ferritic steel with about 20% chromium, preferably CROFER® 22APU or F18TNb, or nickel-based Inconel® 600 or Haynes 230 ®.
  • the subject of the invention is also an electrolysis or co-electrolysis reactor of the SOEC type or SOFC type fuel cell comprising a stack of modules which have just been described.
  • the EHT reactor or the SOFC cell comprises mechanical means for assembling the interconnectors between them adapted to prevent the opening of the modules but not to compress one interconnector on the other.
  • these mechanical assembly means prohibit the inadvertent opening of the modules, which ensures operational safety but not compression clamping of the cell between the adjacent interconnectors.
  • Clamping, guarantor of sealing and electrical contact is also achieved by applying a compressive force well adapted from one interconnector to the other.
  • the rib chains of all the components of the module are determined to guarantee a crushing of the seals of the device at the periphery, as well as that possible of the layers of electrical contact.
  • the crushing performed by clamping is a few tens of microns. Of course, it is ensured that the compression clamping force is adjusted during the rise in pressure inside the module according to the invention.
  • the mechanical assembly means may comprise one or more bolts mounted through in housings formed in the interconnectors, the head of each through bolt resting in a housing of one of the end interconnectors of the stack and a nut screwed on the through bolt projecting from the other end interconnectors of the stack, the head and / or the nut being in abutment directly or indirectly on an electrical insulating sleeve mounted in at least one of the housing.
  • the bolts are easy to implement and reliable to ensure the desired security, ie the prevention of the opening of the modules in operation in case of overpressure.
  • the invention also relates, in another of its aspects, to a method of operating an electrolysis or co-electrolysis reactor EHT above, according to which:
  • the supply ducts of the first interconnector are fed with water vapor or with a mixture of water vapor and another gas chosen from carbon dioxide and nitrogen dioxide and simultaneously the supply ducts with pressure equalization, the pressure of the water vapor or mixture supplied being substantially equal to that of the equilibration gas;
  • the hydrogen or hydrogen and the carbon monoxide or nitrogen product (s) are recovered by electrolysis or co-electrolysis of the water vapor, and simultaneously the equilibration gas, in their respective recovery ducts; .
  • the supply ducts of the second interconnector are supplied with draining gas, such as air, the pressure of the supplied draining gas being substantially equal to that of the equilibration gas, and the oxygen produced is recovered.
  • the invention also relates, in another of its aspects, to a method of operating a SOFC fuel cell above, according to which:
  • the supply ducts of the first interconnector are supplied with fuel, such as hydrogen or methane, and simultaneously the supply ducts with pressure balancing gas;
  • the supply ducts of the second interconnector are supplied with air or oxygen, the pressure of the supplied fuel and air or oxygen being substantially equal to that of the equilibration gas;
  • the surplus fuel, the balancing gas, the water produced on the one hand and the surplus air or oxygen on the other hand are recovered in their respective recovery ducts.
  • the temperature of the equilibrating gas is regulated so that the latter regulates the operating temperature of the electrolysis or electrolysis reactor EHT or of the SOFC fuel cell.
  • the balancing gas is air, a neutral gas, hydrogen and / or water vapor.
  • the air is preferably chosen in the nominal operating mode of an EHT reactor or an SOFC cell.
  • any leakage of fuel or products feeding or leaving the electrolysis / co-electrolysis reactor or of the SOFC fuel cell is detected by analysis of the flow of the balancing gas mixture at the outlet of the its recovery duct, then we adjust the air flow as a balancing gas input of its supply duct to burn leaks detected.
  • the air makes it possible to reduce the pressure differential at lower cost and also has the following advantages:
  • the air injected into the interconnectors makes it possible to burn the leakage hydrogen and thus provide security to the outside atmosphere.
  • the balancing gas chosen is preferably hydrogen H 2 and / or or water vapor H 2 0 when the seal towards the outside of the module is preserved, and a neutral gas when there is a concomitant loss of the seal with respect to outside.
  • the balancing gas according to the invention not only has the function of managing the differential pressure between the inside or the outside of an EHT reactor or of a SOFC fuel cell, and thus allow reliable operation. under pressure, but it can also help burn gas leaks.
  • the balancing gas may advantageously have a thermal regulation role of an EHT reactor or an SOFC fuel cell.
  • the electrochemical elementary cells are of the support cathode type.
  • support cathode cell is meant here and in the context of the invention the definition already given in the field of the electrolysis of water at high temperature EHT and designated by the acronym CSC for "Cathode-supported Cell ", ie a cell in which the electrolyte and the oxygen electrode (anode) are disposed on the thicker hydrogen electrode (cathode) which thus serves as a support.
  • FIG. 1 is a schematic view showing the operating principle of a high temperature water electrolyser
  • Figu e 2 is a schematic exploded view of a portion of a steam electrolyzer for high temperature water (EHT) type comprising SOEC interconnects according to the prior art
  • Figure 3 is a schematic partial sectional view of an EHT electrolyzer or of an SOFC type fuel cell according to the prior art showing the configuration of the seals and electrical contacts within the stack,
  • Figu e 4 is a schematic sectional view of a module for electrolyser HTE or SOFC type fuel cell according to a first embodiment of the invention showing the configuration of the seals, electrical contacts and the distribution of gas within the stack,
  • FIG. 5 is a diagrammatic sectional detail view of FIG. 4, showing the advantageous configuration of the insulation and sealing device between the inside and the outside of a module according to the invention
  • FIG. 6 is a photographic reproduction of a sealing device adapted for sealing between the inside and the outside of a module according to the invention
  • FIG. 7A is a photographic reproduction showing the underside of an upper interconnector of a module according to the invention, before its assembly with the lower interconnector represented in FIGS. 7B and 7C
  • FIGS. 7B and 7C are photographic reproductions showing the top of a lower interconnector of a module according to the invention, respectively before and after placement of the seals
  • Figures 8 A and 8B are views digital simulation of an interconnector according to the invention, respectively without and provided with a radial distribution groove of a reactive gas between the duct axial feed conduit and recovery periphery ,
  • FIG. 9 is an exploded view of an embodiment of a module according to the invention for an EHT reactor.
  • FIG. 10 is a sectional view of a module assembled according to FIG.
  • Figure 11 is a detail view of Figure 10, showing the passage of gas balancing in the receiving grooves of the isolation device and sealing between the inside and outside of a module according to the invention,
  • FIGS. 12 and 13 are cross-sectional views of an assembled module according to FIG. 9, the section being taken respectively in the circulation plane of the water vapor brought and the hydrogen produced, and in the plane of flow of the supplied air and oxygen produced,
  • FIG. 14 is an exploded view of one embodiment of an electrolytic reactor EHT stacking two cells modules according to the invention.
  • FIGS 15, 16 and 17 are sectional views of an assembled module of Figure 14, the section being taken respectively in the above air-linking plan brought and the oxygen produced in the plane of this culation of the vapor feed water and hydrogen product, and finally the traffic map of the gas balancing,
  • Figu e 18 is a bottom view of an electrolytic reactor according to Figures 14 to 17.
  • electrolyser or fuel cell modules described are of the solid oxide type (SOEC), which is the acronym for “Solid Oxide Electrolyte Cell” (SOFC), which operates at high temperature.
  • SOEC solid oxide type
  • SOFC Solid Oxide Electrolyte Cell
  • all the constituents (anode / electrolyte / cathode) of an electrolysis cell or cell are ceramics.
  • the high operating temperature of an electrolyser (electrolysis reactor) or a battery is typically between 600 ° C and 1000 ° C.
  • the characteristics of a SOEC elemental electrolysis cell suitable for the invention, of the cathode support (CSC) type may be those indicated as follows in Table 2 below.
  • FIG. 4 is a diagrammatic sectional view of a module M1 intended to form the elementary pattern of an EHT water electrolyzer according to the invention.
  • the module Ml comprises an elementary electrochemical cell (C1) of axisymmetric shape around a central axis X, the cell being formed of a cathode, an anode, and an electrolyte interposed between the cathode and the anode, two electrical and fluidic interconnectors 5.1, 5.2 on either side of the cell.
  • C1 elementary electrochemical cell
  • the two interconnectors 5.1, 5.2 are each made of a single piece of metal, preferably ferritic steel with about 20% chromium, preferably CROFER® 22APU or F18TNb, or nickel-based Inconel® 600 or Haynes®.
  • the upper interconnector 5.1 is pierced with a conduit 50 for supplying water vapor, opening along the central axis on the cell on the cathode side.
  • a conduit 50 for supplying water vapor opening along the central axis on the cell on the cathode side.
  • a radial distribution of the water vapor supplied and the hydrogen produced to a pipe 59 for recovering the hydrogen produced, opening parallel to the central axis at the periphery of the the cell on the side of the cathode.
  • the lower interconnector 5.2 is pierced with a conduit 51 for supplying draining gas, such as air, opening along the central axis on the cell on the side of the anode.
  • draining gas such as air
  • a conduit 54 for recovering oxygen produced opening parallel to the central axis at the periphery of the cell on the side of the anode.
  • a first seal 61 of axisymmetric shape around the central axis X is arranged at the periphery of the elementary cell C1 and bears against both of the two interconnectors. This seal is intended to seal around the cathode compartment.
  • a second seal 63 of axisymmetric shape around the central axis is arranged at the periphery of the anode of the elementary cell and in support of both against the lower interconnector and against the electrolyte. This seal is intended to seal around the anode compartment. Seals 61 and 63 are based on glass and / or glass ceramic, as detailed below.
  • an electrical isolation and sealing device 8 of axisymmetric shape around the central axis X is arranged at the periphery of the first seal around the cathode compartment.
  • the device 8 consists of an electrically insulating washer 80 forming a shim, enclosed by third and fourth metal seals 81, 82 without contact with each other. Each of these third and fourth seals 81, 82 is metallic and respectively bearing against the upper and lower interconnector.
  • the lower interconnector 5.2 is pierced with at least one supply duct 58 of a gas, said equilibrium gas, and at least one recovery duct 58 of this equilibrium gas opening on the annular space E delimited between the seal 61 and the device 8 so as to perform an annular distribution of the equilibration gas to balance the pressures on either side of the first seal 61 during operation.
  • the device 8 is adapted to withstand a large pressure differential between the pressure of the equilibration gas, which is brought to the value as close as possible to the operating pressure of the EHT reactor, typically from 10 to 30 bar and the external pressure of the module, typically 1 bar.
  • the insulating washer 80 makes it possible to avoid any short circuit between the lower interconnector 5.2 and the upper interconnector 5.1.
  • the metal seals are adapted to have expansions compatible with the materials of the interconnectors, in particular ferritic stainless steel-based interconnectors.
  • the insulating washer or shim 80 is of zirconia and the two metal seals 81, 82 are based on an alloy comprising chromium and iron, for example Fecralloy®.
  • the upper metal seal 81 has on each of its faces a projection 83, 84 of triangular cross section.
  • the lower metal seal 82 is identical to the upper one 81 and has on each of its faces a projection 85, 86 of triangular cross section.
  • the shape of the cross section of each seal 81, 82 which carries the bearing respectively with the washer 80 and one of the interconnectors 5.1, 5.2 is a general diamond shape.
  • the top of these triangular projections 83 to 86 is adapted to deform by bearing respectively on the insulating washer 80 and on the first 5.1 or on the second 5.2 interconnector, in order to establish the seal on both the insulating washer and on each interconnector.
  • the triangular projections 83 to 86 made of ductile material make it possible to concentrate the compressive deformations, which avoids having an excessive compression of the entire device. insulation and sealing 8.
  • This variant makes it possible to establish the desired sealing under differential pressure with a relatively low compressive load.
  • the compressive load is equal to a value of 5 to 10 N / mm of joint increased by a compensation value of the background effect due to the pressure.
  • This compression load corresponds to the tightening of the seal to obtain the seal without pressure and the maintenance of this clamping for all pressure levels.
  • the operating pressure will generate a loosening force of a value F equal to the pressure multiplied by the surface of the disk on which the pressure is applied.
  • this loosening force must be compensated for by the compensation value, otherwise the two interconnects separate from one another.
  • FIGS. 7A to 7C and 9 to 13 show an embodiment of a module according to the invention.
  • plugs (B) shown in these figures serve to seal the penetrations made in the interconnector components to delimit the gas supply and recovery ducts. But, once the interconnectors are finished, they have no function in the operation of an EHT reactor according to the invention.
  • the upper interconnector 5.1 is pierced with a lateral supply duct 52 opening into the duct 50 of central supply, as can be seen in FIGS. 7A and 12.
  • the upper interconnector also comprises a throat ring 53 for receiving the upper metal seal 81 and the insulating shim 80
  • lower interconnector 5.2 has meanwhile a range on which is positioned both the second seal 63 and the elementary cell. From the immediate periphery of the cell to the outside, lower interconnector 5.2 comprises an annular groove 54 for the radial flow of the H2O / H2 mixture, a flat surface and another annular groove 55 concentric with that around the cell to receive the sealing device 8.
  • the flat surface is pierced by a lateral supply duct intended to be in communication with the central supply duct 51 of upper interconnector 5.1, as can be seen in FIGS. 7B and 13.
  • the flat surface of the lower interconnector serves to support the gasket 61 and around the lateral supply duct 56.
  • the gasket 61 preferably comprises a washer or crown of mica 610 having slots 611 in which a glass or glass-ceramic bead 612 is made. During tightening, this glass or glass-ceramic cord 612 will flow into the slots 611 and thus create a good bond between the two interconnectors 5.1 and 5.2 which is further wedged laterally by the mica ring 610.
  • the lower interconnector is pierced by an annular groove 55 opening into the supply ducts 58 and 58 recovery of the equilibrium gas.
  • each of these supply ducts 58 and recovery 58 of the balancing gas opens into the groove 55 of the sealing device 8 ( Figures 10 and 11).
  • a lateral mounting clearance of the sealing device 8 in the grooves 53, 55 respectively of upper interconnector 5.1 and lower 5.2 which is sufficient to allow the passage of the balancing gas in the annular space (E) thus defined between device 8 and the inside of grooves 53, 55.
  • supply 58 inside the sealing device 8 which allows the arrival of the balancing gas in the annular space (E) and thus ensure the annular distribution of the latter.
  • this annular distribution of the balancing gas forms a peripheral gas curtain around the reactive gas compartments, which allows to balance the pressures.
  • the module according to the invention with the two interconnectors and the cell in axisymmetric geometry around the X axis allows a homogeneous and radial supply of the cell. in reactive gases whatever the pressure level.
  • FIGS. 8A and 8B illustrate these simulations by the flow velocity respectively without and with the annular groove 54. It is specified that the inlet conditions simulated a flow velocity in the feed duct 50 for a 90% mixture of H 2 0 and 10% H 2 , at a flow rate of 3.7 Nml / min, at a pressure of 15 bar and at 800 ° C.
  • the module M1 according to the invention may advantageously comprise electrical contact grids 9, 10 which may in particular have the effect of compensating flatness defects in order to obtain a better electrical contact between, on the one hand, interconnector upper and the cathode and secondly between lower interconnector and the anode.
  • the module M 1 may comprise, at the periphery of the isolation and sealing device 8, an electrically insulating ring 13 of the mica type, the ring 13 bearing on all the zones where the two peripheral surfaces of the interconnectors 5.1 and 5.2 are facing each other.
  • FIGS. 14 to 18 show an electrolysis reactor EHT comprising two modules M1, M2 each made as described above, stacked one on top of the other.
  • lower interconnector 5.2 of the upper module Ml and upper interconnector 5.2 of the lower module M2 are made in the same metal alloy component.
  • the module or the reactor according to the invention integrates a bolt 11 mounted through in housings formed in the interconnectors.
  • the head 110 of the through bolt 11 rests in a housing of an end interconnector 5.2 or 5.3 and a nut 111 screwed onto the through bolt protrudes from the other end interconnector 5.1.
  • the nut 111 being supported indirectly by means of a washer 112 on an electrical insulating sleeve 12 mounted in the upper interconnector housing 5.2 or 5.1.
  • the bolt 11 prohibits the inadvertent opening of each module during operation under pressure, which ensures operational safety but not compression tightening of each cell between the interconnectors.
  • Clamping, guarantor of sealing and electrical contact is also achieved by applying a compressive force well adapted from one interconnector to the other.
  • the rib chains of all the components of the modules are determined to guarantee a crushing of the seals 81, 82 at the periphery, as well as that possible of the electrical contact grids 9, 10.
  • the crushing achieved by clamping is a few tens of microns.
  • the compression clamping force is adjusted during the rise in pressure inside the module according to the invention.
  • a lateral feed pipe 14 of the balancing gas is connected to the lateral feed duct 58 of the lower interconnector 5.2 or 5.3, while a recovery pipe 15 of the equilibration gas is connected to the recovery duct lateral
  • a central air supply pipe 16 is connected to the central supply duct of the lower interconnector 5.2 or 5.3 (FIGS. 12, 13, 15 and 18), whereas a recovery pipe 19 of the oxygen produced is connected to the annular groove 57 of the lower interconnector 5.2 or 5.3 (FIGS. 12, 13, 15 and 18);
  • a central supply pipe for the water vapor 17 is connected to the lateral supply duct of the lower interconnector 5.2 or 5.3 itself opening onto that of the upper interconnector 5.1 (FIGS. 13, 16 and 18). ), while a hydrogen recovery pipe 18 produced is connected to the lateral recovery pipe
  • the pipe 17 is supplied with water vapor and thus with the water supply pipes 56, 52 and 50 and simultaneously the pipe 14 with balancing gas and thus the supply pipe 58 and the annular space. E, the pressure of the water vapor supplied being substantially equal to that of the equilibration gas.
  • the pipe 16 is supplied with air, as a draining gas, and thus the supply duct 51, the pressure of the supplied air being substantially equal to that of the equilibrium gas.
  • the water vapor distributed radially from the supply duct 50 and the hydrogen produced by the electrolysis of the water vapor circulates in the annular groove 54 and is then recovered radially in the recovery duct 59 and thus by the recovery pipe 18 ( Figures 12 and 16).
  • the balancing gas circulates in the annular space E and is recovered in the recovery duct 58 and thus through the recovery pipe 15 (FIGS. 10 and 17).
  • thermocouple T
  • the module M1 according to the invention or the module stack reactor M1, M2 can equally well be used for co-electrolysis of mixed water vapor or with carbon dioxide is nitrogen dioxide.
  • the module Ml according to the invention or the module stack reactor Ml, M2 can equally well be used as a SOFC fuel cell.
  • the feed pipes 17 are fed with fuel, for example with hydrogen or methane
  • the tubes 14 are always supplied with balancing gas
  • the pipes 16 are supplied with air or oxygen.

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Abstract

L'invention concerne un nouveau module pour réacteur EHT ou pile à combustible SOFC, le module comprenant un circuit de circulation d'un gaz, supplémentaire aux gaz réactifs nécessaires à la réaction d' électrolyse ou à la réaction inverse dans une pile SOFC, le circuit étant adapté pour que, lors du fonctionnement en pression, ce gaz supplémentaire vienne équilibrer sur un côté des joints d'étanchéité à base de verre et/ou de vitrocéramique la pression des gaz réactifs généré de l'autre côté.

Description

MOTIF ELEMENTAIRE POUR REACTEUR D'ELECTROLYSE OU DE CO- ELECTROLYSE DE L'EAU (SOEC) OU PILE A COMBUSTIBLE (SOFC) A
FONCTIONNEMENT SOUS PRESSION
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine des piles à combustibles à oxydes solides (SOFC, acronyme anglais pour « Solid Oxide Fuel Cell »), celui de l'électrolyse de l'eau à haute température (EHT, ou EVHT pour électrolyse de la vapeur d'eau à haute température, ou HTE acronyme anglais pour High Température Electrolysis, ou encore HTSE acronyme anglais pour High Température Steam Electrolysis) également à oxydes solides (SOEC, acronyme anglais pour « Solid Oxide Electrolyser Cell », et celui de la co- électrolyse à haute température de l'eau et d'un autre gaz choisi parmi le dioxyde de carbone CO2 ou le dioxyde d'azote NO2.
L'invention a trait plus particulièrement à la réalisation d'un nouveau module intégrant des interconnecteurs électrique et fluidique pour la distribution du courant électrique et des gaz au sein d'un réacteur d'électrolyse ou de co-électrolyse de l'eau à haute température (EHT) de type SOEC pour produire de l'hydrogène ¾ à partir de vapeur d'eau H2O, ou d'une pile à combustible de type SOFC, et une cellule électrochimique élémentaire.
Le module selon l'invention permet un fonctionnement sous pression.
Bien que décrite en référence principalement à l'application d'électrolyse de l'eau à haute température, l'invention s'applique tout aussi bien à une co-électrolyse d'eau et d'un autre gaz choisi parmi le dioxyde de carbone CO2 ou le dioxyde d'azote NO2, qu'à une pile à combustible SOFC.
L'invention s'applique à une pile à combustible SOFC utilisant comme combustible soit de l'hydrogène, soit hydrocarbure, par exemple le méthane CH4.
Art antérieur
L'électrolyse de l'eau une réaction électrolytique qui décompose l'eau en dioxygène et dihydrogène gazeux avec l'aide d'un courant électrique selon la réaction:
Figure imgf000003_0001
Pour réaliser l'électrolyse de l'eau, il est avantageux de la réaliser à haute température typiquement entre 600 et 950°C, car une partie de l'énergie nécessaire à la réaction peut être apportée par la chaleur qui est moins chère que l'électricité et l'activation de la réaction est plus efficace à haute température et ne nécessite pas de catalyseur. Pour mettre en œuvre l'électrolyse à haute température, il est connu d'utiliser un électrolyseur de type SOEC (acronyme anglais de « Solid Oxyde Electrolyser Cell »), constitué d'un empilement de motifs élémentaires comportant chacun une cellule d'électrolyse à oxyde solide, 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. Les interconnecteurs ont pour fonction d'assurer à la fois le passage du courant électrique et la circulation des gaz au voisinage de chaque cellule (vapeur d'eau injectée, hydrogène et oxygène extrait dans un électrolyseur EHT ; air et hydrogène injectés et eau extraite dans une pile SOFC) et de séparer les compartiments anodiques et cathodiques qui sont les compartiments de circulation des gaz du côté respectivement des anodes et des cathodes des cellules. Pour réaliser l'électrolyse de la vapeur d'eau à haute température EHT, on injecte de la vapeur d'eau H20 dans le compartiment cathodique. Sous l'effet du courant appliqué à la cellule, la dissociation des molécules d'eau sous forme vapeur est réalisée à l'interface entre l'électrode à hydrogène (cathode) et l'électrolyte: cette dissociation produit du gaz dihydrogène H2 et des ions oxygène. Le di hydrogène est collecté et évacué en sortie de compartiment à hydrogène. Les ions o ygène O2" migrent à travers l'électrolyte et se recombinent en dioxygène à l'interface entre l'électrolyte et l'électrode à oxygène (anode).
Comme schématisée en figure 1, chaque cellule d'électrolyse élémentaire 1 est formée d'une cathode 2 et d'une anode 4, placées de part et d'autre d'un électrolyte solide 3 généralement sous forme de membrane. Les deux électrodes (cathode et anode) 2,4 sont des conducteurs électriques, en matériau poreux, et l'électrolyte 3 est étanche au gaz, isolant électronique et conducteur ionique. L'électrolyte peut être en particulier un conducteur anionique, plus précisément un conducteur anionique des ions O2" et Γ électrolyseur est alors dénommé électrolyseur anionique.
Les réactions électrochimiques se font à l'interface entre chacun des conducteurs électroniques et le conducteur ionique.
A la cathode 2, la demi-réaction est la suivante :
2 H20 + 4 e→ 2 H2 + 2 O2".
A l'anode 4, la demi-réaction est la suivante:
202→02+ 4 e . L'électrolyte 3 intercalé entre les deux électrodes 2, 4 est le lieu de migration des ions O2"' 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 en figure 1, la vapeur d'eau en entrée de cathode peut être accompagnée d'hydrogène H2 et l'hydrogène produit et récupéré en sortie peut être accompagné de vapeur d'eau. De même, comme illustré en pointillés, un gaz drainant, tel que l'air peut en outre être injecté en entrée pour évacuer l'oxygène produit. L'injection d'un gaz drainant a pour fonction supplémentaire de jouer le rôle de régulateur thermique.
Un réacteur d'électrolyse élémentaire est constitué d'une cellule élémentaire telle que décrite ci-dessus, avec une cathode 2, un électrolyte 3, et une anode 4 et de deux connecteurs mono-polaires qui assurent les fonctions de distribution électrique, hydraulique et thermique.
Pour augmenter les débits d'hydrogène et d'oxygène produits, il est connu d'empiler plusieurs cellules d'électrolyse élémentaires les unes sur les autres en les séparant par des dispositifs d'interconnexion, usuellement appelés interconnecteurs ou plaques d'interconnexion bipolaires. L'ensemble est positionné entre deux plaques d'interconnexion d'extrémité qui supportent les alimentations électriques et des alimentations en gaz de l'électrolyseur (réacteur d'électrolyse).
Un électrolyseur de l'eau à haute température (EHT) comprend ainsi au moins une, généralement une pluralité de cellules d'électrolyse empilées les uns sur les autres, chaque cellule élémentaire étant formée d'un électrolyte, d'une cathode et d'une anode, l'électrolyte étant intercalé entre l'anode et la cathode.
Les dispositifs d'interconnexion fluidique et électrique qui sont en contact électrique avec une ou des électrodes assurent en général les fonctions d'amenée et de collecte de courant électrique et délimitent un ou des compartiments de circulation des gaz.
Ainsi, un compartiment dit cathodique a pour fonction la distribution du courant électrique et de la vapeur d'eau ainsi que la récupération de l'hydrogène à la cathode en contact.
Un compartiment dit anodique a pour fonction la distribution du courant électrique ainsi que la récupération de l'oxygène produit à l'anode en contact, éventuellement à l'aide d'un gaz drainant.
La figure 2 représente une vue éclatée de motifs élémentaires d' un électrolyseur de vapeur d'eau à haute température selon l'état de l'art. Cet électrolyseur EUT comporte une pluralité de cellules d'électrolyse élémentaires Cl. C2... de type à oxydes solides (SOEC ) empilées alternativement avec des interconnecteurs 5. Chaque cellule Cl, C2... est constituée d'une cathode 2.1, 2.2,... et d'une anode 4.1, 4.2, entre lesquelles est disposé un électrolyte 3.1, 3.2.... L'ensemble des cellules d'électrolyse est alimenté en série par le courant électrique et en parallèle par les gaz.
L' interconnecteur 5 est un composant en al l iage métall ique qui assure la séparation entre les compartiments cathodique 50 et anodique 51, définis par les volumes compris entre 1 " interconnecteur 5 et la cathode adjacente 2. 1 et entre Γ interconnecteur 5 et l'anode adjacente 4.2 respectivement. 11 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. Le collectage de l'hydrogène produit et de la vapeur d'eau résiduelle à la cathode 2. 1 , 2.2 ... est effectué dans le compartiment cathodique 50 en aval de la cellule C 1 , C2... après dissociation de la vapeur d'eau par celle-ci . Le collectage de l 'oxygène produit à l'anode 4.2 est effectué dans le compartiment anodique 5 1 en aval de la cellule C I , C2... après dissociation de la vapeur d'eau en ions oxygène par celle-ci.
L' interconnecteur 5 assure le passage du courant entre les cellules C 1 et C2 par contact direct avec les électrodes adjacentes, c'est-à-dire entre l 'anode 4.2 et la cathode 2. 1 .
Dans une pile à combustible à oxydes sol ides SOEC selon l 'état de l'art, les cellules C 1 , C2... et interconnecteurs 5 util isés sont les mêmes composants, mais le fonctionnement est inverse de celui d'un électrolyseur EUT tel qui vient d'être expliqué avec un sens du courant inversé, avec de l'air qui alimente les compartiments cathodiques et de l'hydrogène en tant que combustible qui alimente les compartiments anodiques.
Un fonctionnement satisfaisant d'un électrolyseur EHT nécessite entre autres les fonctions essentielles suivantes:
A/ une bonne isolation électrique entre deux interconnecteurs adjacents dans l'empilement, sous peine de court-circuiter la cellule d'électrolyse élémentaire intercalée entre les deux interconnecteurs ;
B/ une bonne étanchéité entre les deux compartiments distincts, i.e. anodique et cathodique, sous peine de recombinaison des gaz produits entraînant une baisse de rendement et surtout l'apparition de points chauds endommageant l'électrolyseur ; cela correspond à rechercher une tension initiale complète (acronyme anglais « OCV » pour Open Cell Voltage) ;
C/ une bonne distribution des gaz à la fois en entrée et en récupération des gaz produits, sous peine de perte de rendement, d' inhomogénéité de pression et de température au sein des différentes cellules élémentaires voire de dégradations rédhibitoires des cellules; cela correspond à rechercher la plus faible résistance de polarisation;
D/ un bon contact électrique et une surface de contact suffisante entre chaque cellule et interconnecteur, afin d'obtenir la plus faible résistance ohmique entre cellules et interconnecteurs .
Les hautes températures compliquent considérablement la réalisation des trois fonctions essentielles A/ à C/ précitées. En outre, la fragilité des cellules à oxydes solides impose certaines règles de conception contraignantes de manière à garantir leur intégrité mécanique.
Différentes conceptions existent déjà pour réaliser simultanément les quatre fonctions essentielles A/ à D/, mais il subsiste différentes difficultés à surmonter.
En particulier, en ce qui concerne la réalisation de la fonction B/, compte tenu des gammes de température de fonctionnement des électrolyseurs EHT et piles à combustibles SOFC élevées, typiquement 600°C à 1000°C, les joints d'étanchéités sont classiquement réalisés à base de verre ou de vitrocéramique. Un joint verre est à l'état pâteux à la température de fonctionnement.
Lors de la conception, il est nécessaire de veiller à ne pas chasser le verre sous l'effet d'un écart de pression appliquée sur le joint. Un joint en vitrocéramique subit quant à lui un cycle thermique in situ visant à le faire cristalliser et donc à le rendre solide à la température de fonctionnement. Tout comme pour le joint en verre, il faut veiller à ne pas chasser la vitrocéramique avant qu'elle ne soit solide.
La configuration la plus simple consiste à placer le verre entre deux plans denses, par opposition aux différents matériaux poreux présents dans un réacteur SOEC ou une pile à combustible SOFC : la tension de surface permet d'éviter son écoulement jusqu'à un certain différentiel de pression de part et d'autre du joint. Pour favoriser cette tenue, il est nécessaire de réduire au mieux la hauteur du joint, d'augmenter la surface des zones en contact avec le verre et de réduire le différentiel de pression subi par le joint.
La réalisation de ce type d'étanchéités à base de verre au sein des réacteurs SOEC ou piles SOFC se heurte à plusieurs problèmes. Tout d'abord, les électrodes de part et d'autre de la cellule sont poreuses et elles ne peuvent donc pas simplement supporter de joint à base de verre. De plus, une isolation électrique entre interconnecteurs adjacentes doit être garantie, ce qu'un film de verre trop mince ne peut assurer sans risque. Enfin, ces verres doivent être écrasés pour réduire leur hauteur, mais aussi pour garantir le contact électrique entre cellule et interconnecteurs. Ce serrage doit se faire en évitant tout porte-à-faux de la cellule pour préserver son intégrité mécanique.
Dans la configuration schématisée en figure 3 et divulguée dans la demande de brevet FR3000108, une partie de ces contraintes est prise en compte par la densité des surfaces non poreuses de part et d'autre d'un joint : la cellule Cl est maintenue à plat sur son support 2.1 (cathode en EHT ou anode SOFC) et enserrée entre deux interconnecteurs adjacents 5, un premier 61 et deuxième 62 joints de type verre ou vitrocéramique, séparés d'un isolant électrique 7 pour éviter tout-circuit, sont agencés entre interconnecteurs pour permettre de réaliser l'étanchéité de l'hydrogène produit (combustible amené en SOFC) et enfin, un troisième joint 63 du même type est agencé du côté de l'anode 4.1 (cathode en SOFC) entre l'électrolyte 3.1 et interconnecteur 5 permettant de réaliser l'étanchéité de l'oxygène produit (ou l'air amené en SOFC). Ainsi, chaque joint 61, 62, 63 repose sur un support intrinsèquement étanche donc non poreux. De plus, une tension de surface élevée entre les joints et leur support permet d'éviter l'écoulement du verre jusqu'à un certain différentiel de pression de part et d'autre d'un joint. Pour favoriser l'obtention d'une bonne tenue mécanique du joint, il est nécessaire autant que possible de réduire la hauteur de joint et d'augmenter la surface des zones en contact avec le verre.
La réduction de hauteur des joints en verre ou en vitrocéramique telle qu'explicitée ci-avant est obtenue par serrage. Le serrage est en outre requis pour diminuer l'impact des résistances de contact dans l'empilement, c'est-à-dire pour assurer la fonction D/ précitée, soit un bon contact électrique entre cellule et interconnecteurs. Or, comme montré en figure 3, une cellule d'électrolyse Cl, C2...est montée en porte-à-faux du fait de son joint d'étanchéité 63. Ainsi, le serrage requis pour diminuer la hauteur des joints et assurer la fonction D/ de bon contact électrique entre cellule et interconnecteurs doit en outre être réalisé sans mise en flexion rédhibitoire de la cellule qui pourrait conduire à sa rupture.
Ainsi, les configurations avec joint à base de verre ou de vitrocéramique, comme celle illustrée en figure 3, présentent des avantages indéniables d'isolation électrique et d'accommodation des déformations entre pièces d'un empilement EHT ou SOFC.
Cela étant, comme déjà évoqué, les joints à base de verre ou de vitrocéramique présentent intrinsèquement l'inconvénient majeur de ne résister qu'à de faibles différences de pression, de l'ordre de quelques centaines de millibars.
Le fonctionnement interne d'une pile SOFC ou d'un réacteur EHT sous pression, typiquement de quelques bars à quelques dizaines de bars, typiquement 30 bars, requiert alors une solution pour éviter la perte des étanchéités par les joints.
Il est déjà connu une solution qui consiste à placer le réacteur à empilement EHT ou pile SOFC au sein d'une enceinte étanche elle-même pressurisée. On peut citer ici les demandes de brevets ou brevets FR 2957361A1, US2002/0081471 et US 6689499 B2 qui divulguent ce type de solution. Cette solution connue offre l'avantage de pouvoir imposer la même pression entre l'intérieur et l'extérieur de l'empilement. Cela permet donc un fonctionnement à une pression élevée, de quelques bars à quelques dizaines de bars, sans sollicitation mécanique des joints en verre ou en vitrocéramique.
Mais, cela impose de garantir la tenue mécanique d'une enceinte pressurisée à ces pressions, typiquement 30 bars, et qui contient un empilement sous une température élevée, typiquement à 800°C avec circulation en son sein d'hydrogène H2 et d'oxygène 02. La gestion de la sécurité de cette enceinte à pression peut ne pas être triviale.
De plus, la présence de l'enceinte complique le maintien du serrage de l'empilement qui permet de garantir un bon contact électrique entre interconnecteurs et cellules. En particulier, le déport des organes de serrage dans une zone relativement froide n'est pas aisé.
Enfin, l'enceinte pressurisée doit être réalisée avec des passages à la fois traversants et étanches afin de réaliser alimentation/récupération en gaz et en courant électrique depuis l'extérieur de l'enceinte. Ainsi, ces passages doivent être isolants électriques pour certains d'entre eux et être à température contrôlée pour ceux contenant de la vapeur d'eau de manière à éviter toutes bouffées de vapeur d'eau. En effet, si on ne contrôle pas la température dans les tuyaux d'entrée et ou de sortie, la vapeur d'eau circulant en continu à l'intérieur peut rencontrer une zone froide, et alors se condenser de manière non contrôlée. Cela provoque des bouffées qui génèrent des variations d'alimentation en gaz et en pression.
Toutes ces mesures de précaution conduisent à une installation complète intégrant l'enceinte étanche pressurisée et le réacteur EHT ou la pile SOFC, qui est compliquée et coûteuse.
Il existe donc un besoin de s'affranchir des configurations existantes d'électrolyseur (EHT) de type SOEC ou de pile à combustible de type SOFC qui nécessitent la mise en œuvre d'une enceinte étanche pressurisée logeant l'électrolyseur EHT ou la pile SOFC afin d'éviter la perte des étanchéités par les joints à base de verre ou de vitrocéramique.
Un but de l'invention est de répondre au moins en partie à ce besoin. Exposé de l'invention
Pour ce faire, l'invention concerne, sous une alternative, un module, destiné à former un motif élémentaire d'un réacteur d'électrolyse ou de co-électrolyse de type SOEC, comprenant:
- une cellule électrochimique élémentaire formée d'une cathode, d'une anode, et d'un électrolyte intercalé entre la cathode et l'anode,
- un premier et un deuxième dispositif formant chacun un interconnecteur électrique et fluidique, constitué chacun d'un composant en matériau conducteur électronique et étanche aux gaz; les premier et deuxième interconnecteurs étant agencés de part et d'autre de la cellule élémentaire; le premier interconnecteur étant percé d'un conduit d'amenée de la vapeur d'eau, débouchant sur la cellule du côté de la cathode et, d'un conduit de récupération de l'hydrogène produit, débouchant à la périphérie de la cellule du côté de la cathode de sorte à réaliser une distribution homogène respectivement de la vapeur d'eau amenée et de l'hydrogène produit, depuis le conduit d'amenée jusqu'au conduit de récupération; le deuxième interconnecteur étant percé d'un conduit de récupération de l'oxygène produit, débouchant à la périphérie de la cellule du côté de l'anode de sorte à réaliser une distribution homogène de l'oxygène produit jusqu'au conduit de récupération; - un premier joint d'étanchéité agencé à la périphérie de la cellule élémentaire et en appui à la fois contre le premier interconnecteur et contre le deuxième interconnecteur;
- un deuxième joint d'étanchéité agencé à la périphérie de l'anode de la cellule élémentaire et en appui à la fois contre le deuxième interconnecteur et contre l'électrolyte; les premier et deuxième joints d'étanchéité étant à base de verre et/ou de vitrocéramique ;
- un dispositif d'isolation et d'étanchéité constitué d'une rondelle isolante électriquement enserrée par un troisième et un quatrième joints d'étanchéité sans contact l'un avec l'autre, les troisième et quatrième joints d'étanchéité étant métalliques, le dispositif étant agencé à la périphérie du premier joint d'étanchéité avec les troisième et quatrième joints en appui respectivement contre le premier et contre le deuxième interconnecteur;
module dans lequel le premier et/ou le deuxième interconnecteurs est (sont) percé(s) d'au moins un conduit d'amenée et d'au moins un conduit de récupération d'un gaz, dit gaz d'équilibrage, débouchant sur l'espace délimité entre le premier joint et le dispositif d'isolation et d'étanchéité de sorte à réaliser une distribution homogène du gaz d'équilibrage depuis son conduit d'amenée jusqu'à son conduit de récupération afin d'équilibrer les pressions de part et d'autre du premier joint d'étanchéité lors du fonctionnement en pression du réacteur.
Selon une variante, le deuxième interconnecteur est percé d'un conduit d'amenée de gaz drainant, tel que l'air, débouchant sur la cellule du côté de l'anode de sorte à réaliser une distribution homogène respectivement du gaz drainant amené et de l'oxygène produit, depuis le conduit d'amenée jusqu'au conduit de récupération.
L'invention concerne également, selon une autre alternative, un module, destiné à former un motif élémentaire d'une pile à combustible de type SOFC, comprenant:
- une cellule électrochimique élémentaire formée d'une cathode, d'une anode, et d'un électrolyte intercalé entre la cathode et l'anode,
- un premier et un deuxième dispositif formant chacun un interconnecteur électrique et fluidique, constitué chacun d'un composant; les premier et deuxième interconnecteur étant agencés de part et d'autre de la cellule élémentaire ; le premier interconnecteur étant percé d'un conduit d'amenée de combustible, débouchant sur la cellule du côté de l'anode et, d'un conduit de récupération de l'eau produite, débouchant à la périphérie de la cellule du côté de l'anode de sorte à réaliser une distribution homogène respectivement du combustible amené et de l'eau produite, depuis le conduit d'amenée jusqu'au conduit de récupération; le deuxième interconnecteur étant percé d'un conduit d'amenée d'air ou d'oxygène, débouchant sur la cellule du côté de la cathode et, d'un conduit de récupération du surplus d'air ou d'oxygène, débouchant à la périphérie de la cellule du côté de la cathode de sorte à réaliser une distribution homogène de l'air ou de l'oxygène, depuis le conduit d'amenée jusqu'au conduit de récupération;
- un premier joint d'étanchéité agencé à la périphérie de la cellule élémentaire et en appui à la fois contre le premier interconnecteur et contre le deuxième interconnecteur;
- un deuxième joint d'étanchéité agencé à la périphérie de la cathode de la cellule élémentaire et en appui à la fois contre le deuxième interconnecteur et contre l'électrolyte ; les premier et deuxième joints d'étanchéité étant à base de verre et/ou de vitrocéramique ;
- un dispositif d'isolation et d'étanchéité constitué d'une rondelle isolante électriquement enserrée par un troisième et un quatrième joints d'étanchéité sans contact l'un avec l'autre, les troisième et quatrième joints d'étanchéité étant métalliques, le dispositif étant agencé à la périphérie du premier joint d'étanchéité avec les troisième et quatrième joints en appui respectivement contre le premier et contre le deuxième interconnecteur;
module dans lequel le premier et/ou le deuxième interconnecteurs est (sont) percé(s) d'au moins un conduit d'amenée et d'au moins un conduit de récupération d'un gaz, dit gaz d'équilibrage, débouchant sur l'espace délimité entre le premier joint et le dispositif d'isolation et d'étanchéité de sorte à réaliser une distribution homogène du gaz d'équilibrage depuis son conduit d'amenée jusqu'à son conduit de récupération, afin d'équilibrer les pressions de part et d'autre du premier joint d'étanchéité lors du fonctionnement en pression de la pile.
Autrement dit, l'invention consiste essentiellement en un module comprenant un circuit de circulation d'un gaz, supplémentaire aux gaz réactifs nécessaires à la réaction d'électrolyse ou à la réaction inverse dans une pile SOFC, le circuit étant adapté pour que, lors du fonctionnement en pression, ce gaz supplémentaire vienne équilibrer sur un côté des joints d'étanchéité à base de verre et/ou de vitrocéramique la pression des gaz réactifs généré de l'autre côté.
Ainsi, on s'affranchit de la solution de mise en œuvre d'une enceinte étanche pressurisée comme selon l'état de l'art, à l'intérieur de laquelle le réacteur EHT ou la pile SOEFC est logé(e).
La seule étanchéité qui doit résister au différentiel de pressions entre l'intérieur, typiquement comprises entre 10 et 30 bars, et l'extérieur, typiquement égale à 1 bar, du module, tout en étant isolante électrique est celle à l'extérieur de la circulation du gaz d'équilibrage, les contraintes subies par cette étanchéité étant supérieures à celles entre compartiments anodique et cathodique dans lesquelles circulent les gaz réactifs.
Selon un mode de réalisation avantageux, la cellule électrochimique élémentaire, les premier et deuxième interconnecteurs, les premier et deuxième joints d'étanchéité ainsi que le dispositif d'isolation et d'étanchéité sont de forme axisymétrique autour d'un axe central (X), les conduits d'amenée de gaz réactifs (vapeur d'eau ou de combustible), (gaz drainant, tel que l'air, ou air ou oxygène) débouchent selon l'axe central (X).
Selon une variante avantageuse, le dispositif d'étanchéité est constitué d'une rondelle isolante à section transversale carrée ou rectangulaire et de troisième et quatrième joints comportant, sur chacune de leurs faces une ou plusieurs saillies, de préférence de section transversale triangulaire, le sommet des saillies de chacun des troisième et quatrième joints étant adapté pour se déformer par appui respectivement sur la rondelle isolante et sur le premier ou sur le deuxième interconnecteur, afin d' établir étanchéité à la fois sur la rondelle isolante et sur chaque interconnecteur.
Le troisième et quatrième joints comportant chacun deux saillies en regard l'une de l'autre, en contact avec respectivement la rondelle et le premier ou le deuxième interconnecteur, les saillies étant adaptées pour assurer une concentration de l'effort au niveau du contact entre le joint d'étanchéité et la portée de joint, c'est-à-dire la pièce à étancher. Ainsi, les saillies permettent de réaliser l'étanchéité souhaitée sous une relativement faible charge de compression de part et d'autre des joints. Avantageusement, le dispositif d'étanchéité est constitué d'une rondelle isolante à base d'oxyde de zirconium (zircone) et de troisième et quatrième joints étant à base d'alliage Fer-Chrome- Aluminium de type Fecralloy®.
Selon une variante de réalisation avantageuse, le premier et/ ou le deuxième interconnecteur comprend(nent) une première gorge annulaire réalisée entre le premier joint et la cellule, le conduit d'amenée du premier interconnecteur étant en communication avec la première gorge annulaire de sorte à réaliser la distribution radiale de la vapeur d'eau amenée et de l'hydrogène produit ou du combustible amené et de l'eau produite, jusqu'au conduit de récupération du premier interconnecteur.
Selon un autre variante de réalisation avantageuse, le deuxième interconnecteur comprend une deuxième gorge annulaire réalisée à l'intérieur d'une zone délimitée par le deuxième joint, le conduit d'amenée du deuxième interconnecteur étant en communication avec la deuxième gorge annulaire de sorte à réaliser la distribution radiale de l'oxygène produit ou de l'air amené, jusqu'au conduit de récupération du deuxième interconnecteur. Chacune de ces première et deuxième gorges annulaires permet d'assurer une bonne homogénéité de distribution radiale du gaz sur l'électrode concernée, quel que soit le niveau de pression.
Selon un mode de réalisation avantageux, le premier et/ou le deuxième interconnecteur comprend(ent) une troisième gorge annulaire réalisée à la périphérie des interconnecteurs et dans laquelle sont agencés le troisième ou le quatrième joints et la rondelle isolante, l'agencement étant tel que la rondelle isolante fait saillie de la troisième gorge annulaire. Cette troisième gorge annulaire permet de faciliter le montage et la tenue mécanique des trois composants du dispositif d'étanchéité. En outre, l'agencement en saillie de la rondelle isolante permet de garantir l'absence de court-circuit entre les interconnecteurs.
Selon une variante avantageuse, le premier joint d'étanchéité est constitué d'une rondelle en mica présentant des fentes à l'intérieur desquelles est déposé un cordon en verre ou en vitrocéramique remplissant les fentes du mica après serrage du module.
Selon une autre variante avantageuse, le premier joint d'étanchéité est constitué d'une rondelle en mica présentant des fentes, la rondelle en mica étant enserrée entre deux rondelles en vitrocéramique chacune en appui respectivement avec le premier et le deuxième interconnecteurs et remplissant les fentes du mica après serrage du module. A la mise en place par serrage, le verre ou la vitrocéramique remplit les fentes du mica et assure une bonne étanchéité entre les interconnecteurs.
Avantageusement, le module comprend des éléments de contact électrique, de préférence des grilles métalliques, entre chacune des électrodes et l'un ou l'autre des interconnecteurs. De préférence, il peut s'agir d'une grille de Nickel pour le contact avec l'électrode H2/H20 et d'or ou de platine pour le contact avec l'électrode 02. Une couche de céramique de type LSM peut aussi être envisagée pour le contact avec l'électrode 02.
De préférence, le composant métallique du premier et/ou le deuxième interconnecteur est (sont) en acier ferritique à environ 20% de chrome, de préférence en CROFER® 22APU ou le F18TNb, ou à base Nickel de type Inconel® 600 ou Haynes 230®.
L'invention a également pour objet un réacteur d'électrolyse ou de co- électrolyse de type SOEC ou pile à combustible de type SOFC comportant un empilement de modules qui viennent d'être décrits.
Avantageusement, le réacteur EHT ou la pile SOFC comprend des moyens mécaniques d'assemblage des interconnecteurs entre eux adaptés pour empêcher l'ouverture des modules mais pas pour serrer par compression un interconnecteur sur l'autre. Autrement dit, ces moyens mécaniques d'assemblage interdisent l'ouverture intempestive des modules, ce qui assure une sécurité de fonctionnement mais pas le serrage par compression de la cellule entre les interconnecteurs adjacents. Le serrage, garant de l'étanchéité et du contact électrique est par ailleurs réalisé en appliquant un effort de compression bien adapté d'un interconnecteur sur l'autre. Les chaînes de côtes de tous les composants du module sont déterminées pour garantir un écrasement des joints d'étanchéité du dispositif en périphérie, ainsi que celui éventuel des couches de contact électrique. Typiquement, l'écrasement réalisé par serrage est de quelques dizaines de microns. Bien entendu, on veille à ce que l'effort de serrage par compression soit ajusté lors de la montée en pression à l'intérieur du module selon l'invention.
Les moyens mécaniques d'assemblage peuvent comprendre un ou plusieurs boulons montés traversant dans des logements réalisés dans les interconnecteurs, la tête de chaque boulon traversant reposant dans un logement d'un des interconnecteurs d'extrémité de l'empilement et un écrou vissé sur le boulon traversant faisant saillie de l'autre des interconnecteurs d'extrémité de l'empilement, la tête et/ou l'écrou étant en appui directement ou indirectement sur un manchon isolant électrique monté dans au moins un des logements. Les boulons sont aisés à mettre en œuvre et fiables pour garantir la sécurité recherchée, i.e. l'empêchement de l'ouverture des modules en fonctionnement en cas de surpression.
L'invention concerne aussi sous un autre de ses aspects un procédé de fonctionnement d'un réacteur d'électrolyse ou de co-électrolyse EHT ci-dessus, selon lequel :
- on alimente les conduits d'amenée du premier interconnecteur en vapeur d'eau ou en mélange de vapeur d'eau et un autre gaz choisi parmi le dioxyde de carbone et le dioxyde d'azote et simultanément les conduits d'amenée en gaz d'équilibrage de pression, la pression de la vapeur d'eau ou du mélange amené(e) étant sensiblement égale à celle du gaz d'équilibrage ;
- on récupère l'hydrogène ou l'hydrogène et le monoxyde de carbone ou d'azote produit(s) par électrolyse ou co-électrolyse de la vapeur d'eau, et simultanément le gaz d'équilibrage, dans leur conduit de récupération respectif.
Selon une variante avantageuse, on alimente les conduits d'amenée du deuxième interconnecteur en gaz drainant, tel que l'air, la pression du gaz drainant amené étant sensiblement égale à celle du gaz d'équilibrage, et on récupère l'oxygène produit.
L'invention concerne aussi sous un autre de ses aspects un procédé de fonctionnement d'une pile à combustible SOFC ci-dessus, selon lequel :
- on alimente les conduits d'amenée du premier interconnecteur en combustible, tel que l'hydrogène ou du méthane, et simultanément les conduits d'amenée en gaz d'équilibrage de pression;
- on alimente les conduits d'amenée du deuxième interconnecteur en air ou oxygène, la pression du combustible et de l'air ou oxygène amenés étant sensiblement égale à celle du gaz d'équilibrage ;
- on récupère le surplus de combustible, le gaz d'équilibrage, l'eau produite d'une part et le surplus d'air ou d'oxygène d'autre part, dans leur conduit de récupération respectif.
Selon une variante, on règle la température du gaz d'équilibrage de sorte que ce dernier régule la température de fonctionnement du réacteur d'électrolyse ou de co- électrolyse EHT ou de la pile à combustible SOFC. Avantageusement, le gaz d'équilibrage est de l'air, un gaz neutre, de l'hydrogène et/ou de la vapeur d'eau.
L'air est de préférence choisi en mode de fonctionnement nominal d'un réacteur EHT ou d'une pile SOFC.
Selon une variante avantageuse, on détecte des fuites éventuelles du combustible ou des produits, alimentant ou sortant du réacteur d'électrolyse/co-électrolyse ou de la pile à combustible SOFC par analyse du débit du mélange de gaz d'équilibrage à la sortie de son conduit de récupération, puis on règle alors le débit d'air en tant que gaz d'équilibrage en entrée de son conduit d'alimentation afin de brûler les fuites détectées.
En effet, l'air permet de réduire le différentiel de pressions à moindre coût et présente en outre les avantages suivants:
- en cas de légères fuites du dispositif d'étanchéité à la périphérie du module, on peut réaliser une compensation de ces fuites par un fort débit d'air injecté au sein des interconnecteurs ;
- en cas de légères fuites du joint à base de vitrocéramique et/ou de verre qui réalise l'étanchéité du compartiment dans lequel circulent l'hydrogène, l'air injecté au sein des interconnecteurs permet de brûler l'hydrogène de fuite et ainsi d'offrir une sécurité vis-à-vis de l'atmosphère extérieure.
En brûlant les fuites, on évite tout accumulation de mélange explosif dans la le réacteur d'électrolyse/co-électrolyse ou dans la pile à combustible SOFC.
En mode de fonctionnement nominal d'un réacteur EHT ou d'une pile SOFC, notamment dû à une perte de l'étanchéité du premier joint d'étanchéité, le gaz d'équilibrage choisi est de préférence de l'hydrogène H2 et/ou de la vapeur d'eau H20 lorsque l'étanchéité vis-à-vis de l'extérieur du module est conservée, et un gaz neutre lorsqu'il y a une perte concomitante de l'étanchéité vis-à-vis de l'extérieur.
Ainsi, le gaz d'équilibrage selon l'invention a non seulement pour fonction de gérer le différentiel de pressions entre l'intérieur ou l'extérieur d'un réacteur EHT ou d'une pile à combustible SOFC, et donc permettre un fonctionnement fiable sous pression, mais il peut également permettre de brûler les fuites de gaz.
En outre, le gaz d'équilibrage peut avoir avantageusement un rôle de régulation thermique d'un réacteur EHT ou d'une pile à combustible SOFC. De préférence, les cellules élémentaires électrochimiques sont de type à cathode support.
Par «cellule à cathode support », on entend ici et dans le cadre de l'invention la définition déjà donnée dans le domaine de l'électrolyse de l'eau à haute température EHT et désignée sous l'acronyme anglais CSC pour « Cathode-supported Cell », c'est-à- dire une cellule dans laquelle l'électrolyte et l'électrode à oxygène (anode) sont disposées sur l'électrode à hydrogène (cathode) plus épaisse qui sert donc de support.
Description détaillée
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d'exemples de mise en œuvre de l'invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes parmi lesquelles :
la figure 1 est une vue schématique montrant le principe de fonctionnement d'un électrolyseur d'eau à haute température,
la figu e 2 est une vue schématique en éclaté d'une partie d'un électrolyseur de vapeur d'eau à haute température (EHT) de type SOEC comprenant des interconnecteurs selon l'état de l'art,
la figure 3 est une vue schématique en coupe partielle d'un électrolyseur EHT ou d'une pile à combustible de type SOFC selon l'état de l'art montrant la configuration des étanchéités et des contacts électriques au sein de l'empilement,
- la figu e 4 est une vue schématique en coupe d'un module pour électrolyseur EHT ou pour pile à combustible de type SOFC selon un premier mode de l'invention montrant la configuration des étanchéités, des contacts électriques et de la distribution des gaz au sein de l'empilement,
la figure 5 est une vue schématique de détail en coupe de la figure 4, montrant la configuration avantageuse du dispositif d'isolation et d'étanchéité entre l'intérieur et l'extérieur d'un module selon l'invention,
la figure 6 est une reproduction photographique d'un dispositif d'étanchéité adapté pour réaliser l'étanchéité entre l'intérieur et l'extérieur d'un module selon l'invention,
- la figure 7A est une reproduction photographique montrant le dessous d'un interconnecteur supérieur d'un module selon l'invention, avant son assemblage avec l'interonnecteur inférieur représenté aux figures 7B et 7C, les figures 7B et 7C sont des reproductions photographiques montrant le dessus d'un interconnecteur inférieur d'un module selon l'invention, respectivement avant et après mise en place des étanchéités,
les figures 8 A et 8B sont des vues de simulation numérique d'un interconnecteur selon l' invention respectivement dépourvue et munie d'une gorge de distribution radiale d'un gaz réactif entre son conduit d'amenée axial et son conduit de récupération en périphérie,
la figure 9 est une vue en éclaté d'un mode de réalisation d'un module selon l'invention pour un réacteur EHT,
- la figures 10, est une vue en coupe d'un module assemblé selon la figure
9, la coupe étant réalisée respectivement dans le plan de circulation du gaz d'équilibrage, la figure 11 est une vue de détail de la figure 10, montrant le passage du gaz d'équilibrage dans les gorges de logement du dispositif d'isolation et d'étanchéité entre l'intérieur et l'extérieur d'un module selon l'invention,
- les figures 12 et 13 sont des vues en coupe d'un module assemblé selon la figure 9, la coupe étant réalisée respectivement dans le plan de circulation de la vapeur d'eau amenée et de l'hydrogène produit, et dans le plan de circulation de l'air amené et l'oxygène produit,
- la figure 14 est une vue en éclaté d'un mode de réalisation d'un réacteur d'électrolyse EHT à empilement de deu modules selon l' invention,
- les figures 15, 16 et 17 sont des vues en coupe d'un module assemblé selon la figure 14, la coupe étant réalisée respectivement dans le plan de ci culation de l'air amené et l'oxygène produit, dans le plan de ci culation de la vapeur d'eau amenée et de l'hydrogène produit, et enfin dans le plan de circulation du gaz d'équilibrage,
- la figu e 18 est une vue du dessous d'un réacteur d'électrolyse selon les figures 14 à 17.
Les figures 1 à 3 relatives à l'état de l'art ont déjà été commentées en préambule. Elles ne sont donc pas détaillées ci-après.
Par souci de clarté, les mêmes éléments d'un réacteur d'électrolyse EHT selon l'état de l'art et d'un réacteur d'électrolyse EHT selon l'invention sont désignés par les mêmes références numériques. On précise ici dans l'ensemble de la présente demande, les termes « inférieur », « supérieur », « dessus », « dessous », « intérieur », « extérieur », « « interne » « externe» sont à comprendre par référence à un interconnecteur selon l'invention en vue de coupe transversale selon l'axe de symétrie X.
On précise également que les modules d'électrolyseurs ou de piles à combustible décrits sont de type à oxydes solides (SOEC, acronyme anglais de « Solid Oxyde Electrolyte Cell »ou SOFC, acronyme anglais de « Solid Oxide Fuel Cell ») fonctionnant à haute température. Ainsi, tous les constituants (anode/électrolyte/cathode) d'une cellule d'électrolyse ou de pile sont des céramiques. La haute température de fonctionnement d'un électrolyseur (réacteur d'électrolyse) ou d'une pile est typiquement comprise entre 600°C et 1000°C. Typiquement, les caractéristiques d'une cellule d'électrolyse élémentaire SOEC convenant à l'invention, du type cathode support (CSC), peuvent être celles indiquées comme suit dans le tableau 2 ci-dessous.
TABLEAU 2
Cellule d'électrolyse Unité Valeur
Cathode 2
Matériau constitutif Ni-YSZ
Epaisseur μπα 315
Conductivité thermique W m"1 K 1 13,1
Conductivité électrique Ω 1 m"1 105
Porosité 0,37
Perméabilité m2 io-13
Tortuosité 4
Densité de courant A.m"2 5300
Anode 4
Matériau constitutif LSM
Epaisseur μπα 20
Conductivité thermique W m"1 K 1 9,6
Conductivité électrique Ω 1 m"1 1 104
Porosité 0,37
Perméabilité m2 io-13 Tortuosité 4
Densité de courant A.m"2 2000
Electrolvte 3
Matériau constitutif YSZ
Epaisseur μηι
Résistivité Ω m 0,42
La figure 4 montre en vue de coupe schématique un module Ml destiné à former le motif élémentaire d'un électrolyseur de vapeur d'eau EHT conforme à l'invention.
Le module Ml comporte une cellule (Cl) électrochimique élémentaire de forme axisymétrique autour d'un axe central X, la cellule étant formée d'une cathode, d'une anode, et d'un électrolyte intercalé entre la cathode et l'anode, deux interconnecteurs électrique et fluidique 5.1, 5.2 de part et d'autre de la cellule.
Les deux interconnecteurs 5.1, 5.2 sont réalisés chacun en une seule pièce métallique, de préférence en acier ferritique à environ 20% de chrome, de préférence en CROFER® 22APU ou le F18TNb, ou à base Nickel de type Inconel® 600 ou Haynes®.
L' interconnecteur supérieur 5.1 est percé d'un conduit 50 d'amenée de la vapeur d'eau, débouchant selon l'axe central sur la cellule du côté de la cathode. Comme expliqué par la suite, il est prévu une distribution radiale de la vapeur d'eau amenée et de l'hydrogène produit jusqu'à un conduit 59 de récupération de l'hydrogène produit, débouchant parallèlement à l'axe central à la périphérie de la cellule du côté de la cathode.
L' interconnecteur inférieur 5.2 est percé d'un conduit 51 d'amenée de gaz drainant, tel que l'air, débouchant selon l'axe central sur la cellule du côté de l'anode. Comme expliqué par la suite, il est prévu une distribution radiale de l'air amené et de l'oxygène produit jusqu'à un conduit 54 de récupération de l'oxygène produit, débouchant parallèlement à l'axe central à la périphérie de la cellule du côté de l'anode.
Un premier joint d'étanchéité 61 de forme axisymétrique autour de l'axe central X, est agencé à la périphérie de la cellule élémentaire Cl et en appui à la fois contre chacun des deux interconnecteurs. Ce joint est prévu pour réaliser l'étanchéité autour du compartiment cathodique.
Un deuxième joint d'étanchéité 63 de forme axisymétrique autour de l'axe central, est agencé à la périphérie de l'anode de la cellule élémentaire et en appui à la fois contre interconnecteur inférieur et contre l'électrolyte. Ce joint est prévu pour réaliser l'étanchéité autour du compartiment anodique. Les joints d'étanchéité 61 et 63 sont à base de verre et/ou de vitrocéramique, comme détaillé plus loin.
Selon l'invention, un dispositif d'isolation électrique et d'étanchéité 8 de forme axisymétrique autour de l'axe central X est agencé à la périphérie du premier joint d'étanchéité autour du compartiment cathodique.
Le dispositif 8 est constitué d'une rondelle 80 isolante électriquement formant une cale, enserrée par des troisième et quatrième joints d'étanchéité métalliques 81, 82 sans contact l'un avec l'autre. Chacun de ces troisième et quatrième joints 81, 82 est métallique et en appui respectivement contre interconnecteur supérieur et inférieur.
L' interconnecteur inférieur 5.2 est percé d'au moins un conduit d'amenée 58 d'un gaz, dit gaz d'équilibrage, et d'au moins un conduit de récupération 58 de ce gaz d'équilibrage débouchant sur l'espace annulaire E délimité entre le joint 61 et le dispositif 8 de sorte à réaliser une distribution annulaire du gaz d'équilibrage afin d'équilibrer les pressions de part et d'autre du premier joint d'étanchéité 61 lors du fonctionnement.
Le dispositif 8 est adapté pour résister à un différentiel de pressions important entre la pression du gaz d'équilibrage, que l'on amène à la valeur la plus proche possible de la pression de fonctionnement du réacteur EHT, typiquement de 10 à 30 bars et la pression extérieure au module, typiquement 1 bar. La rondelle isolante 80 permet d'éviter tout court-circuit entre interconnecteur inférieur 5.2 et interconnecteur supérieur 5.1. Enfin, les joints métalliques sont adaptés pour présenter des dilatations compatibles avec les matériaux des interconnecteurs, notamment les interconnecteurs à base d'acier inoxydable ferritique.
Selon une variante illustrée en figures 5 et 6, la rondelle ou cale 80 isolante est en zircone et les deux joints métalliques 81, 82 sont à base d'alliage comprenant du chrome et du fer, par exemple en Fecralloy® .
Le joint métallique supérieur 81 comporte sur chacune de ses faces une saillie 83, 84 de section transversale triangulaire.
Le joint métallique inférieur 82 est identique à celui supérieur 81 et comporte sur chacune de ses faces une saillie 85, 86 de section transversale triangulaire. Ainsi, la forme de la section transversale de chaque joint 81, 82 qui réalise l'appui respectivement avec la rondelle 80 et l'un des interconnecteurs 5.1, 5.2 est une forme générale en losange.
Le sommet de ces saillies triangulaires 83 à 86 est adapté pour se déformer par appui respectivement sur la rondelle isolante 80 et sur le premier 5.1 ou sur le deuxième 5.2 interconnecteur, afin d'établir l'étanchéité à la fois sur la rondelle isolante et sur chaque interconnecteur. Ainsi, lors du serrage par compression d'un réacteur EHT comportant le module Ml, les saillies triangulaires 83 à 86 en matériau ductile permettent de concentrer les déformations de compression, ce qui évite d'avoir une compression excessive de l'ensemble du dispositif d'isolation et d'étanchéité 8.
Cette variante permet l'établissement de l'étanchéité recherchée sous différentiel de pressions important avec une relative faible charge de compression.
Typiquement, la charge de compression est égale à une valeur de 5 à 10N/mm de joint augmentée d'une valeur de compensation de l'effet de fond dû à la pression. Cette charge de compression correspond au serrage du joint pour obtenir l'étanchéité sans pression et le maintien de ce serrage pour tous les niveaux de pression. En effet, la pression en fonctionnement va générer un effort de desserrage d'une valeur F égale à la pression multipliée par la surface du disque sur lequel s'applique la pression. Ainsi, cet effort de desserrage doit être compensé par la valeur de compensation sinon les deux interconnecteurs se séparent l'un de l'autre.
Les figures 7 A à 7C et 9 à 13 montrent un mode de réalisation d'un module selon l'invention.
On précise ici que les bouchons (B) montrés sur ces figures servent à rendre étanche par soudage les percements réalisés dans les composants d' interconnecteurs pour délimiter les conduits d'amenée et de récupération des gaz. Mais, une fois les interconnecteurs finis, ils n'ont pas de fonction dans le fonctionnement d'un réacteur EHT conforme à l'invention.
En plus de ce qui a déjà été décrit, interconnecteur supérieur 5.1 est percé d'un conduit d'amenée latéral 52 débouchant dans le conduit 50 d'amenée central, comme visible en figures 7A et 12. L' interconnecteur supérieur comprend également une gorge annulaire 53 pour recevoir le joint métallique supérieur 81 et la cale isolante 80
(figures 7 A, 10 et 11). L' interconnecteur inférieur 5.2 comporte quant à lui une portée sur laquelle est positionnée à la fois le deuxième joint 63 et la cellule élémentaire. De la périphérie immédiate de la cellule vers l'extérieur, interconnecteur inférieur 5.2 comprend une gorge annulaire 54 pour l'écoulement radial du mélange H2O/H2, une surface plane et une autre gorge annulaire 55 concentrique de celle autour de la cellule pour recevoir le dispositif d'étanchéité 8. La surface plane est percée d'un conduit d'amenée latéral destiné à être en communication avec le conduit d'amenée central 51 de interconnecteur supérieur 5.1, comme visible en figures 7B et 13.
Comme visible en figure 7C, la surface plane de interconnecteur inférieur sert de support au joint 61 et autour du conduit d'amenée latéral 56. Sur cette figure 7C, on voit que le joint 61 comprend de préférence une rondelle ou couronne en mica 610 présentant des fentes 611 dans laquelle un cordon en verre ou en vitrocéramique 612 est réalisé. Lors du serrage, ce cordon en verre ou en vitrocéramique 612 va couler dans les fentes 611 et ainsi créer une liaison bien adhérente entre les deux interconnecteurs 5.1 et 5.2 qui est en outre calée latéralement par la couronne en mica 610.
Comme visible en figure 14, en lieu et place d'un cordon 612 pénétrant dans les fentes 611, on peut envisager d'enserrer la couronne en mica 610 entre deux rondelles ou couronnes 613, 614 en vitrocéramique par ailleurs chacune en appui respectivement avec le premier 5.1 et le deuxième 5.2 interconnecteurs.
Enfin, sur cette figure 7C, on voit également que la rondelle isolante 80 fait saillie de interconnecteur inférieur 5.2, lorsque logée dans la gorge annulaire 55 de ce dernier.
Comme visible aux figures 10 et 11, interconnecteur inférieur est percé d'une gorge annulaire 55 débouchant dans les conduits d'amenée 58 et de récupération 58 du gaz d'équilibrage.
Chacun de ces conduits d'amenée 58 et de récupération 58 du gaz d'équilibrage débouche dans la gorge 55 de logement du dispositif d'étanchéité 8 (figures 10 et 11). Selon l'invention, on prévoit un jeu de montage latéral du dispositif d'étanchéité 8 dans les gorges 53, 55 respectivement de interconnecteur supérieur 5.1 et inférieur 5.2, qui est suffisant pour permettre le passage du gaz d'équilibrage dans l'espace annulaire (E) ainsi défini entre dispositif 8 et l'intérieur des gorges 53, 55. Comme on peut le voir en détail en figure 11, c'est le passage réalisé en fond de perçage du conduit d'amenée 58 à l'intérieur du dispositif d'étanchéité 8 qui permet l'arrivée du gaz d'équilibrage dans l'espace annulaire (E) et ainsi d'assurer la distribution annulaire de ce dernier. En quelque sorte, cette distribution annulaire du gaz d'équilibrage forme un rideau périphérique de gaz autour des compartiments de gaz réactifs, ce qui permet d'équilibrer les pressions.
Grâce à la présence des gorges 54, 57 de distribution des gaz réactifs sur interconnecteur inférieur 5.2, le module selon l'invention avec les deux interconnecteurs et la cellule en géométrie axisymétrique autour de l'axe X permet une alimentation homogène et radiale de la cellule en gaz réactifs quel que soit le niveau de pression.
Pour démontrer les avantages en fonctionnement d'un module Ml selon l'invention avec ces gorges comparativement à un module sans ces gorges, les inventeurs ont procédé à l'aide d'un logiciel du commerce, par exemple le logiciel dénommé « Fluent », à des simulations pour calculer l'homogénéité de distribution de gaz sur la cathode d'une cellule d'électrolyse.
Les figures 8A et 8B illustrent ces simulations par la vitesse d'écoulement respectivement sans et avec la gorge annulaire 54. On précise que les conditions d'entrée simulaient une vitesse d'écoulement dans le conduit d'amenée 50 pour un mélange à 90% d'H20 et 10% d'H2, à débit égal à 3,7 Nml/min, sous une pression de 15 bars et à 800°C.
Il ressort de ces figures qu'il est nécessaire d'introduire suffisamment de pertes de charge en amont du conduit de récupération 59 afin de garantir un écoulement homogène et radial. En effet, sur la figure 7A, on voit nettement que sans gorge, le mélange H20/H2 n'alimente que la zone de cellule comprise entre le conduit d'amenée central 50 et le conduit de sortie latéral 59. A contrario, avec une gorge 54 en périphérie, l'axisymétrie de la distribution sur la cellule est bien conservée.
Comme illustré en figure 9, le module Ml selon l'invention peut comporter avantageusement des grilles de contact électrique 9, 10 qui peuvent notamment avoir pour effet de compenser des défauts de planéité afin d'obtenir un meilleur contact électrique entre d'une part interconnecteur supérieur et la cathode et d'autre part entre interconnecteur inférieur et l'anode.
Avantageusement, comme visible en figure 9, le module Ml peut comprendre, à la périphérie du dispositif d'isolation et d'étanchéité 8, une couronne 13 isolante électriquement, du type en mica, la couronne 13 venant en appui sur toutes les zones où les deux surfaces périphériques des interconnecteurs 5.1 et 5.2 sont en regard l'une de l'autre.
On a représenté aux figures 14 à 18, un réacteur d'électrolyse EHT comportant deux modules Ml, M2 réalisés chacun comme celui décrit précédemment, empilés l'un sur l'autre.
Dans ce réacteur, interconnecteur inférieur 5.2 du module supérieur Ml et interconnecteur supérieur 5.2 du module inférieur M2 sont réalisés dans le même composant en alliage métallique.
Comme on peut le voir sur les figures 15 et 16, les différents perçages verticaux et horizontaux au travers des interconnecteurs 5.1 à 5.3 superposés, permettent de réaliser à la périphérie puis selon l'axe central X les conduits d'amenée respectivement d'air 51 (figure 15) et de vapeur d'eau 56, 50 (figure 16), et à la périphérie pour les conduits de récupération respectivement 54 de l'oxygène produit et 59 de l'hydrogène, pour chaque cellule d'électrolyse Cl, C2.
Comme on peut le voir sur la figure 17, les différents perçages verticaux au travers des interconnecteurs 5.1 à 5.3 superposés, permettent de réaliser à la périphérie les conduits d'amenée et de récupération 58 du gaz d'équilibrage autour de chaque cellule d'électrolyse Cl, C2.
Selon un mode de réalisation avantageux, le module ou le réacteur selon l'invention intègre un boulon 11 monté traversant dans des logements réalisés dans les interconnecteurs. Comme visible en figures 10 et 17, la tête 110 du boulon 11 traversant repose dans un logement d'un interconnecteur d'extrémité 5.2 ou 5.3 et un écrou 111 vissé sur le boulon traversant fait saillie sur l'autre interconnecteur d'extrémité 5.1, l'écrou 111 étant en appui indirectement par le biais d'une rondelle 112 sur un manchon 12 isolant électrique monté dans le logement de interconnecteur supérieur 5.2 ou 5.1. Le boulon 11 interdit l'ouverture intempestive de chaque module lors du fonctionnement sous pression, ce qui assure une sécurité de fonctionnement mais pas le serrage par compression de chaque cellule entre les interconnecteurs. Le serrage, garant de l'étanchéité et du contact électrique est par ailleurs réalisé en appliquant un effort de compression bien adapté d'un interconnecteur sur l'autre. Les chaînes de côtes de tous les composants des modules sont déterminées pour garantir un écrasement des joints d'étanchéité 81, 82 en périphérie, ainsi que celui éventuel des grilles de contact électrique 9, 10. Typiquement, l'écrasement réalisé par serrage est de quelques dizaines de microns. Bien entendu, on veille à ce que l'effort de serrage par compression soit ajusté lors de la montée en pression à l'intérieur du module selon l'invention.
Enfin, plusieurs tuyaux sont connectés aux différents conduits d'amenée et de récupération des gaz réalisés dans les interconnecteurs de la façon suivante :
- un tuyau d'amenée latérale 14 du gaz d'équilibrage est connecté sur le conduit d'amenée latérale 58 de interconnecteur inférieur 5.2 ou 5.3, tandis qu'un tuyau de récupération 15 du gaz d'équilibrage est connecté sur le conduit de récupération latérale
58 de l'interconnecteur inférieur (figures 10, 17 et 18) ;
- un tuyau d'amenée centrale de l'air 16 est connecté sur le conduit d'amenée central de l'interconnecteur inférieur 5.2 ou 5.3 (figures 12, 13, 15 et 18), tandis qu'un tuyau de récupération 19 de l'oxygène produit est connecté sur la gorge annulaire 57 de l'interconnecteur inférieur 5.2 ou 5.3 (figures 12, 13, 15 et 18) ;
- un tuyau d'amenée centrale de la vapeur d'eau 17 est connecté sur le conduit d'amenée latéral de l'interconnecteur inférieur 5.2 ou 5.3 lui-même débouchant sur celui de l'interconnecteur supérieur 5.1 (figures 13, 16 et 18), tandis qu'un tuyau de récupération 18 de l'hydrogène produit est connecté sur le conduit de récupération latérale
59 de l'interconnecteur inférieur (figures 13, 16 et 18).
On décrit maintenant le fonctionnement d'un réacteur d'électrolyse EHT comprenant plusieurs modules selon l'invention qui viennent d'être décrits, les modules étant empilés les uns sur les autres, comme celui représenté aux figures 14 à 18.
On alimente le tuyau 17 en vapeur d'eau et donc les conduits d'amenée en vapeur d'eau 56, 52 et 50 et simultanément le tuyau 14 en gaz d'équilibrage et donc le conduit d'amenée 58 et l'espace annulaire E, la pression de la vapeur d'eau amenée étant sensiblement égale à celle du gaz d'équilibrage.
Simultanément également, on alimente le tuyau 16 en air, en tant que gaz drainant, et donc le conduit d'amenée 51, la pression de l'air amené étant sensiblement égale à celle du gaz d'équilibrage.
La vapeur d'eau distribuée radialement depuis le conduit d'amenée 50 et l'hydrogène produit par l'électrolyse de la vapeur d'eau, circule dans la gorge annulaire 54 puis est récupéré radialement dans le conduit de récupération 59 et donc par le tuyau de récupération 18 (figures 12 et 16). Le gaz d'équilibrage circule dans l'espace annulaire E et est récupéré dans le conduit de récupération 58 et donc par le tuyau de récupération 15 (figures 10 et 17).
L'air distribué radialement depuis le conduit d'amenée 51 et l'oxygène produit par l'électrolyse de la vapeur d'eau circule radialement dans la gorge annulaire 57 puis est récupéré par le tuyau de récupération 19 (figures 13 et 15).
Dans le module Ml ou le réacteur à empilement de modules Ml, M2 selon l'invention, aucun courant d'alimentation ne traverse l'ensemble des tuyaux 14 à 19.
D'autres variantes et avantages de l'invention peuvent être réalisés sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
Par exemple, on peut prévoir de percer l'un ou l'autre des deux interconnecteurs d'un module pour y faire passer des moyens d'instrumentation, tels qu'un thermocouple (T) comme montré en figure 12.
Bien que décrite pour une électrolyse de l'eau à haute température, le module Ml selon l'invention ou le réacteur à empilement de modules Ml, M2 peut tout aussi bien être utilisé pour une co-électrolyse de vapeur d'eau mélangée soit avec du dioxyde de carbone soit du dioxyde d'azote.
Bien que décrite pour une électrolyse de l'eau à haute température, le module Ml selon l'invention ou le réacteur à empilement de modules Ml, M2 peut tout aussi bien être utilisé en tant que pile à combustible SOFC. Dans ce cas, on alimente les tuyaux d'amenée 17 en combustible, par exemple en hydrogène ou méthane, on alimente toujours les tuyaux 14 en gaz d'équilibrage et on alimente les tuyaux 16 en air ou en oxygène.
L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits ; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.

Claims

REVENDICATIONS
1. Module, destiné à former un motif élémentaire d'un réacteur d'électrolyse ou de co-électrolyse de type SOEC, comprenant:
- une cellule (Cl) électrochimique élémentaire formée d'une cathode (2.1), d'une anode (4.1), et d'un électrolyte (3.1) intercalé entre la cathode et l'anode,
- un premier (5.1) et un deuxième (5.2) dispositif formant chacun un interconnecteur électrique et fluidique, constitué chacun d'un composant en matériau conducteur électronique et étanche aux gaz; les premier et deuxième interconnecteurs étant agencés de part et d'autre de la cellule élémentaire; le premier interconnecteur (5.1) étant percé d'un conduit d'amenée de la vapeur d'eau (50), débouchant sur la cellule du côté de la cathode (2.1) et, d'un conduit de récupération de l'hydrogène produit (59), débouchant à la périphérie de la cellule du côté de la cathode de sorte à réaliser une distribution homogène respectivement de la vapeur d'eau amenée et de l'hydrogène produit, depuis le conduit d'amenée jusqu'au conduit de récupération; le deuxième interconnecteur (5.2) étant percé d'un conduit de récupération de l'oxygène produit (57), débouchant à la périphérie de la cellule du côté de l'anode (4.1) de sorte à réaliser une distribution homogène de l'oxygène produit jusqu'au conduit de récupération;
- un premier joint d'étanchéité (61) agencé à la périphérie de la cellule élémentaire et en appui à la fois contre le premier interconnecteur et contre le deuxième interconnecteur;
- un deuxième joint d'étanchéité (63) agencé à la périphérie de l'anode de la cellule élémentaire et en appui à la fois contre le deuxième interconnecteur et contre Γ électrolyte ; les premier et deuxième joints d'étanchéité étant à base de verre et/ou de vitrocéramique ;
- un dispositif d'isolation et d'étanchéité (8) constitué d'une rondelle isolante électriquement (80) enserrée par un troisième (81) et un quatrième (82) joints d'étanchéité sans contact l'un avec l'autre, les troisième et quatrième joints d'étanchéité étant métalliques, le dispositif étant agencé à la périphérie du premier joint d'étanchéité avec les troisième et quatrième joints en appui respectivement contre le premier et contre le deuxième interconnecteur;
module dans lequel le premier et/ou le deuxième interconnecteurs est (sont) percé(s) d'au moins un conduit d'amenée (58) et d'au moins un conduit de récupération d'un gaz, dit gaz d'équilibrage, débouchant chacun sur l'espace annulaire (E) délimité entre le premier joint (61) et le dispositif d'isolation et d'étanchéité (8) de sorte à réaliser une distribution homogène du gaz d'équilibrage depuis son conduit d'amenée jusqu'à son conduit de récupération, afin d'équilibrer les pressions de part et d'autre du premier joint d'étanchéité lors du fonctionnement en pression du réacteur.
2. Module selon la revendication 1, le deuxième interconnecteur (5.2) étant percé d'un conduit d'amenée de gaz drainant (51), tel que l'air, sur la cellule du côté de l'anode de sorte à réaliser une distribution homogène respectivement du gaz drainant amené et de l'oxygène produit, depuis le conduit d'amenée (51) jusqu'au conduit de récupération (57).
3. Module, destiné à former un motif élémentaire d'une pile à combustible de type SOFC, comprenant:
- une cellule (Cl) électrochimique élémentaire formée d'une cathode (2), d'une anode (4), et d'un électrolyte (3) intercalé entre la cathode et l'anode,
- un premier (5.1) et un deuxième (5.2) dispositif formant chacun un interconnecteur électrique et fluidique, constitué chacun d'un composant en matériau conducteur électronique et étanche aux gaz ; les premier et deuxième interconnecteur étant agencés de part et d'autre de la cellule élémentaire ; le premier interconnecteur étant percé d'un conduit d'amenée de combustible (50), débouchant sur la cellule du côté de l'anode (4.1) et, d'un conduit de récupération de l'eau produite, à la périphérie de la cellule du côté de l'anode de sorte à réaliser une distribution homogène respectivement du combustible amené et de l'eau produite, depuis le conduit d'amenée jusqu'au conduit de récupération; le deuxième interconnecteur étant percé d'un conduit d'amenée d'air ou d'oxygène, débouchant sur la cellule du côté de la cathode (2.1) et, d'un conduit de récupération du surplus d'air ou d'oxygène, débouchant à la périphérie de la cellule du côté de la cathode de sorte à réaliser une distribution homogène de l'air ou de l'oxygène, depuis le conduit d'amenée jusqu'au conduit de récupération;
- un premier joint d'étanchéité (61) agencé à la périphérie de la cellule élémentaire et en appui à la fois contre le premier interconnecteur et contre le deuxième interconnecteur;
- un deuxième joint d'étanchéité (63) agencé à la périphérie de la cathode de la cellule élémentaire et en appui à la fois contre le deuxième interconnecteur et contre l'électrolyte ; les premier et deuxième joints d'étanchéité étant à base de verre et/ou de vitrocéramique ;
- un dispositif d'isolation et d'étanchéité (8) constitué d'une rondelle isolante électriquement (80) enserrée par un troisième (81) et un quatrième (82) joints d'étanchéité sans contact l'un avec l'autre, les troisième et quatrième joints d'étanchéité étant métalliques, le dispositif étant agencé à la périphérie du premier joint d'étanchéité avec les troisième et quatrième joints en appui respectivement contre le premier et contre le deuxième interconnecteur;
module dans lequel le premier et/ou le deuxième interconnecteurs est (sont) percé(s) d'au moins un conduit d'amenée (58) et d'au moins un conduit de récupération (58) d'un gaz, dit gaz d'équilibrage, débouchant sur l'espace annulaire (E) délimité entre le premier joint (61) et le dispositif d'isolation et d'étanchéité (8) de sorte à réaliser une distribution homogène du gaz d'équilibrage depuis son conduit d'amenée jusqu'à son conduit de récupération, afin d'équilibrer les pressions de part et d'autre du premier joint d'étanchéité lors du fonctionnement en pression de la pile.
4. Module selon l'une des revendications précédentes, le premier et/ ou le deuxième interconnecteur comprenant une première gorge (54) réalisée entre le premier joint (61) et la cellule (Cl), le conduit d'amenée (50) du premier interconnecteur étant en communication avec la première gorge (54) de sorte à réaliser la distribution homogène de la vapeur d'eau amenée et de l'hydrogène produit ou du combustible amené et de l'eau produite, jusqu'au conduit de récupération du premier interconnecteur.
5. Module selon l'une des revendications précédentes, le deuxième interconnecteur (5.2) comprenant une deuxième gorge (57) réalisée à l'intérieur d'une zone délimitée par le deuxième joint (63), le conduit d'amenée (51) du deuxième interconnecteur étant en communication avec la deuxième gorge (57) de sorte à réaliser la distribution homogène de l'oxygène produit ou de l'air amené, jusqu'au conduit de récupération (57) du deuxième interconnecteur.
6. Module selon l'une des revendications précédentes, le premier et/ ou le deuxième interconnecteur comprenant une troisième gorge (53, 55) réalisée à la périphérie des interconnecteurs et dans laquelle sont agencés le troisième (81) ou le quatrième (82) joints et la rondelle isolante (80), l'agencement étant tel que la rondelle isolante fait saillie de la troisième gorge (53, 55).
7. Module selon l'une des revendications précédentes, la cellule électrochimique élémentaire (Cl), les premier (5.1) et deuxième (5.2) interconnecteurs, les premier (61) et deuxième (63) joints d'étanchéité ainsi que le dispositif d'isolation et d'étanchéité (8) étant de forme axisymétrique autour d'un axe central (X), les conduits d'amenée de gaz réactifs (50) (vapeur d'eau ou de combustible) et (51) (gaz drainant (51), tel que l'air, ou d'air ou oxygène) débouchant selon l'axe central (X).
8. Module selon l'une des revendications précédentes, le dispositif d'étanchéité étant constitué d'une rondelle isolante (80) à section transversale carrée ou rectangulaire et de troisième (81) et quatrième joints (82) comportant, sur chacune de leurs faces une ou plusieurs saillies, de préférence de section transversale triangulaire, le sommet des saillies étant adapté pour se déformer par appui respectivement sur la rondelle isolante et sur le premier ou sur le deuxième interconnecteur, afin d'établir l'étanchéité à la fois sur la rondelle isolante et sur chaque interconnecteur.
9. Module selon l'une des revendications 1 à 8, le dispositif d'étanchéité étant constitué d'une rondelle isolante (80) à base d'oxyde de zirconium (zircone) et de troisième (81) et quatrième (82) joints à base d'alliage Fer-Chrome-Aluminium de type Fecralloy®.
10. Module selon l'une des revendications 1 à 9, le premier joint d'étanchéité est constitué d'une rondelle en mica présentant des fentes (611), la rondelle en mica (610) étant enserrée entre deux rondelles (613, 614) en vitrocéramique chacune en appui respectivement avec le premier et le deuxième interconnecteurs.
11. Module selon l'une des revendications précédentes, comprenant des éléments de contact électrique, de préférence des grilles métalliques (9, 10), entre chacune des électrodes et l'un ou l'autre des interconnecteurs.
12. Module selon l'une des revendications précédentes, le composant métallique du premier et/ou le deuxième interconnecteur étant en acier ferritique à environ 20% de chrome, de préférence en CROFER® 22APU ou le F18TNb, ou à base Nickel de type Inconel® 600 ou Haynes® 230®.
13. Réacteur d'électrolyse ou de co-électrolyse EHT, de type SOEC comportant un empilement d'une pluralité de modules (Ml, M2) selon l'une des revendications 1 à 2 et 4 à 12.
14. Pile à combustible de type SOFC comportant un empilement d'une pluralité de modules (Ml, M2) selon l'une des revendications 3 à 12.
15. Réacteur d'électrolyse ou de co-électrolyse EHT selon la revendication 13, ou pile SOFC selon la revendication 14, comprenant des moyens mécaniques d'assemblage (11) des interconnecteurs entre eux adaptés pour empêcher l'ouverture des modules mais pas pour serrer par compression un interconnecteur sur l'autre.
16. Réacteur d'électrolyse ou de co-électrolyse EHT, ou pile SOFC selon la revendication 15, les moyens mécaniques d'assemblage comprenant un ou plusieurs boulons (11) montés traversants dans des logements réalisés dans les interconnecteurs, la tête (110) de chaque boulon traversant reposant dans un logement d'un des interconnecteurs d'extrémité (5.1) de l'empilement et un écrou (111) vissé sur le boulon traversant faisant saillie de l'autre des interconnecteurs d'extrémité de l'empilement (5.3), la tête et/ou l'écrou étant en appui directement ou indirectement sur un manchon isolant électrique (12) monté dans au moins un des logements.
17. Procédé de fonctionnement d'un réacteur d'électrolyse ou de co- électrolyse EHT selon la revendication 13 ou l5 à l6 selon lequel :
- on alimente les conduits d'amenée (50) du premier interconnecteur (5.1) en vapeur d'eau ou en mélange de vapeur d'eau et un autre gaz choisi parmi le dioxyde de carbone et le dioxyde d'azote et simultanément les conduits d'amenée (58) en gaz d'équilibrage, la pression de la vapeur d'eau ou du mélange amené(e) étant sensiblement égale à celle du gaz d'équilibrage ;
- on récupère l'hydrogène ou l'hydrogène et le monoxyde de carbone ou d'azote produit(s) par électrolyse ou co-électrolyse de la vapeur d'eau et simultanément le gaz d'équilibrage, dans leur conduit de récupération respectif (59, 58).
18. Procédé de fonctionnement selon la revendication 17, selon lequel on alimente les conduits d'amenée (51) du deuxième interconnecteur (5.2) en gaz drainant, tel que l'air, la pression du gaz drainant amené étant sensiblement égale à celle du gaz d'équilibrage et on récupère l'oxygène produit.
19. Procédé de fonctionnement d'une pile à combustible SOFC selon l'une des revendications 14 à 16 selon lequel : - on alimente les conduits d'amenée du premier interconnecteur en combustible, tel que l'hydrogène ou du méthane, et simultanément les conduits d'amenée en gaz d'équilibrage;
- on alimente les conduits d'amenée du deuxième interconnecteur en air ou oxygène, la pression du combustible et de l'air ou oxygène amenés étant sensiblement égale à celle du gaz d'équilibrage ;
- on récupère le surplus de combustible, le gaz d'équilibrage, l'eau produite d'une part et le surplus d'air ou d'oxygène d'autre part, dans leur conduit de récupération respectif.
20. Procédé de fonctionnement selon l'une des revendications 17 à 19, selon lequel on règle la température du gaz d'équilibrage de sorte que ce dernier régule la température de fonctionnement du réacteur d'électrolyse ou de co-électrolyse EHT ou de la pile à combustible SOFC.
21. Procédé de fonctionnement selon l'une des revendications 17 à 20, selon lequel le gaz d'équilibrage est de l'air, un gaz neutre, de l'hydrogène et/ou de la vapeur d'eau.
22. Procédé de fonctionnement selon la revendication 21, selon lequel :
- on détecte des fuites éventuelles du combustible ou des produits, alimentant ou sortant du réacteur d'électrolyse/co-électrolyse ou de la pile à combustible SOFC par analyse du débit du mélange de gaz d'équilibrage à la sortie de son conduit de récupération (58), puis
- on règle alors le débit d'air en tant que gaz d'équilibrage en entrée de son conduit d'alimentation afin de brûler les fuites détectées.
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