WO2023057720A1 - Système de conditionnement d'une pluralité d'empilements de cellules à oxydes solides de type soec/sofc à haute température superposés - Google Patents

Système de conditionnement d'une pluralité d'empilements de cellules à oxydes solides de type soec/sofc à haute température superposés Download PDF

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WO2023057720A1
WO2023057720A1 PCT/FR2022/051881 FR2022051881W WO2023057720A1 WO 2023057720 A1 WO2023057720 A1 WO 2023057720A1 FR 2022051881 W FR2022051881 W FR 2022051881W WO 2023057720 A1 WO2023057720 A1 WO 2023057720A1
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stacks
stack
force application
compression force
thermal enclosure
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PCT/FR2022/051881
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Julie Mougin
Stéphane DI IORIO
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Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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Definitions

  • the present invention relates to the general field of high temperature electrolysis (EHT), in particular the electrolysis of steam at high temperature (EVHT), designated by the English names “High Temperature Electrolysis” (HTE) and “High Temperature Steam Electrolysis” (HTSE), the electrolysis of carbon dioxide (CO2), or even the co-electrolysis of water vapor and carbon dioxide (CO2) at high temperature.
  • EHT high temperature electrolysis
  • HTE High Temperature Electrolysis
  • HTSE High Temperature Steam Electrolysis
  • CO2 carbon dioxide
  • CO2 co-electrolysis of water vapor and carbon dioxide
  • the invention relates to the field of high-temperature solid oxide electrolyzers, usually designated by the acronym SOEC (for “Solid Oxide Electrolysis Cell”).
  • SOEC Solid Oxide Electrolysis Cell
  • SOFC Solid Oxide Fuel Cells
  • the invention refers to the field of stacks of solid oxide cells of the SOEC/SOFC type operating at high temperature.
  • the invention relates to a system for conditioning a plurality of stacks of superposed SOEC/SOFC type solid oxide cells operating at high temperature, allowing the simultaneous conditioning of the stacks.
  • the aim is to transform, by means of an electric current, within the same electrochemical device, water vapor (H2O) into dihydrogen (H2) and dioxygen (O2), and/or to transform carbon dioxide (CO2) into carbon monoxide (CO) and oxygen (O2).
  • H2O water vapor
  • O2O dihydrogen
  • CO2 carbon dioxide
  • CO carbon monoxide
  • O2 oxygen
  • the operation is reversed to produce an electric current and heat by being supplied with dihydrogen (H2) or other fuels such as methane ( CH4), natural gas, biogas, and oxygen (O2), typically in air.
  • the following description favors the operation of a high-temperature solid oxide electrolyser of the SOEC type carrying out the electrolysis of water vapour.
  • this operation is applicable to the electrolysis of carbon dioxide (CO2), or even the co-electrolysis of high temperature steam (EHT) with carbon dioxide (CO2).
  • this operation can be transposed to the case of a high temperature solid oxide fuel cell of the SOFC type.
  • a high temperature solid oxide electrolyser of the SOEC type consists of a stack of elementary units each comprising an electrolysis cell at solid oxide, or even electrochemical cell, made up of three anode/electrolyte/cathode layers superimposed one on the other, and interconnection plates made of metal alloys, also called bipolar plates or interconnectors. Each electrochemical cell is sandwiched between two interconnecting plates.
  • a high temperature solid oxide electrolyser of the SOEC type is then an alternating stack of electrochemical cells and interconnectors.
  • a high-temperature solid oxide fuel cell of the SOFC type consists of the same type of stacking of elementary units.
  • each electrochemical cell corresponds to an electrolyte/electrode assembly, which is typically a multilayer ceramic assembly, the electrolyte of which is formed by a central ion-conducting layer, this layer being solid, dense and sealed, and sandwiched between the two porous layers. forming the electrodes. It should be noted that additional layers may exist, but which only serve to improve one or more of the layers already described.
  • the interconnection devices are electronic conductors which ensure, from an electrical point of view, the connection of each electrochemical cell of elementary pattern in the stack of elementary patterns, guaranteeing the electrical contact between a face and the cathode of a cell and between the other face and the anode of the following cell, and from a fluidic point of view, the supply of reagents and the evacuation of the products for each of the cells.
  • the interconnectors thus ensure the functions of supplying and collecting electric current and delimiting gas circulation compartments, for distribution and/or collection.
  • the main function of the interconnectors is to ensure the passage of electric current but also the circulation of gases in the vicinity of each cell (namely: injected steam, extracted hydrogen and oxygen for EHT electrolysis; air and fuel including injected hydrogen and extracted water for a SOFC cell), and to separate the anode and cathode compartments of two adjacent cells, which are the gas circulation compartments on the anode and cathode side respectively of the cells.
  • gases namely: injected steam, extracted hydrogen and oxygen for EHT electrolysis; air and fuel including injected hydrogen and extracted water for a SOFC cell
  • the cathode compartment contains water vapor and hydrogen, the product of the electrochemical reaction, while the anode compartment contains a draining gas, if present, and oxygen, another product of the electrochemical reaction.
  • the anode compartment contains the fuel, while the cathode compartment contains the oxidizer.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • air oxygen
  • H2 dihydrogen
  • FIG. 1 represents a schematic view showing the principle of operation of a high-temperature solid oxide electrolyser of the SOEC type.
  • the function of such an electrolyser is to transform water vapor into hydrogen and oxygen according to the following electrochemical reaction:
  • each elementary electrolysis cell 1 is formed of a cathode 2 and an anode 4, placed on either side of a solid electrolyte 3.
  • the two electrodes (cathode and anode) 2 and 4 are electronic and/or ionic conductors, made of porous material, and the electrolyte 3 is gastight, electronic insulator and ionic conductor.
  • the electrolyte 3 may in particular be an anionic conductor, more precisely an anionic conductor of O 2- ions and the electrolyzer is then called an anionic electrolyzer, as opposed to protonic electrolytes (H + ).
  • the electrochemical reactions take place at the interface between each of the electronic conductors and the ionic conductor.
  • the electrolyte 3, inserted between the two electrodes 2 and 4, is the site of migration of the O 2- ions 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 can be accompanied by hydrogen H 2 and the hydrogen produced and recovered at the outlet can be accompanied by water vapor.
  • a draining gas such as air, can also be injected at the inlet on the anode side to evacuate the oxygen produced.
  • the injection of a draining gas has the additional function of acting as a thermal regulator.
  • An elementary electrolyser, or electrolysis reactor consists of an elementary cell as described above, with a cathode 2, an electrolyte 3, and an anode 4, and two interconnectors which ensure the functions of electrical distribution and fluidic.
  • a SOEC-type high-temperature solid oxide electrolyser thus comprises at least one, generally a plurality of electrolysis cells stacked on top of each other, each elementary cell being formed of an electrolyte, a cathode and a 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 electrical current supply and collection functions and delimit one or more gas circulation compartments.
  • the function of the so-called cathode compartment is the distribution of the electric current and of the water vapor as well as the recovery of the hydrogen at the cathode in contact.
  • the so-called anodic compartment has the function of distributing the electric current as well as recovering the oxygen produced at the anode in contact, possibly using a draining gas.
  • FIG. 2 represents an exploded view of elementary patterns of a high-temperature solid oxide electrolyser of the SOEC type according to the prior art.
  • This electrolyser comprises a plurality of elementary electrolysis cells Cl, C2, of the solid oxide cell (SOEC) type, stacked alternately with interconnectors 5.
  • Each cell Cl, C2 consists of a cathode 2.1, 2.2 and a anode (only the anode 4.2 of cell C2 is shown), between which an electrolyte is arranged (only the electrolyte 3.2 of cell C2 is shown).
  • the interconnector 5 is a metal alloy component which ensures the separation between the cathode 50 and anode 51 compartments, defined by the volumes comprised between the interconnector 5 and the adjacent cathode 2.1 and between the interconnector 5 and the adjacent anode 4.2 respectively. It also ensures the distribution of gases to the cells.
  • the injection of water vapor into each elementary pattern takes place in the cathode compartment 50.
  • the collection of the hydrogen produced and the residual water vapor at the cathode 2.1, 2.2 is carried out in the cathode compartment 50 downstream of the cell Cl, C2 after dissociation of the water vapor by the latter.
  • the collection of the oxygen produced at the anode 4.2 is carried out in the anode compartment 51 downstream of the cell C1, C2 after dissociation of the water vapor by the latter.
  • the interconnector 5 ensures the passage of current between the cells C1 and C2 by direct contact with the adjacent electrodes, that is to say between the anode 4.2 and the cathode 2.1.
  • SOEC solid oxide electrolyser
  • the gases entering and leaving a high temperature electrolysis (SOEC) or fuel cell stack (SOFC) operating at high temperature can be managed by means of devices such as that illustrated with reference to FIG. 3.
  • the device 13 thus comprises cold parts PF and hot parts PC, the latter comprising the furnace floor 11, the bell of the furnace 10, a looped tube 12 to manage the gas inlets and outlets and the stack 20, also called “ stack”, high temperature electrolysis (SOEC) or fuel cell (SOFC).
  • FIG. 4 makes it possible to illustrate an example of an assembly 80 comprising such a stack 20 or stack and a clamping system 60 thereof.
  • Such an assembly 80 may be as described in French patent application FR 3 045 215 Al.
  • the stack 20 comprises a plurality of electrochemical cells 41 each formed of a cathode, an anode and an electrolyte interposed between the cathode and the anode, and a plurality of intermediate interconnectors 42 each arranged between two adjacent electrochemical cells 41.
  • it comprises an upper end plate 43 and a lower end plate 44, respectively also called upper stack end plate 43 and lower stack end plate 44, between which the plurality of electrochemical cells 41 and the plurality of intermediate interconnectors 42 are enclosed, or between which is the stack.
  • the clamping system 60 includes an upper clamping plate 45 and a lower clamping plate 46, between which the stack 20 is clamped.
  • Each clamping plate 45, 46 has four clamping holes 54 through which clamp rods 55, or tie rods, extend. At the ends of these are provided clamping means 56, 57, 58.
  • the stacks 20 have a limited number of electrochemical cells 41.
  • the Applicant implements stacks 20 of a number of 25 electrochemical cells 41 of 100 cm 2 of active surface.
  • the conditioning step is done individually, each stack being placed alone in a conditioning bench.
  • the cycle applied makes it possible to carry out both the step of obtaining the seals and the step of reducing the electrochemical cells 41.
  • the cycle ends with various electrochemical measurements making it possible to characterize the performance of the stack, before it is supplied for use.
  • This reduction step can be a thermomechanical cycle under reducing gas for the hydrogen electrode and air or inert gas for the oxygen electrode.
  • This heat treatment step has for example been described in European patent application EP 2 870 650 Al.
  • the stacks 20 implemented to date generally use, at each of their stages, seals which must guarantee tightness between two gas circulation compartments, adjacent and distinct, ie an anode compartment and a cathode compartment. .
  • Such seals have been described in European patent application EP 3 078071 A1. These seals have the particularity of requiring thermal conditioning during which they collapse.
  • contact elements such as the layers described in patent application EP 2 900846 Al or the nickel grids, also crush during the thermal conditioning and during the operation of the stack 20, which guarantees their good installation.
  • the elements that serve as contact elements in the hydrogen chamber also crush.
  • the Applicant has considered making stacks with a greater number of electrochemical cells, typically more than 25 cells.
  • the displacement expected during the tightening of the stack can lead to mechanical problems of jamming of the bracing type on the guide rods. These blockages then prevent good thermal conditioning, and consequently normal operation of the stack.
  • the object of the invention is to at least partially remedy the needs mentioned above and the drawbacks relating to the embodiments of the prior art.
  • the subject of the invention is thus, according to one of its aspects, a system for conditioning a plurality of stacks of solid oxide cells of the SOEC/SOFC type operating at high temperature, each stack comprising a plurality of electrochemical cells each formed of a cathode, an anode and an electrolyte interposed between the cathode and the anode, and a plurality of intermediate interconnectors each arranged between two adjacent electrochemical cells, characterized in that the system comprises:
  • thermal enclosure defining an internal volume
  • - a plurality of support devices superimposed at least partially relative to each other, in particular totally, on each of which are positioned one or more stacks not superimposed relative to each other, in particular juxtaposed to each other, optionally at most a stack being positioned on each support device, - a plurality of devices for applying compressive force against one or more stacks, superimposed at least partially with respect to each other, in particular completely,
  • the invention it may thus be possible to condition several stacks or stacks at the same time, by placing them one above the other, possibly by groups of stacks one above the other, these groups of stacks being in particular juxtaposed stacks, in order to minimize the footprint of the conditioning benches on the ground, while allowing controlled mechanical tightening to be carried out independently for each stack, or each group.
  • the packaging system according to the invention may also include one or more of the following characteristics taken individually or in any possible technical combination.
  • At least two stacks can be juxtaposed on the same support device.
  • at least one compressive force application device can then be common to said at least two juxtaposed stacks.
  • the number of stacks to be stacked is not limited by design. However, in order to take into account the acceptable height of the conditioning bench, the number of stacks can preferably be between 2 and 20.
  • the thermal enclosure can consist of a furnace hearth, forming the lower horizontal wall of the thermal enclosure, an upper horizontal wall and side walls, together defining the internal volume.
  • one or more of the support devices may be in the form of an arch comprising in particular a substantially horizontal upper arch part, on which are arranged one or more stacks, and at least two lateral arch parts located on either side of the upper arch part and resting directly or indirectly on the thermal enclosure, in particular the sole.
  • a plurality of support devices can take the form of a plurality of pull-out arches, capable of fitting into each other.
  • one or more of the support devices may take the form of a substantially horizontal shelf and supported directly or indirectly by the thermal enclosure, in particular the side walls.
  • the thermal enclosure may comprise, in its internal volume, a mechanical frame comprising a plurality of notches at different heights for the variable positioning of support devices in the form of shelves.
  • one or more of the compressive force application devices may be in the form of an arch comprising in particular an upper arch part, in particular substantially horizontal, capable of bearing directly or indirectly against one or more stacks and in particular of a size greater than that of the stack or stacks, and at least two lateral arch parts located on either side or through the upper arch part, in particular in the form of tightening rods , and passing through the thermal enclosure, in particular the sole, through first orifices formed therein.
  • a plurality of compressive force application devices can take the form of a plurality of pull-out arches, capable of fitting into each other.
  • one or more of the compressive force application devices may be able to bear against one or more stacks by means of at least one contact element forming a ball joint between the stack or stacks and the corresponding compressive force application device.
  • each arch in the form of which the compressive force application device or devices may be, may comprise an upper arch part, capable of bearing directly or indirectly against one or more stacks, and at least two lateral arch parts located through the upper arch part and passing through the thermal enclosure through first orifices formed in it.
  • a plurality of passage holes can be formed through the upper arch part for the passage of said at least two side arch parts and optionally the passage of side arch parts of one or more other arches.
  • the means for moving said plurality of compression force application devices may comprise a system for controlling the movement of said plurality of compression force application devices placed in the cold zone under the thermal enclosure, especially under the oven floor.
  • system may include at least one support system for at least one compressive force application device, located in the upper part of the thermal enclosure.
  • the means for moving said plurality of compression force application devices may comprise elastic return members, in particular springs, jacks and/or pistons, located outside the thermal enclosure. , in particular under the thermal enclosure in the cold part, being in particular positioned at the ends of the lateral arch parts of the compression force application devices.
  • the means for moving said plurality of devices for applying compressive force may in particular comprise a cross-member support common to all the elastic return members, cylinders and/or pistons making it possible to impose an identical movement on them.
  • each elastic return member can be between 0.1 N/mm and 1000 N/mm, in particular between 1 N/mm and 20 N/mm.
  • the length of each elastic return member can be between 0.1 m and 10 m, in particular between 1 m and 2 m.
  • the invention also relates, according to another of its aspects, to a method for clamping a plurality of stacks of solid oxide cells of the SOEC/SOFC type operating at high temperature by means of a system conditioning as defined above, characterized in that it includes the step of moving the plurality of compression force application devices by through the movement means in the direction of the plurality of stacks to allow independent mechanical clamping of the stack or stacks of each support device.
  • the method can advantageously be implemented under an inert gas, directly inside the stacks or through the thermal enclosure made completely inert.
  • FIG. 1 is a schematic view showing the operating principle of a high temperature solid oxide electrolyser (SOEC),
  • SOEC solid oxide electrolyser
  • FIG. 2 is an exploded schematic view of part of a high temperature solid oxide electrolyser (SOEC) comprising interconnectors and cells according to the prior art,
  • SOEC solid oxide electrolyser
  • FIG. 3 illustrates the principle of the architecture of a device on which a stack of high temperature electrolysis (SOEC) or fuel cell (SOFC) operating at high temperature is placed,
  • SOEC high temperature electrolysis
  • SOFC fuel cell
  • FIG. 4 shows, in perspective and viewed from above, an example of a stack of solid oxide cells of the SOEC/SOFC type according to the prior art with a stack clamping system
  • FIG. 5 represents, schematically in section, a first example of a conditioning system in accordance with the invention of a plurality of stacks of solid oxide cells of the SOEC/SOFC type operating at high temperature,
  • FIG. 6 represents, schematically in section, a variant of the example of the conditioning system of [Fig. 5],
  • FIG. 7 represents, schematically in section, a second example of a conditioning system in accordance with the invention of a plurality of stacks of solid oxide cells of the SOEC/SOFC type operating at high temperature
  • FIG. 8 represents, schematically in section, a variant of the example of the conditioning system of [Fig. 7]
  • FIG. 9A], FIG. 9B] and [Fig. 9C] illustrate, schematically in partial section, variant embodiments of a compression force application device for a conditioning system according to the invention
  • FIG. 10 shows, in partial front view, an example of a variant of a compression force application device for a packaging system according to the invention
  • FIG. 11 illustrates, in a sectional view (on the left) and in a partial front view (on the right), the principle of the variant of the compression force application device of [Fig. 10],
  • FIG. 12 illustrates, schematically in section, an alternative embodiment of a thermal enclosure of a conditioning system in accordance with the invention
  • FIG. 13 illustrates, schematically in section, examples of support means and means for moving a packaging system according to the invention
  • FIG. 14 illustrates, in a view similar to that of [Fig. 8], the operating principle of the tightening method according to the invention.
  • FIG. 15] and [Fig. 16] illustrate, according to views similar to that of [Fig. 8], variant embodiments of means for moving a conditioning system according to the invention.
  • FIGS 1 to 4 have already been described previously in the part relating to the state of the prior art and to the technical context of the invention. It is specified that, for figures 1 and 2, the symbols and the steam supply arrows H2O, distribution and recovery of dihydrogen H2, oxygen O2, air and electric current, are shown for clarity and precision, to illustrate the operation of the devices shown.
  • all the constituents (anode/electrolyte/cathode) of a given electrochemical cell are preferably ceramics.
  • the operating temperature of a high temperature SOEC/SOFC type stack is moreover typically between 600 and 1000°C.
  • the conditioning of three stacks 20 or stacks is generally considered here.
  • the number of stacks 20 is not limited by design but rather by the fact of having to take into account the acceptable height of the conditioning bench.
  • the number of stacks 20 is preferably between 2 and 20.
  • each stack 20 comprises a plurality of electrochemical cells 41 each formed of a cathode, an anode and an electrolyte interposed between the cathode and the anode, and a plurality of intermediate interconnectors 42 each arranged between two adjacent electrochemical cells 41.
  • the three stacks 20 are placed in the internal volume Vi of a thermal enclosure 102 of the conditioning system 100.
  • This thermal enclosure 102 here consists of a furnace floor 11, as described previously, which forms the lower horizontal wall of the thermal enclosure 102, and an upper horizontal wall 102s and side walls 1021, together defining the internal volume Vi, as shown in Figure 5.
  • the invention allows the support of the stacks 20 in order to place them one above the other, this support being produced independently.
  • the three stacks 20 are placed in the internal volume Vi of the thermal enclosure (102) being completely superposed with respect to each other.
  • the stacks 20 are supported by three support devices 103a, 103b and 103c, which are superimposed relative to each other and on each of which is positioned a stack 20. It should be noted here that, if at certain manufacturing periods, there there are less stacks 20 to condition, it is possible to use the system 100 leaving empty support devices. In other words, the conditioning bench formed by this system 100 can operate partially.
  • the system 100 also comprises three devices for applying compression force 104a, 104b and 104c against a stack 20, superposed with respect to each other.
  • Each compression force application device 104a, 104b, 104c can allow the application of a force on the stack 20 at any time and during the crushing.
  • the conditioning system 100 also comprises means for setting in motion, described below, the three devices for applying compression force 104a, 104b and 104c so as to allow independent mechanical tightening of each stack 20.
  • each of the three support devices 103a, 103b and 103c is in the form of an arch. More specifically, the three arches thus formed are pull-out arches, capable of fitting into each other. As visible in FIG. 5, each arch 103a, 103b, 103c comprises a horizontal upper arch part A s on which a stack 20 is arranged, and two side arch parts Ai located on either side of the part of upper arch A s and resting directly on the oven floor 11 of the thermal enclosure 102.
  • the support device 103a which is the lowest, the closest to the oven floor 11, is in the form of a simple foot, for example a cylinder, since there is not necessarily a need for a nesting at this level.
  • this support device 103a is in the form of an arch.
  • the three support devices 103a, 103b and 103c can be in the form of a horizontal shelf and supported directly by the side walls 1021 of the thermal enclosure 102.
  • the support device 103a which is the lowest, the closest to the hearth of the oven 11, in the form of a simple foot, for example a cylinder, as visible on the Figure 7.
  • this support device 103a is in the form of a shelf.
  • the support devices 103a, 103b and 103c are advantageously locked in the high position (without compression) to allow the positioning of the stacks 20 before the start of the tightening operation.
  • the size of the stacks 20 to be packaged changes in terms of height upwards or downwards, it may be possible to adjust the height of the spaces left to place these stacks 20, either by lengthening or shortening the height of the side arch parts Ai, or by shifting the shelves. In the latter case, it is for example possible to implement several positioning slides, such as refrigerator or domestic oven shelves.
  • the thermal enclosure 102 comprises for example, in its internal volume Vi, a mechanical frame 120 which comprises a plurality of notches 102e at different heights for the variable positioning support devices 103a, 103b, 103c here in the form of shelves, which are drilled for the passage of clamping rods described later.
  • each arch has an upper arch portion E s horizontal, able to bear directly against a stack 20 of dimension greater than that of the stack 20, and two lateral arch parts Ei located on either side of the upper arch part E s .
  • the lateral arch parts Ei can be in the form of tightening rods.
  • the lateral arch parts Ei pass through the sole 11 of the thermal enclosure 102 through first orifices Oi formed therein.
  • the arches formed by the three compression force application devices 104a, 104b, 104c are pull-out arches, able to fit into each other.
  • each stack 20 is associated with an independent compression force application device 104a, 104b, 104c.
  • the force is applied to the upper part of each stack 20.
  • the lateral arch parts Ei pass through the sole 11 via the first orifices Oi but also the support devices 103a, 103b, 103c in the form of shelves, in the example of FIGS. 7 and 8, via second O2 orifices formed in these shelves.
  • each compression force application device 104a, 104b, 104c can be in the form of a plate. Its dimension may be greater than that of the stack 20 in order to apply a force over the entire surface of the stack 20. Its thickness must be sufficient to prevent its deformation. It can be several centimeters. It can be made of one or more materials mechanically resistant to high temperature. By way of example, nickel-based alloys, for example of the Inconel® or Haynes® 230 type, can be used, high-strength steels or even ceramics as well. It should be noted that the material/thickness couple must be chosen so as to be able to resist bending.
  • each compressive force application device 104a, 104b, 104c (the device 104b is illustrated here) is able to bear against a stack 20 via a contact element 110 forming a ball joint between the stack 20 and the corresponding compression force application device 104a, 104b, 104c.
  • This contact element 110 can take the form of a cylinder.
  • the variants of FIGS. 9A, 9B and 9C differ in that the upper arch part E s is respectively of horizontal planar shape, of curved shape, and of inclined or oblique planar shape.
  • each compressive force application device 104a, 104b can be in the form of an arch comprising an upper arch part E s , in the form of an upper support plate of circular shape.
  • This is also pierced with multiple passage orifices O3 to allow the passage of the lateral arch parts Ei in the form of clamping rods.
  • This advantageously makes it possible to increase the compactness of the system 100 and not to have to oversize the thickness of the upper arch part E s .
  • the number of stacks 20 to be stacked, at a constant oven width will only be limited by the number of passage orifices O3 of the plate E s .
  • the first compressive force application device 104a comprises an upper arch part E s which comprises at least two passage orifices Os(l) to allow passage of the rods clamping Ei (l) of this first compression force application device 104a, allowing the clamping of the first stack 20 (1).
  • this same first compressive force application device 104a comprises an upper arch part E s which also comprises at least two passage orifices Os(2) to allow the passage of the clamping rods Ei(2) of the second compressive force application device 104b, allowing the clamping of the second stack 20(2).
  • the support devices 103a and 103b comprise second orifices O2 allowing the passage of the clamping rods Ei(2) of the second application device compression force 104b. Likewise, these clamping rods Ei(2) are able to pass through the first 20(1) and second 20(2) stacks.
  • the examples described generally show two lateral arch parts Ei or clamping rods Ei for each compression force application device 104a, 104b, 104c, i.e. two clamping rods Ei per stack 20
  • the number of lateral arch parts Ei per compressive force application device 104a, 104b, 104c can be comprised in particular between 2 and 10, and preferably equal to 3.
  • the number of clamping rods and therefore passage orifices O3 is notably limited by the diameter of such clamping rods.
  • the cumulative surface of the clamping rods Ei must be between 10 and 2000 cm 2 with a preferential value of 400 cm 2 .
  • the lateral arch parts Ei can be secured to the upper arch part E s , in particular by welding or screwing.
  • the upper arch part E s When the stack 20 is crushed, the upper arch part E s is in contact with the top of the stack 20 and remains in contact with it, then descends with the stack 20 in order to maintain the effort at all times .
  • This upper arch part E s is moved by means of moving means.
  • These moving means comprise in particular a system for controlling the movement of the compression force application devices 104a, 104b, 104c, which is placed in the cold zone under the sole 11 of the thermal enclosure 102.
  • the moving means may also include elastic return members, here springs 135, jacks and/or pistons, which allow the mechanical compression of the stacks 20 independently.
  • springs 135, jacks and/or pistons which allow the mechanical compression of the stacks 20 independently.
  • These springs 135 are located outside the thermal enclosure 102, under the latter in the cold part. They are positioned at the ends of the lateral arch portions Ei of the compression force application devices 104a, 104b, 104c.
  • the stiffnesses of the springs 135 can be adapted to have a small effect of the thermal expansions of the clamping rods Ei on the stack 20. Also, it may be possible to manage the thermal expansions to make it possible to maintain a well-centered support on the stack 20 .
  • each spring 135 is for example between 0.1 N/mm and 1000 N/mm, and preferably between 1 N/mm and 20 N/mm.
  • the length of each spring 135 is for example between 0.1 m and 10 m, and preferably between 1 m and 2 m.
  • FIG. 16 illustrates an alternative embodiment in which the means for setting movement additionally comprise a cross-member support 140, in the form of a plate, common to all the springs 135, making it possible to impose an identical movement on them.
  • a crosspiece support 140 is also visible in Figure 13.
  • the conditioning system 100 may include a support system 130 of one or more of the compression force application devices 104a, 104b, 104c (here the device 104a).
  • a support system 130 is located in the upper part of the thermal enclosure 102. It consists of the addition of springs 132 to the ends of the clamping rods Ei, which are extended beyond the upper arch part E s and pass through the upper horizontal wall 102s of the thermal enclosure 102.
  • This support system 130 makes it possible to support the upper arch part E s when the latter is not clamped by the springs 135 at the bottom. This thus makes it possible to position the stack 20 easily. When the springs 135 are tightened, it is possible to apply a load to the stack 20.
  • the arrows C represent the lowering of the first device 104a during the crushing of the first stack 20 during the packaging step. It is a downward movement to accompany the crushing of the stack 20 with a continuity of the application of the effort.
  • the arrows A represent the placement of the device 104b in the high position to allow the establishment of the second stack 20 before the start of the packaging step.
  • FIGS. 14, 15 and 16 the third stack 20 from the top is illustrated in a reference position, simply put in place and before crushing.
  • the conditioning can be carried out under an inert gas, either via the interior of the stacks 20, or in the thermal enclosure 102 completely inerted.
  • the system 100 may include a sealed internal muffle and the junction between the clamping rods and the muffle may be made by a bellows.

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Abstract

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

Description

SYSTÈME DE CONDITIONNEMENT D'UNE PLURALITÉ D'EMPILEMENTS DE CELLULES À OXYDES SOLIDES DE TYPE SOEC/SOFC À HAUTE TEMPÉRATURE SUPERPOSÉS
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine général de l'électrolyse à haute température (EHT), en particulier l'électrolyse de la vapeur d'eau à haute température (EVHT), désignée par les appellations anglaises « High Temperature Electrolysis » (HTE) et « High Temperature Steam Electrolysis » (HTSE), de l'électrolyse du dioxyde de carbone (CO2), voire encore de la co-électrolyse de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone (CO2) à haute température.
Plus précisément, l'invention se rapporte au domaine des électrolyseurs à oxydes solides à haute température, désignés habituellement par l'acronyme SOEC (pour « Solide Oxide Electrolysis Cell » en anglais).
Elle concerne également le domaine des piles à combustible à oxydes solides à haute température, désignées habituellement par l'acronyme SOFC (pour « Solid Oxide Fuel Cells » en anglais).
Ainsi, de façon plus générale, l'invention se réfère au domaine des empilements de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température.
Plus précisément, l'invention concerne un système de conditionnement d'une pluralité d'empilements de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC superposés fonctionnant à haute température, permettant le conditionnement simultané des empilements.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Dans le cadre d'un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC, il s'agit de transformer par le biais d'un courant électrique, au sein d'un même dispositif électrochimique, la vapeur d'eau (H2O) en dihydrogène (H2) et en dioxygène (O2), et/ou encore de transformer le dioxyde de carbone (CO2) en monoxyde de carbone (CO) et en dioxygène (O2). Dans le cadre d'une pile à combustible à oxydes solides à haute température de type SOFC, le fonctionnement est inverse pour produire un courant électrique et de la chaleur en étant alimentée en dihydrogène (H2) ou d'autres combustibles tels que le méthane (CH4), le gaz naturel, le biogaz, et en dioxygène (O2), typiquement en air. Par souci de simplicité, la description suivante privilégie le fonctionnement d'un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC réalisant l'électrolyse de la vapeur d'eau. Toutefois, ce fonctionnement est applicable à l'électrolyse du dioxyde de carbone (CO2), voire encore de la co-électrolyse de la vapeur d'eau à haute température (EHT) avec le dioxyde de carbone (CO2). De plus, ce fonctionnement est transposable au cas d'une pile à combustible à oxydes solides à haute température de type SOFC.
Pour réaliser l'électrolyse de l'eau, il est avantageux de la réaliser à haute température, typiquement entre 600 et 1000°C, parce qu'il est plus avantageux d'électrolyser de la vapeur d'eau que de l'eau liquide et parce qu'une partie de l'énergie nécessaire à la réaction peut être apportée par de la chaleur, moins chère que l'électricité.
Pour mettre en œuvre l'électrolyse de la vapeur d'eau à haute température (EHT ou EVHT), un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC est constitué d'un empilement de motifs élémentaires comportant chacun une cellule d'électrolyse à oxyde solide, ou encore cellule électrochimique, constituée de trois couches anode/électrolyte/cathode superposées l'une sur l'autre, et de plaques d'interconnexion en alliages métalliques, aussi appelées plaques bipolaires ou interconnecteurs. Chaque cellule électrochimique est enserrée entre deux plaques d'interconnexion. Un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC est alors un empilement alterné de cellules électrochimiques et d'interconnecteurs. Une pile à combustible à oxydes solides à haute température de type SOFC est constituée du même type d'empilement de motifs élémentaires. Cette technologie à haute température étant réversible, le même empilement peut fonctionner en mode électrolyse et produire de l'hydrogène et de l'oxygène à partir d'eau et d'électricité, ou en mode pile à combustible et produire de l'électricité à partir d'hydrogène et d'oxygène. Chaque cellule électrochimique correspond à un assemblage électrolyte/électrodes, qui est typiquement un assemblage multicouche en céramique dont l'électrolyte est formé par une couche centrale conductrice d'ions, cette couche étant solide, dense et étanche, et enserrée entre les deux couches poreuses formant les électrodes. Il est à noter que des couches supplémentaires peuvent exister, mais qui ne servent qu'à améliorer l'une ou plusieurs des couches déjà décrites.
Les dispositifs d'interconnexion, électrique et fluidique, sont des conducteurs électroniques qui assurent, d'un point de vue électrique, la connexion de chaque cellule électrochimique de motif élémentaire dans l'empilement de motifs élémentaires, garantissant le contact électrique entre une face et la cathode d'une cellule et entre l'autre face et l'anode de la cellule suivante, et d'un point de vue fluidique, l'apport en réactifs et l'évacuation des produits pour chacune des cellules. Les interconnecteurs assurent ainsi les fonctions d'amenée et de collecte de courant électrique et délimitent des compartiments de circulation des gaz, pour la distribution et/ou la collecte.
Plus précisément, les interconnecteurs ont pour fonction principale d'assurer le passage du courant électrique mais aussi la circulation des gaz au voisinage de chaque cellule (à savoir : vapeur d'eau injectée, hydrogène et oxygène extraits pour l'électrolyse EHT ; air et combustible dont l'hydrogène injecté et eau extraite pour une pile SOFC), et de séparer les compartiments anodiques et cathodiques de deux cellules adjacentes, qui sont les compartiments de circulation des gaz du côté respectivement des anodes et des cathodes des cellules.
En particulier, pour un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC, le compartiment cathodique comporte la vapeur d'eau et l'hydrogène, produit de la réaction électrochimique, tandis que le compartiment anodique comporte un gaz drainant, si présent, et de l'oxygène, autre produit de la réaction électrochimique. Pour une pile à combustible à oxydes solides à haute température de type SOFC, le compartiment anodique comporte le combustible, tandis que le compartiment cathodique comporte le comburant.
Pour réaliser l'électrolyse de la vapeur d'eau à haute température (EHT), on injecte de la vapeur d'eau (H2O) dans le compartiment cathodique. Sous l'effet du courant électrique appliqué à la cellule, la dissociation des molécules d'eau sous forme de vapeur est réalisée à l'interface entre l'électrode à hydrogène (cathode) et l'électrolyte : cette dissociation produit du gaz dihydrogène (H2) et des ions oxygène (O2 ). Le dihydrogène (H2) est collecté et évacué en sortie de compartiment à hydrogène. Les ions oxygène (O2 ) migrent à travers l'électrolyte et se recombinent en dioxygène (O2) à l'interface entre l'électrolyte et l'électrode à oxygène (anode). Un gaz drainant, tel que de l'air, peut circuler au niveau de l'anode et ainsi collecter l'oxygène généré sous forme gazeuse à l'anode.
Pour assurer le fonctionnement d'une pile à combustible à oxydes solides (SOFC), on injecte de l'air (oxygène) dans le compartiment cathodique de la pile et de l'hydrogène dans le compartiment anodique. L'oxygène de l'air va se dissocier en ions O2-. Ces ions vont migrer dans l'électrolyte de la cathode vers l'anode pour oxyder l'hydrogène et former de l'eau avec une production simultanée d'électricité. En pile SOFC, tout comme en électrolyse SOEC, la vapeur d'eau se trouve dans le compartiment de dihydrogène (H2). Seule la polarité est inversée.
A titre d'illustration, la figure 1 représente une vue schématique montrant le principe de fonctionnement d'un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC. La fonction d'un tel électrolyseur est de transformer la vapeur d'eau en hydrogène et en oxygène selon la réaction électrochimique suivante :
2 H2O -> 2 H2 + O2.
Cette réaction est réalisée par voie électrochimique dans les cellules de l'électrolyseur. Comme schématisée sur la 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. Les deux électrodes (cathode et anode) 2 et 4 sont des conducteurs électroniques et/ou ioniques, en matériau poreux, et l'électrolyte 3 est étanche au gaz, isolant électronique et conducteur ionique. L'électrolyte 3 peut être en particulier un conducteur anionique, plus précisément un conducteur anionique des ions O2- et l'électrolyseur est alors dénommé électrolyseur anionique, par opposition aux électrolytes protoniques (H+).
Les réactions électrochimiques se font à l'interface entre chacun des conducteurs électroniques et le conducteur ionique.
A la cathode 2, la demi-réaction est la suivante :
2 H2O + 4 e" -> 2 H2 + 2 O2’.
A l'anode 4, la demi-réaction est la suivante:
2 O O2 + 4 e;
L'électrolyte 3, intercalé entre les deux électrodes 2 et 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 sur la 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 côté anode pour évacuer l'oxygène produit. L'injection d'un gaz drainant a pour fonction supplémentaire de jouer le rôle de régulateur thermique.
Un électrolyseur, ou réacteur d'électrolyse, élémentaire est constitué d'une cellule élémentaire telle que décrite ci-dessus, avec une cathode 2, un électrolyte 3, et une anode 4, et de deux interconnecteurs qui assurent les fonctions de distribution électrique et fluidique.
Pour augmenter les débits d'hydrogène et d'oxygène produits, il est connu d'empiler plusieurs cellules d'électrolyse élémentaires les unes sur les autres en les séparant par des interconnecteurs. L'ensemble est positionné entre deux plaques d'interconnexion d'extrémité qui supportent les alimentations électriques et les alimentations en gaz de l'électrolyseur (réacteur d'électrolyse).
Un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC comprend ainsi au moins une, généralement une pluralité de cellules d'électrolyse empilées les unes sur les autres, chaque cellule élémentaire étant formée d'un électrolyte, d'une cathode et d'une anode, l'électrolyte étant intercalé entre l'anode et la cathode.
Comme indiqué précédemment, les dispositifs d'interconnexion fluidique et électrique qui sont en contact électrique avec une ou des électrodes assurent en général les fonctions d'amenée et de collecte de courant électrique et délimitent un ou des compartiments de circulation des gaz.
Ainsi, le compartiment dit cathodique a pour fonction la distribution du courant électrique et de la vapeur d'eau ainsi que la récupération de l'hydrogène à la cathode en contact.
Le compartiment dit anodique a pour fonction la distribution du courant électrique ainsi que la récupération de l'oxygène produit à l'anode en contact, éventuellement à l'aide d'un gaz drainant.
La figure 2 représente une vue éclatée de motifs élémentaires d'un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC selon l'art antérieur. Cet électrolyseur comporte une pluralité de cellules d'électrolyse élémentaires Cl, C2, de type cellules 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 (seule l'anode 4.2 de la cellule C2 est représentée), entre lesquelles est disposé un électrolyte (seul l'électrolyte 3.2 de la cellule C2 est représenté).
L'interconnecteur 5 est un composant en alliage métallique qui assure la séparation entre les compartiments cathodique 50 et anodique 51, définis par les volumes compris entre l'interconnecteur 5 et la cathode adjacente 2.1 et entre l'interconnecteur 5 et l'anode adjacente 4.2 respectivement. Il assure également la distribution des gaz aux cellules. L'injection de vapeur d'eau dans chaque motif élémentaire se fait dans le compartiment cathodique 50. La collecte de l'hydrogène produit et de la vapeur d'eau résiduelle à la cathode 2.1, 2.2 est effectuée dans le compartiment cathodique 50 en aval de la cellule Cl, C2 après dissociation de la vapeur d'eau par celle-ci. La collecte de l'oxygène produit à l'anode 4.2 est effectuée dans le compartiment anodique 51 en aval de la cellule Cl, C2 après dissociation de la vapeur d'eau par celle-ci. L'interconnecteur 5 assure le passage du courant entre les cellules Cl et C2 par contact direct avec les électrodes adjacentes, c'est-à-dire entre l'anode 4.2 et la cathode 2.1. Les conditions de fonctionnement d'un électrolyseur à oxydes solides à haute température (SOEC) étant très proches de celles d'une pile à combustible à oxydes solides
(SOFC), les mêmes contraintes technologiques se retrouvent.
Ainsi, le bon fonctionnement de tels empilements de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température requiert principalement de satisfaire aux points énoncés ci-après.
Tout d'abord, il est nécessaire d'avoir une isolation électrique entre deux interconnecteurs successifs sous peine de court-circuiter la cellule électrochimique, mais aussi un bon contact électrique et une surface de contact suffisante entre une cellule et un interconnecteur. La plus faible résistance ohmique possible est recherchée entre cellules et interconnecteurs.
Par ailleurs, il faut disposer d'une étanchéité entre les compartiments anodiques et cathodiques sous peine d'avoir une recombinaison des gaz produits entraînant une baisse de rendement et surtout l'apparition de points chauds endommageant l'empilement.
Enfin, il est indispensable d'avoir une bonne distribution des gaz à la fois en entrée et en récupération des produits sous peine de perte de rendement, d'inhomogénéité de pression et de température au sein des différents motifs élémentaires, voire de dégradations rédhibitoires des cellules électrochimiques.
Les gaz entrants et sortants dans un empilement d'électrolyse à haute température (SOEC) ou de pile à combustible (SOFC) fonctionnant à haute température peuvent être gérés par le biais de dispositifs tel que celui illustré en référence à la figure 3. Le dispositif 13 comporte ainsi des parties froides PF et des parties chaudes PC, ces dernières comprenant la sole de four 11, la cloche du four 10, un tube en boucle 12 pour gérer les entrées et sorties de gaz et l'empilement 20, encore appelé « stack », d'électrolyse à haute température (SOEC) ou de pile à combustible (SOFC).
Par ailleurs, la figure 4 permet d'illustrer un exemple d'ensemble 80 comprenant un tel empilement 20 ou stack et un système de serrage 60 de celui-ci. Un tel ensemble 80 peut être tel que décrit dans la demande de brevet français FR 3 045 215 Al. Ainsi, l'empilement 20 comporte une pluralité de cellules électrochimiques 41 formées chacune d'une cathode, d'une anode et d'un électrolyte intercalé entre la cathode et l'anode, et une pluralité d'interconnecteurs intermédiaires 42 agencés chacun entre deux cellules électrochimiques 41 adjacentes. De plus, il comporte une plaque terminale supérieure 43 et une plaque terminale inférieure 44, respectivement également dénommées plaque terminale de stack supérieure 43 et plaque terminale de stack inférieure 44, entre lesquelles la pluralité de cellules électrochimiques 41 et la pluralité d'interconnecteurs intermédiaires 42 sont enserrées, soit entre lesquelles se trouve le stack.
Le système de serrage 60 comporte une plaque de serrage supérieure 45 et une plaque de serrage inférieure 46, entre lesquelles l'empilement 20 est enserré. Chaque plaque de serrage 45, 46 comporte quatre orifices de serrage 54 au travers desquels s'étendent des tiges de serrage 55, ou tirants. Aux extrémités de celles-ci sont prévus des moyens de serrage 56, 57, 58.
En général, à ce jour, les empilements 20 ont un nombre limité de cellules électrochimiques 41. Typiquement, la Demanderesse met en œuvre des empilements 20 d'un nombre de 25 cellules électrochimiques 41 de 100 cm2 de surface active. L'étape de conditionnement se fait de manière unitaire, chaque stack étant placé seul dans un banc de conditionnement. Le cycle appliqué permet de réaliser à la fois l'étape d'obtention des étanchéités et l'étape de réduction des cellules électrochimiques 41. Le cycle se termine par différentes mesures électrochimiques permettant de caractériser la performance du stack, avant sa fourniture pour usage.
Avant son fonctionnement, il est nécessaire de faire subir à l'empilement 20 au moins une étape de traitement thermique dite de réduction, afin de mettre les cellules électrochimiques 41 sous leur forme réduite, et non pas oxydées comme elles le sont initialement. Cette étape de réduction peut être un cycle thermomécanique sous gaz réducteur pour l'électrode à hydrogène et air ou gaz neutre pour l'électrode à oxygène. Une telle étape de traitement thermique a par exemple été décrite dans la demande de brevet européen EP 2 870 650 Al. Par ailleurs, les empilements 20 mis en œuvre à ce jour utilisent en général, à chacun de leurs étages, des joints qui doivent garantir l'étanchéité entre deux compartiments de circulation des gaz, adjacents et distincts, i.e. un compartiment anodique et un compartiment cathodique. De tels joints ont été décrits dans la demande de brevet européen EP 3 078071 Al. Ces joints ont la particularité de nécessiter un conditionnement thermique pendant lesquels ils s'écrasent.
De plus, les éléments de contacts, tels que les couches décrites dans la demande de brevet EP 2 900846 Al ou les grilles de Nickel, s'écrasent également lors du conditionnement thermique et lors du fonctionnement de l'empilement 20, ce qui garantit leur bonne mise en place. Les éléments qui servent d'éléments de contact dans la chambre hydrogène s'écrasent également.
Autrement dit, pendant l'étape de conditionnement thermique, un empilement 20 s'écrase de plusieurs centimètres. A ce jour, compte-tenu du relativement faible nombre de cellules empilées, l'écrasement se déroule correctement.
Toutefois, la Demanderesse a envisagé des réalisations d'empilements à plus grand nombre de cellules électrochimiques, typiquement au-delà de 25 cellules. Dans ce cas, le déplacement attendu lors du serrage de l'empilement peut conduire à des problèmes mécaniques de blocage de type arc-boutement sur les tiges de guidage. Ces blocages empêchent alors un bon conditionnement thermique, et par voie de conséquence un fonctionnement normal de l'empilement.
Une solution à ces inconvénients est de prévoir un concept d'empilement ou stack dans lequel plusieurs sous-empilements sont assemblés, par le biais de plaques de rigidification, de sorte à gérer les grands écrasements. Cependant, il faut alors conditionner chaque sous-empilement séparément et ainsi un nombre important d'empilements et de sous-empilements doit être réalisé.
Or, le conditionnement d'un tel empilement est une étape longue et coûteuse car le chauffage demande de l'énergie. De plus, les dispositifs actuels permettent de conditionner un seul empilement ou sous-empilement à la fois.
En conséquence, il existe encore un besoin pour améliorer le principe de conditionnement des empilements d'électrolyse à haute température (SOEC) ou de pile à combustible (SOFC), notamment pour conditionner plusieurs empilements en même temps.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention a pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés précédemment et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l'art antérieur.
Elle vise notamment la réalisation d'une conception de conditionnement multiple pour empilement d'électrolyse à haute température (SOEC) ou de pile à combustible (SOFC) tout en maintenant un serrage contrôlé malgré la grande course d'écrasement des empilements.
L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, un système de conditionnement d'une pluralité d'empilements de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température, chaque empilement comportant une pluralité de cellules électrochimiques formées chacune d'une cathode, d'une anode et d'un électrolyte intercalé entre la cathode et l'anode, et une pluralité d'interconnecteurs intermédiaires agencés chacun entre deux cellules électrochimiques adjacentes, caractérisé en ce que le système comporte :
- une enceinte thermique délimitant un volume interne,
- une pluralité d'empilements placés dans le volume interne, au moins deux empilements étant superposés au moins partiellement, notamment totalement, l'un par rapport à l'autre, éventuellement tous les empilements étant superposés au moins partiellement, notamment totalement, les uns par rapport aux autres,
- une pluralité de dispositifs de support, superposés au moins partiellement les uns par rapport aux autres, notamment totalement, sur chacun desquels sont positionnés un ou plusieurs empilements non superposés les uns par rapport aux autres, notamment juxtaposés les uns aux autres, éventuellement au plus un empilement étant positionné sur chaque dispositif de support, - une pluralité de dispositifs d'application d'effort de compression contre un ou plusieurs empilements, superposés au moins partiellement les uns par rapport aux autres, notamment totalement,
- des moyens de mise en mouvement de ladite pluralité de dispositifs d'application d'effort de compression permettant un serrage mécanique indépendant du ou des empilements positionnés sur chaque dispositif de support.
Grâce à l'invention, il peut ainsi être possible de conditionner plusieurs empilements ou stacks à la fois, en les plaçant les uns aux dessus des autres, éventuellement par groupes d'empilements les uns au-dessus des autres, ces groupes d'empilements étant notamment des empilements juxtaposés, afin de minimiser l'emprunte au sol des bancs de conditionnement, tout en permettant d'effectuer de manière indépendante pour chaque stack, ou chaque groupe, un serrage mécanique contrôlé.
Le système de conditionnement selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles.
Au moins deux empilements peuvent être juxtaposés sur un même dispositif de support. De plus, au moins un dispositif d'application d'effort de compression peut alors être commun audits au moins deux empilements juxtaposés.
Le nombre d'empilements à superposer n'est pas limité par conception. Cependant, afin de tenir compte de la hauteur acceptable du banc de conditionnement, le nombre d'empilements peut préférentiellement être compris entre 2 et 20.
Avantageusement, l'enceinte thermique peut être constituée d'une sole de four, formant la paroi horizontale inférieure de l'enceinte thermique, d'une paroi horizontale supérieure et de parois latérales, définissant ensemble le volume interne.
Selon une variante, un ou plusieurs des dispositifs de support peuvent se présenter sous la forme d'un arche comprenant notamment une partie d'arche supérieure sensiblement horizontale, sur laquelle sont disposés un ou plusieurs empilements, et au moins deux parties d'arche latérales situées de part et d'autre de la partie d'arche supérieure et en appui de manière directe ou indirecte sur l'enceinte thermique, notamment la sole.
En particulier, une pluralité des dispositifs de support peut se présenter sous la forme d'une pluralité d'arches gigognes, aptes à s'emboîter les uns dans les autres.
En outre, selon une autre variante, un ou plusieurs des dispositifs de support peuvent se présenter sous la forme d'une étagère sensiblement horizontale et supportée de manière directe ou indirecte par l'enceinte thermique, notamment les parois latérales.
De plus, l'enceinte thermique peut comporter, dans son volume interne, un cadre mécanique comprenant une pluralité d'encoches à différentes hauteurs pour le positionnement variable de dispositifs de support sous forme d'étagères.
Par ailleurs, un ou plusieurs des dispositifs d'application d'effort de compression peuvent se présenter sous la forme d'un arche comprenant notamment une partie d'arche supérieure, notamment sensiblement horizontale, apte à venir en appui de manière directe ou indirecte contre un ou plusieurs empilements et notamment de dimension supérieure à celle du ou des empilements, et au moins deux parties d'arche latérales situées de part et d'autre ou au travers de la partie d'arche supérieure, notamment sous forme de tiges de serrage, et traversant l'enceinte thermique, notamment la sole, au travers de premiers orifices formés dans celle-ci.
En particulier, une pluralité des dispositifs d'application d'effort de compression peut se présenter sous la forme d'une pluralité d'arches gigognes, aptes à s'emboîter les uns dans les autres.
Par ailleurs, un ou plusieurs des dispositifs d'application d'effort de compression peuvent être aptes à venir en appui contre un ou plusieurs empilements par le biais d'au moins un élément de contact formant une liaison rotule entre le ou les empilement et le dispositif d'application d'effort de compression correspondant.
En outre, chaque arche, sous la forme duquel peuvent être le ou les dispositifs d'application d'effort de compression, peut comporter une partie d'arche supérieure, apte à venir en appui de manière directe ou indirecte contre un ou plusieurs empilements, et au moins deux parties d'arche latérales situées au travers de la partie d'arche supérieure et traversant l'enceinte thermique au travers de premiers orifices formés dans celle-ci. De plus, une pluralité d'orifices de passage peut être formée au travers de la partie d'arche supérieure pour le passage desdites au moins deux parties d'arche latérales et éventuellement le passage de parties d'arche latérales d'une ou plusieurs autres arches.
Les moyens de mise en mouvement de ladite pluralité de dispositifs d'application d'effort de compression peuvent comporter un système de contrôle du déplacement de ladite pluralité de dispositifs d'application d'effort de compression placé en zone froide sous l'enceinte thermique, notamment sous la sole de four.
Par ailleurs, le système peut comporter au moins un système de soutien d'au moins un dispositif d'application d'effort de compression, situé en partie supérieure de l'enceinte thermique.
De plus, les moyens de mise en mouvement de ladite pluralité de dispositifs d'application d'effort de compression peuvent comporter des organes de rappel élastique, notamment des ressorts, des vérins et/ou des pistons, situés en dehors de l'enceinte thermique, notamment sous l'enceinte thermique en partie froide, étant notamment positionnés aux extrémités des parties d'arche latérales des dispositifs d'application d'effort de compression.
Les moyens de mise en mouvement de ladite pluralité de dispositifs d'application d'effort de compression peuvent notamment comporter un support de traverse commun à tous les organes de rappel élastique, vérins et/ou pistons permettant de leur imposer un mouvement identique.
La rigidité de chaque organe de rappel élastique peut être comprise entre 0,1 N/mm et 1000 N/mm, notamment entre 1 N/mm et 20 N/mm. De plus, la longueur de chaque organe de rappel élastique peut être comprise entre 0,1 m et 10 m, notamment entre 1 m et 2 m.
En outre, l'invention a également pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de serrage d'une pluralité d'empilements de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température par le biais d'un système de conditionnement tel que défini précédemment, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape consistant à déplacer la pluralité de dispositifs d'application d'effort de compression par le biais des moyens de mise en mouvement en direction de la pluralité d'empilements pour permettre un serrage mécanique indépendant du ou des empilements de chaque dispositif de support.
Le procédé peut avantageusement être mis en œuvre sous un gaz neutre, directement à l'intérieur des empilements ou par le biais de l'enceinte thermique rendue totalement inerte.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, ainsi qu'à l'examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel :
[Fig. 1] est une vue schématique montrant le principe de fonctionnement d'un électrolyseur à oxydes solides à haute température (SOEC),
[Fig. 2] est une vue schématique éclatée d'une partie d'un électrolyseur à oxydes solides à haute température (SOEC) comprenant des interconnecteurs et des cellules selon l'art antérieur,
[Fig. 3] illustre le principe de l'architecture d'un dispositif sur lequel un empilement d'électrolyse à haute température (SOEC) ou de pile à combustible (SOFC) fonctionnant à haute température est placé,
[Fig. 4] représente, en perspective et par observation du dessus, un exemple d'un empilement de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC selon l'art antérieur avec un système de serrage de l'empilement,
[Fig. 5] représente, schématiquement en coupe, un premier exemple de système de conditionnement conforme à l'invention d'une pluralité d'empilements de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température,
[Fig. 6] représente, schématiquement en coupe, une variante de l'exemple de système de conditionnement de [Fig. 5],
[Fig. 7] représente, schématiquement en coupe, un deuxième exemple de système de conditionnement conforme à l'invention d'une pluralité d'empilements de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température, [Fig. 8] représente, schématiquement en coupe, une variante de l'exemple de système de conditionnement de [Fig. 7],
[Fig. 9A], [Fig. 9B] et [Fig. 9C] illustrent, schématiquement en coupe partielle, des variantes de réalisation d'un dispositif d'application d'effort de compression pour un système de conditionnement conforme à l'invention,
[Fig. 10] représente, en vue de face partielle, un exemple de variante de dispositif d'application d'effort de compression pour un système de conditionnement conforme à l'invention,
[Fig. 11] illustre, selon une vue en coupe (à gauche) et selon une vue de face partielle (à droite), le principe de la variante de dispositif d'application d'effort de compression de [Fig. 10],
[Fig. 12] illustre, schématiquement en coupe, une variante de réalisation d'une enceinte thermique d'un système de conditionnement conforme à l'invention,
[Fig. 13] illustre, schématiquement en coupe, des exemples de moyens de soutien et de moyens de mise en mouvement d'un système de conditionnement conforme à l'invention,
[Fig. 14] illustre, selon une vue semblable à celle de [Fig. 8], le principe de fonctionnement du procédé de serrage conforme à l'invention, et
[Fig. 15] et [Fig. 16] illustrent, selon des vues semblables à celle de [Fig. 8], des variantes de réalisation de moyens de mise en mouvement d'un système de conditionnement conforme à l'invention.
Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.
De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Les figures 1 à 4 ont déjà été décrites précédemment dans la partie relative à l'état de la technique antérieure et au contexte technique de l'invention. Il est précisé que, pour les figures 1 et 2, les symboles et les flèches d'alimentation de vapeur d'eau H2O, de distribution et de récupération de dihydrogène H2, d'oxygène O2, d'air et du courant électrique, sont montrés à des fins de clarté et de précision, pour illustrer le fonctionnement des dispositifs représentés.
En outre, il faut noter que tous les constituants (anode/électrolyte/cathode) d'une cellule électrochimique donnée sont préférentiellement des céramiques. La température de fonctionnement d'un empilement de type SOEC/SOFC haute température est par ailleurs typiquement comprise entre 600 et 1000°C.
De plus, les termes éventuels « supérieur » et « inférieur » sont à comprendre ici selon le sens d'orientation normal d'un empilement de type SOEC/SOFC lorsque dans sa configuration d'utilisation.
On va maintenant décrire des exemples de systèmes de conditionnement 100 conformes à l'invention de plusieurs empilements 20 de type SOEC/SOFC en référence aux figures 5 à 16.
On considère ici généralement le conditionnement de trois empilements 20 ou stacks. Toutefois, le nombre de stacks 20 n'est pas limité par conception mais plutôt par le fait de devoir tenir compte de la hauteur acceptable du banc de conditionnement. Aussi, le nombre d'empilements 20 est préférentiellement compris entre 2 et 20.
Comme décrit précédemment dans la partie relative à l'art antérieur et au contexte technique de l'invention, chaque stack 20 comporte une pluralité de cellules électrochimiques 41 formées chacune d'une cathode, d'une anode et d'un électrolyte intercalé entre la cathode et l'anode, et une pluralité d'interconnecteurs intermédiaires 42 agencés chacun entre deux cellules électrochimiques 41 adjacentes.
Les trois stacks 20 sont placés dans le volume interne Vi d'une enceinte thermique 102 du système de conditionnement 100. Cette enceinte thermique 102 est ici constituée d'une sole de four 11, tel que décrit précédemment, qui forme la paroi horizontale inférieure de l'enceinte thermique 102, et d'une paroi horizontale supérieure 102s et de parois latérales 1021, définissant ensemble le volume interne Vi, comme visible sur la figure 5.
De façon avantageuse, l'invention permet le support des stacks 20 afin de les placer les uns au-dessus des autres, ce support étant réalisé de manière indépendante. Ainsi, les trois empilements 20 sont placés dans le volume interne Vi de l'enceinte thermique (102) en étant superposés totalement les uns par rapport aux autres.
Les empilements 20 sont supportés par trois dispositifs de support 103a, 103b et 103c, qui sont superposés les uns par rapport aux autres et sur chacun desquels est positionné un empilement 20. Il est à noter ici que, si à certaines périodes de fabrication, il y a moins de stacks 20 à conditionner, il est possible d'utiliser le système 100 en laissant des dispositifs de support vides. Autrement dit, le banc de conditionnement formé par ce système 100 peut fonctionner partiellement.
Par ailleurs, le système 100 comporte encore trois dispositifs d'application d'effort de compression 104a, 104b et 104c contre un empilement 20, superposés les uns par rapport aux autres. Chaque dispositif d'application d'effort de compression 104a, 104b, 104c peut permettre l'application d'un effort sur l'empilement 20 à tout instant et pendant l'écrasement.
Le système de conditionnement 100 comporte également des moyens de mise en mouvement, décrits par la suite, des trois dispositifs d'application d'effort de compression 104a, 104b et 104c de sorte à permettre un serrage mécanique indépendant de chaque empilement 20.
Selon une première variante visible en référence aux figures 5 et 6, chacun des trois dispositifs de support 103a, 103b et 103c se présente sous la forme d'un arche. Plus précisément, les trois arches ainsi formés sont des arches gigognes, aptes à s'emboîter les uns dans les autres. Comme visible sur la figure 5, chaque arche 103a, 103b, 103c comporte une partie d'arche supérieure As horizontale sur laquelle est disposé un empilement 20, et deux parties d'arche latérales Ai situées de part et d'autre de la partie d'arche supérieure As et en appui de manière directe sur la sole de four 11 de l'enceinte thermique 102.
Il est à noter que, sur la figure 5, le dispositif de support 103a qui se trouve le plus en bas, le plus proche de la sole de four 11, se présente sous la forme d'un simple pied, par exemple un cylindre, puisqu'il n'y a pas nécessairement nécessité d'un emboîtement à ce niveau. Par contre, sur la figure 6, ce dispositif de support 103a est sous la forme d'un arche.
Par ailleurs, selon la variante de l'exemple représenté en référence aux figures 7 et 8, il est également possible que les trois dispositifs de support 103a, 103b et 103c se présentent sous la forme d'une étagère horizontale et supportée de manière directe par les parois latérales 1021 de l'enceinte thermique 102.
Comme précédemment, il peut être possible de former le dispositif de support 103a qui se trouve le plus en bas, le plus proche de la sole de four 11, sous la forme d'un simple pied, par exemple un cylindre, comme visible sur la figure 7. Par contre, sur la figure 8, ce dispositif de support 103a est sous la forme d'une étagère.
Dans tous les cas, les dispositifs de support 103a, 103b et 103c sont avantageusement bloqués en position haute (sans compression) pour permettre la mise en place des empilements 20 avant le début de l'opération de serrage.
Il est à noter que, si au cours du temps, la taille des empilements 20 à conditionner évolue en termes de hauteur à la hausse ou à la baisse, il peut être possible de régler la hauteur des espaces laissés pour placer ces empilements 20, soit en rallongeant ou en raccourcissant la hauteur des parties d'arche latérales Ai, soit en décalant les étagères. Dans ce dernier cas, il est par exemple possible de mettre en œuvre plusieurs glissières de positionnement, telles que des clayettes de réfrigérateur ou de four domestique.
Un tel exemple est par exemple décrit en référence à la figure 12. Ainsi, l'enceinte thermique 102 comporte par exemple, dans son volume interne Vi, un cadre mécanique 120 qui comprend une pluralité d'encoches 102e à différentes hauteurs pour le positionnement variable des dispositifs de support 103a, 103b, 103c ici sous forme d'étagères, lesquelles sont percées pour le passage de tiges de serrage décrites par la suite.
Par ailleurs, dans les deux exemples des figures 5 et 6, et des figures 7 et 8, les trois dispositifs d'application d'effort de compression 104a, 104b et 104c se présentent sous la forme d'un arche. Comme visible sur la figure 5, chaque arche comporte une partie d'arche supérieure Es horizontale, apte à venir en appui de manière directe contre un empilement 20 de dimension supérieure à celle de l'empilement 20, et deux parties d'arche latérales Ei situées de part et d'autre de la partie d'arche supérieure Es. Les parties d'arche latérales Ei peuvent se présenter sous forme de tiges de serrage. De plus, les parties d'arche latérales Ei traversent la sole 11 de l'enceinte thermique 102 au travers de premiers orifices Oi formées dans celle-ci.
Avantageusement, les arches formés par les trois dispositifs d'application d'effort de compression 104a, 104b, 104c sont des arches gigognes, aptes à s'emboîter les uns dans les autres.
Ainsi, chaque empilement 20 est associé à un dispositif d'application d'effort de compression 104a, 104b, 104c indépendant. L'effort est appliqué sur la partie haute de chaque empilement 20.
Les parties d'arche latérales Ei traversent la sole 11 par le biais des premiers orifices Oi mais également les dispositifs de support 103a, 103b, 103c sous forme d'étagères, dans l'exemple des figures 7 et 8, par le biais de deuxièmes orifices O2 formés dans ces étagères.
La partie d'arche supérieure Es de chaque dispositif d'application d'effort de compression 104a, 104b, 104c peut se présenter sous la forme d'une plaque. Sa dimension peut être supérieure à celle de l'empilement 20 afin d'appliquer un effort sur toute la surface de l'empilement 20. Son épaisseur doit être suffisante pour éviter sa déformation. Elle peut être de plusieurs centimètres. Elle peut être réalisée en un ou plusieurs matériaux résistants mécaniquement à haute température. A titres d'exemple, des alliages à base de Nickel, par exemple de type Inconel® ou Haynes® 230, peuvent être utilisés, des aciers haute résistance ou encore des céramiques également. Il faut noter que le couple matériau/épaisseur doit être choisi de manière à pouvoir résister à la flexion.
Afin de minimiser les conséquences d'un fléchissement éventuel de la partie d'arche supérieure Es et un défaut d'alignement, la mise en place d'une liaison par rotule peut être avantageuse comme illustrée en référence aux figures 9A, 9B et 9C.
Ainsi, chaque dispositif d'application d'effort de compression 104a, 104b, 104c (le dispositif 104b est illustré ici) est apte à venir en appui contre un empilement 20 par le biais d'un élément de contact 110 formant une liaison rotule entre l'empilement 20 et le dispositif d'application d'effort de compression 104a, 104b, 104c correspondant. Cet élément de contact 110 peut se présenter sous la forme d'un cylindre. A noter également que les variantes des figures 9A, 9B et 9C diffèrent en ce que la partie d'arche supérieure Es est respectivement de forme plane horizontale, de forme courbe, et de forme plane inclinée ou oblique.
Par ailleurs, de manière avantageuse, il est également possible de réaliser tout ou partie des dispositifs d'application d'effort de compression 104a, 104b, 104c sous une forme particulière telle qu'illustrée en référence aux figures 10 et 11.
Ainsi par exemple, chaque dispositif d'application d'effort de compression 104a, 104b peut être sous la forme d'un arche comprenant une partie d'arche supérieure Es, se présentant sous la forme d'une plaque d'appui supérieure de forme circulaire. Celle-ci est en outre percée de multiples orifices de passage O3 pour permettre le passage des parties d'arche latérales Ei sous forme de tiges de serrage. Cela permet avantageusement d'augmenter la compacité du système 100 et de ne pas avoir à surdimensionner l'épaisseur de la partie d'arche supérieure Es. En effet, le nombre de stacks 20 à empiler, à largeur de four constante, sera seulement limité par le nombre d'orifices de passage O3 de la plaque Es.
Précisément, dans cet exemple des figures 10 et 11, le premier dispositif d'application d'effort de compression 104a comporte une partie d'arche supérieure Es qui comprend au moins deux orifices de passage Os(l) pour permettre le passage des tiges de serrage Ei(l) de ce premier dispositif d'application d'effort de compression 104a, permettant le serrage du premier empilement 20(1). Avantageusement, ce même premier dispositif d'application d'effort de compression 104a comporte une partie d'arche supérieure Es qui comprend aussi au moins deux orifices de passage Os(2) pour permettre le passage des tiges de serrage Ei(2) du deuxième dispositif d'application d'effort de compression 104b, permettant le serrage du deuxième empilement 20(2). Alors, les dispositifs de support 103a et 103b comportent des deuxièmes orifices O2 permettant le passage des tiges de serrage Ei(2) du deuxième dispositif d'application d'effort de compression 104b. De même, ces tiges de serrage Ei(2) sont aptes à traverser les premier 20(1) et deuxième 20(2) empilements.
Il faut noter ici que bien que les exemples décrits montrent généralement deux parties d'arche latérales Ei ou tiges de serrage Ei pour chaque dispositif d'application d'effort de compression 104a, 104b, 104c, soit deux tiges de serrage Ei par stack 20, le nombre de parties d'arche latérales Ei par dispositif d'application d'effort de compression 104a, 104b, 104c peut être compris notamment entre 2 et 10, et préférentiellement égal à 3. Ici, le nombre de tiges de serrage et donc d'orifices de passage O3 est notamment limité par le diamètre de telles tiges de serrage.
A titre d'exemple, pour trois tiges de serrage Ei par empilement 20, avec neuf orifices de passage O3 sur la partie d'arche supérieure Es, il est possible d'empiler trois stacks 20. Avec douze orifices de passage O3, il sera possible d'empiler quatre stacks 20.
La surface cumulée des tiges de serrage Ei doit être comprise entre 10 et 2000 cm2 avec une valeur préférentielle de 400 cm2. Par exemple, pour trois tiges de serrage Ei, la surface préférentielle est de 400/3 = 133 cm2, soit un diamètre de 13 mm pour chaque tige de serrage.
Par ailleurs, les parties d'arche latérales Ei peuvent être solidarisées à la partie d'arche supérieure Es, notamment par soudage ou vissage.
Lors de l'écrasement du stack 20, la partie d'arche supérieure Es est en contact avec le haut du stack 20 et reste en contact avec celui-ci, puis descend avec le stack 20 afin de maintenir l'effort à tout instant. Le déplacement de cette partie d'arche supérieure Es est réalisé par le biais de moyens de mise en mouvement.
Ces moyens de mise en mouvement comprennent en particulier un système de contrôle du déplacement des dispositifs d'application d'effort de compression 104a, 104b, 104c, qui est placé en zone froide sous la sole 11 de l'enceinte thermique 102.
Par ailleurs, comme visible sur les figures 13, 15 et 16, les moyens de mise en mouvement peuvent encore comporter des organes de rappel élastique, ici des ressorts 135, des vérins et/ou des pistons, qui permettent de réaliser la compression mécanique des stacks 20 de manière indépendante. Ces ressorts 135 sont situés en dehors de l'enceinte thermique 102, sous celle-ci en partie froide. Ils sont positionnés aux extrémités des parties d'arche latérales Ei des dispositifs d'application d'effort de compression 104a, 104b, 104c.
Les raideurs des ressorts 135 peuvent être adaptées pour avoir un faible effet des dilatations thermiques des tiges de serrage Ei sur l'empilement 20. Aussi, il peut être possible de gérer les dilatations thermiques pour permettre de maintenir un appui bien centré sur le stack 20.
La rigidité de chaque ressort 135 est par exemple comprise entre 0,1 N/mm et 1000 N/mm, et préférentiellement entre 1 N/mm et 20 N/mm. De plus, la longueur de chaque ressort 135 est par exemple comprise entre 0,1 m et 10 m, et préférentiellement entre 1 m et 2 m.
Par ailleurs, la figure 16 illustre une variante de réalisation dans laquelle les moyens de mise en mouvement comportent en plus un support de traverse 140, sous forme de plaque, commun à tous les ressorts 135 permettant de leur imposer un mouvement identique. Un tel support de traverse 140 est également visible sur la figure 13.
Ainsi, il est possible de piloter de manière commune l'ensemble des ressorts 135 par un déplacement commun imposé par le support de traverse 140. Le déplacement est imposé par ce support de traverse 140 qui applique le même déplacement à tous les ressorts 135, les raideurs de ceux-ci étant modulées selon le niveau de serrage désiré et les longueurs des tiges de serrage Ei mises en place en partie chaude et les dilatations prévues.
En outre, comme visible sur la figure 13, le système de conditionnement 100 peut comporter un système de soutien 130 d'un ou plusieurs des dispositifs d'application d'effort de compression 104a, 104b, 104c (ici le dispositif 104a). Un tel système de soutien 130 est situé en partie supérieure de l'enceinte thermique 102. Il consiste en l'ajout de ressorts 132 aux extrémités des tiges de serrage Ei, lesquelles sont prolongées au-delà de la partie d'arche supérieure Es et traversent la paroi horizontale supérieure 102s de l'enceinte thermique 102. Ce système de soutien 130 permet de soutenir la partie d'arche supérieure Es lorsque celle-ci n'est pas serrée par les ressorts 135 du bas. Cela permet ainsi de positionner le stack 20 facilement. Lorsque les ressorts 135 sont serrés, il est possible d'appliquer une charge sur le stack 20.
En outre, sur les figures 13 à 16, on a illustré des exemples de déplacement du premier dispositif d'application d'effort de compression 104a et du deuxième dispositif d'application d'effort de compression 104b.
Ainsi, les flèches C représentent l'abaissement du premier dispositif 104a lors de l'écrasement du premier stack 20 pendant l'étape de conditionnement. Il s'agit d'un déplacement vers le bas pour accompagner l'écrasement du stack 20 avec une continuité de l'application de l'effort.
Les flèches A représentent le placement du dispositif 104b en position haute pour permettre la mise en place du deuxième stack 20 avant le début de l'étape de conditionnement.
Sur les figures 14, 15 et 16, le troisième stack 20 du haut est illustré dans une position de référence, simplement mis en place et avant écrasement.
Le conditionnement peut être réalisé sous un gaz neutre, soit via l'intérieur des stacks 20, soit dans l'enceinte thermique 102 inertée complètement. Dans ce cas, le système 100 peut comporter un moufle interne étanche et la jonction entre les tiges de serrage et le moufle peut être réalisée par un soufflet.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits. Diverses modifications peuvent y être apportées par l'homme du métier.

Claims

24 REVENDICATIONS
1. Système (100) de conditionnement d'une pluralité d'empilements (20) de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température, chaque empilement (20) comportant une pluralité de cellules électrochimiques (41) formées chacune d'une cathode, d'une anode et d'un électrolyte intercalé entre la cathode et l'anode, et une pluralité d'interconnecteurs intermédiaires (42) agencés chacun entre deux cellules électrochimiques (41) adjacentes, caractérisé en ce que le système (100) comporte :
- une enceinte thermique (102) délimitant un volume interne (Vi),
- une pluralité d'empilements (20) placés dans le volume interne (Vi), au moins deux empilements (20) étant superposés au moins partiellement l'un par rapport à l'autre,
- une pluralité de dispositifs de support (103a, 103b, 103c), superposés au moins partiellement les uns par rapport aux autres, sur chacun desquels sont positionnés un ou plusieurs empilements (20) non superposés les uns par rapport aux autres,
- une pluralité de dispositifs d'application d'effort de compression (104a, 104b, 104c) contre un ou plusieurs empilements (20), superposés au moins partiellement les uns par rapport aux autres,
- des moyens de mise en mouvement (135, 140) de ladite pluralité de dispositifs d'application d'effort de compression (104a, 104b, 104c) permettant un serrage mécanique indépendant du ou des empilements (20) positionnés sur chaque dispositif de support (103a, 103b, 103c), les moyens de mise en mouvement (135, 140) de ladite pluralité de dispositifs d'application d'effort de compression (104a, 104b, 104c) comportant des organes de rappel élastique (135), des vérins et/ou des pistons, situés en dehors de l'enceinte thermique (102).
2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre d'empilements (20) est compris entre 2 et 20.
3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'enceinte thermique (102) est constituée d'une sole de four (11), formant la paroi horizontale inférieure de l'enceinte thermique (102), d'une paroi horizontale supérieure (102s) et de parois latérales (1021), définissant ensemble le volume interne (Vi).
4. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un ou plusieurs des dispositifs de support (103a, 103b, 103c) se présentent sous la forme d'un arche comprenant notamment une partie d'arche supérieure (As) sensiblement horizontale, sur laquelle sont disposés un ou plusieurs empilements (20), et au moins deux parties d'arche latérales (Ai) situées de part et d'autre de la partie d'arche supérieure (As) et en appui de manière directe ou indirecte sur l'enceinte thermique (102), notamment la sole (11).
5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un ou plusieurs des dispositifs de support (103a, 103b, 103c) se présentent sous la forme d'une étagère sensiblement horizontale et supportée de manière directe ou indirecte par l'enceinte thermique (102), notamment les parois latérales (1021).
6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'enceinte thermique (102) comporte, dans son volume interne (Vi), un cadre mécanique (120) comprenant une pluralité d'encoches (102e) à différentes hauteurs pour le positionnement variable de dispositifs de support (103a, 103b, 103c) sous forme d'étagères.
7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un ou plusieurs des dispositifs d'application d'effort de compression (104a, 104b, 104c) se présentent sous la forme d'un arche comprenant notamment une partie d'arche supérieure (Es), notamment sensiblement horizontale, apte à venir en appui de manière directe ou indirecte contre un ou plusieurs empilements (20) et notamment de dimension supérieure à celle du ou des empilements (20), et au moins deux parties d'arche latérales (Ei) situées de part et d'autre ou au travers de la partie d'arche supérieure (Es), notamment sous forme de tiges de serrage, et traversant l'enceinte thermique (102), notamment la sole (11), au travers de premiers orifices (Oi) formés dans celle-ci.
8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque arche comporte une partie d'arche supérieure (Es), apte à venir en appui de manière directe ou indirecte contre un ou plusieurs empilements (20), et au moins deux parties d'arche latérales (Ei) situées au travers de la partie d'arche supérieure (Es) et traversant l'enceinte thermique (102) au travers de premiers orifices (Oi) formés dans celle-ci, et en ce qu'une pluralité d'orifices de passage (O3) est formée au travers de la partie d'arche supérieure (Es) pour le passage desdites au moins deux parties d'arche latérales (Ei) et éventuellement le passage de parties d'arche latérales (Ei) d'une ou plusieurs autres arches.
9. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un ou plusieurs des dispositifs d'application d'effort de compression (104a, 104b, 104c) sont apte à venir en appui contre un ou plusieurs empilements (20) par le biais d'au moins un élément de contact (110) formant une liaison rotule entre le ou les empilements (20) et le dispositif d'application d'effort de compression (104a, 104b, 104c) correspondant.
10. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de mise en mouvement (135, 140) de ladite pluralité de dispositifs d'application d'effort de compression (104a, 104b, 104c) comportent un système de contrôle du déplacement de ladite pluralité de dispositifs d'application 27 d'effort de compression (104a, 104b, 104c) placé en zone froide sous l'enceinte thermique (102), notamment sous la sole de four (11).
11. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un système de soutien (130) d'au moins un dispositif d'application d'effort de compression (104a, 104b, 104c), situé en partie supérieure de l'enceinte thermique (102).
12. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les organes de rappel élastique (135), les vérins et/ou les pistons sont situés sous l'enceinte thermique (102) en partie froide, étant notamment positionnés aux extrémités des parties d'arche latérales (Ei) des dispositifs d'application d'effort de compression (104a, 104b, 104c).
13. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens de mise en mouvement (135, 140) de ladite pluralité de dispositifs d'application d'effort de compression (104a, 104b, 104c) comportent un support de traverse (140) commun à tous les organes de rappel élastique (135), vérins et/ou pistons permettant de leur imposer un mouvement identique.
14. Procédé de serrage d'une pluralité d'empilements (20) de cellules à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température par le biais d'un système (100) de conditionnement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape consistant à déplacer la pluralité de dispositifs d'application d'effort de compression (104a, 104b, 104c) par le biais des moyens de mise en mouvement (135, 140) en direction de la pluralité d'empilements (20) pour permettre un serrage mécanique indépendant du ou des empilements (20) sur chaque dispositif de support (103a, 103b, 103c). 28
15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre sous un gaz neutre, directement à l'intérieur des empilements (20) ou par le biais de l'enceinte thermique (102) rendue totalement inerte.
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