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FR3087952A1 - Systeme electrochimique a oxydes solides a moyens de chauffage integres - Google Patents

Systeme electrochimique a oxydes solides a moyens de chauffage integres Download PDF

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FR3087952A1
FR3087952A1 FR1859930A FR1859930A FR3087952A1 FR 3087952 A1 FR3087952 A1 FR 3087952A1 FR 1859930 A FR1859930 A FR 1859930A FR 1859930 A FR1859930 A FR 1859930A FR 3087952 A1 FR3087952 A1 FR 3087952A1
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Abstract

Système électrochimique comportant un dispositif électrochimique comprenant un empilement de n cellules électrochimiques à oxydes solides, n étant un entier supérieur ou égal à 1, et au moins n-1 plaques d'interconnexion interposées entre les cellules électrochimiques, des moyens d'alimentation en gaz des cellules électrochimiques et des moyens de collecte de gaz produits par les cellules électrochimiques, des moyens de connexion électrique du système vers l'extérieur. Le dispositif électrochimique comporte également des moyens de chauffage (H) intégrés à l'empilement, lesdits moyens de chauffage (H) comportant des conducteurs électriques (2) logés dans les plaques de serrage (S1, S1).

Description

SYSTÈME ÉLECTROCHIMIQUE A OXYDES SOLIDES A MOYENS DE CHAUFFAGE INTÉGRÉS DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La présente invention se rapporte à un système électrochimique comportant de cellules électrochimiques à oxydes solides fonctionnant à haute température.
Le système peut être mis en oeuvre 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 système comporte un empilement de cellules électrochimiques enserrées entre deux plaques de serrage.
Chaque cellule 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.
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 02- migrant de la cathode vers l'anode.
2 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 H20 + 4 e- 2 H2 + 2 02-.
Le dihydrogène produit lors de cette réaction est alors évacué, tandis que les ions 02- 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 : 10 2 02- 02+ 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 H20 2 H2 + 02.
15 En mode pile à combustible (« SOFC »), de l'air est injecté dans le compartiment cathodique qui se dissocie en ions 02-.
Ces derniers migrent vers l'anode et réagissent avec du dihydrogène circulant dans le compartiment anodique pour former de l'eau.
Le fonctionnement en mode pile à combustible permet la production 20 d'un courant électrique.
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.
Les températures de fonctionnement des systèmes SOEC/SOFC sont 25 généralement comprises entre 600°C et 1000°C.
Ces températures sont obtenues en disposant l'empilement dans un four de forte puissance.
Le four comporte une enceinte et par exemple des résistances électriques sur les faces intérieures des parois de l'enceinte.
Il présente donc un certain encombrement.
Le transfert thermique entre les résistances électriques et l'empilement se fait par convection et par rayonnement.
Une 3 instrumentation est prévue dans l'espace délimité entre le four et le dispositif pour suivre et réguler la température.
Le système de production d'hydrogène ou de production d'électricité comporte donc un four et le dispositif électrochimique.
Le système est relativement encombrant et est difficile à manipuler.
En outre un balayage de gaz est réalisé dans le four pour des raisons de sécurité, ce qui perturbe le transfert par convection.
Par ailleurs, le transfert thermique par rayonnement est dépendant des dimensions de l'enceinte, plus une enceinte est grande plus le transfert thermique par rayonnement s'en trouve impacté.
10 Le document W02017102657 décrit un exemple de dispositif électrochimique comportant un empilement de cellules à oxyde solide maintenu par un système de serrage du type « plug and play », c'est-à-dire aisément connectable aux circuits d'alimentation et de collecte de gaz.
Le système de serrage est conçu pour assurer un niveau de serrage sensiblement constant malgré les variations de température.
Le 15 dispositif électrochimique est disposé dans un four.
EXPOSÉ DE L'INVENTION C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un système électrochimique comportant de cellules électrochimiques à oxydes solides fonctionnant à haute température ne présentant pas les inconvénients des systèmes de l'état de la 20 technique Le but énoncé ci-dessus est atteint un système comporte un dispositif électrochimique comprenant un empilement de cellules électrochimiques à oxydes solides et de plaques d'interconnexion interposées entre les cellules, et des moyens de chauffage intégrés à l'empilement, lesdits moyens de chauffage comportant des 25 conducteurs électriques.
Par exemple, les conducteurs électriques assurant l'apport d'énergie thermique au dispositif sont disposés dans la plaque de serrage ou en contact avec celle-ci.
Le système électrochimique ne requérant plus la mise en oeuvre d'un four son encombrement est donc réduit.
En outre, il est plus facilement transportable et 4 utilisable.
De plus l'instrumentation pour contrôler la température peut être intégrée à l'empilement, ce qui simplifie encore le système.
En outre, en intégrant les moyens de chauffage au dispositif électrochimique, le chauffage a lieu directement par conduction à travers des matériaux denses, les inconvénients liés aux transferts thermiques entre les parois de l'enceinte du four et l'empilement ne se posent plus.
De plus, de tels moyens de chauffage présentent une réactivité accrue à la consigne de température fixée pour le dispositif.
Dans un exemple très avantageux, le système électrochimique 10 comporte une enceinte isolante thermique définissant une espace isolé thermiquement recevant le dispositif électrochimique.
Ainsi les fuites thermiques sont sensiblement réduites et le chauffage du dispositif est rendu encore plus uniforme et on obtient une très bonne homogénéité thermique de l'empilement entre les plaques supérieure et inférieure, et donc une très 15 bonne homogénéité thermique globale de l'empilement.
En outre, du fait de la réduction des pertes thermiques résultant de la présence de l'enceinte, la consigne donnée aux moyens de chauffage est proche de l'objectif de chauffe de l'empilement, la puissance à fournir au dispositif est réduite.
L'enceinte isolante thermique est avantageusement conformée pour 20 être au plus près de la surface extérieure de l'empilement, ce qui permet encore de limiter les pertes par rayonnement.
La présente invention a alors pour objet un système électrochimique comportant au moins un dispositif électrochimique comprenant un empilement de n cellules électrochimiques à oxydes solides, n étant un entier supérieur ou égal à 1, et au 25 moins n-1 plaques d'interconnexion interposées entre les cellules électrochimiques, des moyens d'alimentation en gaz des cellules électrochimiques et des moyens de collecte de gaz produits par les cellules électrochimiques, des moyens de connexion électrique du système vers l'extérieur.
Le dispositif électrochimique comporte également des moyens de chauffage intégrés à l'empilement, lesdits moyens de chauffage étant à effet Joule.
5 Les n cellules électrochimiques comportent une section transversale S prise selon une direction perpendiculaire à la direction de l'empilement.
De préférence, les moyens de chauffage définissent une surface de chauffe au moins égale à la section transversale S des cellules électrochimiques.
De préférence, les moyens de chauffage sont insérés dans au moins une plaque, dite plaque de chauffage, disposée dans l'empilement ou sur l'empilement.
Dans un exemple de réalisation, les moyens de chauffage comportent au moins un conducteur électrique logé dans la au moins une plaque de chauffage.
Par exemple, au moins une plaque de chauffage comporte un 10 évidement formé dans une face de plus grande surface, dans lequel est logé le conducteur électrique et dans lequel il est immobilisé, par exemple au moyen d'une brasure.
En variante, le conducteur électrique est rentré en force dans une gorge usinée.
Dans un autre exemple de réalisation, les moyens de chauffage comportent au moins un élément chauffant électrique monté dans un alésage de ladite 15 plaque de chauffage, avantageusement dans un bord latéral de ladite plaque de chauffage.
La au moins une plaque de chauffage peut être disposée à une extrémité de l'empilement dans la direction de l'empilement, traversée par les moyens d'alimentation en gaz.
20 Dans un exemple avantageux, la au moins une plaque de chauffage comporte des moyens de mesure de la température.
Les moyens de mesure de la température peuvent comporter un capteur configuré pour mesurer les températures du conducteur électrique ou de l'élément chauffant électrique, et un capteur configuré pour mesurer la température de la plaque de chauffage.
25 Le système électrochimique peut avantageusement comporter deux plaques de serrage disposées chacune à une extrémité de l'empilement dans la direction de l'empilement et des moyens coopérant avec les plaques pour appliquer un effort de serrage aux n cellules et n-1 interconnexions.
Selon une caractéristique additionnelle, les moyens de chauffage sont insérés dans au moins deux plaques de chauffage.
6 Dans un exemple de réalisation, au moins une plaque de chauffage peut avantageusement être formée par une plaque de serrage.
Dans un autre exemple de réalisation, la au moins une plaque de chauffage est une plaque intercalaire montée dans deux cellules.
Dans un autre exemple de réalisation, la au moins une plaque de chauffage est en appui contre une plaque de serrage, avantageusement contre sa face extérieure.
Le système électrochimique peut avantageusement comporter une enceinte isolante thermique définissant un espace intérieur recevant le dispositif 10 électrochimique et l'isolant thermiquement de l'extérieur.
Par exemple, l'enceinte comporte une sole, une paroi latérale et une paroi supérieure.
Les moyens de connexion électriques, les moyens d'alimentation en gaz et les moyens de collecte des gaz peuvent traverser la sole.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS 15 La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels: - la figure 1 est une vue en éclatée de système électrochimique illustrant le principe de l'invention - la figure 2 est une vue en perspective d'un système électrochimique 20 selon un exemple de réalisation, - la figure 3A est une vue en perspective d'une plaque de serrage mise en oeuvre dans le système de la figure 2, représentée seule, - la figure 3B est une vue de détail d'une coupe de la plaque de serrage de la figure 3A au niveau d'un conducteur électrique, 25 - les figures 4A et 4B sont des vues en perspective d'une plaque de serrage selon une variante de réalisation pouvant être mise en oeuvre dans le système de la figure 2, - la figure 5 est une vue en perspective d'une plaque de serrage selon un autre exemple de réalisation pouvant être mise en oeuvre dans le système de la figure 2, 7 - la figure 6 est une vue en perspective d'un système électrochimique selon un autre exemple de réalisation, dans lequel les moyens de chauffage sont rapportés sur les plaques de serrage à l'extérieur - les figures 7A à 7C sont différentes représentations schématiques des moyens de chauffage du système de la figure 6, - la figure 8 est une représentation schématique d'une installation électrochimique mettant en oeuvre un système selon l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Sur la figure 1, on peut voir une vue en éclaté d'un exemple de 10 réalisation d'un système électrochimique selon l'invention.
Le système électrochimique comporte un dispositif électrochimique D1 destiné à être mis en oeuvre pour l'électrolyse à haute température (mode « SOEC ») ou en tant que pile à combustible (mode « SOFC »).
Le dispositif électrochimique D1 comprend un empilement de cellules 15 électrochimiques à oxydes solides.
L'empilement comprend une pluralité de cellules électrochimiques élémentaires CL formées chacune d'une cathode, d'une anode et d'un électrolyte disposé entre l'anode et la cathode.
L'électrolyte est en un matériau conducteur d'ions solide et dense, et l'anode et la cathode sont des couches poreuses.
20 L'empilement comporte en outre des plaques d'interconnexion ou interconnecteurs I, chacun interposé entre deux cellules élémentaires successives et assurant la connexion électrique entre une anode d'une cellule élément et une cathode de la cellule élément adjacente.
Les interconnecteurs I assurent une connexion en série des cellules élémentaires 25 Un empilement peut comporter entre une cellule et plusieurs centaines de cellules, de préférence entre 25 et 75 cellules.
Les interconnecteurs intermédiaires délimitent également des compartiments fluidiques au niveau de la surface des électrodes avec lesquelles il sont en contact.
8 La face d'un interconnecteur intermédiaire I en contact avec une anode d'une cellule électrochimique élémentaire CL délimite un compartiment, dit compartiment anodique, et la face d'un interconnecteur I en contact avec une cathode d'une cellule électrochimique élémentaire CL délimite un compartiment, dit compartiment cathodique.
Chacun des compartiments anodique et cathodique permet la distribution et la collecte desdits gaz.
Par exemple, pour l'électrolyse de l'eau, le compartiment cathodique assure une alimentation en vapeur d'eau de la cathode et l'évacuation de l'hydrogène 10 produit.
Le compartiment anodique assure la circulation d'un gaz drainant et l'évacuation de l'oxygène produit au niveau de l'anode.
Le dispositif électrochimique peut comporter des plaques terminales P disposées de part et d'autre de l'empilement.
Les plaques terminales sont conductrices électriques.
15 Le dispositif comporte également des tubes (non représentés) pour distribuer les gaz et des tubes pour collecter les gaz.
Dans l'exemple représenté, le dispositif électrochimique D1 comprend également un système de serrage Si, 52 pourvu de deux plaques de serrage, dites respectivement, première plaque de serrage ou plaque de serrage supérieure S1 et 20 seconde plaque de serrage ou plaque de serrage inférieure 52 disposées de part et d'autre de l'empilement dans la direction de l'empilement et destinées à exercer un effort de serrage sur l'empilement par l'intermédiaire de tirants T.
Selon cette configuration, chaque plaque terminale P est isolée électriquement de la plaque de serrage qui lui est adjacente, en interposant une plaque 25 M d'isolation électrique, par exemple en mica, entre chaque plaque de serrage et chaque plaque terminale.
Les tirants T sont par exemple formés par des tiges de serrage traversant les plaques de serrage et sur les extrémités desquelles sont montés des écrous.
Ces moyens sont, à cet égard, décrits dans le document FR 3 045 215.
9 De manière avantageuse, les plaques de serrage 51, 52 peuvent être réalisées en acier inoxydable, de manière très avantageuse en acier austénitique réfractaire, par exemple de type AIS' 310S, présentant un coefficient de dilatation thermique égal à 18,5.10-e entre 20°C et 800°C.
En outre, cet acier offre une bonne résistance mécanique jusqu'à 1000°C.
Les tirants sont par exemple en superalliage à base de nickel de type Inconel 625.
La combinaison de ces matériaux permet de compenser la différence de dilatation ente les tiges de serrage et les cellules électrochimiques par la dilatation importante des plaques de serrage.
De manière avantageuse des rondelles, dans le même 10 matériau que les plaques de serrage, sont interposées entre les plaques de serrage et les écrous.
L'une et/ou l'autre des deux plaques de serrage Si, S2 est ou sont pourvues d'au moins un conduit de circulation des gaz qui permet la circulation de gaz d'une entrée de gaz vers une sortie de gaz afin d'alimenter en gaz ou à évacuer des gaz de 15 l'empilement à oxydes solides.
L'entré et la sortie de gaz sont disposées, respectivement, sur l'une et l'autre des faces de plus grande surface de la plaque de serrage 51, S2.
Le dispositif électrochimique comporte également des moyens de chauffage H intégrés à l'empilement.
Sur la figure 1, ces moyens H sont représentés 20 schématiquement.
Dans la présente, on entend par « moyens de chauffage intégrés », des moyens de chauffage en contact mécanique direct avec l'empilement.
Ils sont disposés sur et/ou dans l'empilement.
Les moyens de chauffage sont montés dans des éléments de l'empilement déjà existants ou dans des éléments rajoutés à l'empilement.
25 Les moyens de chauffage H1 sont des moyens de chauffage électriques par effets Joule.
Ils comportent un ou des câbles ou cordons conducteurs électriques 2 intégrés dans l'empilement et qui génèrent de la chaleur par dissipation.
Dans la suite de la description, on utilisera « câble », « câble électrique », « câble chauffant » ou « conducteurs électriques » pour désigner les câbles conducteurs électriques formant les 30 moyens de chauffage.
Par exemple, les câbles chauffants comportent une âme chauffante 10 à isolant minéral, magnésie MgO (96-99%), sous gaine Inconel 600® et de terminaisons froides intégrées.
L'âme chauffante a par exemple un diamètre de 2,0 mm +/-0,05 mm sur une longueur de 6,5 m +/-5%, présentant une résistance interne de 7,0 ohms /m +/10%.
Sur les figures 2, 3A et 3B, on peut voir un exemple de réalisation pratique d'un 5 dispositif électrochimique D2.
Dans cet exemple, les moyens de chauffage H1 sont disposés dans l'épaisseur de l'une des plaques de serrage ou dans les deux plaques de serrage 5101, 5102.
De manière avantageuse, ils sont disposés dans les deux plaques de serrage afin d'assurer un chauffage homogène de l'empilement.
Les plaques de serrage sont réalisées dans un matériau apte à conduire 10 la chaleur en direction de l'empilement.
De préférence le matériau présente une bonne conductivité thermique, de préférence au moins égale à 10W/m.K.
L'acier AISI 3105 présente avantageusement une bonne conductivité thermique, 15W/m.K à 20°C et 19 W/m.K à 500°C.
Dans cet exemple et comme cela est représenté sur la figure 3B, un 15 évidement 4 est formé dans une des faces de plus grande surface d'une plaque de serrage 5101, dont la profondeur est suffisante pour recevoir le câble électrique 2.
De préférence, la profondeur de l'évidement 4 est suffisante pour que le câble 2 ne fasse pas saillie de la plaque.
Le câble est immobilisé dans l'évidement 4 par l'ajout d'un matériau par exemple brasure 5, par exemple réalisée sous vide.
De préférence, le matériau de la brasure est le 20 même que celui de la plaque de serrage afin d'éviter les risques de dilatation différentielle.
De préférence, la brasure est disposée du côté de l'empilement.
Ainsi la zone de chauffe est située au plus près de l'empilement.
En variante, le câble est rentré en force dans une gorge usinée dans la 25 plaque.
Dans cet exemple le conducteur est disposé sous la forme d'une spirale carrée.
De manière très avantageuse, le câble électrique est reparti sur une surface correspondant à la surface des cellules électrochimiques afin d'optimiser le chauffage du dispositif.
Dans l'exemple représenté, la plaque de serrage 5101 comporte 30 11 une partie principale 6 de forme carrée et des branches 8 en saillie de chaque côté de la partie principale pour le passage des tirants.
Le câble électrique s'étend sur toute la surface de la partie principale quasiment jusqu'aux bords de celle-ci.
Dans cet exemple, le câble électrique est réparti uniformément sur la surface assurant une répartition uniforme du chauffage sur toute la surface de l'empilement.
Les extrémités de connexion 2.1, 2.2 du câble sortent latéralement de la plaque de serrage pour se raccorder électriquement au reste du système.
La mise en oeuvre de moyens de chauffage de type à effet Joule présente l'avantage de permettre un contrôle aisé de l'énergie thermique générée.
Leur 10 intégration au plus près des cellules permet de maîtriser l'énergie qui est effectivement apportée à l'empilement.
De plus leur encombrement est réduit.
En outre l'intégration du ou des câbles dans les plaques de serrage permet de ne pas modifier l'encombrement du dispositif électrochimique et donc de permettre à celui-ci de remplacer des dispositifs déjà en place.
15 En outre, les moyens de chauffage électriques permettent d'atteindre des températures supérieures à la température de fonctionnement de l'empilement.
Ainsi on dispose d'une plus grande liberté dans l'agencement du dispositif dans son environnement.
Sur les figures 4A et 4B on peut voir une variante de réalisation d'une 20 plaque de serrage S201, dans laquelle le câble électrique 2 présente une autre distribution.
Toute autre distribution du câble électrique est envisageable.
En fonctionnement endothermique, il apparaît une perte de chaleur importante au coeur de l'empilement.
De préférence, la plaque présente une densité 25 élevée de conducteur électrique au centre de la plaque pour fournir une quantité de chaleur supérieure au centre de la plaque relativement aux bords de celle-ci.
L'évidement est par exemple réalisé par usinage.
A titre d'exemple, les plaques de serrage ont des dimensions dans le plan par exemple quelques centaines de mm, par exemple 200 mm x 200 mm, et une 30 épaisseur un à plusieurs dizaines de mm, par exemple 10 mm.
12 Dans les exemples représentés, un seul câble électrique par plaque est mis en oeuvre, ce qui simplifie la connexion à la source de courant.
Néanmoins on peut envisager de mettre plusieurs câbles par plaque répartis dans un plan ou dans plusieurs plans.
La mise en oeuvre de plusieurs câbles présente l'avantage, dans le cas où un câble est défectueux, de permettre de continuer à fournir de la chaleur à l'empilement, d'autant plus qu'en général il n'est pas possible de retirer les plaques de serrage, la charge appliquée par celles-ci via les tirants ne pouvant pas être annulée sans rendre le dispositif inopérant.
De manière avantageuse, un ou des capteurs de température 10, 11, par 10 exemple des thermocouples représentés sur la figure 4A, sont disposés dans chaque plaque de serrage.
De préférence deux capteurs de température sont mis en oeuvre, un capteur de température de sécurité 10 disposé au plus près du câble chauffant afin de contrôler la température du câble et d'éviter sa surchauffe et sa dégradation, et un capteur de température 11 destiné à la régulation et disposé de sorte à mesurer la 15 température de la plaque, le capteur de régulation est disposé plus éloigné du câble chauffant, par exemple à quelques millimètres.
Dans un autre exemple de réalisation de plaque de serrage 5301 représentée schématiquement sur la figure 5 munie de moyens de chauffage H2.
Les moyens de chauffage H2 comportent des éléments conducteurs électriques en forme de 20 doigts ou pions 12, qui sont insérés latéralement dans les plaques de serrage comme cela est.
Les plaques comportent dans leurs bords latéraux des logements 14, par exemple des alésages non débouchants dans lesquels sont montés des éléments conducteurs électriques dissipant de la chaleur.
De préférence, les pions ou doigts sont répartis de manière uniforme dans toute la périphérie des plaques.
De préférence, le montage des 25 doigts se réalise à force dans les logements 14 afin d'assurer un bon contact thermique entre les doigts et la plaque et réduire les pertes thermiques.
En variante, en particulier dans la plaque de serrage supérieure, il peut être envisagé de disposer au moins une partie des doigts perpendiculairement au plan moyen de la plaque de serrage.
Le plan moyen de la plaque de serrage est le plan auquel sont 30 sensiblement parallèles les faces de plus grande surface de la plaque de serrage.
13 Sur la figure 6, on peut voir un autre exemple de réalisation de dispositif électrochimique D3, dans lequel les moyens de chauffage H3 sont rapportés sur les plaques de serrage à l'extérieur de celles-ci.
Les moyens de chauffage comportent au moins une plaque de chauffage 16 représentée sur les figures 7A à 7C.
La plaque de chauffage 16 est par exemple fabriquée suivant le même procédé que les plaques de serrage des figures 2, 3A et 3B.
La plaque de chauffage 16 comporte un évidement 16.1 formé dans une de ses faces de plus grande surfaces principales et un câble électrique 16.2 représenté en pointillés disposé dans l'évidement 16.1 et une brasure 16.3 est déposée dans l'évidement 16.1 sur le câble afin 10 d'immobiliser le cordon dans l'évidement.
Sur la figure 7B, la brasure n'est pas encore déposée.
La plaque 16 ainsi formée peut alors être montée en contact direct contre la face de plus surface extérieure d'une plaque de serrage Si.
De préférence, afin d'assurer un très bon transfert thermique entre la plaque chauffante 16 et la plaque de 15 serrage S2, les faces en contact présentent une très bonne planéité.
Par exemple, la plaque de chauffage est mise en contact avec la plaque de serrage de sorte à pouvoir être amovible facilement, i.e. sans être fixée de manière définitive à celle-ci, tout en bénéficiant des moyens de chauffage intégrés à l'empilement.
En variante, une couche de matériau ductile offrant une bonne conductivité thermique, par exemple une pâte 20 d'or, est interposée entre la plaque de serrage et la plaque de chauffage, ce qui permet d'améliorer le contact thermique entre la plaque de chauffage et la plaque de serrage, et compenser les défauts de planéité.
En variante, la plaque de chauffage comporte des doigts ou pions chauffants comme dans l'exemple représenté sur la figure 5.
Les doigts ou pions peuvent 25 être montés dans les bords latéraux et/ou à travers la face principale extérieure de la plaque de chauffage.
La mise en oeuvre de une ou plusieurs plaques de chauffage 16 rapportées sur les plaques de serrage permet d'équiper des dispositifs électrochimiques déjà fabriqués et pour lesquels le retrait des plaques de serrage, soit pour les remplacer 14 par des plaques de serrage avec chauffage intégré, soit pour introduire des plaques de chauffage intercalaire n'est pas possible.
Sur la figure 6, on peut voir les conduits d'alimentation en gaz et de collecte des gaz Cet le câble 15 de connexion électrique à une plaque terminale T En variante, les moyens de chauffage peuvent être intégrés dans l'empilement sous forme de plaque rapportée dans l'empilement.
Par exemple, les moyens de chauffage comportent une ou des plaques intercalaires dans laquelle ou lesquelles est ou sont intégré un câble chauffant.
Cette ou ces plaques est ou sont disposées entre une plaque de serrage et une plaque terminale.
De préférence deux 10 plaques intercalaires sont prévues, l'une entre la plaque de serrage supérieure et la plaque terminale supérieure, et l'autre entre la plaque de serrage inférieure et la plaque terminale inférieure.
Selon une autre variante, la ou les plaques intercalaires sont disposées chacune entre deux cellules électrochimiques élémentaires.
L'insertion de plaques 15 chauffantes intercalaires permet de réduire les gradients thermiques verticaux au sein de l'empilement.
Dans cette variante, soit les plaques intercalaires remplacent des interconnecteurs, soit des moyens de connexion électriques extérieurs permettent d'assurer la connexion électrique entre les cellules.
Un ou des capteurs de température de sécurité et/ou de régulation 20 peuvent être avantageusement disposés dans les plaques de chauffage.
Des thermocouples sont avantageusement disposés dans le ou les plaques de chauffage 16 ou dans la ou les plaques intercalaires.
Suivant le dispositif électrochimique réalisé, si celui-ci ne requiert pas l'application d'une force de serrage dans la direction de l'empilement, les plaques de 25 serrage peuvent être omises.
Il sera compris que les différents exemples des figures 1 à 6 peuvent être combinés.
Par exemple les moyens de chauffage peuvent comporter un ou des conducteurs dans une des plaques de serrage uniquement et dans une plaque intercalaire.
Ou encore les moyens de chauffage comportent une plaque chauffante 16 et 30 une plaque de serrage avec les conducteurs chauffants intégrés.
15 De manière préférée, le dispositif électrochimique est disposé dans une enceinte de sorte à réduire les pertes énergétiques, notamment les pertes thermiques et à optimiser le fonctionnement du dispositif.
Par exemple les parois de l'enceinte comportent un ou des matériaux isolants fibreux comprenant du SiO2, du CaO et du MgO ou un ou des matériaux de type béton léger.
Sur la figure 8, on peut voir une représentation schématique d'une installation comprenant dispositif électrochimique selon l'invention, par exemple le dispositif D2, disposé dans une enceinte 17, l'enceinte étant représentée en coupe.
L'enceinte comporte une sole 18 sur laquelle est disposé le dispositif 10 électrochimique, des parois latérales 20 et une paroi supérieure 22.
Les parois et la sole définissent un volume fermé isolant thermiquement le dispositif électrochimique de l'environnement extérieur.
L'enceinte, en particulier les parois latérales 20 et la paroi supérieure 22 peuvent être réalisées d'un seul tenant ou en plusieurs parties assemblées les unes aux 15 autres.
Des ouvertures 24 sont prévues dans l'enceinte pour le passage des tubes et des connecteurs électriques.
Les jeux entre les contours des ouvertures et les tubes et les connecteurs sont avantageusement comblés par un matériau isolant thermique.
De manière très avantageuse, les connexions fluidiques et les connexions électriques sont réalisées à travers la sole 18 réduisant encore davantage les fuites thermiques.
20 De préférence le contour intérieur de l'enceinte est conforme à la forme extérieure du dispositif électrochimique et délimite avec la surface extérieure du dispositif un jeu réduit.
Ceci permet à la paroi intérieure de l'enceinte de réfléchir plus efficacement la chaleur émise par le dispositif électrochimique en direction dudit ensemble, et par voie de conséquence, permet de mettre en oeuvre des moyens de 25 chauffage de puissance réduite par rapport à ceux traditionnellement utilisés dans ce type d'applications.
Par ailleurs, la combinaison de moyens de chauffage électrique intégrés et d'une enceinte isolante électrique contribue également à réduire les gradients thermiques dans la direction de l'empilement, et à permettre une homogénéisation de la 16 température au sein du dispositif électrochimique, et ainsi améliorer le rendement de ce dernier.
Cette homogénéisation de la température permet d'appliquer une consigne de chauffe aux conducteurs externes intégrés proche de la température de chauffe souhaitée pour l'empilement.
Ainsi on limite les risques d'endommagement des éléments du dispositif par surchauffe, notamment des éléments dans la partie supérieure de l'empilement.
Un matériau réfléchissant sur la paroi interne de l'enceinte pourrait être prévu.
10 De préférence un espace libre est maintenu entre le dispositif électrochimique et la paroi intérieure de l'enceinte pour permettre la détection d'une fuite sur l'empilement.
En général, de l'air balaye l'enceinte pour diluer et évacuer les éventuelles fuites d'hydrogène de l'empilement.
En outre, il est préférable d'éviter tout contact entre l'enceinte et l'empilement pour réduire le risque de court-circuit.
15 Un ou des capteurs peut ou peuvent être porté(s) par l'enceinte ou disposé(s) dans l'espace entre l'enceinte et le dispositif électrochimique, il peut s'agir de capteur de température pour réguler la température du dispositif, de capteur de gaz pour détecter une fuite dans le dispositif...
Le dispositif électrochimique selon l'invention présente l'avantage 20 d'être très compact car il ne requiert pas d'être disposé dans un four.
En outre il est très facilement utilisable, en effet il peut être aisément connecté aux quatre conduits d'alimentation et de collecte de gaz et à des alimentations électriques pour le système de chauffage intégré et les plaques terminales.
Ce dispositif est alors de type « plug and play », i.e. branche et fonctionne.
25 Dans le cas où le dispositif est logé dans une enceinte, celle-ci est avantageusement de taille réduite puisqu'elle est conformée à la forme du dispositif ce qui est aisément réalisable.
L'enceinte peut être assemblée autour du dispositif, contrairement à un four qui comporte sur ses parois intérieures des résistances électriques.
De plus les parois sont d'épaisseur réduite car elles ne comportent pas de 30 résistances électriques.
17 Les moyens de chauffage sont commandés par une unité centrale, par exemple par un ordinateur, par exemple sur la base des mesures fournies par les thermocouples, la ou les consignes de température...
Dans le cas où les moyens de chauffage sont intégrés à au moins deux emplacements distincts dans l'empilement, le système peut présenter une très grande modularité dans la commande de chauffage en effet on peut envisager de les commander ensemble ou séparément et donc de moduler les apports de chaleur en fonction de l'emplacement dans l'empilement et/ou suivant le moment du fonctionnement, permettant ainsi une gestion différenciée des câbles chauffants.
10 Par exemple, dans le cas d'un dispositif disposé dans une enceinte isolante thermique, la chaleur s'accumule dans la partie supérieure de l'enceinte, la partie supérieure de l'empilement peut alors être maintenue à une température donnée avec un apport moindre en énergie.
Il peut alors être prévu de commander les moyens de chauffage pour assurer un apport de chauffage plus important dans la partie inférieure de 15 l'empilement.
Par exemple, dans un système dans lequel le dispositif comporte deux plaques de serrage munies d'un ou des fils chauffants est disposé dans une enceinte, le pilotage des fils chauffants peut être le suivant : - au début du cycle de fonctionnement la chaleur est générée au niveau 20 des deux plaques de serrage jusqu'à atteindre la température de fonctionnement et un fonctionnement stationnaire. - ensuite, au cours du fonctionnement stationnaire, le maintien en température peut être assuré uniquement par le chauffage au niveau d'une plaque de serrage, de préférence la plaque de serrage qui est traversée par les tubes d'alimentation 25 en gaz, qui sont en général à une température inférieure à la température de fonctionnement.
Les moyens de chauffage intégrés assurent ainsi également des moyens de réchauffage des gaz.
Dans le cas où l'alimentation en gaz se fait à travers la plaque supérieure, les fils chauffants de la plaque supérieure peuvent fonctionner en 18 permanence mais uniquement pour le préchauffage des gaz, le maintien en température étant assuré par les fils conducteurs de la plaque de serrage inférieure.
Par exemple dans le cas d'un fonctionnement du système pour produire de l'hydrogène (SOEC), le fonctionnement étant endothermique, un apport de chaleur est S assuré pendant tout le fonctionnement du système, l'apport de chaleur lors du fonctionnement stationnaire peut être assuré par les moyens de chauffage intégrés dans la plaque de serrage inférieure.
Dans le cas d'un fonctionnement du système pour produire de l'électricité pour lequel le fonctionnement est exothermique, il peut être prévu 10 d'alimenter les fils chauffants des deux plaques de serrage pour atteindre la température de fonctionnement et, ensuite, de n'assurer

Claims (16)

  1. REVENDICATIONS1. Système électrochimique comportant au moins un dispositif électrochimique comprenant un empilement de n cellules électrochimiques à oxydes solides, n étant un entier supérieur ou égal à 1, et au moins n-1 plaques d'interconnexion interposées entre les cellules électrochimiques, des moyens d'alimentation en gaz des cellules électrochimiques et des moyens de collecte de gaz produits par les cellules électrochimiques, des moyens de connexion électrique du système vers l'extérieur, dans lequel le dispositif électrochimique comporte également des moyens de chauffage (H, H1, 10 H2, H3) intégrés à l'empilement, lesdits moyens de chauffage (H, H1, H2, H3) étant à effet Joule.
  2. 2. Système électrochimique selon la revendication 1, dans lequel les n cellules électrochimiques comportent une section transversale S prise selon une 15 direction perpendiculaire à la direction de l'empilement et dans lequel les moyens de chauffage (H, H1, H2, H3) définissent une surface de chauffe au moins égale à la section transversale S des cellules électrochimiques.
  3. 3. Système électrochimique selon la revendication 1 ou 2, dans 20 lequel les moyens de chauffage (H1, H2) sont insérés dans au moins une plaque, dite plaque de chauffage, disposée dans l'empilement ou sur l'empilement.
  4. 4. Système électrochimique selon la revendication précédente, dans lequel les moyens de chauffage (H1) comportent au moins un conducteur électrique (2) 25 logé dans la au moins une plaque de chauffage.
  5. 5. Système électrochimique selon la revendication 4, dans lequel la au moins une plaque de chauffage comporte un évidement (4) formé dans une face de plus grande surface dans lequel est logé le conducteur électrique (2), le conducteur étant 20 immobilisé dans l'évidement, par exemple au moyen d'une brasure (5) ou dans lequel la au moins une plaque de chauffage comporte une gorge usinée dans laquelle est rentré en force le conducteur électrique.
  6. 6. Système électrochimique selon la revendication 3, dans lequel les moyens de chauffage comportent au moins un élément chauffant électrique (12) monté dans un alésage (14) de ladite plaque de chauffage, avantageusement dans un bord latéral de ladite plaque de chauffage.
  7. 7. Système électrochimique selon l'une des revendications 3 à 6, dans lequel la au moins une plaque de chauffage est disposée à une extrémité de l'empilement dans la direction de l'empilement, traversée par les moyens d'alimentation en gaz.
  8. 8. Système électrochimique selon l'une des revendications 3 à 7, dans lequel la au moins une plaque de chauffage comporte des moyens de mesure de la température.
  9. 9. Système électrochimique selon la revendication précédente, dans lequel les moyens de mesure de la température comportent un capteur (10) configuré pour mesurer les températures du conducteur électrique ou de l'élément chauffant électrique, et un capteur (11) configuré pour mesurer la température de la plaque de chauffage.
  10. 10. Système électrochimique selon l'une des revendications 1 à 9, comportant deux plaques de serrage (51, S2, S101, 5102, S201, S301) disposées chacune à une extrémité de l'empilement dans la direction de l'empilement et des moyens coopérant avec les plaques pour appliquer un effort de serrage aux n cellules et n-1 interconnexions. 21
  11. 11. Système électrochimique selon l'une des revendications 3 à 9, dans lequel les moyens de chauffage sont insérés dans au moins deux plaques de chauffage (S101, 5102, 5201, 5301).
  12. 12. Système électrochimique selon les des revendications 3 à 9 et la revendication 10, dans lequel la au moins une plaque de chauffage est formée par une plaque de serrage. 10
  13. 13. Système électrochimique selon l'une des revendications 3 à 9, dans lequel la plaque de chauffage est une plaque intercalaire montée entre deux cellules.
  14. 14. Système électrochimique selon l'une des revendications 3 à 9 et la 15 revendication 1, dans lequel la au moins une plaque de chauffage est en appui contre une plaque de serrage, avantageusement contre sa face extérieure.
  15. 15. Système électrochimique selon l'une des revendications 1 à 14, comportant une enceinte (17) isolante thermique définissant un espace intérieur 20 recevant le dispositif électrochimique et l'isolant thermiquement de l'extérieur.
  16. 16. Système électrochimique selon la revendication 15, dans lequel l'enceinte (17) comporte une sole (18), une paroi latérale (20) et une paroi supérieure (22) et dans lequel les moyens de connexion électriques, les moyens d'alimentation en 25 gaz et les moyens de collecte des gaz traversent la sole.
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