WO2025202201A1 - Boîte chaude comprenant des empilements de plaques pour électrolyseur à oxyde solide (soec) ou pour système de pile à combustible (sofc) uniformément alimentés, et installation associée - Google Patents

Boîte chaude comprenant des empilements de plaques pour électrolyseur à oxyde solide (soec) ou pour système de pile à combustible (sofc) uniformément alimentés, et installation associée

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Sophie Salvadori Velu
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Schlumberger Technology Corp
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Definitions

  • the present invention relates to a hot box comprising stacks, i.e. columns of stacking of solid oxide plates making it possible to generate either dihydrogen or current, depending on the application that one wishes to implement, as well as an installation comprising at least one such hot box.
  • An energy production system or a system for producing hydrogen and oxygen-enriched air comprises at least one hot box comprising devices comprising a stack of solid oxide plates, called stacks, which ensure either the production of energy or the production of hydrogen from a gas flow passing through them.
  • the system operates either in electric current production (SOFC) or in hydrogen production (SO$EC).
  • SOFC electric current production
  • SO$EC hydrogen production
  • Fuel cell stacks are electrochemical devices capable of converting the energy stored in fuels into electrical energy with high efficiency.
  • Electrolyzer cells are electrochemical devices that can use electrical energy to reduce a given material, such as water, to generate a fuel, such as hydrogen.
  • Fuel cells and electrolyzers can include reversible cells that operate in both fuel cell mode and electrolysis.
  • the oxidizer stream is typically oxygen and flows on the cathode side
  • the fuel stream is typically hydrogen or other hydrocarbon, and flows on the anode side.
  • the fuel cell operating at a typical temperature between 750°C and 950°C, allows the combination of oxygen and free hydrogen, leaving behind excess electrons.
  • the excess electrons are returned to the cathode side of the fuel cell via an electrical circuit between the anode and the cathode, resulting in an electric current flow through the circuit.
  • fuel and air are distributed to each cell using risers contained within the stack.
  • the gas flows through openings or holes in the support layer of each fuel cell, such as the electrolyte layer, and into each cell's gas separator.
  • the stack is open on the fuel and air inlet and outlet sides, and the fuel and air are introduced and collected independently of the cell hardware.
  • the inlet and outlet fuel and air flow in separate channels between the stack and the manifold housing in which the cell is located.
  • Some fuel cell stacks may be internally collected for a first reactant (e.g., fuel) and externally collected for a second reactant (e.g., air).
  • a first reactant e.g., fuel
  • a second reactant e.g., air
  • An energy production system or a system for producing hydrogen and oxygen-enriched air may include one or more stacks and a distribution system.
  • An object of the present invention is to optimize the distribution of fluids among the numerous stacks required for large capacity hot boxes, although it should be understood that the invention is also applicable in small capacity systems.
  • the invention relates to a hot box for reversible high-temperature SOEC/SOFC electrolysis stacks, comprising a tank comprising a tank side wall, a tank bottom, a tank top wall and a tank central axis, said tank delimiting an enclosure accommodating at least two stacks.
  • Said tank comprising an inlet through which a first fluid can enter and circulate in said enclosure and an outlet through which a second fluid can be evacuated.
  • the hot box further comprises a first pipe for supplying a third fluid into each of said at least two stacks.
  • the hot box is remarkable in that the first supply pipe comprises a main supply part for said third fluid, which extends from the outside of said tank to a central distribution shaft, and in that said box comprises: - distribution sub-conduits of said third fluid, which extend from the central distribution shaft to an inlet of a stack, said at least two stacks being positioned at equal distance from said central shaft, and - discharge channels which extend from the bottom of each of the stacks to a second discharge pipe which collects a fourth fluid and which discharges said fourth fluid from said tank.
  • the invention allows management of the safety function from the design stage: the need for air sweeping is eliminated with a box designed in this way, which thus allows energy savings and simplification of the system.
  • the invention has one or more of the following characteristics, taken individually or in any technically possible combination:
  • said at least two stacks are positioned at equal distance from said axis of said tank and the central distribution shaft extends along said central axis of the tank.
  • said tank comprises an internal base which rests on said bottom of said tank and which at least partially comprises said central shaft, the distribution sub-ducts and said discharge channels.
  • Said internal base is equipped with connection devices at the ends of the distribution sub-ducts and said discharge channels. Said connection devices are accessible from the enclosure of the tank to allow the connection of said stacks to the distribution sub-ducts and to the discharge channels.
  • said main supply pipe is also said second discharge pipe for said fourth fluid, said supply pipe comprising a supply chamber for the third fluid, the chamber being cylindrical and surrounding the discharge pipe for said fourth fluid, the discharge pipe and the supply chamber being coaxial.
  • said tank has a square section and said stacks are positioned along the internal wall in the tank. This embodiment allows for ease of arrangement of hot boxes and stacks.
  • said tank has a cylindrical shape, said stacks are positioned along the side wall in the tank.
  • a compromise is made on the footprint in favor of a possible increase in pressure of the cylindrical enclosure, to guarantee greater efficiency of the electrochemical reaction.
  • the hot box comprises thermal insulation devices positioned between said stacks. More specifically, the thermal insulation devices can be positioned along the side wall of the tank, under the top wall, above the base and, preferably, between said stacks in order to ensure their thermal homogeneity.
  • said first fluid comprises air
  • said second fluid comprises a mixture enriched in oxygen
  • said third fluid comprises water vapor
  • the fourth fluid comprises hydrogen
  • the invention also relates to an installation comprising at least one hot stack box as defined above.
  • the installation further comprises a unit for controlling the operation of said at least one hot stack box, a main installation pipe ensuring the supply of third fluid to said first supply pipe.
  • the installation according to the invention comprises at least three hot stack boxes, said main installation pipe opens into a central distribution trunk, the first supply pipe of each of said hot boxes is connected to said central distribution trunk and each of the hot boxes is positioned at an equal distance from said central distribution trunk.
  • stacks can be arranged in modular clusters whose size and number can be selected to meet production needs,
  • seals are no longer referenced to atmospheric pressure: only the pressure difference between the two gas circuits counts. A (slight) increase in pressure in the gas circuits is possible without increasing the stress on the seals (pressure almost identical everywhere),
  • the invention promotes the production of O2-enriched air
  • FIG. 1 there shows a schematic enlargement of a fuel supply line (or combustible) and a fluid discharge line produced by the stacks of hot boxes in an installation according to the invention.
  • Figures 1 and 2 show a hot box 1 according to the invention, comprising a cylindrical tank 10, in which eight stacks 2 (i.e. eight stacks of solid oxide plates forming columns) are distributed equidistantly in the tank 10, along the internal wall of the tank.
  • eight stacks 2 i.e. eight stacks of solid oxide plates forming columns
  • the tank 10 of the hot box 1 comprises a cylindrical side wall 11, a tank bottom 12, a tank top wall 13 and a central tank axis Z.
  • the set of walls 11, 12 and 13 delimits a closed volume forming an enclosure which accommodates the eight stacks 2.
  • tank of the hot box according to the invention could have a different shape without departing from the scope of the invention: it could, for example, be parallelepipedal in shape, or any other cross-sectional shape. illustrates an example which will be described later.
  • the hot box according to the invention could have a different number of stacks without departing from the scope of the invention: for example, it could comprise three, ten, twelve, etc. without departing from the scope of the invention.
  • the tank must comprise at least two stacks.
  • Stacks 2 are, in this example, high-temperature electrolysers for generating hydrogen.
  • the principle of the electrolyser is the opposite of that of a fuel cell.
  • the operation of the electrolyser requires a fuel supply, which includes water vapor possibly mixed with a little dihydrogen.
  • stacks operate at a typical temperature between 650°C and 950°C.
  • each stack (or fuel cell) comprises at least one stack of plates capable of generating the desired chemical reaction for the use to which it is intended (production of hydrogen or energy). It could be envisaged that the stack comprises several stacks on top of each other without departing from the scope of the invention.
  • the stacks thus form columns which each extend along an axis parallel to the Z axis of the cylindrical tank 10.
  • the stacks 2 thus have a column shape which extends over the height of the internal enclosure of the tank 10.
  • the tank 10 comprises an inlet 14 through which a first fluid 31 can enter: in the context of our example, this is air 31 which is distributed homogeneously around each stack 2.
  • the tank 10 also includes an outlet 15 through which a second fluid can be evacuated: in our example this is a mixture 32 enriched with O2, which can be extracted using standard piping, connecting each stack 2.
  • inlet 14 and outlet 15 The main function of inlet 14 and outlet 15 is to create a movement of air in the hot box, allowing the possible evacuation of dihydrogen which may come from leaks, and at the same time allowing the internal/external pressures in the stack to be balanced.
  • the tank comprises an internal base 4, on which each of the stacks 2 rests, the base having a number of through openings 40 proportional to the number of stacks 2 installed.
  • the through openings 40 open into said piping, comprising conduits 41 which join in a common conduit 42, the latter opening onto the outlet 15 of the tank.
  • Base 5 also includes other pipes that allow water vapor containing a little dihydrogen to be brought into the stacks, this vapor allowing the desired reaction to occur, which produces dihydrogen. These same pipes allow the dihydrogen produced to be evacuated.
  • the incoming fluid and the outgoing fluid are conveyed via the same pipe, illustrated in particular in the .
  • the pipe 6 extends above the tank and feeds the central shaft 60 which extends in the center of the hot box 1, into the base 5.
  • the fuel fluid (or combustible) (that is to say, in our example, the mixture of water vapor with possibly a little dihydrogen) can circulate in the wall of the pipe 6, which is hollow (see arrow F1) and the dihydrogen produced circulates in the central part of the pipe 6 (see arrow F2).
  • said main steam supply pipe 6 is also said second dihydrogen discharge pipe: as can be seen in the , said pipe 6 comprising a water vapor supply chamber 63, which is cylindrical and which surrounds the discharge pipe 64 of said dihydrogen, the discharge pipe 64 and the supply chamber 63 being coaxial.
  • This advantageous embodiment makes it possible to use the heat produced by the hydrogen discharged into the pipe 64 to adjust the temperature of the water vapor brought into the chamber 63.
  • the distribution shaft 60 ensures that all fluid paths to the stacks 2 have exactly the same length and design, thus ensuring a homogeneous flow distribution. This same distribution shaft 60 and the associated pipe 6 also collect the dihydrogen produced by the stacks to evacuate it from the hot box 1.
  • distribution sub-ducts 61 (or “outgoing” ducts) all leave from the shaft 60 to supply each of the stacks 2 and evacuation channels 62 (or return ducts) all leave from the stacks 2 to return to the central shaft 60.
  • the stacks 2 are positioned at an equal distance from said Z axis of the tank and therefore from the central distribution shaft 60.
  • the base 4 includes connection devices which are accessible from the tank enclosure.
  • Insulating elements 7 may be provided between two adjacent stacks 2: these elements 7 allow the stacks to operate at their optimum temperature by limiting the thermal influence of neighboring stacks.
  • the insulating elements can be of various shapes, occupying the spaces between the columns of stacks.
  • the insulating elements are insulating walls, surrounding all of the stacks 2 and a grid in which the stacks are positioned, while in figures 1 and 2, the insulating elements 7 each form sections of rings positioned between the stacks, opposite the internal wall of the tank 10.
  • the installation shown in includes eight hot boxes of stacks 2 such as those shown in Figures 1 and 2.
  • It also includes a control unit 8 for the operation of the hot boxes 1 and a main pipe 9 which ensures the supply of fluid to the supply pipes 6 of each hot box 1.
  • a main pipe 9 (or a network of main pipes 9) which supplies the hot boxes with fluid is also the pipe for discharging the fluids leaving the stacks of the hot boxes, because it collects the fluid produced by the stacks: the main pipe 9 can be produced in the same way as the pipes 6.
  • the reference 9 could also indicate a set of fluid supply and discharge pipes, the set of pipes would be linked to the main pipes 6 of the hot boxes 1, without departing from the scope of the invention.
  • each hot box 1 includes a panel 3, which is removable, and which allows access to the interior of the hot box tank.
  • this installation is in the shape of a flower.
  • the hot boxes 1 are all positioned at equal distance from a central trunk 20 which supplies their main pipe 6.
  • Each module (or group) of hot boxes is supplied by a main pipe 9 which is connected to a common control and supply module 90.
  • the main lines 9 leave on either side of the control module 90, whereas according to the configuration shown in , the main lines form a star from the control module 90.
  • the invention can allow different configurations, to form systems with high production capacity.

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Abstract

L'invention concerne une boîte chaude (1) de stacks (2) d'électrolyse haute température réversible SOEC/SOFC, comportant une cuve (10) accueillant au moins deux stacks, une entrée (14) et une sortie (15) par laquelle des premier et second fluides (32) peuvent entrer et être évacués, ladite boîte chaude comportant en outre une première conduite d'amenée (6) d'un troisième fluide dans chacun desdites au moins deux stacks (2), qui s'étend depuis l'extérieur de ladite cuve jusqu'à un arbre central (60). La boîte chaude comprend des sous-conduites (61) de répartition dudit troisième fluide, qui s'étendent chacune depuis l'arbre central de distribution jusqu'à une entrée d'un stack, lesdits au moins deux stacks étant positionnés à égale distance dudit arbre central. La boîte chaude comprend également des canaux d'évacuation (62) qui s'étendent depuis le fond de chacun des stacks, jusqu'à une seconde conduite d'évacuation qui collecte un quatrième fluide et qui l'évacue hors de ladite cuve.

Description

Boîte chaude comprenant des empilements de plaques pour électrolyseur à oxyde solide (SOEC) ou pour système de pile à combustible (SOFC) uniformément alimentés, et installation associée
La présente invention concerne une boîte chaude comprenant des stacks, c’est-à-dire des colonnes d’empilement de plaques d’oxydes solides permettant de générer soit du dihydrogène soit du courant, suivant l’application que l’on souhaite mettre en œuvre, ainsi qu’une installation comprenant au moins une telle boîte chaude.
État de la technique
Un système de production d'énergie ou un système de production de dihydrogène et d’air enrichi en oxygène comporte au moins une boîte chaude comprenant des dispositifs comportant un empilement de plaque d’oxydes solides, appelées stacks, qui assurent soit la production d’énergie soit la production de dihydrogène à partir d’un flux gazeux qui les traversent. Suivant la mise en œuvre de tels dispositifs, le système fonctionne soit en production de courant électrique (SOFC) soit en production de dihydrogène (SO$EC). Outre la gestion thermique de tels systèmes, l’homogénéité de la distribution des fluides parmi les nombreux dispositifs requise pour les boîtes chaudes de grande capacité constitue un défi majeur.
Des solutions sont recherchées pour optimiser la répartition du débit des fluides de procédé au sein d'une boîte chaude pour un système de type SOEC/SOFC, tout en combinant de nombreux autres avantages, tels que la suppression éventuelle d’un système coûteux et énergivore de balayage d'air de sécurité.
Les stacks constituant des piles à combustible sont des dispositifs électrochimiques capables de convertir l'énergie stockée dans les carburants en énergie électrique avec un rendement élevé. Les cellules d'électrolyseur sont des dispositifs électrochimiques qui peuvent utiliser l'énergie électrique pour réduire un matériau donné, tel que l'eau, afin de générer un carburant, tel que l'hydrogène. Les piles à combustible et électrolyseurs peuvent comprendre des cellules réversibles qui fonctionnent à la fois en mode pile à combustible et en électrolyse.
Dans un système de pile à combustible à haute température, tel qu'un système de pile à combustible à oxyde solide (SOFC), le flux de comburant est généralement du dioxygène et il circule côté cathode, le flux de carburant est généralement du dihydrogène ou autre hydrocarbure, et circule côté anode.
La pile à combustible, fonctionnant à une température typique comprise entre 750°C et 950°C, permet la combinaison de l'oxygène et de l'hydrogène libre, laissant derrière elle les électrons excédentaires. Les électrons en excès sont renvoyés vers le côté cathode de la pile à combustible via un circuit électrique réalisé entre l'anode et la cathode, ce qui entraîne un flux de courant électrique à travers le circuit.
Dans les stacks constituant des piles à collecteur interne, le carburant et l'air sont distribués à chaque cellule à l'aide de colonnes montantes contenues dans la pile. En d'autres termes, le gaz s'écoule à travers des ouvertures ou des trous dans la couche de support de chaque pile à combustible, telle que la couche d'électrolyte, et dans le séparateur de gaz de chaque pile. Dans les piles à collecteur externe, la pile est ouverte du côté de l'entrée et de la sortie du combustible et de l'air, et le combustible et l'air sont introduits et collectés indépendamment du matériel de la pile. Par exemple, le carburant et l'air d'entrée et de sortie s'écoulent dans des canaux séparés entre la pile et le boîtier collecteur dans lequel se trouve la pile. Certains empilements de piles à combustible peuvent être collectés en interne pour un premier réactif (par exemple, le carburant) et en externe pour un second réactif (par exemple, l'air).
Un système de production d'énergie ou un système de production de dihydrogène et d’air enrichi en oxygène peut comprendre une ou plusieurs stacks et un système de distribution.
Néanmoins, suivant l’agencement interne des installations et du système de distribution, la distribution des fluides aux stacks n’est pas homogène, ce qui a des conséquences sur le rendement de telles installations ou sur leur coût de fonctionnement.
Un but de la présente invention est d’optimiser la distribution des fluides parmi les nombreux stacks requis pour les boîtes chaudes de grande capacité, même s’il devra être compris que l’invention s’applique également dans des systèmes de petite capacité.
À cet effet, l’invention concerne une boîte chaude de stacks d’électrolyse haute température réversible SOEC/SOFC, comportant une cuve comprenant une paroi latérale de cuve, un fond de cuve, une paroi sommitale de cuve et un axe central de cuve, ladite cuve délimitant une enceinte accueillant au moins deux stacks. Ladite cuve comportant une entrée par laquelle un premier fluide peut entrer et circuler dans ladite enceinte et une sortie par laquelle un second fluide peut être évacué. La boîte chaude comporte en outre une première conduite d’amenée d’un troisième fluide dans chacun desdits au moins deux stacks.
Conformément à l’invention, la boîte chaude est remarquable en ce que la première conduite d’amenée comporte une partie d’amenée principale dudit troisième fluide, qui s’étend depuis l’extérieur de ladite cuve jusqu’à un arbre central de distribution, et en ce que ladite boîte comprend :
- des sous-conduites de répartition dudit troisième fluide, qui s’étendent depuis l’arbre central de distribution jusqu’à une entrée d’un stack, lesdits au moins deux stacks étant positionnés à égale distance dudit arbre central, et
- des canaux d’évacuation qui s’étendent depuis le fond de chacun des stacks jusqu’à une seconde conduite d’évacuation qui collecte un quatrième fluide et qui évacue ledit quatrième fluide hors de ladite cuve.
Cette configuration d’un arbre central de distribution, positionné à égal distance de chacun des stacks, présente plusieurs avantages parmi lesquels :
  • Une homogénéité thermique et fluidique grâce à une répartition homogène du fluide,
  • Une réduction des pertes de charge pour les mêmes raisons.
  • L'enceinte permet de supprimer l'effet de pression inférieure sur les stacks car la pression est équilibrée à l'intérieur et à l'extérieur des stacks.
Selon une option avantageuse (mais pas indispensable), l’invention permet une gestion de la fonction de sécurité dès la conception : le besoin de balayage d'air est supprimé avec une boîte ainsi conçue, ce qui permet ainsi un gain d'énergie et la simplification du système.
De façon avantageuse, l’invention présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toute combinaison techniquement possible :
De préférence, lesdits au moins deux stacks sont positionnés à égale distance dudit axe de ladite cuve et l’arbre central de distribution s’étend suivant ledit axe central de la cuve.
Suivant un mode de réalisation avantageux, ladite cuve comprend une embase interne qui repose sur ledit fond de ladite cuve et qui comprend au moins partiellement ledit arbre central, les sous-conduites de répartition et lesdits canaux d’évacuation. Ladite embase interne est équipée de dispositifs de raccordement aux extrémités des sous-conduites de répartition et desdits canaux d’évacuation. Lesdits dispositifs de raccordement sont accessibles depuis l’enceinte de la cuve pour permettre le raccordement desdites stacks aux sous-conduites de répartition et aux canaux d’évacuation.
De préférence encore, ladite conduite principale d’amenée est également ladite seconde conduite d’évacuation dudit quatrième fluide, ladite conduite d’amenée comportant une chambre d’amenée du troisième fluide, la chambre étant cylindrique et entourant la conduite d’évacuation dudit quatrième fluide, la conduite d’évacuation et la chambre d’amenée étant coaxiales. Ce mode de réalisation permet de récupérer la chaleur du fluide évacué pour réchauffer le fluide amené dans les stacks, ce qui permet une économie d’énergie.
Avantageusement, ladite cuve présente une section carrée et lesdits stacks sont positionnés le long de la paroi interne dans la cuve. Ce mode de réalisation permet une facilité de disposition des boîtes chaudes et des stacks.
Suivant une variante de réalisation, ladite cuve présente une forme cylindrique, lesdits stacks sont positionnés le long de la paroi latérale dans la cuve. Dans cette seconde variante, un compromis est fait sur l’emprunte au sol au bénéfice d’un possible monté en pression de l’enceinte cylindrique, pour garantir une plus forte efficacité de la réaction électrochimique.
En outre, la boîte chaude comporte des dispositifs d’isolation thermique positionnés entre lesdits stacks. Plus précisément, les dispositifs d’isolation thermiques peuvent être positionnés le long de la paroi latérale de la cuve, sous la paroi sommitale, au-dessus de l’embase et, de préférence, entre lesdits stacks afin de garantir leur homogénéité thermique.
De préférence encore, ledit premier fluide comprend de l’air, ledit second fluide comprend un mélange enrichi en dioxygène, ledit troisième fluide comprend de la vapeur d’eau et le quatrième fluide comprend du dihydrogène.
L’invention concerne également une installation comportant au moins une boîte chaude de stacks telle que définie ci-dessus. L’installation comprend en outre une unité de commande du fonctionnement de ladite au moins une boîte chaude de stacks, une conduite principale d’installation assurant l’alimentation en troisième fluide de ladite première conduite d’amenée.
De préférence, l’installation conforme à l’invention comprend au moins trois boîtes chaudes de stacks, ladite conduite principale d’installation débouche dans un tronc central de répartition, la première conduite d’amenée de chacune desdites boîtes chaudes est raccordée audit tronc central de répartition et chacune des boîtes chaudes est positionnée à égale distance dudit tronc central de répartition.
Ainsi conçue, l’invention permet les avantages suivants :
- la facilité de transport et d'installation grâce à la capacité modulaire des boîtes chaudes, dans le cadre d’un tel mode de réalisation,
- un encombrement minimisé, car les piles (ou les stacks) peuvent être disposées en grappes modulaires dont la taille et le nombre peuvent être sélectionnés pour répondre aux besoins de production,
- une meilleure gestion des étanchéités et des fuites : en effet, les étanchéités ne sont plus référencées à la pression atmosphérique : seule la différence de pression entre les deux circuits de gaz compte. Une (légère) augmentation de pression dans les circuits de gaz est possible sans augmenter la contrainte sur les étanchéité (pression quasiment identique partout),
– l’invention favorise la production d'air enrichi en O2, et
– elle permet de gérer individuellement plusieurs boîtes chaudes dans le cadre d’une installation conforme à l’invention.
Brève description des figures
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :
 : la est une vue en coupe d’une boîte chaude conforme à l’invention,
 : la est une vue de dessus de la boîte chaude illustrée en , et
 : la montre une installation conforme à l’invention, comportant plusieurs boîtes chaudes.
 : la montre une autre installation conforme à l’invention, comportant plusieurs boîtes chaudes.
 : la montre la boîte chaude de l’installation illustrée en , vue en coupe selon le plan A-A.
 : la montre un agrandissement schématique d’une conduite d’amenée de carburant (ou combustible) et d’évacuation de fluide produit par les stacks des boîtes chaudes dans une installation conforme à l’invention.
 : la montre une variante de réalisation d’une installation conforme à l’invention, comportant plusieurs boîtes chaudes.
 : la montre encore une autre variante de réalisation d’une installation conforme à l’invention, comportant plusieurs boîtes chaudes
Il est bien entendu que les modes de réalisation qui seront décrits par la suite ne sont pas limitatifs. On pourra notamment imaginer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si c'est cette partie qui est uniquement suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure.
En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont combinables entre eux si rien ne s’oppose à cette combinaison sur le plan technique.
Sur les figures et dans la suite de la description, les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence.
 Description détaillée
Les figures 1 et 2 montrent une boîte chaude 1 conforme à l’invention, comprenant une cuve 10 cylindrique, dans laquelle huit stacks 2 (c’est-à-dire huit empilements de plaques d’oxydes solides formant des colonnes) sont répartis de façon équidistante dans la cuve 10, le long de la paroi interne de la cuve.
Plus précisément, la cuve 10 de la boîte chaude 1 comprend une paroi latérale cylindrique 11, un fond 12 de cuve, une paroi sommitale 13 de cuve et un axe central Z de cuve.
L’ensemble des parois 11, 12 et 13 délimite un volume fermé formant une enceinte qui accueille les huit stacks 2.
Il devra être entendu que la cuve de la boîte chaude conforme à l’invention pourrait présenter une forme différente sans sortir du cadre de l’invention : elle pourrait par exemple être de forme parallélépipédique, ou toute autre forme de section. La en illustre d’ailleurs un exemple qui sera décrit par la suite.
De même, la boîte chaude conforme à l’invention pourrait présenter un nombre de stacks différent sans sortir du cadre de l’invention : par exemple, il pourrait en comprendre trois, dix, douze etc. sans sortir du cadre de l’invention. La cuve doit comprendre au moins deux stacks.
Les stacks 2 sont, dans le cadre de cet exemple, des électrolyseurs à haute température permettant de générer du dihydrogène.
Le principe de l’électrolyseur est inverse de celui d'une pile à combustible. Le fonctionnement de l’électrolyseur nécessite un approvisionnement en combustible, qui comprend de la vapeur d’eau mélangée éventuellement avec un peu de dihydrogène.
Comme indiqué précédemment, les stacks fonctionnent à une température typique comprise entre 650°C et 950°C.
Dans le cadre de notre exemple, chaque stack (ou pile à combustible) comprend au moins un empilement de plaques apte à générer la réaction chimique souhaitée pour l’usage que l’on souhaite en faire (production de dihydrogène ou d’énergie). Il pourrait être prévu que le stack comprenne plusieurs empilements les uns sur les autres sans sortir du cadre de l’invention.
Les stacks forment ainsi des colonnes qui s’étendent chacune suivant un axe parallèle à l’axe Z de la cuve 10 cylindrique. Les stacks 2 présentent ainsi une forme de colonne qui s’étend sur la hauteur de l’enceinte interne de la cuve 10.
Conformément à l’invention, la cuve 10 comprend une entrée 14 par laquelle un premier fluide 31 peut entrer : dans le cadre de notre exemple, il s’agit d’air 31 qui se répartit de manière homogène autour de chaque stack 2.
La cuve 10 comprend également une sortie 15 par laquelle un second fluide peut être évacué : il s’agit dans notre exemple d’un mélange 32 enrichi en O2, qui peut être extrait grâce à une tuyauterie standard, reliant chaque stack 2.
L’entrée 14 et la sortie 15 ont essentiellement pour fonction de créer un mouvement d’air dans la boîte chaude, permettant l’évacuation éventuelle du dihydrogène pouvant provenir de fuites, et permettant par la même occasion d’équilibrer les pressions intérieures/extérieures au stack.
On remarque sur la que la sortie 15 collecte l’air enrichi en oxygène 32 sous chaque stack 2 et que, pour permettre cette collecte, la cuve comporte un socle interne 4, sur lequel repose chacun des stacks 2, le socle présentant un nombre d’ouvertures traversantes 40 proportionnel au nombre de stacks 2 installés.
Les ouvertures traversantes 40 débouchent dans ladite tuyauterie, comprenant des conduits 41 qui se rejoignent dans un conduit commun 42, ce dernier débouchant sur la sortie 15 de la cuve.
Dans le cas de cet exemple une étanchéité suffisante doit être réalisée entre l'enceinte de la cuve, les stacks 2 et le socle 4.
Il est prévu que le socle 4 soit positionné à une hauteur h au-dessus du fond de la cuve, de sorte que la cuve comprend une embase interne 5 de hauteur h, dans laquelle les conduits 41 et 42 s’étendent.
L’embase interne 5 peut être remplie d’un matériau isolant.
L’embase 5 comprend également d’autres conduites qui permettent d’amener dans les stacks de la vapeur d’eau comportant un peu de dihydrogène, cette vapeur permettant la réaction que l’on souhaite obtenir, qui produit du dihydrogène. Ces mêmes conduites permettent d’évacuer le dihydrogène produit.
Le principal objectif de l’invention est d’amener à chaque stack 2 et en même temps la même quantité ou proportion de vapeur d’eau (comportant éventuellement un peu de dihydrogène) nécessaire à la production de dihydrogène. C’est ainsi que les stacks 2 sont disposées de manière à optimiser la distribution de fluide entre elles.
Dans les exemples représentés sur les figures, le fluide entrant et le fluide sortant sont acheminés via une même conduite, illustré en particulier sur la .
Il s’agit d’une conduite d’amenée principale 6 qui est reliée à un arbre central 60 : dans l’exemple illustré sur les figures 1 et 2, la conduite 6 s’étend depuis la paroi latérale 10 de la cuve jusqu’à un arbre central 60 qui a pour fonction de distribuer le carburant aux stacks 2.
Suivant une variante de réalisation montrée en , la conduite 6 s’étend au-dessus de la cuve et vient alimenter l’arbre central 60 qui s’étend au centre de la boîte chaude 1, jusque dans l’embase 5.
De manière avantageuse, le fluide de carburant (ou combustible) (c’est-à-dire, dans notre exemple, le mélange de vapeur d’eau avec éventuellement un peu de dihydrogène) peut circuler dans la paroi de la conduite 6, qui est creuse (voir flèche F1) et le dihydrogène produit circule dans la partie centrale de la conduite 6 (voir flèche F2). Autrement dit, ladite conduite principale 6 d’amenée de la vapeur est également ladite seconde conduite d’évacuation du dihydrogène : comme on peut le voir sur la , ladite conduite 6 comportant une chambre d’amenée 63 de la vapeur d’eau, qui est cylindrique et qui entoure la conduite d’évacuation 64 dudit dihydrogène la conduite d’évacuation 64 et la chambre d’amenée 63 étant coaxiales.
Ce mode de réalisation avantageux permet d’utiliser la chaleur produite par l’hydrogène évacué dans la conduite 64 pour ajuster en température la vapeur d’eau amenée dans la chambre 63.
L’arbre de distribution 60 garantit que tous les chemins de fluide vers les stacks 2 ont exactement la même longueur et la même conception, assurant ainsi une répartition homogène du débit. Ce même arbre de distribution 60 et la conduite 6 qui lui est associée collectent également le dihydrogène produit par les stacks pour l’évacuer de la boîte chaude 1.
Pour ce faire, des sous-conduites de distribution 61 (ou conduites « aller ») partent toutes de l’arbre 60 pour alimenter chacun des stacks 2 et des canaux d’évacuation 62 (ou conduites retour) partent tous des stacks 2 pour revenir vers l’arbre central 60. De plus, les stacks 2 sont positionnés à égale distance dudit axe Z de la cuve et donc de l’arbre central 60 de distribution.
Toutes les conduites aller 61 et retour 62 s’étendent dans l’embase 5 isolante et isolée.
Pour permettre le raccordement des stacks 2 aux conduites aller et retour 61 et 62, ainsi qu’aux conduits d’évacuation 40, le socle 4 comprend des dispositifs de raccordement qui sont accessibles depuis l’enceinte de la cuve.
Afin de permettre une lecture claire des figures, ces dispositifs de raccordement n’ont pas été représentés. Il devra toutefois être compris que de tels dispositifs sont connus de l’homme du métier et concernent des dispositifs de raccordement de tuyauterie classiques.
Des éléments isolants 7 peuvent être prévus entre deux stacks 2 contigus : ces éléments 7 permettent aux stacks de fonctionner à leur température optimale en limitant l’influence thermique des stacks voisins.
Suivant le positionnement des stacks dans la cuve, et suivant la forme de la cuve, les éléments isolants peuvent être de formes variées, occupant les espaces entre les colonnes de stacks.
Ainsi, en , les éléments isolants sont des parois isolantes, entourant l’ensemble des stacks 2 et un quadrillage dans lequel les stacks sont positionnés, tandis qu’en figures 1 et 2, les éléments isolants 7 forment chacun des sections d’anneaux positionnés entre les stacks, en face de la paroi interne de la cuve 10.
Il va maintenant être fait référence aux figures 3 et 4, qui illustrent des installations conformes à l’invention.
L’installation montrée en comprend huit boîtes chaudes de stacks 2 telles que celles illustrées sur les figures 1 et 2.
Elle comprend également une unité de commande 8 du fonctionnement des boîtes chaudes 1 et une conduite principale 9 qui assurent l’alimentation en fluide des conduites d’amenée 6 de chaque boîte chaude 1.
Dans le cadre de ce mode de réalisation, une conduite principale 9 (ou un réseau de conduites principales 9) qui assure l’alimentation des boîtes chaudes en fluide est également la conduite d’évacuation des fluides en sortie des stacks des boîtes chaudes, car elle recueille le fluide produit par les stacks : la conduit principale 9 peut être réalisé de la même façon que les conduites 6. La référence 9 pourrait également indiquer un ensemble de conduites d’amenée et d’évacuation de fluides, l’ensemble de conduites serait lié aux conduites 6 principales des boîtes chaudes 1, sans sortir du cadre de l’invention.
On constate que tous les boîtes chaudes 1 sont positionnées à égale distance du conduit principal 9.
La illustre une autre installation, où les boîtes chaudes 1 présentent une forme de camembert, comprenant un ensemble de stacks répartis en carré autour de l’arbre 60 : les stacks sont tous à égale distance de l’arbre 60 et les boîtes chaudes 1 sont toutes positionnées à égale distance d’un tronc central 20, ce tronc central étant alimenté par la conduite principale 9 de l’installation : un tel mode de réalisation permet de s’assurer que toutes les boîtes chaudes sont alimentées véritablement en même temps ; les conduites 6 présentant la même longueur entre l’arbre central de distribution de chaque boîte chaude et le tronc central 20 duquel provient la vapeur d’eau (éventuellement mélangée avec un peu de dihydrogène) alimentant les stacks.
On remarque sur la que chaque boite chaude 1 comprend un panneau 3, qui est amovible, et qui permet l’accès à l’intérieur de la cuve de la boîte chaude.
L’ensemble forme un module qui peut fonctionner seul, ou être combiné à d’autre module pour former une installation encore plus grande.
Par exemple, la illustre une installation qui combine plusieurs modules : cette installation est en forme de fleur.
Elle comporte quatre groupes (ou quatre modules) de trois boîtes chaudes 1, en forme de camembert, qui comprennent chacune un ensemble de stacks 2 répartis en carré autour d’un arbre d’alimentation commun.
Les boîtes chaudes 1 sont toutes positionnées à égale distance d’un tronc central 20 qui aliment leur conduite principale 6.
Chaque module (ou groupe) de boites chaudes est alimenté par une conduite principale 9 qui est reliée à un module de commande et d’alimentation commun 90.
On remarque sur la que module s’adosse au module de commande 90 qui forme le cœur de l’installation.
Le illustre une variante de réalisation d’une installation à quatre modules : suivant ce mode de réalisation, le module de commande et d’alimentation commun 90 s’étend entre deux colonnes de deux modules comprenant chacun trois boites chaudes 1. Les modules sont ainsi placés de part et d’autre du module de commande et d’alimentation 90.
Les conduites principales 9 partent de part et d’autre du module de commande 90, alors que suivant la configuration montrée en , les conduites principales forment une étoile depuis le module de commande 90.
On comprend ainsi que, suivant l’espace disponible, l’invention peut permettre différentes configurations, pour former des systèmes de grande capacité de production.
La description qui précède permet d’apprécier comment l’invention permet d’atteindre les objectifs fixés et, en particulier, comment elle permet une bonne répartition des énergies autour des stacks et un rendement équivalent pour chacun des stacks.
Bien entendu l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et s’étend à la mise en œuvre de tout moyen équivalent.

Claims (8)

  1. Boîte chaude (1) de stacks (2) d’électrolyse haute température réversible
    SOEC/SOFC, comportant une cuve (10) comprenant une paroi (11) latérale de cuve, un fond (12) de cuve, une paroi sommitale (13) de cuve et un axe (Z) central de cuve, ladite cuve (10) délimitant une enceinte accueillant au moins deux stacks (2), ladite cuve (10) comportant une entrée (14) par laquelle un premier fluide (31) peut entrer et circuler dans ladite enceinte et une sortie (15) par laquelle un second fluide (32) peut être évacué, ladite boîte chaude (1) comportant en outre une première conduite d’amenée (6) d’un troisième fluide dans chacun desdites au moins deux stacks (2),
    la première conduite d’amenée (6) comportant une partie d’amenée principale dudit troisième fluide, qui s’étend depuis l’extérieur de ladite cuve jusqu’à un arbre central (60) de distribution,
    et la boite chaude comprenant :
    - des sous-conduites (61) de répartition dudit troisième fluide, qui s’étendent depuis l’arbre central (60) de distribution jusqu’à une entrée d’un stack, lesdits au moins deux stacks (2) étant positionnés à égale distance dudit arbre central (60), et
    - des canaux d’évacuation (62) qui s’étendent depuis le fond de chacun des stacks (2), jusqu’à une seconde conduite d’évacuation qui collecte un quatrième fluide et qui évacue ledit quatrième fluide hors de ladite cuve, caractérisée en ce que ladite cuve (10) comprend une embase interne (5) qui repose sur ledit fond (12) de ladite cuve et qui comprend ledit arbre central (60), les sous-conduites de répartition (61) et lesdits canaux d’évacuation (62),
    ladite embase interne (5) étant équipée de dispositifs de raccordement aux extrémités des sous-conduites de répartition (61) et desdits canaux d’évacuation (62), lesdits dispositifs de raccordement étant accessibles depuis l’enceinte de la cuve (10) pour permettre le raccordement desdites stacks (2) aux sous-conduites de répartition (61) et aux canaux d’évacuation (62).
  2. Boîte chaude de stacks selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits au moins deux stacks (2) sont positionnés à égale distance dudit axe (Z) de ladite cuve et en ce que ledit arbre central (60) de distribution s’étend suivant ledit axe central (Z) de la cuve.
  3. Boîte chaude selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite conduite principale (6) d’amenée est également ladite seconde conduite d’évacuation dudit quatrième fluide, ladite conduite (6) d’amenée comportant une chambre d’amenée (63) du troisième fluide (F1), la chambre d’amenée étant cylindrique et entourant la conduite d’évacuation (64) dudit quatrième fluide, la conduite d’évacuation (64) et la chambre d’amenée (63) étant coaxiales.
  4. Boîte chaude de stacks selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite cuve (10) présente une forme cylindrique et en ce que lesdits stacks sont positionnés le long de la paroi latérale (11) dans la cuve.
  5. Boîte chaude de stacks selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comporte des dispositifs (7) d’isolation thermique positionnés entre lesdits stacks (2).
  6. Boîte chaude de stacks selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit premier fluide (31) comprend de l’air, ledit second fluide (32) comprend un mélange enrichi en dioxygène, ledit troisième fluide (F1) comprend de la vapeur d’eau et en ce que le quatrième fluide comprend du dihydrogène.
  7. Installation comportant au moins une boîte chaude (1) de stacks (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, une unité de commande (8) du fonctionnement de ladite au moins une boîte chaude (1) de stacks (2), une conduite principale (9) d’installation assurant l’alimentation en troisième fluide de ladite première conduite d’amenée (6) de ladite au moins une boîte chaude (1) de stacks (2).
  8. Installation selon la revendications 7, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins trois boîtes chaudes (1) de stacks (2), en ce que ladite conduite principale d’installation (9) débouche dans un tronc central (20) de répartition, en ce que la première conduite d’amenée (6) de chacune desdites boîtes chaudes (1) de stacks (2) est raccordée audit tronc central (20) de répartition et en ce que chacune des boîtes chaudes (1) est positionnée à égale distance dudit tronc central (20) de répartition.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20220416276A1 (en) * 2021-06-25 2022-12-29 Bloom Energy Corporation Handling of variable and unpredictable gas composition changes to maximize health and performance of fuel cell systems
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