WO2023285751A1 - Systeme de serrage pour module electrochimique - Google Patents

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WO2023285751A1
WO2023285751A1 PCT/FR2022/051358 FR2022051358W WO2023285751A1 WO 2023285751 A1 WO2023285751 A1 WO 2023285751A1 FR 2022051358 W FR2022051358 W FR 2022051358W WO 2023285751 A1 WO2023285751 A1 WO 2023285751A1
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WO
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stiffening
stiffening plates
stack
clamping system
plates
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Application number
PCT/FR2022/051358
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Karl VULLIEZ
Mathieu Monteremand
Philippe SZYNAL
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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    • H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/186—Regeneration by electrochemical means by electrolytic decomposition of the electrolytic solution or the formed water product

Definitions

  • the present invention relates to a clamping system for an electrochemical module, intended to apply a compressive force to a stack of cells in particular during its handling.
  • An electrochemical device can be implemented for high temperature electrolysis and comprise a stack of solid oxide electrolyzer cells or SOEC (solid oxide electrolyzer cell in English terminology) or as a fuel cell and comprise a stack of solid oxide fuel cells or SOFC (Solid oxide fuel cell in Anglo-Saxon terminology).
  • SOEC solid oxide electrolyzer cell in English terminology
  • SOFC Solid oxide fuel cell in Anglo-Saxon terminology
  • Such a device comprises a module or stack comprising a stack of electrochemical cells sandwiched between two clamping plates. The cells are electrically connected in series.
  • Each electrochemical cell has an electrolyte between two electrodes.
  • Interconnection plates are interposed between the cells and ensure the electrical connection between the cells.
  • the interconnection plates provide the gas supply to the cells and the collection of the gases produced at the level of each cell.
  • Document EP3183379 describes an example of an interconnection plate or connector ensuring the electrical connection and the distribution of gases within the cells.
  • the interconnector comprises three thin plates, one of the plates called intermediate plate arranged between the two other plates, called end plates, allows the distribution of gases within the O and H chambers.
  • One of the end plates forms a frame delimiting a window on the intermediate plate and receiving a cell which is then in contact with the intermediate plate.
  • Electrical current passes bottom-up or top-down through the cells and interconnector areas, which are aligned vertically with the cells.
  • the anode and the cathode are the site of electrochemical reactions, while the electrolyte allows the transport of ions from the cathode to the anode, or vice versa depending on whether the electrochemical device operates in electrolyser mode or in battery mode. fuel.
  • the cathode compartment allows a supply of water vapor and an evacuation of the water reduction products, in particular hydrogen, while the anode compartment ensures, via a draining gas, the evacuation of the dioxygen produced from the oxidation of O 2 ions migrating from the cathode to the anode.
  • the electrolysis mechanism (“SOEC” mode) of water vapor by an elementary electrochemical cell is described below.
  • the elementary electrochemical cell is powered by a current flowing from the cathode to the anode.
  • the water vapor distributed by the cathode compartment is then reduced under the effect of the current according to the following half-reaction:
  • the oxygen thus formed is evacuated by the draining gas circulating in the anode compartment.
  • SOFC fuel cell
  • air is injected into the cathode compartment which dissociates into O 2 ions. These migrate towards the anode and react with dihydrogen circulating in the anode compartment to form water.
  • the fuel cell is supplied with CH 4 and air.
  • Operation in fuel cell mode allows the production of an electric current.
  • These systems can operate at temperatures between 600°C and 1000°C.
  • the clamping plates exert a clamping force on the stack in order to ensure good electrical contact between the interconnection plates and the cells and sealing of the stack. Tie rods connect the clamping plates.
  • Glass-ceramic sealing on the side contour of the cells is made for each module. This sealing is done at a temperature of the order of 800°C. During this sealing a compressive force is applied. During the handling phases, this effort must be maintained.
  • a clamping system comprising a set of clamping devices, each clamping device comprising a column extending between the stiffening plates and being fixed thereto so that the outer faces of the stiffening plates remain flat and make it possible to produce easily stackable stiffening plates and electrochemical modules.
  • the columns remain in the space delimited between the plates which makes the device compact.
  • the invention provides means for temporarily clamping a stack of cells and interconnectors which do not increase the size of the stack.
  • the clamping devices are such that they make it possible to implement two identical stiffening plates.
  • the stiffening plates are square or rectangular and from one to three clamping devices per side are provided.
  • the columns are rigid.
  • the columns are formed by cables fixed to each other.
  • the subject of the present application is therefore a clamping system for a module comprising a stack of electrochemical cells and interconnectors in a longitudinal direction, and a first stiffening plate and a second stiffening plate on either side of the stack, said clamping system being intended to exert a compressive force on said stack in the longitudinal direction, each first and second stiffening plates comprising n holes orthogonal to the stiffening plates and distributed along the edges of the stiffening plates, n being an integer at least equal to 2, said clamping system comprising n clamping devices, each clamping device comprising a column configured to mechanically connect the first and the second stiffening plates, each column extending in the space between the first and second stiffening plates, each clamping device also comprising first means penetrating into each of the first and second stiffening plates and fixing the column to the said first and second stiffening plates and second adjustment means for adjusting the tension applied to the column.
  • the first means comprise, at each of the stiffening plates, a housing for a column head, configured to allow mounting of a column head in the housing by lateral displacement of the column.
  • the first means may comprise at least a first threaded element configured to be screwed into a hole in one of the stiffening plates.
  • the post may comprise, at a first longitudinal end, a head cooperating with the first threaded element and, at a second longitudinal end, a head intended to be connected to the second stiffening plate, and in which the second adjustment means are formed by the cooperation of the first threaded element with the first stiffening plate.
  • the first threaded element may comprise a housing for a column head, configured to allow mounting of a column head in the housing by lateral displacement of the column.
  • the first means may comprise a second threaded element configured to be screwed into a hole in the second stiffening plate
  • the second threaded element may comprise a housing for a column head, configured to allow mounting of a baluster in the housing by lateral displacement of the baluster.
  • the housings and the heads are configured to provide between them a lateral clearance.
  • the clamping device may comprise at least one nut configured to be mounted with lateral clearance in a hole of the second stiffening plate and to be immobilized in translation in the axial direction at least in a direction opposite to that in which the second threaded element is screwed into the hole.
  • each column comprises two cables, each configured to be fixed by a first end at least in translation in the axial direction to the first and second stiffening plates and comprising at a second end means for connecting the cables between them, forming the means of adjustment.
  • the first means may comprise a second threaded element configured to be screwed into a hole in the second stiffening plate, the first end of one cable being welded into the first threaded element and the first end of the other cable being welded into the second threaded element.
  • the adjustment means comprise a nut mounted free in rotation on the second end of one of the cables and a threaded pin mounted on the second end of the other cable.
  • At least one clamping device comprises a strain gauge configured to supply the tension applied to the column.
  • Another object of the present application is a module comprising a stack of electrochemical cells and interconnectors and a first and a second stiffening plates on either side of the stack and a clamping system according to the invention, the first and second stiffening plates having holes for mounting the clamping devices arranged along the edges of the stiffening plates.
  • the holes in the second stiffening plate can emerge laterally in the edges of the second stiffening plate, said holes comprising a shoulder forming a bearing surface for a head of the column.
  • the nut comprises a collar resting against a zone of the outer face of the second stiffening plate, and said zone comprises a countersinking so that the flange does not protrude from a main plane of said outer face.
  • Another object of the present application is a method for compressing a stack of electrochemical cells and interconnectors by means of a clamping system according to the invention, comprising: a) supplying a stack of cells electrochemical and interconnectors and first and second stiffening plates on either side of the stack, said plates each comprising n holes orthogonal to the first and second stiffening plates and distributed along the edges of the stiffening plates, b ) mounting a first threaded element in a hole of the first stiffening plate for each mounting device, c) mounting the column between said first element and the second plate, d) tensioning said column.
  • tensioning can be obtained by screwing the first threaded element into the hole.
  • a second threaded element can be mounted in a hole of the second stiffening plate and in which during step d), tensioning is obtained by screwing the first element into the hole and /or screwing the second element into the hole.
  • Another object of the present application is a method for compressing a stack of electrochemical cells and interconnectors by means of a clamping system according to the invention, comprising: a) providing a stack of electrochemical cells and interconnectors and first and second stiffening plates on either side of the stack, said plates each comprising n holes orthogonal to the first and second stiffening plates and distributed along the edges of the first and second stiffening plates , b) mounting a first threaded element in a hole of a first stiffening plate for each mounting device, c) mounting a second threaded element in a hole of the second stiffening plate for each mounting device, d) connecting said cables and tensioning said cables.
  • Another object of the present application is a method for manufacturing an electrochemical assembly constituting a SOEC electrolysis or co-electrolysis reactor or a SOFC fuel cell, comprising a superposition of p modules, p being an integer at least equal to 2, comprising: a′) Supply of a stack of electrochemical cells and interconnectors and first and second stiffening plates on either side of the stack, said plates each comprising n holes orthogonal to the first and second stiffening plates and distributed along the edges of the stiffening plates, b') Placing said stack and the first and second stiffening plates in a press, c') Application of a given axial compressive force, d') Production of a seal between the cells and the interconnectors e′) Installation of the clamping system by applying the method according to the invention, f′) repetition of steps a′) to e′) to manufacture p modules, g') superimposition of the modules h') positioning of the said superimposed modules in a press i
  • Figure 1 is a schematic representation of a perspective view of an example of an electrochemical assembly according to the invention.
  • Figure 2 is a perspective view of an electrochemical module implementing a clamping system according to an exemplary embodiment according to the invention.
  • Figure 3 is a perspective view of a threaded element of a clamping device implemented in the module of Figure 2.
  • Figure 4 is a side view of the threaded element of Figure 3.
  • Figure 5A is a detail view of a clamping device of Figure 2 in the assembly phase.
  • Figure 5B shows the clamping device of Figure 2 in the tension adjustment phase.
  • Figure 6 is a perspective view of a detail of a module according to an alternative embodiment of the clamping system of Figure 2.
  • Figure 7A is a sectional view at the level of a nut mounted in the second stiffening plate in a first position.
  • Figure 7B is a sectional view at the level of the nut mounted in the second stiffening plate in a second position.
  • Figure 8 is a perspective view of an electrochemical module implementing a clamping system according to another exemplary embodiment according to the invention.
  • Figure 9 is a detail view of Figure 8 from a first point of view.
  • Figure 10 is a detail view of Figure 8 from a first point of view.
  • Figure 11 is a perspective view of part of an electrochemical module implementing a clamping system according to another embodiment of the invention.
  • Figure 12A is a detail view of a clamping device of Figure 11.
  • Figure 12B is a longitudinal sectional view of the clamping device of Figure 12A.
  • FIG. 1 one can see a side view of an example of an assembly of electrochemical cells and electrical and fluidic interconnectors, in which the cells and the interconnectors are divided into several modules M1, M2, M3, three in the example shown.
  • Each module comprises a stack of electrochemical cells and interconnectors, each cell being placed between two interconnectors.
  • Each electrochemical cell has an electrolyte between two electrodes.
  • Two stiffening plates PI, P2 are provided at the ends of the stack and allow the application of a compressive force to the stack of cells and interconnectors. The stiffening plates PI, P2 also ensure the electrical connection with the stacks located above and below and the fluidic connection.
  • the electrochemical assembly comprises two end plates PE1, PE2 forming electrical and fluidic connectors to bring or collect the electric current from the electrochemical assembly to the outside and to bring, collect and circulate the gases of the electrochemical assembly outwards.
  • tie rods T connect the two end plates PE1, PE2 and ensure the application of a compressive force to all of the modules during operation of the device.
  • a module M1 alone comprising a clamping system SI according to an exemplary embodiment.
  • the clamping system is intended to ensure the application of a compressive force to the stack of cells and interconnectors temporarily, in particular during the phases of handling the module and performing the final assembly.
  • the SI clamping system is not intended to be used during manufacturing phases requiring high temperatures, for example when making glass or glass-ceramic joints between cells and interconnectors. During these phases, the maintenance of the compression force is obtained by means of a press.
  • the clamping system SI is configured to cooperate with the stiffening plates PI and P2.
  • the two plates PI, P2 are in this example identical or similar, only the plate PI will be described in detail.
  • the first plate PI has an inner face 2 intended to be in contact with the stack of cells and interconnectors.
  • the first PI plate has tapped holes (not visible) extending along a thickness direction of the PI plate. In this example the holes pass through the PI plate. The holes are distributed over the entire contour of the PI plate.
  • the PI plate has a substantially square shape and it has lugs 6 extending laterally outwards, in each of which a threaded hole is formed.
  • the plate P2 has the same number of tapped holes 5 as the plate PI, which have the same arrangement so that, when the plates PI and P2 are arranged on either side of the stack, each tapped hole of a plate is substantially opposite a tapped hole of the other plate considering a vertical direction.
  • the number of holes per side is not limiting and is chosen according to the dimensions of the stiffening plates.
  • ears makes it possible to reduce the mass of the stiffening plates.
  • the clamping system comprises a set of several clamping devices intended to be distributed around the stack in order to ensure the application of a balanced compressive force.
  • Each clamping device comprises a first element 8 configured to cooperate by screwing with a threaded hole of the plate PI, a second element 10 configured to cooperate by screwing with a threaded hole 5 of the plate P2 and a column 12 configured to mechanically connect rigidly the first element 8 and the second element 10 and ensure the application of a tensile force between the first and the second element.
  • first element 8 and the second element 10 are identical or similar, only the first element 8 will be described in detail.
  • the first element shown alone in Figure 3, comprises a plate 14 provided on a first face with a threaded pin 15 configured to be screwed into a threaded hole in the plate PI.
  • the plate 14 comprises, on a second face opposite the first face, two jaws 16 defining between them a housing for one end of the column and forming an axial stop therefor.
  • the axial direction is to be considered in the direction of the stack and extends orthogonally to the two stiffening plates PI, P2.
  • each jaw comprises an abutment part 18 extending parallel to and at a distance from the plate and a connection part 20 connecting the abutment part 18 to the platinum.
  • the two abutment parts 18 of the two jaws have side edges facing each other and providing between them a passage for the column.
  • the side edges each have a recess 22, the two recesses defining a housing for the column.
  • the first element 8 has, seen from above, a hexagonal shape allowing it to be screwed into a hole in the plate PI by means of a standard spanner.
  • the hexagonal shape is more practical for making the passage 21.
  • the first element 8 has a polygonal shape comprising between 3 and n sides, for example 10.
  • a polygonal shape has the advantage of being able to set up the clamping device in an environment with little space for the installation of the tool; and furthermore it makes it possible to easily arrange the passages parallel to each other for mounting the column, as will be explained below.
  • the column 12 comprises a rod 24 provided at each of its longitudinal ends with a disc-shaped head 26 whose axis coincides with that of the rod, and of diameter greater than that of the rod so as to be connected to the rod 24 by a shoulder 28.
  • the width L of the passage 21 between the jaws is greater than the diameter of the rod and is less than the diameter of the head.
  • the distance between the connection parts of the two jaws is chosen greater than the diameter of the head of the column.
  • the clearance provided between the head and the connection parts and between the rod and the housing delimited by the recesses 22 in the abutment parts advantageously make it possible to compensate for the defects in flatness, orientation and coaxiality between the two stiffening plates. .
  • a slight misalignment of two tapped holes can be compensated by the lateral displacements of the column in the first and second elements.
  • the first element 8 is screwed into a tapped hole in the plate PI
  • the second element 10 is screwed into the tapped hole opposite the plate P2.
  • the first and/or the second element is or are not screwed fully into the tapped holes. In the example shown the second element 10 is not screwed down.
  • the first and second elements are oriented so that the passages 21 are parallel, allowing the mounting of the heads of the column in the first and the second element simultaneously (FIG. 5A).
  • the column 12 is then mounted in the first 8 and second element 10 by sliding each head between the plate and the abutment parts and the rod in the passage.
  • the first and/or the second element is or are screwed further, the heads then come into abutment against the abutment parts, the pins are then put in tension, which ensures a force stacking compression.
  • the second element which is screwed further (FIG. 5B).
  • the compressive force applied is of the order of 1 kN to a few kN.
  • the length of the rod 24 is chosen according to the height of the stack and the number of interconnectors, so that it can exert in cooperation with the first 8 and second 10 elements a compressive force between the two plates of stiffening.
  • All SI clamping devices are mounted in the same way between the two plates PI and P2 and all around the stack ensuring the application of a balanced compressive force over the entire section of the stack.
  • Preferably between 4 and 12 clamping devices are mounted between the two plates, i.e. between one clamping device per side and three clamping devices per side.
  • the tightening devices are put in place, for example, after the step of producing the glass or vitroceramic seals between the cells and the interconnectors.
  • the compressive force is applied to the stack by means of a hurry.
  • This step requires a high temperature.
  • the clamping devices are put in place so as to maintain a compression force applied by the press, after that -it will have released its effort.
  • the press is controlled to release the compression force.
  • the module can then be manipulated while maintaining the compression force.
  • a seal is to be made between the modules.
  • the assembly is placed in a press, which is actuated so as to apply a compressive force to the assembly. Then the clamps are removed. The sealing step takes place. Then the tie rods are put in place between the end plates PE1, PE2.
  • the clamping devices make it possible to maintain the application of a compressive force on the stacks between the phases under press.
  • they make it possible to superimpose the stacks without there being any interference between them, contrary to what would happen with these tie rods passing through the plates and with bolts resting on the outer faces of the stiffening plates.
  • SI clamping devices allow relatively quick and easy assembly.
  • the clamps are preferably made of high strength steel to withstand the imposed stresses and deformation.
  • the material of the assembly devices has a Young's modulus greater than 10 GPa and an elastic limit greater than ten times the maximum stress present in the tie rods of the final assembly when they are loaded.
  • the clamping devices are made of stainless steel X4CrNiMo 16-
  • the rods of the columns have a diameter of between 1 mm and 20 mm, preferably equal to 8 mm.
  • the number of columns and their diameter are chosen so that the set of columns is substantially more rigid than the stack.
  • the ratio of the stiffness of all the columns to the stiffness of the stack is advantageously between 1 and 1000 and preferably around 50.
  • the clamping system comprises several sets of columns of different lengths making it possible to adapt to stacks of different heights, the first and second threaded elements being able to be used for different lengths of columns.
  • the height variation between two stacks can be partly compensated by the level of screwing of the first and second elements in the tapped holes of the plates P1 and P2.
  • a clamping system for producing a complete assembly comprising three modules comprises at least three sets of clamping devices, since each module is equipped with clamping devices, in particular when the three stacks are superimposed.
  • all or part of the columns 12 is equipped with a calibrated strain gauge making it possible to control the forces applied during their tensioning.
  • the columns have a diametral hole in which the gauge is placed. Only part of the columns can be equipped with deformation gauges, by coupling the measurement of the deformation to a measurement of the tightening torque on the first and second elements it is possible to repeat the tightening on the other tightening devices without using gauges of deformation.
  • the clamping system S2 comprises a first threaded element 8 identical or similar to the first element of the clamping system SI and configured to be screwed directly into a threaded hole in the plate PI.
  • the clamping system S2 also comprises a second threaded element 10 identical or similar to the second element of the clamping system SI.
  • the clamping system S2 also comprises a nut 30 configured to be mounted with a transverse clearance in a hole 5' of the stiffening plate P2.
  • the second threaded element 10' is configured to be screwed into the nut 30, it is similar to the second element 10.
  • the nut 30 comprises a base 32 intended to bear against the outer face of the stiffening plate P2 so to axially immobilize the nut 30 against the stiffening plate P2.
  • the outer face of the stiffening plate P2 is structured so that the nut 30 does not protrude from the outer face and thus does not interfere with the installation of another module.
  • a countersink 34 is made in the lug, the countersink having a depth at least equal to the thickness of the base 32 of the nut.
  • the nut 30 is free to move laterally in the hole 5' of the stiffening plate P2' in order to compensate for the misalignment between the holes 5' of the two stiffening plates.
  • the installation of the clamping devices is substantially identical to that of the devices of the SI clamping system.
  • the first element is screwed into a hole in the stiffening plate P1
  • the nut 30 is placed in the hole 5' of the stiffening plate P2
  • the second element 10' is partially screwed into the nut 30.
  • the column heads 12 are slid into the housings of the first and second elements 8, 10'. Then the first element 8 and/or the second element 10' are screwed further to tension the column 12. This positioning is repeated for all the clamping devices.
  • either the holes in the plate P2' have a larger diameter than the diameter of the holes in the plate PI, or the threaded part of the second element has a smaller diameter than that of the first element.
  • FIGS. 8 to 10 another embodiment of a stack according to the invention can be seen.
  • the S3 clamping system comprises a first threaded element and a column. One of the heads of the column cooperates with the first threaded element and the other head cooperates directly with the stiffening plate P2".
  • the stiffening plate P2" comprises housings 36 for each head formed by a hole passing through the plate and emerging laterally towards the outside of the edge of the stiffening plate P2".
  • Each housing 36 is through and includes a first portion 36.1 of a first width and a second portion 36.2 of a second width greater than the first width, defining between them a shoulder 38 forming an axial stop for the head of the pin.
  • the depth of the second portion 36.2 is advantageously sufficient so that the head does not protrude from the stiffening plate P2".
  • the first element 8 is partially screwed into the hole and is oriented so as to allow the mounting of the column heads in the housing of the first element and the housing of the stiffening plate P2", the head received in the housing 36 is resting on the shoulder 38.
  • the first element 8 is then further screwed into the hole of the stiffening plate P1 so as to tension the column This operation is repeated for each of the clamping devices.
  • This exemplary embodiment has the advantage of simplifying assembly and making it faster since it only requires the screwing of a threaded element.
  • the module has a reduced height.
  • the clamping system S4 comprises clamping devices comprising a first cable Cl fixed to the stiffening plate PI and a second cable C2 fixed to the stiffening plate P2 and a device for connecting the cables and for tensioning them. .
  • the cables C1 and C2 are preferably of the same diameter.
  • the two cables Cl, C2 once assembled fulfill the column function.
  • the first cable Cl is provided at one end Cl.l with a threaded element 40 configured to be screwed into a hole in the stiffening plate PI.
  • the Cl.l end is welded to the threaded element 40.
  • the first cable Cl is provided at its other end Cl.2 with a threaded end piece 42, for example crimped onto the end Cl.2 of the cable.
  • the second cable C2 is provided at one end C2.1 with a threaded element 44 configured to be screwed into a hole in the stiffening plate P2. End C2.1 is welded to threaded element 44.
  • the second cable C2 is provided at its other end C2.2 with a nut 46, mounted to rotate around the cable C2 and in translation along the cable C2 so as to be able to be screwed onto the end piece 42 carried by the cable Cl.
  • the cable C2 is introduced into the nut 46 and a ring 48 is crimped on the end C2.2 of the cable C2 to limit the translation of the nut on the cable C2.
  • the nut 46 is fixed in rotation on the cable C2 and the cable C2 is mounted free in rotation in the threaded element 44.
  • Each threaded element 40, 44 comprises a threaded portion 44.1 to cooperate with a hole in a stiffening plate PI, P2 and a clamping portion 44.2 allowing the clamping of the elements 40, 44 in the holes, the clamping portions are advantageously polygonal shape, preferably hexagonal.
  • the cables are mounted on the plates as in the example of figure 8.
  • the threaded element 40 is screwed into a hole 8 of the stiffening plate PI, the threaded element 44 is screwed into a hole 10 of the stiffening plate P2.
  • the nut 46 is screwed onto the end piece 42 until the cables C1 and C2 are under tension.
  • the cables Cl and C2 are chosen so as to have sufficient stiffness. Similar to clamping systems with rigid columns, preferably the number of cable clamping devices and the diameter of the cables are chosen so that the set of clamping devices is substantially more rigid than the stack.
  • the ratio of the stiffness of all the clamping devices to the stiffness of the stack is advantageously between 1 and 1000 and preferably around 50.
  • the clamping system according to the invention makes it possible to maintain the stacks in compression while avoiding having elements protruding from the outer faces of the stiffening plates, which simplifies the superposition of the stacks.

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Abstract

Système de serrage (S1) pour un module électrochimique comportant un empilement de cellules électrochimiques et d'interconnecteurs et deux plaques de rigidification(P1, P2) aux extrémités de l'empilement, ledit système de serrage exerçant un effort de compression sur ledit empilement dans la direction longitudinale, chaque plaque de rigidification (P1, P2) comportant huit trous (8, 10) orthogonaux aux plaques de rigidification et répartis le long des bords des plaques de rigidification, ledit système de serrage comportant huit dispositifs de serrage, chaque dispositif de serrage comportant une colonnette (12) configurée pour relier mécaniquement aux plaques de rigidification (P1, P2), chaque colonnette (12) s'étendant dans l'espace entre les plaques de rigidification, chaque dispositif de serrage comportant également des premier (8) et deuxième (10) élément vissés dans chacune des plaques de rigidification, fixant la colonnette (12) auxdites plaques de rigidification (P1, P2) et permettant d'ajuster la tension appliquée à la colonnette (12).

Description

SYSTEME DE SERRAGE POUR MODULE ELECTROCHIMIQUE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
La présente invention se rapporte à un système de serrage pour module électrochimique, destiné à appliquer un effort de compression à un empilement de cellules notamment pendant sa manipulation.
Un dispositif électrochimique peut être mis en œuvre pour l'électrolyse à haute température et comporter un empilement de cellules d'électrolyseur à oxyde solide ou SOEC (solid oxide electrolyzer cell en terminologie anglo-saxonne) ou en tant que pile à combustible et comporter un empilement de cellules à combustible à oxyde solide ou SOFC (Solid oxide fuel cell en terminologie anglo-saxonne).
Un tel dispositif comporte un module ou stack comprenant un empilement de cellules électrochimiques enserrées entre deux plaques de serrage. Les cellules sont connectées électriquement en série.
Chaque cellule électrochimique comporte un électrolyte entre deux électrodes. Des plaques d'interconnexion sont interposées entre les cellules et assurent la connexion électrique entre les cellules. En outre les plaques d'interconnexion assurent l'alimentation en gaz des cellules et la collecte des gaz produits au niveau de chaque cellule. Le document EP3183379 décrit un exemple de plaque d'interconnexion ou connecteur assurant la connexion électrique et la distribution des gaz au sein des cellules. L'interconnecteur comporte trois plaques de faible épaisseur, une des plaques dite plaque intermédiaire disposée entre les deux autres plaques, dites plaques d'extrémité, permet la distribution des gaz au sein des chambres à O et à H .
L'une des plaques d'extrémité forme un cadre délimitant une fenêtre sur la plaque intermédiaire et recevant une cellule qui est alors en contact avec la plaque intermédiaire. Le courant électrique passe de bas en haut ou de haut en bas à travers les cellules et les zones des interconnecteurs, qui sont alignées verticalement avec les cellules. En fonctionnement, l'anode et la cathode sont le siège de réactions électrochimiques, tandis que l'électrolyte permet le transport d'ions de la cathode vers l'anode, ou inversement suivant que le dispositif électrochimique fonctionne en mode électrolyseur ou en mode pile à combustible.
Ainsi en mode électrolyseur, le compartiment cathodique permet un apport de vapeur d'eau et une évacuation des produits de réduction de l'eau, notamment de l'hydrogène, tandis que le compartiment anodique assure, via un gaz drainant, l'évacuation du dioxygène produit de l'oxydation des ions O2 migrant de la cathode vers l'anode.
Le mécanisme d'électrolyse (mode « SOEC ») de la vapeur d'eau par une cellule électrochimique élémentaire est décrit ci-dessous. Au cours de cette électrolyse, la cellule électrochimique élémentaire est alimentée par un courant circulant de la cathode vers l'anode. La vapeur d'eau distribuée par le compartiment cathodique est alors réduite sous l'effet du courant selon la demi-réaction suivante :
2 H2O + 4 e -> 2 H2 + 2 O2.
Le dihydrogène produit lors de cette réaction est alors évacué, tandis que les ions O2 produits lors de cette réduction migrent de la cathode vers l'anode, via l'électrolyte, où ils sont oxydés en dioxygène selon la demi-réaction :
2 O2 -> O2 + 4 e .
Le dioxygène ainsi formé est quant à lui évacué par le gaz drainant circulant dans le compartiment anodique.
L'électrolyse de la vapeur d'eau répond à la réaction suivante :
2 H2O -> 2 H2 + O2.
En mode pile à combustible (« SOFC »), de l'air est injecté dans le compartiment cathodique qui se dissocie en ions O2. Ces derniers migrent vers l'anode et réagissent avec du dihydrogène circulant dans le compartiment anodique pour former de l'eau. En variante, la pile à combustible est alimentée en CH4 et en air.
Le fonctionnement en mode pile à combustible permet la production d'un courant électrique. Ces systèmes peuvent fonctionner à des températures comprises entre 600°C et 1000°C.
Les plaques de serrage exercent un effort de serrage sur l'empilement afin d'assurer un bon contact électrique entre les plaques d'interconnexion et les cellules et une étanchéité de l'empilement. Des tirants relient les plaques de serrage.
Le développement des systèmes industriels intégrant des électrolyseurs haute température passe par un accroissement du volume de gaz traité (en SOEC ou SOFC). Pour ce faire, l'augmentation de la surface et nombre des cellules et du nombre de plaques d'interconnecteur est nécessaire. Un accroissement significatif du nombre de plaques et de la hauteur des empilements pose de nombreuses difficultés techniques. Pour pallier ces difficultés et réaliser des empilements de plus grandes dimensions, il a été envisagé de réaliser des assemblages comportant plusieurs modules constitués d'un nombre réduit de cellules et de plaques d'interconnexion.
Par exemple, pour réaliser un assemblage de 75 cellules, trois modules de 25 cellules chacun sont réalisés puis superposés. Chaque module est réalisé de manière séparée. Or l'application d'un effort de compression doit être maintenue sur les cellules et interconnecteurs au cours de l'ensemble de phases de fabrication.
Un scellement en vitrocéramique sur le contour latéral des cellules est réalisé pour chaque module. Ce scellement se fait sous température de l'ordre de 800°C. Pendant ce scellement un effort de compression est appliqué. Pendant les phases de manutention, cet effort doit être maintenu.
Ensuite lorsque les modules sont superposés pour réaliser l'assemblage final, un nouveau scellement est réalisé en appliquant une température élevée.
A la fin de ce scellement, l'effort de compression sur l'assemblage final est maintenu par l'intermédiaire de plaques de serrage situées aux extrémités de l'assemblage et reliées par des tirants.
Lors des phases de scellement, le maintien en pression est réalisé au moyen d'une presse et non au moyen de tirants, car ceux-ci seraient soudés au niveau des filetages par l'application de la température élevée. En outre la mise en œuvre de tirants sur les empilements présenterait un encombrement trop important. EXPOSÉ DE L'INVENTION
C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir des moyens permettant d'assurer le maintien de l'application d'un effort de compression à un empilement de cellules électrochimiques et de plaques d'interconnexion, ne présentant pas les inconvénients ci-dessus, et notamment ne gênant ni la superposition des modules ni la mise en place du système de compression finale.
Le but énoncé ci-dessus est atteint par un système de serrage comportant un jeu de dispositifs de serrage, chaque dispositif de serrage comportant une colonnette s'étendant entre les plaques de rigidification et étant fixées à celle-ci de sorte que les faces extérieures des plaques de rigidification restent planes et permettent de réaliser des plaques de rigidification et des modules électrochimiques facilement empilables. En outre, les colonnettes restent dans l'espace délimité entre les plaques ce qui rend le dispositif compact.
En d'autres termes, l'invention offre des moyens de serrage provisoire d'un empilement de cellules et d'interconnecteurs qui n'augmentent pas l'encombrement de l'empilement.
Très avantageusement, les dispositifs de serrage sont tels qu'ils permettent de mettre en œuvre deux plaques de rigidification identiques.
De préférence, les plaques de rigidification sont carrées ou rectangulaires et de un à trois dispositifs de serrage par côté sont prévus.
Dans un exemple de réalisation, les colonnettes sont rigides.
Dans un autre exemple de réalisation, les colonnettes sont formées par des câbles fixés l'un à l'autre.
La présente demande a alors pour objet un système de serrage pour un module comportant un empilement de cellules électrochimiques et d'interconnecteurs dans une direction longitudinale, et une premier plaque de rigidification et une deuxième plaque de rigidification de part et d'autres de l'empilement, ledit système de serrage étant destiné à exercer un effort de compression sur ledit empilement dans la direction longitudinale, chaque première et deuxième plaques de rigidification comportant n trous orthogonaux aux plaques de rigidification et répartis le long des bords des plaques de rigidification, n étant un entier au moins égal à 2, ledit système de serrage comportant n dispositifs de serrage, chaque dispositif de serrage comportant une colonnette configurée pour relier mécaniquement la première et la deuxième plaques de rigidification, chaque colonnette s'étendant dans l'espace entre les première et deuxième plaques de rigidification, chaque dispositif de serrage comportant également des premiers moyens pénétrant dans chacune des première et deuxième plaques de rigidification et fixant la colonnette auxdites première et deuxième plaques de rigidification et des deuxièmes moyens d'ajustement pour ajuster la tension appliquée à la colonnette.
Dans un exemple de réalisation, les premiers moyens comportent, au niveau de chacune des plaques de rigidification, un logement pour une tête de colonnette, configuré pour permettre un montage d'une tête de colonnette dans le logement par déplacement latéral de la colonnette.
En particulier, les premiers moyens peuvent comporter au moins un premier élément fileté configuré pour être vissé dans un trou d'une des plaques de rigidification.
La colonnette peut comporter, à une première extrémité longitudinale, une tête coopérant avec le premier élément fileté et, à une deuxième extrémité longitudinale, une tête destinée à être reliée à la deuxième plaque de rigidification, et dans lequel les deuxièmes moyens d'ajustement sont formés par la coopération du premier élément fileté avec la première plaque de rigidification.
Le premier élément fileté peut comporter un logement pour une tête de colonnette, configuré pour permettre un montage d'une tête de colonnette dans le logement par déplacement latéral de la colonnette.
De plus, les premiers moyens peuvent comporter un deuxième élément fileté configuré pour être vissé dans un troude la deuxième plaque de rigidification, et le deuxième élément fileté peut comporter un logement pour une tête de colonnette, configuré pour permettre un montage d'une tête de colonnette dans le logement par déplacement latéral de la colonnette.
Avantageusement, les logements et les têtes sont configurés pour ménager entre eux un jeu latéral. Le dispositif de serrage peut comporter au moins un écrou configuré pour être monté avec un jeu latéral dans un trou de la deuxième plaque de rigidification et être immobilisé en translation dans la direction axiale au moins dans un sens opposé à celui dans lequel le deuxième élément fileté est vissé dans le trou.
Dns un autre exemple de réalisation, chaque colonnette comporte deux câbles, chacun configuré pour être fixé par une première extrémité au moins en translation dans la direction axiale aux première et deuxième plaques de rigidification et comportant à une deuxième extrémité des moyens de connexion des câbles entre eux, formant les moyens d'ajustement. Les premiers moyens peuvent comporter un deuxième élément fileté configuré pour être vissé dans un trou de la deuxième plaque de rigidification, la première extrémité d'un câble étant soudée dans le premier élément fileté et la première extrémité de l'autre câble étant soudée dans le deuxième élément fileté.
Par exemple, les moyens d'ajustement comportent un écrou monté libre en rotation sur la deuxième extrémité de l'un des câbles et un pion fileté monté sur la deuxième extrémité de l'autre câble.
Selon une caractéristique additionnelle, au moins un dispositif de serrage comporte une jauge de déformation configurée pour fournir la tension appliquée à la colonnette.
Un autre objet de la présente demande est un module comportant un empilement de cellules électrochimiques et d'interconnecteurs et une première et une deuxième plaques de rigidification de part et d'autre de l'empilement et un système de serrage selon l'invention, les première et deuxième plaques de rigidification comportant des trous pour le montage des dispositif de serrage disposés le long des bords des plaques de rigidification.
Les trous de la deuxième plaque de rigidification peuvent déboucher latéralement dans les bords de la deuxième plaque de rigidification, lesdits trous comportant un épaulement formant une face d'appui pour une tête de colonnette.
Par exemple, l'écrou comporte une collerette en appui contre une zone de la face extérieure de la deuxième plaque de rigidification, et ladite zone comporte un lamage de sorte que la collerette ne fasse pas saillie d'un plan principal de ladite face extérieure.
Un autre objet de la présente demande est un procédé de mise en compression d'un empilement de cellules électrochimiques et d'interconnecteurs au moyen d'un système de serrage selon l'invention, comportant: a) la fourniture d'un empilement de cellules électrochimiques et d'interconnecteurs et des première et deuxième plaques de rigidification de part et d'autre de l'empilement, lesdites plaques comportant chacune n trous orthogonaux aux première et deuxième plaques de rigidification et répartis le long des bords des plaques de rigidification, b) le montage d'un premier élément fileté dans un trou de la première plaque de rigidification pour chaque dispositif de montage, c) montage de la colonnette entre ledit premier élément et la deuxième plaque, d) mise en tension de ladite colonnette.
Lors de l'étape d), la mise sous tension peut être obtenue par vissage du premier élément filetée dans le trou.
Lors de l'étape c), un deuxième élément fileté peut être monté dans un trou de la deuxième plaque de rigidification et dans lequel lors de l'étape d), la mise en tension est obtenue par vissage du premier élément dans le trou et/ou vissage du deuxième élément dans le trou. Un autre objet de la présente demande est un procédé de mise en compression d'un empilement de cellules électrochimiques et d'interconnecteurs au moyen d'un système de serrage selon l'invention, comportant: a) fourniture d'un empilement de cellules électrochimiques et d'interconnecteurs et de première et deuxième plaques de rigidification de part et d'autre de l'empilement, lesdites plaques comportant chacune n trous orthogonaux aux première et deuxième plaques de rigidification et répartis le long des bords des première et deuxième plaques de rigidification, b) montage d'un premier élément fileté dans un trou d'une première plaque de rigidification pour chaque dispositif de montage, c) montage d'un deuxième élément fileté dans un trou de la deuxième plaque de rigidification pour chaque dispositif de montage, d) connexion desdits câbles et mise en tension desdits câbles.
Un autre objet de la présente demande est un procédé de fabrication d'un assemblage électrochimique constituant un réacteur d'électrolyse ou de co-électrolyse SOEC ou une pile à combustible SOFC, comportant une superposition de p modules, p étant un entier au moins égal à 2, comportant : a') Fourniture d'un empilement de cellules électrochimiques et d'interconnecteurs et de première et deuxième plaques de rigidifications de part et d'autre de l'empilement, lesdites plaques comportant chacune n trous orthogonaux aux première et deuxième plaques de rigidification et répartis le long des bords des plaques de rigidification, b') Mise en place dudit empilement et des première et deuxième plaques de rigidification dans une presse, c') Application d'un effort de compression axial donné, d') Réalisation d'un scellement entre les cellules et les interconnecteurs e') Mise en place du système de serrage en appliquant le procédé selon l'invention, f') répétition des étapes a') à e') pour fabriquer p modules, g') superposition des modules h') mise en place desdits modules superposés dans une presse i') application d'un effort de compression axial aux modules superposés, j') retrait de systèmes de serrage de tous les modules, k') réalisation d'un scellement entre les modules,
G) montage d'un système de maintien en compression desdits modules, m') retrait de la presse.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels:
Figure 1 est une représentation schématique d'une vue en perspective d'un exemple d'un assemblage électrochimique selon l'invention. Figure 2 est une vue en perspective d'un module électrochimique mettant en œuvre un système de serrage selon un exemple de réalisation selon l'invention.
Figure 3 est une vue en perspective d'un élément filetée d'un dispositif de serrage mis en œuvre dans le module de la figure 2.
Figure 4 est une vue de côté de l'élément fileté de la figure 3.
Figure 5A est une vue de détail d'un dispositif de serrage de la figure 2 en phase de montage.
Figure 5B représente le dispositif de serrage de la figure 2 en phase d'ajustement de la tension.
Figure 6 est une vue en perspective d'un détail d'un module selon une variante de réalisation du système de serrage de la figure 2.
Figure 7A est une vue en coupe au niveau d'un écrou monté dans la deuxième plaque de rigidification dans une première position.
Figure 7B est une vue en coupe au niveau de l'écrou monté dans la deuxième plaque de rigidification dans une deuxième position.
Figure 8 est une vue en perspective d'un module électrochimique mettant en œuvre un système de serrage selon un autre exemple de réalisation selon l'invention.
Figure 9 est une vue de détail de la figure 8 selon un premier point de vue.
Figure 10 est une vue de détail de la figure 8 selon un premier point de vue.
Figure 11 est une vue en perspective d'une partie d'un module électrochimique mettant en œuvre un système de serrage selon un autre exemple de réalisation selon l'invention.
Figure 12A est une vue de détail d'un dispositif de serrage de la figure 11.
Figure 12B est une vue en coupe longitudinale du dispositif de serrage de la figure 12A.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Sur la figure 1, on peut voir une vue de côté d'un exemple d'assemblage de cellules électrochimiques et d'interconnecteurs électriques et fluidiques, dans lequel les cellules et les interconnecteurs sont répartis en plusieurs modules Ml, M2, M3, trois dans l'exemple représenté. Chaque module comporte un empilement de cellules électrochimiques et d'interconnecteurs, chaque cellule étant disposée entre deux interconnecteurs. Chaque cellule électrochimique comporte un électrolyte entre deux électrodes. Deux plaques de rigidifications PI, P2 sont prévues aux extrémités de l'empilement et permettent l'application d'un effort de compression à l'empilement de cellules et d'interconnecteurs. Les plaques de rigidification PI, P2 assurent également la connexion électrique avec les empilements situés au-dessus et au-dessous et la connexion fluidique.
L'assemblage électrochimique comporte deux plaques d'extrémités PE1, PE2 formant des connecteurs électriques et fluidiques pour amener ou collecter le courant électrique de l'assemblage électrochimique vers l'extérieur et pour amener, collecter et faire circuler les gaz de l'assemblage électrochimique vers l'extérieur. En outre, des tirants T relient les deux plaques d'extrémité PE1, PE2 et assurent l'application d'un effort de compression à l'ensemble des modules pendant le fonctionnement du dispositif.
Sur la figure 2, on peut voir un module Ml seul comportant un système de serrage SI selon un exemple de réalisation. Le système de serrage est destiné à assurer l'application d'un effort de compression à l'empilement de cellules et d'interconnecteurs de manière provisoire, notamment pendant les phases de manipulation du module et de réalisation de l'assemblage final. Le système de serrage SI n'est pas destiné à être utilisé pendant les phases de fabrication requérant des températures élevées, par exemple lors de la réalisation de joints en verre ou en vitrocéramique entre les cellules et les interconnecteurs. Lors de ces phases, le maintien de l'effort de compression est obtenu au moyen d'une presse.
Le système de serrage SI est configuré pour coopérer avec les plaques de rigidification PI et P2.
Les deux plaques PI, P2 sont dans cet exemple identiques ou similaires, seule la plaque PI sera décrite en détail.
La première plaque PI comporte une face intérieure 2 destinée à être en contact avec l'empilement de cellules et d'interconnecteurs. La première plaque PI comporte des trous taraudés (non visibles) s'étendant selon une direction de l'épaisseur de la plaque PI. Dans cet exemple les trous traversent la plaque PI. Les trous sont répartis sur tout le contour de la plaque PI. Dans l'exemple représenté, la plaque PI a une forme sensiblement carrée et elle comporte des oreilles 6 s'étendant latéralement vers l'extérieur, dans chacune d'elle un trou taraudé est formé.
La plaque P2 comporte le même nombre de trous taraudés 5 que la plaque PI, qui ont la même disposition de sorte que, lorsque les plaques PI et P2 sont disposées de part et d'autre de l'empilement chaque trou taraudé d'une plaque est sensiblement en regard d'un trou taraudé de l'autre plaque en considérant une direction verticale.
Le nombre de trous par côté n'est pas limitatif et est choisi en fonction des dimensions des plaques de rigidification.
La mise en œuvre d'oreilles permet de réduire la masse des plaques de rigidification.
Le système de serrage comporte un jeu de plusieurs dispositifs de serrage destinés à être répartis autour de l'empilement afin d'assurer l'application d'un effort de compression équilibré.
Chaque dispositif de serrage comporte un premier élément 8 configuré pour coopérer par vissage avec un trou taraudé de la plaque PI, un deuxième élément 10 configuré pour coopérer par vissage avec un trou taraudé 5 de la plaque P2 et une colonnette 12 configurée pour relier mécaniquement de manière rigide le premier élément 8 et le deuxième élément 10 et assurer l'application d'un effort de traction entre le premier et le deuxième élément.
Dans cet exemple le premier élément 8 et le deuxième élément 10 sont identiques ou similaires, seul le premier élément 8 sera décrit en détail.
Le premier élément, représenté seul sur la figure 3, comporte une platine 14 munie sur une première face d'un pion fileté 15 configuré pour être vissé dans un trou taraudé de la plaque PI. La platine 14 comporte, sur une deuxième face opposée à la première face, deux mâchoires 16 délimitant entre elles un logement pour une extrémité de la colonnette et formant butée axiale pour celle-ci. La direction axiale est à considérer dans la direction de l'empilement et s'étend orthogonalement aux deux plaques de rigidification PI, P2. Sur la figure 4 on peut voir, vu de côté, le premier élément fileté, chaque mâchoire comporte une partie de butée 18 s'étendant parallèlement à et à distance de la platine et une partie de connexion 20 reliant la partie de butée 18 à la platine. Les deux parties de butée 18 des deux mâchoires comportent des bords latéraux en regard et ménageant entre elle un passage pour la colonnette. Avantageusement les bords latéraux comportent chacune un évidement 22, les deux évidements délimitant un logement pour la colonnette.
De préférence le premier élément 8 a, vu de dessus, une forme hexagonale permettant son vissage dans un trou de la plaque PI au moyen d'une clé plate standard. En outre la forme hexagonale est plus pratique pour la réalisation du passage 21. En variante, le premier élément 8 présente une forme polygonale comportant entre 3 et n côtés, par exemple 10. Une forme polygonale présente l'avantage de pouvoir mettre en place le dispositif de serrage dans un environnement présentant peu d'espace pour la mise en place de l'outil; et en outre elle permet de disposer facilement les passages parallèlement l'un par rapport à l'autre pour le montage de la colonnette, comme cela sera expliqué ci-dessous.
La colonnette 12 comporte une tige 24 munie à chacune de ses extrémités longitudinales d'une tête 26 en forme de disque d'axe confondu avec celui de la tige, et de diamètre supérieur à celui de la tige de sorte à se relier à la tige 24 par un épaulement 28.
La largeur L du passage 21 entre les mâchoires est supérieure au diamètre de la tige et est inférieure au diamètre de la tête.
De manière très avantageuse, la distance entre les parties de connexion des deux mâchoires est choisie supérieure au diamètre de la tête de la colonnette.
Ainsi le jeu prévu entre la tête et les parties de connexion et entre la tige et le logement délimité par les évidements 22 dans les parties de butée permettent avantageusement de compenser les défauts de planéité, d'orientation et de coaxialité entre les deux plaques de rigidification. Ainsi un léger désaxage de deux trous taraudés peut être compensé par les déplacements latéraux de la colonnette dans les premier et deuxième éléments. Le montage et le fonctionnement du système de serrage SI va maintenant être décrit.
Le premier élément 8 est vissé dans un trou taraudé de la plaque PI, le deuxième élément 10 est vissé dans le trou taraudé en regard de la plaque P2. Le premier et/ou le deuxième élément n'est ou ne sont pas vissés à fond dans les trous taraudés. Dans l'exemple représenté le deuxième élément 10 n'est pas vissé à fond.
Les premier et deuxième éléments sont orientés de sorte que les passages 21 soient parallèles, permettant le montage des têtes de la colonnette dans le premier et le deuxième élément simultanément (figure 5A).
La colonnette 12 est ensuite montée dans le premier 8 et deuxième élément 10 en faisant glisser chaque tête entre la platine et les parties de butée et la tige dans le passage.
Lors d'une étape suivante, le premier et/ou le deuxième élément est ou sont vissé(s) davantage, les têtes viennent alors en butée contre les parties de butée, les colonnettes sont alors mises en en traction, ce qui assure un effort de compression à l'empilement. Dans l'exemple représenté, c'est le deuxième élément qui est vissé davantage (figure 5B). L'effort de compression appliqué est de l'ordre de 1 kN à quelques kN.
La longueur de la tige 24 est choisie en fonction de la hauteur de l'empilement et du nombre d'interconnecteurs, de sorte qu'elle puisse exercer en coopération avec les premier 8 et deuxième 10 éléments un effort de compression entre les deux plaques de rigidifi cation.
Tous les dispositifs de serrage SI sont montés de la même manière entre les deux plaques PI et P2 et tout autour de l'empilement assurant l'application d'un effort de compression équilibré sur toute la section de l'empilement. De préférence entre 4 et 12 dispositifs de serrage sont montés entre les deux plaques, i.e. entre un dispositif de serrage par côté et trois dispositifs de serrage par côté.
Les dispositifs de serrage sont mis en place par exemple après l'étape de réalisation des joints en verre ou vitrocéramique entre les cellules et les interconnecteurs. Lors de cette étape, l'effort de compression est appliqué à l'empilement au moyen d'une presse. Cette étape requiert une température élevée. Lorsque cette étape est terminée et que la température a baissé et avant que la presse ne cesse d'exercer un effort de compression, les dispositifs de serrage sont mis en place de sorte à maintenir un effort de compression appliquée par la presse, après que celle-ci aura relâché son effort. Ensuite la presse est commandée pour relâcher l'effort de compression. Le module peut alors être manipulé tout en maintenant l'effort de compression.
Plusieurs modules sont fabriqués, puis ils sont empilés de sorte à former un assemblage (figure 1). Un élément de contact électrique (non représenté) peut être agencé entre deux plaques de rigidification de deux empilements successifs. Des plaques d'extrémité PE1, PE2 sont mises en place.
Un scellement est à réaliser entre les modules. Pour cela l'assemblage est disposé dans une presse, qui est actionnée de sorte à appliquer un effort de compression à l'assemblage. Ensuite, les dispositifs de serrage sont retirés. L'étape de scellement a lieu. Ensuite les tirants sont mis en place entre les plaques d'extrémité PE1, PE2.
Le maintien de la compression pendant toute la fabrication des empilements puis de l'assemblage assure une protection des scellements et un maintien des contacts électriques entre cellules et interconnecteurs.
D'une part les dispositifs de serrage permettent de maintenir l'application d'un effort de compression sur les empilements entre les phases sous presse. D'autre part, ils permettent de superposer les empilements sans qu'il y ait de gêne entre eux, contrairement à ce qui se passerait avec ces tirants traversant les plaques et de boulons en appui sur les faces extérieures des plaques de rigidification. En outre, les dispositifs de serrage SI permettent un montage relativement rapide et simple.
Ces dispositifs de montage présentent l'avantage d'utiliser des plaques de rigidification identiques ou similaires.
Les dispositifs de serrage sont de préférence réalisés dans un acier à haute résistance afin de résister aux contraintes et déformation imposées. De manière préférentielle, le matériau des dispositifs d'assemblage présente un module d'Young supérieur à 10 GPa et une limite d'élasticité supérieure à dix fois la contrainte maximale présente dans les tirants de l'assemblage final lorsqu'ils sont chargés. Par exemple les dispositifs de serrage sont réalisés en acier inox X4CrNiMo 16-
05-01.
Par exemple les tiges des colonnettes ont un diamètre compris entre 1 mm et 20 mm, préférentiellement égal à 8 mm. De préférence, le nombre de colonnettes et leur diamètre sont choisis de manière à ce que l'ensemble des colonnettes soit sensiblement plus rigide que l'empilement. Le rapport de la raideur de l'ensemble des colonnettes sur la raideur de l'empilement est avantageusement compris en 1 et 1000 et préférentiellement de l'ordre de 50.
Dans un exemple de réalisation, le système de serrage comporte plusieurs jeux de colonnettes de longueurs différentes permettant de s'adapter à des empilements de différentes hauteurs, les premiers et deuxièmes éléments filetés pouvant être utilisés pour différentes longueurs de colonnettes.
La variation de hauteur entre deux empilements peut être en partie compensée par le niveau de vissage des premiers et deuxième éléments dans les trous taraudés des plaques PI et P2.
Un système de serrage pour réaliser un assemblage complet comportant trois modules comprend au moins trois jeux de dispositifs de serrage, puisque chaque module est équipé de dispositifs de serrage, notamment lorsque les trois empilements sont superposés.
Dans un exemple de réalisation, tout ou partie des colonnettes 12 est équipé d'une jauge de déformation calibrée permettant de contrôler les efforts appliqués lors de leur mise en tension. Par exemple, les colonnettes présentent un perçage diamétral dans lequel est placée la jauge. Une partie seulement des colonnettes peut être équipée de jauges de déformation, en couplant la mesure de la déformation à une mesure du couple de serrage sur les premiers et deuxième éléments il est possible de répéter le serrage sur les autres dispositifs de serrage sans utiliser des jauges de déformation.
Sur les figures 6, 7A et 7B, on peut voir une variante de réalisation d'un empilement de la figure 1 présentant une tolérance au désaxement entre les trous des plaques de rigidification sensiblement augmentée. Le système de serrage S2 comporte un premier élément fileté 8 identique ou similaire au premier élément du système de serrage SI et configuré pour être vissé directement dans un trou taraudé de la plaque PI. Le système de serrage S2 comporte également un deuxième élément fileté 10 identique ou similaire au deuxième élément du système de serrage SI. Le système de serrage S2 comporte également un écrou 30 configuré pour être monté avec un jeu transversal dans un trou 5' de la plaque de rigidification P2. Le deuxième élément fileté 10' est configuré pour être vissé dans l'écrou 30, il est similaire au deuxième élément 10. L'écrou 30 comporte une embase 32 destiné à venir en appui sur la face extérieure de la plaque de rigidification P2 de sorte à immobiliser axialement l'écrou 30 contre la plaque de rigidification P2. Avantageusement, la face extérieure de la plaque de rigidification P2 est structurée pour que l'écrou 30 ne fasse pas saillie de la face extérieure et ainsi ne gêne pas la mise en place d'un autre module. Dans l'exemple représenté, un lamage 34 est réalisé dans l'oreille, le lamage ayant une profondeur au moins égale à l'épaisseur de l'embase 32 de l'écrou.
Comme on peut le voir sur les figures 7A et 7B, l'écrou 30 est libre de se déplacer latéralement dans le trou 5' de la plaque de rigidification P2' afin de compenser le désalignement entre les trous 5' des deux plaques de rigidification.
La mise en place des dispositifs de serrage est sensiblement identique à celle des dispositifs du système de serrage SI. Le premier élément est vissé dans un trou de la plaque de rigidification PI, l'écrou 30 est mis en place dans le trou 5' de la plaque de rigidification P2, le deuxième élément 10' est vissé dans l'écrou 30 partiellement. Les têtes de colonnettes 12 sont glissées dans les logements des premier et deuxième éléments 8, 10'. Ensuite le premier élément 8 et/ou le deuxième élément 10' sont vissés davantage pour mettre en tension la colonnette 12. Cette mise en place est répétée pour tous les dispositifs de serrage.
Dans cette variante, soit les trous dans la plaques P2' ont un diamètre plus grand que le diamètre des trous de la plaque PI, soit la partie filetée du deuxième élément a un diamètre plus petit que celui du premier élément.
Sur les figures 8 à 10, on peut voir un autre exemple de réalisation d'un empilement selon l'invention. Le système de serrage S3 comporte un premier élément fileté et une colonnette. Une des têtes de la colonnette coopère avec le premier élément fileté et l'autre tête coopère directement avec la plaque de rigidification P2".
La plaque de rigidification P2" comporte des logements 36 pour chaque tête formée par un trou traversant la plaque et débouchant latéralement vers l'extérieur du bord de la plaque de rigidification P2". Chaque logement 36 est traversant et comporte une première portion 36.1 d'une première largeur et une deuxième portion 36.2 d'une deuxième largeur plus grande que la première largeur, délimitant entre eux un épaulement 38 formant butée axiale pour la tête de la colonnette.
La profondeur de la deuxième portion 36.2 est avantageusement suffisante pour que la tête ne fasse pas saillie de la plaque de rigidification P2".
La mise en place des dispositifs de serrage va maintenant être décrite.
Le premier élément 8 est partiellement vissé dans le trou et est orienté de sorte à permettre le montage des têtes de colonnette dans le logement du premier élément et le logement de la plaque de rigidification P2", la tête reçue dans le logement 36 est en appui sur l'épaulement 38. Le premier élément 8 est ensuite davantage vissé dans le trou de la plaque de rigidification PI de sorte à mettre en tension la colonnette. Cette opération est répétée pour chacun des dispositifs de serrage.
Cet exemple de réalisation présente l'avantage de simplifier le montage et de le rendre plus rapide puisqu'il ne requiert le vissage que d'un élément fileté. En outre, le module présente une hauteur réduite.
Sur les figures 11, 12A et 12B; on peut voir un autre exemple de réalisation dans lequel les dispositifs de serrage.
Le système de serrage S4 comporte des dispositifs de serrage comportant un premier câble Cl fixé à la plaque de rigidification PI et un deuxième câble C2 fixé à la plaque de rigidification P2 et un dispositif de connexion des câbles et de mise en tension de ceux-ci. Les câbles Cl et C2 sont de préférence de même diamètre. Les deux câbles Cl, C2 une fois assemblés remplissent la fonction de colonnette.
Le premier câble Cl est muni à une extrémité Cl.l d'un élément fileté 40 configuré pour se visser dans un trou de la plaque de rigidification PI. L'extrémité Cl.l est soudée sur l'élément fileté 40. Le premier câble Cl est muni à son autre extrémité Cl.2 d'un embout fileté 42, par exemple sertie sur l'extrémité Cl.2 du câble.
Le deuxième câble C2 est muni à une extrémité C2.1 d'un élément fileté 44 configuré pour se visser dans un trou de la plaque de rigidification P2. L'extrémité C2.1 est soudée sur l'élément fileté 44.
Le deuxième câble C2 est muni à son autre extrémité C2.2 d'un écrou 46, monté mobile en rotation autour du câble C2 et en translation le long du câble C2 de sorte à pouvoir être vissé sur l'embout 42 porté par le câble Cl. Par exemple, le câble C2 est introduit dans l'écrou 46 et une bague 48 est sertie sur l'extrémité C2.2 du câble C2 pour limiter la translation de l'écrou sur le câble C2. En variante, l'écrou 46 est fixé en rotation sur le câble C2 et le câble C2 est monté libre en rotation dans l'élément fileté 44.
Chaque élément fileté 40, 44 comporte une portion filetée 44.1 pour coopérer avec un trou d'une plaque de rigidification PI, P2 et une portion de serrage 44.2 permettant le serrage des éléments 40, 44 dans les trous, les portions de serrage sont avantageusement de forme polygonale, de préférence hexagonale.
En variante, les câbles sont montés sur les plaques comme dans l'exemple de la figure 8.
La mise en place des dispositifs de serrage va maintenant être décrite.
L'élément fileté 40 est vissé dans un trou 8 de la plaque de rigidification PI, l'élément fileté 44 est vissé dans un trou 10 de la plaque de rigidification P2. L'écrou 46 est vissé sur l'embout 42 jusqu'à mettre sous tension les câbles Cl et C2.
Les câbles Cl et C2 sont choisis de sorte à présenter une raideur suffisante. De manière similaire aux systèmes de serrage à colonnettes rigides, de préférence, le nombre de dispositifs de serrage à câble et le diamètre des câbles sont choisis de manière à ce que l'ensemble des dispositifs de serrage soit sensiblement plus rigide que l'empilement. Le rapport de la raideur de l'ensemble des dispositifs de serrage sur la raideur de l'empilement est avantageusement compris en 1 et 1000 et préférentiellement de l'ordre de 50. Le système de serrage selon l'invention permet de maintenir des empilements en compression tout en évitant d'avoir des éléments en saillies des faces extérieures des plaques de rigidification ce qui simplifie la superposition des empilements.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de serrage pour un module comportant un empilement de cellules électrochimiques et d'interconnecteurs dans une direction longitudinale, et une première plaque de rigidification (PI) et une deuxième plaque de rigidification (P2, P2', P2") de part et d'autres de l'empilement, ledit système de serrage étant destiné à exercer un effort de compression sur ledit empilement dans la direction longitudinale, chaque première (PI) et deuxième (P2, P2', P2") plaques de rigidification comportant n trous (8, 10) orthogonaux aux plaques de rigidification et répartis le long des bords des plaques de rigidification, n étant un entier au moins égal à 2, ledit système de serrage comportant n dispositifs de serrage, chaque dispositif de serrage comportant une colonnette (12) configurée pour relier mécaniquement la première (PI) et la deuxième (P2, P2', P2") plaques de rigidification, chaque colonnette (12) s'étendant dans l'espace entre les première et deuxième plaques de rigidification, chaque dispositif de serrage comportant également des premiers moyens pénétrant dans chacune des première et deuxième plaques de rigidification et fixant la colonnette (12) auxdites première (PI) et deuxième (P2, P2', P2") plaques de rigidification et des deuxièmes moyens d'ajustement pour ajuster la tension appliquée à la colonnette.
2. Système de serrage selon la revendication 1, dans lequel lesdits premiers moyens comportent, au niveau de chacune des plaques de rigidification, un logement pour une tête (26) de colonnette, configuré pour permettre un montage d'une tête (26) de colonnette dans le logement par déplacement latéral de la colonnette.
3. Système de serrage selon la revendication 1 ou 2, dans lequel lesdits premiers moyens comportant au moins un premier élément fileté (8) configuré pour être vissé dans un trou (4) d'une des plaques de rigidification.
4. Système de serrage selon la revendication 3, dans lequel ladite colonnette (12) comporte, à une première extrémité longitudinale, une tête (26) coopérant avec le premier élément fileté (8) et, à une deuxième extrémité longitudinale, une tête (26) destinée à être reliée à la deuxième plaque de rigidification (P2, P2') et dans lequel les deuxièmes moyens d'ajustement sont formés par la coopération du premier élément fileté (8) avec la première plaque de rigidification (PI).
5. Système de serrage selon la revendication 3 ou 4, dans lequel le premier élément fileté (8) comporte un logement pour une tête (26) de colonnette, configuré pour permettre un montage d'une tête (26) de colonnette dans le logement par déplacement latéral de la colonnette.
6. Système de serrage selon la revendication 5, dans lequel les premiers moyens comportent un deuxième élément fileté (10) configuré pour être vissé dans un trou (5) de la deuxième plaque de rigidification (P2), et dans lequel le deuxième élément fileté (10) comporte un logement pour une tête (26) de colonnette, configuré pour permettre un montage d'une tête (26) de colonnette dans le logement par déplacement latéral de la colonnette.
7. Système de serrage selon la revendication 6, dans lequel les logements et les têtes sont configurés pour ménager entre eux un jeu latéral.
8. Système de serrage selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel le dispositif de serrage comporte au moins un écrou (36) configuré pour être monté avec un jeu latéral dans un trou (5') de la deuxième plaque de rigidification (P2) et être immobilisé en translation dans la direction axiale au moins dans un sens opposé à celui dans lequel le deuxième élément fileté (10') est vissé dans le trou (5').
9. Système de serrage selon la revendication 1, dans lequel chaque colonnette comporte deux câbles (Cl, C2), chacun configuré pour être fixé par une première extrémité au moins en translation dans la direction axiale aux première et deuxième plaques de rigidification et comportant à une deuxième extrémité des moyens de connexion des câbles entre eux, formant les deuxièmes moyens d'ajustement.
10. Système de serrage selon la revendication 9, dans lequel les premiers moyens comportent un deuxième élément fileté configuré pour être vissé dans un trou de la deuxième plaque de rigidification, la première extrémité d'un câble étant soudée dans le premier élément fileté et la première extrémité de l'autre câble étant soudé dans le deuxième élément fileté.
11. Système de serrage selon la revendication 10, dans lequel les deuxièmes moyens d'ajustement comportent un écrou (46) monté libre en rotation sur la deuxième extrémité de l'un des câbles et un pion fileté (42) monté sur la deuxième extrémité de l'autre câble.
12. Système de serrage selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel au moins un dispositif de serrage comporte une jauge de déformation configurée pour fournir la tension appliquée à la colonnette.
13. Module comportant un empilement de cellules électrochimiques et d'interconnecteurs et une première et une deuxième plaques de rigidification (PI, P2, P2', P2") de part et d'autre de l'empilement et un système de serrage (SI, S2, S3, S4) selon l'une des revendications précédentes, les première et deuxième plaques de rigidification comportant des trous (4, 5, 5') pour le montage des dispositif de serrage disposés le long des bords des plaques de rigidification.
14. Module électrochimique selon la revendication 13 en combinaison avec la revendication 4, dans lequel les trous de la deuxième plaque de rigidification (P2") débouchent latéralement dans les bords de la deuxième plaque de rigidification, lesdits trous comportant un épaulement (38) formant une face d'appui pour une tête de colonnette.
15. Module électrochimique selon la revendication 13 en combinaison avec la revendication 8, dans lequel l'écrou (30) comporte une collerette en appui contre une zone de la face extérieure de la deuxième plaque de rigidification, et dans lequel ladite zone comporte un lamage (34) de sorte que la collerette ne fasse pas saillie d'un plan principal de ladite face extérieure.
16. Procédé de mise en compression d'un empilement de cellules électrochimiques et d'interconnecteurs au moyen d'un système de serrage selon l'une des revendications 1 à 8, comportant: a) la fourniture d'un empilement de cellules électrochimiques et d'interconnecteurs et des première et deuxième plaques de rigidification de part et d'autre de l'empilement, lesdites plaques comportant chacune n trous orthogonaux aux plaques de rigidification et répartis le long des bords des plaques de rigidification, b) le montage d'un premier élément fileté dans un trou de la première plaque de rigidification pour chaque dispositif de serrage, c) montage de la colonnette entre ledit premier élément et la deuxième plaque de rigidification, d) mise en tension de ladite colonnette.
17. Procédé de mise en compression selon la revendication précédente, dans lequel lors de l'étape d), la mise sous tension est obtenue par vissage du premier élément filetée dans le trou.
18. Procédé de mise en compression selon la revendication 16 ou 17, dans lequel lors de l'étape c), un deuxième élément fileté est monté dans un trou de la deuxième plaque de rigidification et dans lequel lors de l'étape d), la mise en tension est obtenue par vissage du premier élément dans le trou et/ou vissage du deuxième élément dans le trou.
19. Procédé de mise en compression d'un empilement de cellules électrochimiques et d'interconnecteurs au moyen d'un système de serrage selon les revendications 9 à 11 comportant: a) fourniture d'un empilement de cellules électrochimiques et d'interconnecteurs et de première et deuxième plaques de rigidification de part et d'autre de l'empilement, lesdits première et deuxième plaques de rigidification comportant chacune n trous orthogonaux aux plaques de rigidification et répartis le long des bords des première et deuxième plaques de rigidification, b) montage d'un premier élément fileté dans un trou de la première plaque de rigidification pour chaque dispositif de montage, c) montage d'un deuxième élément fileté dans un trou de la deuxième plaque de rigidification pour chaque dispositif de montage, d) connexion desdits câbles et mise en tension desdits câbles.
20. Procédé de fabrication d'un assemblage électrochimique constituant un réacteur d'électrolyse ou de co-électrolyse SOEC ou une pile à combustible SOFC, comportant une superposition de p modules, p étant un entier au moins égal à 2, comportant : a') Fourniture d'un empilement de cellules électrochimiques et d'interconnecteurs et de première et deuxième plaques de rigidification de part et d'autre de l'empilement, lesdites première et deuxième plaques de rigidification comportant chacune n trous orthogonaux aux plaques de rigidification et répartis le long des bords des première et deuxième plaques de rigidification, b') Mise en place dudit empilement et des première et deuxième plaques de rigidification dans une presse, c') Application d'un effort de compression axial donné, d') Réalisation d'un scellement entre les cellules et les interconnecteurs e') Mise en place du système de serrage en appliquant le procédé selon l'une des revendications 16 à 18, f') répétition des étapes a') à e') pour fabriquer p modules, g') superposition des modules h') mise en place desdits modules superposés dans une presse i') application d'un effort de compression axial aux modules superposés, j') retrait de systèmes de serrage de tous les modules, k') réalisation d'un scellement entre les modules,
G) montage d'un système de maintien en compression desdits modules, m') retrait de la presse.
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