FR3094843A1 - Set of a SOEC / SOFC type solid oxide stack and a clamping system integrating a gas distribution system - Google Patents
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Abstract
L'objet principal de l'invention est un ensemble (80) comportant un empilement (20) à oxydes solides de type SOEC/SOFC et un système de serrage (60) de l’empilement (20) comprenant au moins deux tiges de serrage (55) permettant l’assemblage de plaques de serrage supérieure (45) et inférieure (46). Cet ensemble (80) comporte en outre un système de distribution de gaz (40) formé au moins en partie à l’intérieur d’au moins l’une des plaques de serrage supérieure et inférieure (46) et à l’intérieur d’au moins deux tiges de serrage (55) creuses en communication fluidique avec ladite au moins l’une des plaques de serrage supérieure et inférieure (46) pour la circulation d’au moins un gaz surchauffé ou destiné à être surchauffé. Figure pour l’abrégé : Figure 6The main object of the invention is an assembly (80) comprising a stack (20) with solid oxides of the SOEC / SOFC type and a clamping system (60) of the stack (20) comprising at least two clamping rods. (55) allowing the assembly of upper (45) and lower (46) clamping plates. This assembly (80) further comprises a gas distribution system (40) formed at least in part inside at least one of the upper and lower clamping plates (46) and inside of it. at least two hollow clamping rods (55) in fluid communication with said at least one of the upper and lower clamping plates (46) for the circulation of at least one superheated gas or intended to be superheated. Figure for the abstract: Figure 6
Description
La présente invention se rapporte au domaine général de l’électrolyse de l’eau à haute température (EHT), en particulier l’électrolyse de la vapeur d’eau à haute température (EVHT), respectivement désignées par les appellations anglaises « High Temperature Electrolysis » (HTE) et « High Temperature Steam Electrolysis » (HTSE), de l’électrolyse du dioxyde de carbone (CO2), voire encore de la co-électrolyse de l’eau à haute température (EHT) avec le dioxyde de carbone (CO2).The present invention relates to the general field of high temperature water electrolysis (EHT), in particular the electrolysis of high temperature water vapor (EVHT), respectively designated by the English names "High Temperature Electrolysis" (HTE) and "High Temperature Steam Electrolysis" (HTSE), the electrolysis of carbon dioxide (CO 2 ), or even the co-electrolysis of water at high temperature (EHT) with carbon dioxide carbon (CO 2 ).
Plus précisément, l’invention se rapporte au domaine des électrolyseurs à oxydes solides à haute température, désignés habituellement par l’acronyme SOEC (pour « Solide Oxide Electrolyzer Cell » en anglais).More specifically, the invention relates to the field of high-temperature solid oxide electrolysers, usually designated by the acronym SOEC (for “Solid Oxide Electrolyzer Cell”).
Elle concerne également le domaine des piles à combustible à oxydes solides à haute température, désignées habituellement par l’acronyme SOFC (pour « Solid Oxide Fuel Cells » en anglais).It also relates to the field of high-temperature solid oxide fuel cells, usually designated by the acronym SOFC (for “Solid Oxide Fuel Cells”).
Ainsi, de façon plus générale, l’invention se réfère au domaine des empilements à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température.Thus, more generally, the invention refers to the field of SOEC/SOFC type solid oxide stacks operating at high temperature.
Plus précisément, l’invention concerne un ensemble comprenant un empilement à oxydes solides de type SOEC/SOFC et un système de serrage de l’empilement avec un système de distribution de gaz.More specifically, the invention relates to an assembly comprising a SOEC/SOFC type solid oxide stack and a stack clamping system with a gas distribution system.
Dans le cadre d’un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC, il s’agit de transformer par le biais d’un courant électrique, au sein d’un même dispositif électrochimique, la vapeur d’eau (H2O) en dihydrogène (H2) et en dioxygène (O2), et/ou encore de transformer le dioxyde de carbone (CO2) en monoxyde de carbone (CO) et en dioxygène (O2). Dans le cadre d’une pile à combustible à oxydes solides à haute température de type SOFC, le fonctionnement est inverse pour produire un courant électrique et de la chaleur en étant alimentée en dihydrogène (H2) et en dioxygène (O2), typiquement en air et en gaz naturel, à savoir par du méthane (CH4). Par souci de simplicité, la description suivante privilégie le fonctionnement d’un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC réalisant l’électrolyse de l’eau. Toutefois, ce fonctionnement est applicable à l’électrolyse du dioxyde de carbone (CO2), voire encore de la co-électrolyse de l’eau à haute température (EHT) avec le dioxyde de carbone (CO2). De plus, ce fonctionnement est transposable au cas d’une pile à combustible à oxydes solides à haute température de type SOFC.In the context of a SOEC-type high-temperature solid oxide electrolyser, the aim is to transform water vapor (H 2 O ) into hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ), and/or to convert carbon dioxide (CO 2 ) into carbon monoxide (CO) and oxygen (O 2 ). In the context of a SOFC-type high-temperature solid oxide fuel cell, the operation is reversed to produce an electric current and heat by being supplied with dihydrogen (H 2 ) and dioxygen (O 2 ), typically in air and in natural gas, namely by methane (CH 4 ). For the sake of simplicity, the following description favors the operation of a high temperature solid oxide electrolyser of the SOEC type carrying out the electrolysis of water. However, this operation is applicable to the electrolysis of carbon dioxide (CO 2 ), or even the co-electrolysis of water at high temperature (EHT) with carbon dioxide (CO 2 ). Moreover, this operation can be transposed to the case of a high temperature solid oxide fuel cell of the SOFC type.
Pour réaliser l’électrolyse de l’eau, il est avantageux de la réaliser à haute température, typiquement entre 600 et 1000°C, parce qu’il est plus avantageux d’électrolyser de la vapeur d’eau que de l’eau liquide et parce qu’une partie de l’énergie nécessaire à la réaction peut être apportée par de la chaleur, moins chère que l’électricité.To carry out the electrolysis of water, it is advantageous to carry it out at high temperature, typically between 600 and 1000°C, because it is more advantageous to electrolyze water vapor than liquid water. and because part of the energy required for the reaction can be provided by heat, which is cheaper than electricity.
Pour mettre en œuvre l’électrolyse de l’eau à haute température (EHT), un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC est constitué d’un empilement de motifs élémentaires comportant chacun une cellule d’électrolyse à oxyde solide, ou encore cellule électrochimique, constituée de trois couches anode/électrolyte/cathode superposées l’une sur l’autre, et de plaques d’interconnexion en alliages métalliques, aussi appelées plaques bipolaires ou interconnecteurs. Chaque cellule électrochimique est enserrée entre deux plaques d’interconnexion. Un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC est alors un empilement alterné de cellules électrochimiques et d’interconnecteurs. Une pile à combustible à oxydes solides à haute température de type SOFC est constituée du même type d’empilement de motifs élémentaires. Cette technologie à haute température étant réversible, le même empilement peut fonctionner en mode électrolyse et produire de l’hydrogène et de l’oxygène à partir d’eau et d’électricité, ou en mode pile à combustible et produire de l’électricité à partir d’hydrogène et d’oxygène.To implement the electrolysis of water at high temperature (EHT), a high temperature solid oxide electrolyser of the SOEC type consists of a stack of elementary units each comprising a solid oxide electrolysis cell, or another electrochemical cell, made up of three anode/electrolyte/cathode layers superposed one on the other, and interconnection plates made of metal alloys, also called bipolar plates or interconnectors. Each electrochemical cell is sandwiched between two interconnecting plates. A SOEC-type high-temperature solid oxide electrolyser is then an alternating stack of electrochemical cells and interconnectors. A SOFC-type high-temperature solid oxide fuel cell consists of the same type of stacking of elementary units. This high-temperature technology being reversible, the same stack can operate in electrolysis mode and produce hydrogen and oxygen from water and electricity, or in fuel cell mode and produce electricity at from hydrogen and oxygen.
Chaque cellule électrochimique correspond à un assemblage électrolyte/électrodes, qui est typiquement un assemblage multicouche en céramique dont l’électrolyte est formé par une couche centrale conductrice d’ions, cette couche étant solide, dense et étanche, et enserrée entre les deux couches poreuses formant les électrodes. Il est à noter que des couches supplémentaires peuvent exister, mais qui ne servent qu’à améliorer l’une ou plusieurs des couches déjà décrites.Each electrochemical cell corresponds to an electrolyte/electrode assembly, which is typically a multilayer ceramic assembly, the electrolyte of which is formed by a central ion-conducting layer, this layer being solid, dense and sealed, and sandwiched between the two porous layers. forming the electrodes. It should be noted that additional layers may exist, but which only serve to improve one or more of the layers already described.
Les dispositifs d’interconnexion, électrique et fluidique, sont des conducteurs électroniques qui assurent, d’un point de vue électrique, la connexion de chaque cellule électrochimique de motif élémentaire dans l’empilement de motifs élémentaires, garantissant le contact électrique entre une face et la cathode d’une cellule et entre l’autre face et l’anode de la cellule suivante, et d’un point de vue fluidique, combinant ainsi la production de chacune des cellules. Les interconnecteurs assurent ainsi les fonctions d’amenée et de collecte de courant électrique et délimitent des compartiments de circulation des gaz, pour la distribution et/ou la collecte.The interconnection devices, electrical and fluidic, are electronic conductors which ensure, from an electrical point of view, the connection of each electrochemical cell of elementary pattern in the stack of elementary patterns, guaranteeing the electrical contact between a face and the cathode of one cell and between the other face and the anode of the next cell, and from a fluidic point of view, thus combining the production of each of the cells. The interconnectors thus ensure the supply and collection functions of electric current and delimit gas circulation compartments, for distribution and/or collection.
Plus précisément, les interconnecteurs ont pour fonction principale d’assurer le passage du courant électrique mais aussi la circulation des gaz au voisinage de chaque cellule (à savoir : vapeur d’eau injectée, hydrogène et oxygène extraits pour l’électrolyse EHT ; air et combustible dont l’hydrogène injecté et eau extraite pour une pile SOFC), et de séparer les compartiments anodiques et cathodiques de deux cellules adjacentes, qui sont les compartiments de circulation des gaz du côté respectivement des anodes et des cathodes des cellules.More precisely, the main function of the interconnectors is to ensure the passage of electric current but also the circulation of gases in the vicinity of each cell (namely: injected steam, extracted hydrogen and oxygen for EHT electrolysis; air and fuel including injected hydrogen and extracted water for a SOFC cell), and to separate the anode and cathode compartments of two adjacent cells, which are the gas circulation compartments on the anode and cathode side respectively of the cells.
En particulier, pour un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC, le compartiment cathodique comporte la vapeur d’eau et l’hydrogène, produit de la réaction électrochimique, tandis que le compartiment anodique comporte un gaz drainant, si présent, et de l’oxygène, autre produit de la réaction électrochimique. Pour une pile à combustible à oxydes solides à haute température de type SOFC, le compartiment anodique comporte le carburant, tandis que le compartiment cathodique comporte le comburant.In particular, for a SOEC-type high-temperature solid oxide electrolyser, the cathode compartment contains water vapor and hydrogen, the product of the electrochemical reaction, while the anode compartment contains a draining gas, if present, and oxygen, another product of the electrochemical reaction. For a high-temperature solid oxide fuel cell of the SOFC type, the anode compartment contains the fuel, while the cathode compartment contains the oxidizer.
Pour réaliser l’électrolyse de la vapeur d’eau à haute température (EHT), on injecte de la vapeur d’eau (H2O) dans le compartiment cathodique. Sous l’effet du courant électrique appliqué à la cellule, la dissociation des molécules d’eau sous forme de vapeur est réalisée à l’interface entre l’électrode à hydrogène (cathode) et l’électrolyte : cette dissociation produit du gaz dihydrogène (H2) et des ions oxygène (O2-). Le dihydrogène (H2) est collecté et évacué en sortie de compartiment à hydrogène. Les ions oxygène (O2-) migrent à travers l’électrolyte et se recombinent en dioxygène (O2) à l’interface entre l’électrolyte et l’électrode à oxygène (anode). Un gaz drainant, tel que de l’air, peut circuler au niveau de l’anode et ainsi collecter l’oxygène généré sous forme gazeuse à l’anode.To carry out the electrolysis of water vapor at high temperature (EHT), water vapor (H 2 O) is injected into the cathode compartment. Under the effect of the electric current applied to the cell, the dissociation of the water molecules in the form of vapor is carried out at the interface between the hydrogen electrode (cathode) and the electrolyte: this dissociation produces dihydrogen gas ( H 2 ) and oxygen ions (O 2- ). Dihydrogen (H 2 ) is collected and evacuated at the hydrogen compartment outlet. The oxygen ions (O 2- ) migrate through the electrolyte and recombine into dioxygen (O 2 ) at the interface between the electrolyte and the oxygen electrode (anode). A draining gas, such as air, can circulate at the anode and thus collect the oxygen generated in gaseous form at the anode.
Pour assurer le fonctionnement d’une pile à combustible à oxydes solides (SOFC), on injecte de l’air (oxygène) dans le compartiment cathodique de la pile et de l’hydrogène dans le compartiment anodique. L’oxygène de l’air va se dissocier en ions O2-. Ces ions vont migrer dans l’électrolyte de la cathode vers l’anode pour oxyder l’hydrogène et former de l’eau avec une production simultanée d’électricité. En pile SOFC, tout comme en électrolyse SOEC, la vapeur d’eau se trouve dans le compartiment de dihydrogène (H2). Seule la polarité est inversée.To ensure the operation of a solid oxide fuel cell (SOFC), air (oxygen) is injected into the cathode compartment of the cell and hydrogen into the anode compartment. The oxygen in the air will dissociate into O 2- ions. These ions will migrate in the electrolyte from the cathode to the anode to oxidize the hydrogen and form water with a simultaneous production of electricity. In SOFC cell, just like in SOEC electrolysis, the water vapor is in the dihydrogen (H 2 ) compartment. Only the polarity is reversed.
A titre d’illustration, la figure 1 représente une vue schématique montrant le principe de fonctionnement d’un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC. La fonction d'un tel électrolyseur est de transformer la vapeur d'eau en hydrogène et en oxygène selon la réaction électrochimique suivante :By way of illustration, Figure 1 represents a schematic view showing the operating principle of a high-temperature solid oxide electrolyser of the SOEC type. The function of such an electrolyser is to transform water vapor into hydrogen and oxygen according to the following electrochemical reaction:
2 H2O → 2 H2+ O2.2 H 2 O → 2 H 2 + O 2.
Cette réaction est réalisée par voie électrochimique dans les cellules de l’électrolyseur. Comme schématisée sur la figure 1, chaque cellule d’électrolyse élémentaire 1 est formée d’une cathode 2 et d’une anode 4, placées de part et d'autre d'un électrolyte solide 3. Les deux électrodes (cathode et anode) 2 et 4 sont des conducteurs électroniques et/ou ioniques, en matériau poreux, et l’électrolyte 3 est étanche au gaz, isolant électronique et conducteur ionique. L'électrolyte 3 peut être en particulier un conducteur anionique, plus précisément un conducteur anionique des ions O2-et l’électrolyseur est alors dénommé électrolyseur anionique, par opposition aux électrolytes protoniques (H+).This reaction is carried out electrochemically in the cells of the electrolyser. As shown schematically in Figure 1, each elementary electrolysis cell 1 is formed of a cathode 2 and an anode 4, placed on either side of a solid electrolyte 3. The two electrodes (cathode and anode) 2 and 4 are electronic and/or ionic conductors, made of porous material, and the electrolyte 3 is gastight, electronic insulator and ionic conductor. The electrolyte 3 may in particular be an anionic conductor, more precisely an anionic conductor of O 2- ions and the electrolyzer is then called an anionic electrolyzer, as opposed to protonic electrolytes (H + ).
Les réactions électrochimiques se font à l'interface entre chacun des conducteurs électroniques et le conducteur ionique.The electrochemical reactions take place at the interface between each of the electronic conductors and the ionic conductor.
A la cathode 2, la demi-réaction est la suivante :At cathode 2, the half-reaction is as follows:
2 H2O + 4 e-→ 2 H2+ 2 O2-.2 H 2 O + 4 e - → 2 H 2 + 2 O 2- .
A l'anode 4, la demi-réaction est la suivante:At anode 4, the half-reaction is as follows:
2 O2-→ O2+ 4 e-.2 O 2- → O 2 + 4 e - .
L'électrolyte 3, intercalé entre les deux électrodes 2 et 4, est le lieu de migration des ions O2-sous l'effet du champ électrique créé par la différence de potentiel imposée entre l'anode 4 et la cathode 2.The electrolyte 3, inserted between the two electrodes 2 and 4, is the site of migration of the O 2- ions under the effect of the electric field created by the potential difference imposed between the anode 4 and the cathode 2.
Comme illustré entre parenthèses sur la figure 1, la vapeur d’eau en entrée de cathode peut être accompagnée d’hydrogène H2et l’hydrogène produit et récupéré en sortie peut être accompagné de vapeur d’eau. De même, comme illustré en pointillés, un gaz drainant, tel que l’air, peut en outre être injecté en entrée pour évacuer l’oxygène produit. L’injection d’un gaz drainant a pour fonction supplémentaire de jouer le rôle de régulateur thermique.As illustrated between parentheses in FIG. 1, the water vapor at the cathode inlet can be accompanied by hydrogen H 2 and the hydrogen produced and recovered at the outlet can be accompanied by water vapor. Similarly, as illustrated in dotted lines, a draining gas, such as air, can also be injected at the inlet to evacuate the oxygen produced. The injection of a draining gas has the additional function of acting as a thermal regulator.
Un électrolyseur, ou réacteur d’électrolyse, élémentaire est constitué d'une cellule élémentaire telle que décrite ci-dessus, avec une cathode 2, un électrolyte 3, et une anode 4, et de deux interconnecteurs qui assurent les fonctions de distribution électrique, hydraulique et thermique.An elementary electrolyzer, or electrolysis reactor, consists of an elementary cell as described above, with a cathode 2, an electrolyte 3, and an anode 4, and two interconnectors which perform the electrical distribution functions, hydraulic and thermal.
Pour augmenter les débits d'hydrogène et d'oxygène produits, il est connu d’empiler plusieurs cellules d’électrolyse élémentaires les unes sur les autres en les séparant par des interconnecteurs. L'ensemble est positionné entre deux plaques d'interconnexion d’extrémité qui supportent les alimentations électriques et des alimentations en gaz de l’électrolyseur (réacteur d’électrolyse).To increase the flow rates of hydrogen and oxygen produced, it is known to stack several elementary electrolysis cells on top of each other, separating them by interconnectors. The assembly is positioned between two end interconnection plates which support the power supplies and gas supplies to the electrolyser (electrolysis reactor).
Un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC comprend ainsi au moins une, généralement une pluralité de cellules d’électrolyse empilées les unes sur les autres, chaque cellule élémentaire étant formée d’un électrolyte, d’une cathode et d’une anode, l’électrolyte étant intercalé entre l’anode et la cathode.A SOEC-type high-temperature solid oxide electrolyser thus comprises at least one, generally a plurality of electrolysis cells stacked on top of each other, each elementary cell being formed of an electrolyte, a cathode and a anode, the electrolyte being interposed between the anode and the cathode.
Comme indiqué précédemment, les dispositifs d’interconnexion fluidique et électrique qui sont en contact électrique avec une ou des électrodes assurent en général les fonctions d’amenée et de collecte de courant électrique et délimitent un ou des compartiments de circulation des gaz.As indicated above, the fluidic and electrical interconnection devices which are in electrical contact with one or more electrodes generally perform the functions of supplying and collecting electric current and delimit one or more gas circulation compartments.
Ainsi, le compartiment dit cathodique a pour fonction la distribution du courant électrique et de la vapeur d’eau ainsi que la récupération de l’hydrogène à la cathode en contact.Thus, the function of the so-called cathode compartment is the distribution of electric current and water vapor as well as the recovery of hydrogen at the cathode in contact.
Le compartiment dit anodique a pour fonction la distribution du courant électrique ainsi que la récupération de l’oxygène produit à l’anode en contact, éventuellement à l’aide d’un gaz drainant.The so-called anodic compartment has the function of distributing the electric current as well as recovering the oxygen produced at the anode in contact, possibly using a draining gas.
La figure 2 représente une vue éclatée de motifs élémentaires d’un électrolyseur à oxydes solides à haute température de type SOEC selon l’art antérieur. Cet électrolyseur comporte une pluralité de cellules d’électrolyse élémentaires C1, C2, de type à oxydes solides (SOEC), empilées alternativement avec des interconnecteurs 5. Chaque cellule C1, C2 est constituée d’une cathode 2.1, 2.2 et d’une anode (seule l’anode 4.2 de la cellule C2 est représentée), entre lesquelles est disposé un électrolyte (seul l’électrolyte 3.2 de la cellule C2 est représenté).FIG. 2 represents an exploded view of elementary patterns of a high-temperature solid oxide electrolyser of the SOEC type according to the prior art. This electrolyzer comprises a plurality of elementary electrolysis cells C1, C2, of the solid oxide type (SOEC), stacked alternately with interconnectors 5. Each cell C1, C2 consists of a cathode 2.1, 2.2 and an anode (Only the anode 4.2 of the cell C2 is shown), between which an electrolyte is arranged (only the electrolyte 3.2 of the cell C2 is shown).
L’interconnecteur 5 est un composant en alliage métallique qui assure la séparation entre les compartiments cathodique 50 et anodique 51, définis par les volumes compris entre l’interconnecteur 5 et la cathode adjacente 2.1 et entre l’interconnecteur 5 et l’anode adjacente 4.2 respectivement. Il assure également la distribution des gaz aux cellules. L’injection de vapeur d’eau dans chaque motif élémentaire se fait dans le compartiment cathodique 50. La collecte de l’hydrogène produit et de la vapeur d’eau résiduelle à la cathode 2.1, 2.2 est effectuée dans le compartiment cathodique 50 en aval de la cellule C1, C2 après dissociation de la vapeur d’eau par celle-ci. La collecte de l’oxygène produit à l’anode 4.2 est effectuée dans le compartiment anodique 51 en aval de la cellule C1, C2 après dissociation de la vapeur d’eau par celle-ci. L’interconnecteur 5 assure le passage du courant entre les cellules C1 et C2 par contact direct avec les électrodes adjacentes, c’est-à-dire entre l’anode 4.2 et la cathode 2.1.The interconnector 5 is a metal alloy component which ensures the separation between the cathode 50 and anode 51 compartments, defined by the volumes comprised between the interconnector 5 and the adjacent cathode 2.1 and between the interconnector 5 and the adjacent anode 4.2 respectively. It also ensures the distribution of gases to the cells. The injection of water vapor into each elementary pattern takes place in the cathode compartment 50. The collection of the hydrogen produced and the residual water vapor at the cathode 2.1, 2.2 is carried out in the cathode compartment 50 downstream of the cell C1, C2 after dissociation of the water vapor by the latter. The collection of the oxygen produced at the anode 4.2 is carried out in the anode compartment 51 downstream of the cell C1, C2 after dissociation of the water vapor by the latter. The interconnector 5 ensures the passage of the current between the cells C1 and C2 by direct contact with the adjacent electrodes, that is to say between the anode 4.2 and the cathode 2.1.
Les conditions de fonctionnement d’un électrolyseur à oxydes solides à haute température (SOEC) étant très proches de celles d’une pile à combustible à oxydes solides (SOFC), les mêmes contraintes technologiques se retrouvent.The operating conditions of a high temperature solid oxide electrolyser (SOEC) being very close to those of a solid oxide fuel cell (SOFC), the same technological constraints are found.
Ainsi, le bon fonctionnement de tels empilements à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température requiert principalement de satisfaire aux points énoncés ci-après.Thus, the correct operation of such stacks with solid oxides of the SOEC/SOFC type operating at high temperature mainly requires satisfying the points set out below.
Tout d’abord, il est nécessaire d’avoir une isolation électrique entre deux interconnecteurs successifs sous peine de court-circuiter la cellule électrochimique, mais aussi un bon contact électrique et une surface de contact suffisante entre une cellule et un interconnecteur. La plus faible résistance ohmique possible est recherchée entre cellules et interconnecteurs.First of all, it is necessary to have an electrical insulation between two successive interconnectors under penalty of short-circuiting the electrochemical cell, but also a good electrical contact and a sufficient contact surface between a cell and an interconnector. The lowest possible ohmic resistance is sought between cells and interconnectors.
Par ailleurs, il faut disposer d’une étanchéité entre les compartiments anodiques et cathodiques sous peine d’avoir une recombinaison des gaz produits entraînant une baisse de rendement et surtout l’apparition de points chauds endommageant l’empilement.In addition, it is necessary to have a seal between the anode and cathode compartments under penalty of having a recombination of the gases produced leading to a drop in efficiency and especially the appearance of hot spots damaging the stack.
Enfin, il est indispensable d’avoir une bonne distribution des gaz à la fois en entrée et en récupération des produits sous peine de perte de rendement, d’inhomogénéité de pression et de température au sein des différents motifs élémentaires, voire de dégradations rédhibitoires des cellules électrochimiques.Finally, it is essential to have a good distribution of the gases both at the inlet and at the recovery of the products, under penalty of loss of yield, of inhomogeneity of pressure and temperature within the various elementary patterns, or even of crippling degradation of the electrochemical cells.
Les gaz entrants et sortants dans un empilement d’électrolyse à haute température (SOEC) ou de pile à combustible (SOFC) fonctionnant à haute température peuvent être gérés par le biais de dispositifs appropriés d’un four tel que celui illustré en référence à la figure 3.The gases entering and leaving a high temperature electrolysis (SOEC) or fuel cell stack (SOFC) operating at high temperature can be managed by means of appropriate devices of a furnace such as that illustrated with reference to figure 3.
Le four 10 comporte ainsi des parties froides PF et des parties chaudes PC, ces dernières comprenant la sole de four 11, un tube en boucle 12 pour gérer les entrées et sorties de gaz et l’empilement 20, encore appelé « stack », d’électrolyse à haute température (SOEC) ou de pile à combustible (SOFC).The furnace 10 thus comprises cold parts PF and hot parts PC, the latter comprising the furnace floor 11, a looped tube 12 to manage the gas inlets and outlets and the stack 20, also called "stack", d high temperature electrolysis (SOEC) or fuel cell (SOFC).
Les couplages des dispositifs d’amenée et de sortie des gaz se font le plus souvent au niveau des parties froides PF, en particulier par des raccords de serrage mécanique double bague, des raccords à étanchéité de surface par joint métallique VCR®, des liaisons soudées ou encore des traversées étanches de cloisons.The couplings of the gas inlet and outlet devices are most often made at the level of the cold parts PF, in particular by double-ring mechanical tightening connections, connections with surface sealing by VCR® metal gasket, welded connections or watertight penetrations of partitions.
De façon classique, il existe deux techniques principales pour réaliser la surchauffe des gaz d’entrée dans un empilement d’électrolyse à haute température (SOEC) ou de pile à combustible (SOFC). Ces techniques mettent en œuvre des dispositifs de surchauffe extérieurs à l’empilement de type SOEC/SOFC.Conventionally, there are two main techniques for superheating the inlet gases in a high temperature electrolysis (SOEC) or fuel cell stack (SOFC). These techniques implement overheating devices external to the stack of the SOEC/SOFC type.
Tout d’abord, comme représenté schématiquement par le tube en boucle 12 sur la figure 3, il est possible d’utiliser des longueurs de tube enroulées au droit des résistances chauffantes d’un four 10 dans la partie chaude PC. Les gaz auront été préalablement portés à une température d’environ 500°C en sortie d’échangeurs si cela est prévu par le système. Alors, ce ou ces tubes de surchauffe 12 des gaz permettent de gagner environ 300°C de plus en utilisant le rayonnement thermique des résistances du four 10 et du stack 20, avant d’être introduits dans le stack 20.First of all, as represented schematically by the looped tube 12 in FIG. 3, it is possible to use lengths of tube wound in line with the heating resistors of an oven 10 in the hot part PC. The gases will have been previously brought to a temperature of approximately 500°C at the outlet of the exchangers if this is provided for by the system. Then, this or these superheating tubes 12 of the gases make it possible to gain approximately 300°C more by using the thermal radiation of the resistances of the furnace 10 and of the stack 20, before being introduced into the stack 20.
Par ailleurs, il est également connu de faire passer les gaz par des chauffeurs électriques 30 tels que celui représenté sur la figure 4. Un tel chauffeur électrique 30 s’apparente à un ensemble massif comprenant une masse inertielle 31 en acier, une résistance chauffante 32 et un tube de conduite des gaz 33 enroulé sur la masse inertielle 31. Sur la figure 4 sont également représentés les gaz entrants GE et les gaz sortants GS. Ces chauffeurs électriques 30 sont chargés de porter les gaz entrants GE de 20°C à une température d’environ 800°C avant l’introduction des gaz sortants GS dans le stack 20.Furthermore, it is also known to pass the gases through electric heaters 30 such as that shown in FIG. 4. Such an electric heater 30 is similar to a massive assembly comprising an inertial mass 31 made of steel, a heating resistance 32 and a gas conduit tube 33 wound on the inertial mass 31. Also shown in FIG. 4 are the incoming gases GE and the outgoing gases GS. These electric heaters 30 are responsible for bringing the incoming gases GE from 20° C. to a temperature of approximately 800° C. before the introduction of the outgoing gases GS into the stack 20.
Le bon fonctionnement du système dans les deux cas nécessite une température très précise en entrée de l’empilement ou stack 20 afin de garantir le bon fonctionnement de l’ensemble.The correct operation of the system in both cases requires a very precise temperature at the inlet of the stack or stack 20 in order to guarantee the correct operation of the whole.
La première technique qui, après passage des gaz dans les échangeurs, récupère le rayonnement des résistances du four pour monter les gaz à la bonne température en entrée de stack oblige donc à faire des enroulements d’une longueur d’environ 3 m (exemple donné pour un stack de 25 cellules de 10 cm x 10 cm de surface active), ce qui entraîne l’inconvénient de rajouter de la complexité dans les cintrages pour faire en sorte que les tubes arrivent aux bons endroits dans un espace confiné, et ce qui augmente de façon importante la taille du four. La mise en œuvre est donc compliquée car il faut être précis et car les tubes, typiquement de diamètre 10/12 en inox 316L ou Inconel 600, sont très rigides. Par ailleurs, le fait de faire des boucles de surchauffe de gaz prend beaucoup de place, et interfère immanquablement avec les amenées de courant, les passages de thermocouples, et les tubes de sortie de l’électrolyseur, ce qui amène souvent à raccourcir ces lignes du fait du manque de place dans le four, le tout augmentant la taille du four et donc le volume de gaz à chauffer. De plus, il faut refaire le même travail de cintrage à chaque nouveau stack, car le démontage du raccordement de ces boucles est destructif.The first technique which, after passage of the gases in the exchangers, recovers the radiation from the resistances of the furnace to raise the gases to the right temperature at the stack inlet therefore requires windings with a length of approximately 3 m (example given for a stack of 25 cells of 10 cm x 10 cm of active surface), which leads to the disadvantage of adding complexity in the bends to ensure that the tubes arrive at the right places in a confined space, and which significantly increases the size of the oven. The implementation is therefore complicated because you have to be precise and because the tubes, typically 10/12 in diameter in 316L stainless steel or Inconel 600, are very rigid. Moreover, the fact of making gas superheat loops takes up a lot of space, and inevitably interferes with the current leads, the thermocouple passages, and the output tubes of the electrolyser, which often leads to shortening these lines. due to the lack of space in the oven, all of which increases the size of the oven and therefore the volume of gas to be heated. In addition, you have to redo the same bending work for each new stack, because dismantling the connection of these loops is destructive.
En règle générale, pour obtenir la bonne température en entrée de stack 20, et pour un diamètre intérieur de tube 12 d’environ 10 mm, il faut une longueur développée d’environ 3 m par lignes de gaz en entrée, typiquement H2O et N2O2, avec un débit compris entre 5 et 15 Nm3/s. Cette longueur d’environ 3 m, qui permet d’atteindre en sortie la température de régulation du four, fonctionne aussi bien en mode d’empilement d’électrolyse à haute température (SOEC) ou de pile à combustible (SOFC), et garantit la bonne température en entrée de stack.As a general rule, to obtain the correct temperature at the inlet of stack 20, and for an internal diameter of tube 12 of approximately 10 mm, a developed length of approximately 3 m is required per inlet gas line, typically H 2 O and N 2 O 2 , with a flow rate of between 5 and 15 Nm 3 /s. This length of approximately 3 m, which makes it possible to reach the output temperature of the furnace, works equally well in high temperature electrolysis (SOEC) or fuel cell (SOFC) stacking mode, and guarantees the right temperature at the stack inlet.
En outre, il est nécessaire de faire un traitement coûteux et long de ces lignes de gaz par dépôt d’alumine afin d’éviter les pollutions dues aux phénomènes d’oxydation lorsque de l’inox 316L est utilisé. Les particules entraînées par le flux gazeux (chrome, vanadium, …) peuvent venir se fixer sur cette cellule, et ainsi diminuer les performances de l’empilement à oxydes solides de type SOEC/SOFC.In addition, it is necessary to carry out a costly and time-consuming treatment of these gas lines by deposition of alumina in order to avoid pollution due to oxidation phenomena when 316L stainless steel is used. The particles entrained by the gas flow (chromium, vanadium, etc.) can attach themselves to this cell, and thus reduce the performance of the solid oxide stack of the SOEC/SOFC type.
Par ailleurs, la deuxième technique nécessite un surchauffeur 30 par entrées de gaz. Or, ce sont des ensembles massifs qui prennent beaucoup de place alors que l’on tend de plus en plus à aller vers des systèmes compacts. Il y a donc autant de surchauffeurs électriques que d’entrées de gaz, ce qui, dans le cadre de l’intégration des éléments périphériques dans un four, pose de sérieux problèmes. Il y a donc une nécessité de placer la sortie de gaz de ce chauffeur électrique 30 au plus proche des entrées du stack afin d’éviter un traçage de la ligne par bras chauffant.Furthermore, the second technique requires a superheater 30 per gas inlet. However, these are massive sets that take up a lot of space while we tend more and more to move towards compact systems. There are therefore as many electric superheaters as there are gas inlets, which, in the context of the integration of peripheral elements in a furnace, poses serious problems. There is therefore a need to place the gas outlet of this electric heater 30 as close as possible to the inputs of the stack in order to avoid tracing the line by heating arm.
On connaît de la demande de brevet français FR 3 045 215 A1 un exemple de système de serrage autonome d’un empilement de type SOEC/SOFC pour le rendre « Plug & Play » (PnP) (système auto-serrant).We know from French patent application FR 3 045 215 A1 an example of an autonomous clamping system for a SOEC/SOFC type stack to make it "Plug & Play" (PnP) (self-tightening system).
Il existe encore un besoin pour améliorer ce type de système de serrage d’un empilement d’électrolyse à haute température (SOEC) ou de pile à combustible (SOFC), notamment pour la conception d’un passage de distribution étanche de gaz.There is still a need to improve this type of clamping system for a high temperature electrolysis stack (SOEC) or a fuel cell stack (SOFC), in particular for the design of a tight gas distribution passage.
L’invention a pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés précédemment et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l’art antérieur.The object of the invention is to at least partially remedy the needs mentioned above and the drawbacks relating to the embodiments of the prior art.
Elle vise notamment la réalisation d’une conception d’un ensemble intégré empilement (ou stack)/système de distribution de gaz, comprenant notamment la surchauffe de gaz, pour un empilement d’électrolyse à haute température (SOEC) ou de pile à combustible (SOFC), en limitant, voire en supprimant, le besoin en pièces extérieures. Ce système doit donc pouvoir être intégré à l’empilement présentant un caractère de type « Plug & Play » (PnP) (système auto-serrant), comme décrit dans la demande de brevet français FR 3 045 215 A1.It aims in particular to produce a design for an integrated stack (or stack)/gas distribution system assembly, comprising in particular gas superheating, for a high-temperature electrolysis (SOEC) or fuel cell stack. (SOFC), by limiting or even eliminating the need for external parts. This system must therefore be able to be integrated into the stack having a "Plug & Play" (PnP) type character (self-tightening system), as described in French patent application FR 3 045 215 A1.
L’invention a ainsi pour objet, selon l’un de ses aspects, un ensemble, comportant :
- un empilement à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température, comportant :
- une pluralité de cellules électrochimiques formées chacune d’une cathode, d’une anode et d’un électrolyte intercalé entre la cathode et l’anode, et une pluralité d’interconnecteurs intermédiaires agencés chacun entre deux cellules électrochimiques adjacentes,
- un système de serrage de l’empilement à oxydes solides de type SOEC/SOFC, comportant une plaque de serrage supérieure et une plaque de serrage inférieure, entre lesquelles l’empilement à oxydes solides de type SOEC/SOFC est enserré, chaque plaque de serrage comportant au moins deux orifices de serrage, le système de serrage comportant en outre :
- au moins deux tiges de serrage destinées à s’étendre chacune au travers d’un orifice de serrage de la plaque de serrage supérieure et au travers d’un orifice de serrage correspondant de la plaque de serrage inférieure pour permettre l’assemblage entre elles des plaques de serrage supérieure et inférieure,
- des moyens de serrage au niveau de chaque orifice de serrage des plaques de serrage supérieure et inférieure destinés à coopérer avec lesdites au moins deux tiges de serrage pour permettre l’assemblage entre elles des plaques de serrage supérieure et inférieure,The invention thus relates, according to one of its aspects, to an assembly, comprising:
- a SOEC/SOFC type solid oxide stack operating at high temperature, comprising:
- a plurality of electrochemical cells each formed of a cathode, an anode and an electrolyte interposed between the cathode and the anode, and a plurality of intermediate interconnectors each arranged between two adjacent electrochemical cells,
- a system for clamping the solid oxide stack of the SOEC/SOFC type, comprising an upper clamping plate and a lower clamping plate, between which the solid oxide stack of the SOEC/SOFC type is clamped, each clamping plate clamp comprising at least two clamping holes, the clamping system further comprising:
- at least two clamping rods each intended to extend through a clamping orifice of the upper clamping plate and through a corresponding clamping orifice of the lower clamping plate to allow assembly between them upper and lower clamping plates,
- clamping means at each clamping orifice of the upper and lower clamping plates intended to cooperate with said at least two clamping rods to allow the assembly between them of the upper and lower clamping plates,
caractérisé en ce qu’il comporte un système de distribution de gaz formé au moins en partie à l’intérieur d’au moins l’une des plaques de serrage supérieure et inférieure et à l’intérieur d’au moins deux tiges de serrage creuses en communication fluidique avec ladite au moins l’une des plaques de serrage supérieure et inférieure pour la circulation d’au moins un gaz surchauffé ou destiné à être surchauffé.characterized in that it comprises a gas distribution system formed at least partly inside at least one of the upper and lower clamping plates and inside at least two hollow clamping rods in fluid communication with said at least one of the upper and lower clamping plates for the circulation of at least one gas that is superheated or intended to be superheated.
Grâce à l’invention, il peut être possible de s’affranchir des enroulements tubulaires compliqués à mettre en œuvre, tels que décrits précédemment en lien avec la première technique de surchauffe des gaz. On obtient donc un gain significatif en termes d’encombrement. L’invention peut permettre l’intégration du principe de surchauffe dans le système de serrage sans rajout de pièce extérieure, ce qui permet de limiter la taille du four.Thanks to the invention, it may be possible to dispense with the complicated tubular windings to implement, as described previously in connection with the first gas superheating technique. A significant gain in terms of space is therefore obtained. The invention can allow the integration of the principle of overheating in the clamping system without adding an external part, which makes it possible to limit the size of the oven.
L’ensemble selon l’invention peut en outre comporter l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles.The assembly according to the invention may also include one or more of the following characteristics taken individually or in any possible technical combination.
L’embase de chacune desdites au moins deux tiges de serrage, correspondant à la portion de tige de serrage située dans ladite au moins l’une des plaques de serrage supérieure et inférieure, peut comporter un ou plusieurs conduits primaires de distribution de gaz communiquant avec un ou plusieurs conduits secondaires de distribution de gaz formé(s) dans ladite au moins l’une des plaques de serrage supérieure et inférieure.The base of each of said at least two clamping rods, corresponding to the clamping rod portion located in said at least one of the upper and lower clamping plates, may comprise one or more primary gas distribution ducts communicating with one or more secondary gas distribution ducts formed in said at least one of the upper and lower clamping plates.
De plus, le ou les conduits secondaires peuvent communiquer fluidiquement avec l’empilement à oxydes solides de type SOEC/SOFC, notamment par le biais d’un ou plusieurs conduits tertiaires formé(s) dans au moins l’une des plaques terminales inférieure et supérieure, entre lesquelles la pluralité de cellules électrochimiques et la pluralité d’interconnecteurs intermédiaires sont enserrées.In addition, the secondary duct(s) can communicate fluidly with the solid oxide stack of the SOEC/SOFC type, in particular by means of one or more tertiary ducts formed in at least one of the lower end plates and top, between which the plurality of electrochemical cells and the plurality of intermediate interconnectors are sandwiched.
L’embase de chacune desdites au moins deux tiges de serrage peut comporter un premier conduit primaire s’étendant longitudinalement à l’intérieur de la tige de serrage, selon la direction d’étendue de la tige de serrage, et un deuxième conduit primaire s’étendant perpendiculairement au premier conduit primaire, selon la direction d’étendue de ladite au moins l’une des plaques de serrage supérieure et inférieure.The base of each of said at least two clamping rods may comprise a first primary conduit extending longitudinally inside the clamping rod, in the direction of extension of the clamping rod, and a second primary conduit s extending perpendicularly to the first primary duct, in the direction of extension of said at least one of the upper and lower clamping plates.
Par ailleurs, ladite au moins l’une des plaques de serrage supérieure et inférieure peut comporter un premier conduit secondaire s’étendant dans le prolongement du deuxième conduit primaire, selon la direction d’étendue de ladite au moins l’une des plaques de serrage supérieure et inférieure, et un deuxième conduit secondaire s’étendant perpendiculairement au premier conduit secondaire, selon la direction d’étendue de la tige de serrage.Furthermore, said at least one of the upper and lower clamping plates may comprise a first secondary duct extending in the extension of the second primary duct, along the direction of extent of said at least one of the clamping plates upper and lower, and a second secondary duct extending perpendicularly to the first secondary duct, in the direction of extension of the clamping rod.
Ladite au moins l’une des plaques de serrage supérieure et inférieure peut comporter un troisième conduit secondaire et l’embase de chacune desdites au moins deux tiges de serrage peut comporter un troisième conduit primaire, communiquant fluidiquement entre eux et s’étendant perpendiculairement à la direction d’étendue de la tige de serrage à l’opposé du deuxième conduit primaire et du premier conduit secondaire par rapport au premier conduit primaire, le troisième conduit secondaire débouchant sur une face externe de ladite au moins l’une des plaques de serrage supérieure et inférieure.Said at least one of the upper and lower clamping plates may include a third secondary duct and the base of each of said at least two clamping rods may include a third primary duct, fluidly communicating with each other and extending perpendicular to the direction of extension of the clamping rod opposite the second primary duct and the first secondary duct with respect to the first primary duct, the third secondary duct opening onto an outer face of said at least one of the upper clamping plates and lower.
Un élément de bouchage formant un élément de détrompage peut être inséré au moins dans le troisième conduit secondaire.A plugging element forming a keying element can be inserted at least into the third secondary duct.
En outre, chacune desdites au moins deux tiges de serrage peut être soudée aux faces supérieure et inférieure de ladite au moins l’une des plaques de serrage supérieure et inférieure.Furthermore, each of said at least two clamping rods can be welded to the upper and lower faces of said at least one of the upper and lower clamping plates.
En variante, chacune desdites au moins deux tiges de serrage peut être assemblée de manière démontable à ladite au moins l’une des plaques de serrage supérieure et inférieure, chacune desdites au moins deux tiges de serrage comportant notamment une rainure sur sa surface externe destinée à coopérer par rotation avec un élément de bouchage présent dans ladite au moins l’une des plaques de serrage supérieure et inférieure.As a variant, each of said at least two clamping rods can be removably assembled to said at least one of the upper and lower clamping plates, each of said at least two clamping rods comprising in particular a groove on its external surface intended to cooperating by rotation with a plugging element present in said at least one of the upper and lower clamping plates.
Par ailleurs, ladite au moins l’une des plaques de serrage supérieure et inférieure peut comporter au moins un conduit de circulation de gaz permettant la surchauffe de gaz par le biais de la chaleur produite par l’empilement à oxydes solides de type SOEC/SOFC, ledit au moins un conduit de circulation de gaz comportant au moins un canal d’échange thermique s’étendant dans le volume de ladite au moins l’une des plaques de serrage supérieure et inférieure.Furthermore, said at least one of the upper and lower clamping plates may comprise at least one gas circulation duct allowing the superheating of gas by means of the heat produced by the stack with solid oxides of the SOEC/SOFC type. , said at least one gas flow conduit comprising at least one heat exchange channel extending in the volume of said at least one of the upper and lower clamping plates.
Ledit au moins un canal d’échange thermique peut comporter deux sous-canaux d’échange thermique formés dans deux sections volumiques de ladite au moins l’une des plaques de serrage supérieure et inférieure à l’aplomb l’une de l’autre selon une direction perpendiculaire à la face principale de ladite au moins l’une des plaques de serrage supérieure et inférieure.Said at least one heat exchange channel may comprise two heat exchange sub-channels formed in two volume sections of said at least one of the upper and lower clamping plates plumb with each other according to a direction perpendicular to the main face of said at least one of the upper and lower clamping plates.
Un trou de passage peut être formé entre les deux sections volumiques rendant communiquant les deux sous-canaux d’échange thermique.A passage hole can be formed between the two volume sections making the two heat exchange sub-channels communicate.
L’ensemble peut comporter une plaque terminale supérieure et une plaque terminale inférieure, entre lesquelles la pluralité de cellules électrochimiques et la pluralité d’interconnecteurs intermédiaires sont enserrées.The assembly may include an upper end plate and a lower end plate, between which the plurality of electrochemical cells and the plurality of intermediate interconnectors are sandwiched.
De plus, ladite au moins l’une des plaques de serrage supérieure et inférieure peut avantageusement être fabriquée par une technique de fabrication additive, étant notamment réalisée en acier austénitique réfractaire, en particulier de type AISI 310.In addition, said at least one of the upper and lower clamping plates can advantageously be manufactured by an additive manufacturing technique, being in particular made of refractory austenitic steel, in particular of the AISI 310 type.
Par ailleurs, ladite au moins l’une des plaques de serrage supérieure et inférieure peut présenter une épaisseur comprise entre 20 et 30 mm, notamment de l’ordre de 25 mm.Furthermore, said at least one of the upper and lower clamping plates may have a thickness of between 20 and 30 mm, in particular of the order of 25 mm.
De façon avantageuse, les extrémités des tiges de serrage sont filetées. Il peut donc être possible d’y fixer des raccords démontables et étanches munis d’un filetage.Advantageously, the ends of the clamping rods are threaded. It may therefore be possible to attach removable and watertight fittings equipped with a thread.
Le raccord démontable et étanche peut notamment être formé par un système de couplage étanche à haute température, comportant :
- une embase creuse au moins partiellement filetée sur sa surface extérieure dite embase filetée, destinée à être fixée sur un premier conduit fluidique ou une tige de serrage creuse, l’embase filetée comportant un orifice de mise en communication fluidique avec le premier conduit fluidique ou la tige de serrage,
- une embase creuse de surface extérieure au moins partiellement lisse dite embase lisse, destinée à être fixée sur un deuxième conduit fluidique ou une tige de serrage creuse, l’embase lisse comportant un orifice de mise en communication fluidique avec le deuxième conduit fluidique ou la tige de serrage creuse, l’embase lisse et l’embase filetée comportant chacune un orifice pour leur mise en communication fluidique entre elles,
- un écrou fileté, apte à coopérer avec l’embase filetée pour former un système vis/écrou et apte à coulisser par rapport à l’embase lisse, l’écrou fileté comprenant, sur sa surface intérieure, une première portion filetée coopérant avec le filetage de l’embase filetée et une deuxième portion lisse en contact coulissant sur la surface extérieure lisse de l’embase lisse.The removable and leaktight coupling can in particular be formed by a high temperature leaktight coupling system, comprising:
- a hollow base at least partially threaded on its outer surface called the threaded base, intended to be fixed on a first fluid conduit or a hollow clamping rod, the threaded base comprising an orifice for fluid communication with the first fluid conduit or the clamping rod,
- a hollow base with an at least partially smooth outer surface, called a smooth base, intended to be fixed to a second fluid conduit or a hollow clamping rod, the smooth base comprising an orifice for fluid communication with the second fluid conduit or the hollow clamping rod, the smooth base and the threaded base each comprising an orifice for placing them in fluid communication with each other,
- a threaded nut, able to cooperate with the threaded base to form a screw/nut system and able to slide relative to the smooth base, the threaded nut comprising, on its inner surface, a first threaded portion cooperating with the thread of the threaded base and a second smooth portion in sliding contact on the smooth outer surface of the smooth base.
Un tel raccord démontable et étanche est en particulier tel que décrit dans la demande de brevet français FR 3 061 495 A1.Such a removable and sealed connection is in particular as described in French patent application FR 3 061 495 A1.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, ainsi qu’à l’examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel :The invention can be better understood on reading the detailed description which follows, of non-limiting examples of implementation thereof, as well as on examining the figures, schematic and partial, of the appended drawing, on which :
Dans l’ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.In all of these figures, identical references may designate identical or similar elements.
De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.In addition, the various parts shown in the figures are not necessarily shown on a uniform scale, to make the figures more readable.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERSDETAILED DISCUSSION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
Les figures 1 à 4 ont déjà été décrites précédemment dans la partie relative à l’état de la technique antérieure et au contexte technique de l’invention. Il est précisé que, pour les figures 1 et 2, les symboles et les flèches d’alimentation de vapeur d’eau H2O, de distribution et de récupération de dihydrogène H2, d’oxygène O2, d’air et du courant électrique, sont montrés à des fins de clarté et de précision, pour illustrer le fonctionnement des dispositifs représentés.Figures 1 to 4 have already been described previously in the part relating to the state of the prior art and to the technical context of the invention. It is specified that, for FIGS. 1 and 2, the symbols and arrows for the supply of water vapor H 2 O, for the distribution and recovery of dihydrogen H 2 , oxygen O 2 , air and electric current, are shown for clarity and precision, to illustrate the operation of the devices shown.
En outre, il faut noter que tous les constituants (anode/électrolyte/cathode) d’une cellule électrochimique donnée sont préférentiellement des céramiques. La température de fonctionnement d’un empilement de type SOEC/SOFC haute température est par ailleurs typiquement comprise entre 600 et 1000°C.In addition, it should be noted that all the constituents (anode/electrolyte/cathode) of a given electrochemical cell are preferably ceramics. The operating temperature of a high temperature SOEC/SOFC type stack is also typically between 600 and 1000°C.
De plus, les termes éventuels « supérieur » et « inférieur » sont à comprendre ici selon le sens d’orientation normal d’un empilement de type SOEC/SOFC lorsque dans sa configuration d’utilisation.In addition, the possible terms “upper” and “lower” are to be understood here according to the normal direction of orientation of a stack of the SOEC/SOFC type when in its configuration of use.
En référence à la figure 5, on a illustré un exemple d’ensemble 80 comprenant un empilement 20 à oxydes solides de type SOEC/SOFC et un système de serrage 60, cet ensemble 80 pouvant comprendre l’un ou plusieurs des systèmes de distribution de gaz 40 décrits par la suite en référence aux figures 6 à 19.With reference to FIG. 5, an example of an assembly 80 comprising a solid oxide stack 20 of the SOEC/SOFC type and a clamping system 60 is illustrated, this assembly 80 possibly comprising one or more of the gas 40 described later with reference to Figures 6 to 19.
De façon avantageuse, l’ensemble 80 selon l’invention présente une structure semblable à celle de l’ensemble décrit dans la demande de brevet français FR 3 045 215 A1, hormis la présence ici d’un système de distribution de gaz 40, c’est-à-dire que l’empilement 20 présente un caractère de type « Plug & Play » (PnP).Advantageously, the assembly 80 according to the invention has a structure similar to that of the assembly described in French patent application FR 3 045 215 A1, except for the presence here of a gas distribution system 40, c that is to say that the stack 20 has a “Plug & Play” (PnP) type character.
Aussi, de façon commune aux différents modes de réalisation de l’invention décrits par la suite, et comme visible sur la figure 5, l’ensemble 80 comporte un empilement 20 à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température.Also, in common with the different embodiments of the invention described below, and as can be seen in FIG. 5, the assembly 80 comprises a stack 20 with solid oxides of the SOEC/SOFC type operating at high temperature.
Cet empilement 20 comporte une pluralité de cellules électrochimiques 41 formées chacune d’une cathode, d’une anode et d’un électrolyte intercalé entre la cathode et l’anode, et une pluralité d’interconnecteurs intermédiaires 42 agencés chacun entre deux cellules électrochimiques 41 adjacentes. Cet ensemble de cellules électrochimiques 41 et d’interconnecteurs intermédiaires 42 peut également être désigné par « stack ».This stack 20 comprises a plurality of electrochemical cells 41 each formed of a cathode, an anode and an electrolyte interposed between the cathode and the anode, and a plurality of intermediate interconnectors 42 each arranged between two electrochemical cells 41 adjacent. This set of electrochemical cells 41 and intermediate interconnectors 42 can also be referred to as a “stack”.
De plus, l’empilement 20 comporte une plaque terminale supérieure 43 et une plaque terminale inférieure 44, respectivement également dénommées plaque terminale de stack supérieure 43 et plaque terminale de stack inférieure 44, entre lesquelles la pluralité de cellules électrochimiques 41 et la pluralité d’interconnecteurs intermédiaires 42 sont enserrées, soit entre lesquelles se trouve le stack.In addition, the stack 20 comprises an upper end plate 43 and a lower end plate 44, respectively also called upper stack end plate 43 and lower stack end plate 44, between which the plurality of electrochemical cells 41 and the plurality of Intermediate interconnectors 42 are sandwiched between which is the stack.
Par ailleurs, l’ensemble 80 comporte aussi un système de serrage 60 de l’empilement 20 à oxydes solides de type SOEC/SOFC, comportant une plaque de serrage supérieure 45 et une plaque de serrage inférieure 46, entre lesquelles l’empilement 20 à oxydes solides de type SOEC/SOFC est enserré.Furthermore, assembly 80 also comprises a system 60 for clamping solid oxide stack 20 of the SOEC/SOFC type, comprising an upper clamping plate 45 and a lower clamping plate 46, between which the stack 20 to solid oxides of the SOEC/SOFC type is enclosed.
Chaque plaque de serrage 45, 46 du système de serrage 60 comporte quatre orifices de serrage 54.Each clamping plate 45, 46 of the clamping system 60 has four clamping holes 54.
De plus, le système de serrage 60 comporte en outre quatre tiges de serrage 55, ou tirants, s’étendant au travers d’un orifice de serrage 54 de la plaque de serrage supérieure 45 et au travers d’un orifice de serrage 54 correspondant de la plaque de serrage inférieure 46 pour permettre l’assemblage entre elles des plaques de serrage supérieure 45 et inférieure 46.In addition, the clamping system 60 further comprises four clamping rods 55, or tie rods, extending through a clamping hole 54 of the upper clamping plate 45 and through a corresponding clamping hole 54 of the lower clamping plate 46 to allow the assembly between them of the upper clamping plates 45 and lower 46.
Le système de serrage 60 comporte de plus des moyens de serrage 56, 57, 58 au niveau de chaque orifice de serrage 54 des plaques de serrage supérieure 45 et inférieure 46 coopérant avec les tiges de serrage 55 pour permettre l’assemblage entre elles des plaques de serrage supérieure 45 et inférieure 46.The clamping system 60 further comprises clamping means 56, 57, 58 at the level of each clamping orifice 54 of the upper 45 and lower 46 clamping plates cooperating with the clamping rods 55 to allow the assembly between them of the plates upper clamp 45 and lower clamp 46.
Plus précisément, les moyens de serrage comportent, au niveau de chaque orifice de serrage 54 de la plaque de serrage supérieure 45, un premier écrou de serrage 56 coopérant avec la tige de serrage 55 correspondante insérée au travers de l’orifice de serrage 54. De plus, les moyens de serrage comportent, au niveau de chaque orifice de serrage 54 de la plaque de serrage inférieure 46, un deuxième écrou de serrage 57 associé à une rondelle de serrage 58, ceux-ci coopérant avec la tige de serrage 55 correspondante insérée au travers de l’orifice de serrage 54. La rondelle de serrage 58 est située entre le deuxième écrou de serrage 57 et la plaque de serrage inférieure 46.More specifically, the clamping means comprise, at each clamping orifice 54 of the upper clamping plate 45, a first clamping nut 56 cooperating with the corresponding clamping rod 55 inserted through the clamping orifice 54. In addition, the clamping means comprise, at each clamping orifice 54 of the lower clamping plate 46, a second clamping nut 57 associated with a clamping washer 58, these cooperating with the corresponding clamping rod 55 inserted through clamp hole 54. Clamp washer 58 is located between second clamp nut 57 and lower clamp plate 46.
Conformément à l’invention, l’ensemble 80 comporte au moins un système de distribution de gaz 40, par exemple tels que ceux décrits en référence aux figures 6 à 19 mais non visible sur la figure 5, formé au moins en partie à l’intérieur d’au moins l’une des plaques de serrage supérieure 45 et inférieure 46 et à l’intérieur d’au moins deux tiges de serrage 55 creuses en communication fluidique avec ladite au moins l’une des plaques de serrage supérieure 45 et inférieure 46 pour la circulation d’au moins un gaz surchauffé ou destiné à être surchauffé.In accordance with the invention, the assembly 80 comprises at least one gas distribution system 40, for example such as those described with reference to FIGS. 6 to 19 but not visible in FIG. 5, formed at least in part at the inside at least one of the upper 45 and lower 46 clamping plates and inside at least two hollow clamping rods 55 in fluid communication with said at least one of the upper 45 and lower clamping plates 46 for the circulation of at least one superheated gas or intended to be superheated.
Dans les exemples qui vont être décrits, et de façon nullement limitative, le système de distribution de gaz 40 est formé à l’intérieur de la plaque de serrage inférieure 46 et dans les quatre tiges de serrage 55 par le biais d’une communication fluidique à l’intersection entre la plaque de serrage inférieure 46 et chaque tige de serrage 55.In the examples to be described, and in no way limiting, the gas distribution system 40 is formed within the lower clamp plate 46 and within the four clamp rods 55 through fluid communication at the intersection between the lower clamp plate 46 and each clamp rod 55.
De façon générale, l’invention vise à permettre la réalisation d’un passage étanche pour la circulation d’un gaz entre une tige de serrage 55 et une plaque de serrage, ici la plaque de serrage inférieure 46, puis le cas échéant son surchauffage dans celle-ci, avant son introduction dans l’empilement 20 à oxydes solides de type SOEC/SOFC. Le même principe peut être appliqué dans l’autre sens pour la sortie de gaz si besoin.In general, the invention aims to allow the realization of a sealed passage for the circulation of a gas between a clamping rod 55 and a clamping plate, here the lower clamping plate 46, then if necessary its overheating therein, before its introduction into the SOEC/SOFC type solid oxide stack 20. The same principle can be applied in the other direction for the gas outlet if necessary.
Dans le cas d’un fonctionnement de l’empilement 20 en tant qu’électrolyseur (SOEC) par exemple, il existe au niveau de l’empilement 20 deux entrées de gaz, pour la vapeur d’eau (H2O) et l’azote, et il existe deux sorties de récupération de gaz, pour le dioxygène (O2) et le dihydrogène (H2). Les systèmes de distribution de gaz 40 décrits par la suite peuvent donc être utilisés pour ces types de gaz.In the case of operation of the stack 20 as an electrolyser (SOEC) for example, there are at the level of the stack 20 two gas inlets, for the water vapor (H 2 O) and the nitrogen, and there are two gas recovery outlets, for oxygen (O 2 ) and hydrogen (H 2 ). The gas distribution systems 40 described below can therefore be used for these types of gas.
On va maintenant décrire en référence aux figures 6 à 19 des exemples de réalisation de systèmes de distribution de gaz 40 conformes à l’invention.A description will now be given with reference to FIGS. 6 to 19 of embodiments of gas distribution systems 40 in accordance with the invention.
Ces systèmes de distribution de gaz 40 peuvent permettre la distribution d’un gaz déjà surchauffé ou bien alors peuvent eux-mêmes permettre la surchauffe du gaz.These gas distribution systems 40 can allow the distribution of an already superheated gas or else can themselves allow the superheating of the gas.
En effet, soit les gaz arrivent par les tiges de serrage 55 et ils sont déjà surchauffés par un moyen quelconque, par exemple tel que décrit précédemment, avant leur entrée dans l’électrolyseur 20. Soit les gaz arrivent par les tiges de serrage 55 et ils sont ensuite surchauffés par la plaque de serrage inférieure 46, avant leur entrée dans l’électrolyseur 20, l’avantage étant de pouvoir profiter d’une exothermie du stack au plus près de celui-ci afin de ne pas consommer d’énergie pour la préchauffe.Indeed, either the gases arrive via the clamping rods 55 and they are already overheated by any means, for example as described above, before they enter the electrolyser 20. Either the gases arrive via the clamping rods 55 and they are then overheated by the lower clamping plate 46, before they enter the electrolyser 20, the advantage being to be able to take advantage of an exothermicity of the stack as close as possible to it so as not to consume energy for preheat it.
Ces deux cas peuvent être distingués et sont traités successivement dans ce qui suit.These two cases can be distinguished and are treated successively in what follows.
Cas d’Case of un gaz déjà surchaufféan already superheated gas
Dans ce cas, comme visible sur les figures 6 à 8, l’embase 100 de chaque tige de serrage 55, correspondant à la portion de tige de serrage 55 située dans la plaque de serrage inférieure 46, comporte un ou plusieurs conduits primaires 101a, 101b de distribution de gaz communiquant avec un ou plusieurs conduits secondaires 102a, 102b de distribution de gaz formé(s) dans la plaque de serrage inférieure 46.In this case, as seen in Figures 6 to 8, the base 100 of each clamping rod 55, corresponding to the clamping rod portion 55 located in the lower clamping plate 46, comprises one or more primary ducts 101a, 101b of gas distribution communicating with one or more secondary conduits 102a, 102b of gas distribution formed in the lower clamping plate 46.
Le ou les conduits secondaires 102, 102b de la plaque de serrage inférieure 46 communiquent fluidiquement avec l’empilement 20. En particulier, la plaque terminale inférieure 44 de l’empilement 20 comporte un ou plusieurs conduits tertiaires 103a permettant de distribuer le gaz entre l’empilement 20 et la plaque de serrage inférieure 46.The secondary duct(s) 102, 102b of the lower clamping plate 46 communicate fluidly with the stack 20. In particular, the lower end plate 44 of the stack 20 includes one or more tertiary ducts 103a making it possible to distribute the gas between the stack 20 and lower clamping plate 46.
Il est à noter que, sur la figure 6, le système de serrage 60 comporte une pièce d’isolation thermique 120, notamment en céramique, disposée autour de l’extrémité supérieure des tiges de serrage 55. Cette pièce d’isolation thermique 120 est positionnée au contact de la plaque de serrage 45.It should be noted that, in FIG. 6, the clamping system 60 comprises a thermal insulation piece 120, in particular made of ceramic, arranged around the upper end of the clamping rods 55. This thermal insulation piece 120 is positioned in contact with the clamping plate 45.
Dans les exemples des figures 6 à 8, l’embase 100 de chaque tige de serrage 55 comporte un premier conduit primaire 101a s’étendant longitudinalement à l’intérieur de la tige de serrage 55, selon la direction d’étendue de la tige de serrage 55, et un deuxième conduit primaire 101b s’étendant perpendiculairement au premier conduit primaire 101a, selon la direction d’étendue de la plaque de serrage inférieure 46.In the examples of FIGS. 6 to 8, the base 100 of each clamping rod 55 comprises a first primary duct 101a extending longitudinally inside the clamping rod 55, in the direction of extent of the clamping rod. clamp 55, and a second primary duct 101b extending perpendicular to the first primary duct 101a, in the direction of extent of the lower clamping plate 46.
Les gaz entrants GE, symbolisés par des flèches sur la figure 7, pénètrent dans le premier conduit primaire 101a puis circulent dans le deuxième conduit primaire 101b pour ensuite pénétrer à l’intérieur de la plaque de serrage inférieure 46.The incoming gases GE, symbolized by arrows in FIG. 7, enter the first primary duct 101a then circulate in the second primary duct 101b to then penetrate inside the lower clamping plate 46.
La plaque de serrage 46 comporte en outre un premier conduit secondaire 102a s’étendant dans le prolongement du deuxième conduit primaire 101b, selon la direction d’étendue de la plaque de serrage inférieure 46, et un deuxième conduit secondaire 102b s’étendant perpendiculairement au premier conduit secondaire 102a, selon la direction d’étendue de la tige de serrage 55.The clamping plate 46 further comprises a first secondary duct 102a extending in the extension of the second primary duct 101b, along the direction of extent of the lower clamping plate 46, and a second secondary duct 102b extending perpendicular to the first secondary duct 102a, along the direction of extension of the clamping rod 55.
Enfin, le deuxième conduit secondaire 102b de la plaque de serrage inférieure 46 communique fluidiquement avec un conduit tertiaire 103a de la plaque terminale inférieure 44 s’étendant dans le prolongement du deuxième conduit secondaire 102b, selon la direction d’étendue de la tige de serrage 55, pour alimenter en gaz entrants GE le stack 20.Finally, the second secondary conduit 102b of the lower clamping plate 46 communicates fluidly with a tertiary conduit 103a of the lower end plate 44 extending in the extension of the second secondary conduit 102b, in the direction of extension of the clamping rod 55, to supply incoming GE gas to stack 20.
Par ailleurs, sur les exemples des figures 6 à 8, la plaque de serrage inférieure 46 comporte un troisième conduit secondaire 102c et l’embase 100 de la tige de serrage 55 comporte un troisième conduit primaire 101c, communiquant fluidiquement entre eux et s’étendant perpendiculairement à la direction d’étendue de la tige de serrage 55 à l’opposé du deuxième conduit primaire 101b et du premier conduit secondaire 102a par rapport au premier conduit primaire 101a, le troisième conduit secondaire 102c débouchant sur une face externe de la plaque de serrage inférieure 46. Alors, de manière avantageuse, un élément de bouchage 104 formant un élément de détrompage est inséré au moins dans le troisième conduit secondaire 102c et éventuellement dans le troisième conduit primaire 101c.Furthermore, in the examples of FIGS. 6 to 8, the lower clamping plate 46 includes a third secondary duct 102c and the base 100 of the clamping rod 55 includes a third primary duct 101c, fluidly communicating with each other and extending perpendicular to the direction of extension of the clamping rod 55 opposite the second primary duct 101b and the first secondary duct 102a with respect to the first primary duct 101a, the third secondary duct 102c opening onto an external face of the lower clamp 46. Then, advantageously, a plugging element 104 forming a keying element is inserted at least in the third secondary conduit 102c and possibly in the third primary conduit 101c.
Les éléments décrits précédemment s’appliquent aussi bien à l’exemple de réalisation des figures 6 et 7 qu’à l’exemple de réalisation de la figure 8. Toutefois, il va maintenant être expliqué la différence entre l’exemple des figures 6 et 7 et l’exemple de la figure 8.The elements described previously apply both to the embodiment of FIGS. 6 and 7 and to the embodiment of FIG. 8. However, the difference between the example of FIGS. 6 and 7 and the example of figure 8.
Selon l’exemple des figures 6 et 7, les conduits primaires 101a, 101b, 101c et secondaire 102a, 102b, et 102c sont formés par usinage, notamment par perçage, de la plaque de serrage inférieure 46 et des tiges de serrage 55.According to the example of Figures 6 and 7, the primary ducts 101a, 101b, 101c and secondary 102a, 102b, and 102c are formed by machining, in particular by drilling, the lower clamping plate 46 and the clamping rods 55.
Ainsi, par exemple, une partie du trou de passage du forêt est obstrué par le biais de l’élément de bouchage 104, servant aussi de détrompeur pour l’alignement de l’axe de perçage.Thus, for example, part of the drill hole is obstructed by means of the plugging element 104, which also serves as a keying device for the alignment of the drilling axis.
Cet élément de bouchage 104 est positionné après introduction de la tige de serrage 55 dans la plaque de serrage inférieure 46. Il peut être rapporté soudé dans le troisième conduit secondaire 102c par exemple par un procédé de soudage à l’arc avec une électrode non fusible de type TIG (pour « Tungsten Inert Gas » en anglais) ou tout autre procédé de soudage.This plugging element 104 is positioned after introduction of the clamping rod 55 into the lower clamping plate 46. It can be added welded into the third secondary conduit 102c for example by an arc welding process with a non-fusible electrode. TIG type (for "Tungsten Inert Gas" in English) or any other welding process.
Par ailleurs, chaque tige de serrage 55 est ensuite soudée aux deux faces supérieure et inférieure de la plaque de serrage inférieure 46 (points de soudure représentés par les références 105 sur la figure 7), par exemple par un procédé de soudage de type TIG ou tout autre procédé de soudage, de manière à obtenir une parfaite isolation de l’ensemble.Furthermore, each clamping rod 55 is then welded to the two upper and lower faces of the lower clamping plate 46 (welding points represented by the references 105 in FIG. 7), for example by a TIG or any other welding process, so as to obtain perfect insulation of the assembly.
Chaque de tige de serrage 55 est intimement liée par soudure à la plaque de serrage inférieure 46 pour garantir l’étanchéité. La plaque de serrage inférieure 46 est par exemple en alliage 310s et les tiges de serrage 55 en Inconel 600®. Une soudure de type TIG entre ces matériaux permet d’obtenir une soudure étanche avec des cycles dans des fours à des températures de l’ordre de 800°C.Each clamping rod 55 is intimately bonded by welding to the lower clamping plate 46 to guarantee sealing. The lower clamping plate 46 is for example made of 310s alloy and the clamping rods 55 of Inconel 600®. A TIG-type weld between these materials makes it possible to obtain a sealed weld with cycles in ovens at temperatures of the order of 800°C.
Par ailleurs, selon l’exemple de la figure 8, les conduits primaires 101a, 101b et secondaire 102a, 102b et 102c sont également formés par usinage, mais l’assemblage entre les tiges de serrage 55 et la plaque de serrage inférieure 46 est démontable.Furthermore, according to the example of Figure 8, the primary conduits 101a, 101b and secondary 102a, 102b and 102c are also formed by machining, but the assembly between the clamping rods 55 and the lower clamping plate 46 is removable .
Dans cet exemple, il n’y a plus de troisième conduit primaire 101c.In this example, there is no longer a third primary conduit 101c.
La tige de serrage 55 comporte une rainure 106 sur sa surface externe, au niveau de l’embase 100, destinée à coopérer, par rotation de la tige de serrage 55, avec une extrémité 104a de l’élément de bouchage 104 pour le maintien en position de la tige de serrage 55. Des joints d’étanchéité haute température supérieur 106a et inférieure 106b sont prévus de part et d’autre de la plaque de serrage inférieure 46 pour garantir l’étanchéité et un écrou de blocage 107 est prévu sur la tige de serrage 55 au contact du joint d’étanchéité haute température inférieure 106b.The clamping rod 55 has a groove 106 on its outer surface, at the level of the base 100, intended to cooperate, by rotation of the clamping rod 55, with one end 104a of the plugging element 104 for holding it in place. position of the clamping rod 55. Upper 106a and lower 106b high temperature seals are provided on either side of the lower clamping plate 46 to ensure sealing and a locking nut 107 is provided on the clamp rod 55 in contact with lower high temperature seal 106b.
Ainsi, pour la mise en place, on rapporte soudé l’élément de bouchage 104 dans le troisième conduit secondaire 102c de la plaque de serrage 46. On glisse le joint d’étanchéité haute température supérieur 106a sur l’embase de la tige de serrage 55. L’ensemble est alors introduit dans le trou de passage de la plaque de serrage inférieure 46 en faisant pivoter l’ensemble pour que la rainure 106 de la tige de serrage 55 coulisse sur l’extrémité 104a de l’élément de bouchage 104. Un autre système de positionnement pourrait toutefois être prévu. Ensuite, le joint d’étanchéité haute température inférieur 106b est positionné ainsi que l’écrou de blocage 106 sur le filetage de la tige de serrage 55. L’ensemble est serré au couple, soit environ 20 N/m, afin de garantir l’étanchéité de l’ensemble.Thus, for installation, the plugging element 104 is welded into the third secondary duct 102c of the clamping plate 46. The upper high temperature seal 106a is slid onto the base of the clamping rod 55. The assembly is then introduced into the passage hole of the lower clamping plate 46 by pivoting the assembly so that the groove 106 of the clamping rod 55 slides on the end 104a of the plugging element 104 Another positioning system could however be provided. Then, the lower high temperature seal 106b is positioned as well as the locking nut 106 on the thread of the tightening rod 55. tightness of the whole.
Cas d’un gaz destiné à être surchauffé par la plaque de serrageCase of a gas intended to be overheated by the clamping plate
Dans ce cas, on suppose que les gaz entrants GE par le biais des tiges de serrage 55 et circulant dans la plaque de serrage inférieure 46 ne sont pas déjà surchauffés. La plaque de serrage inférieure 46 va donc être utilisée pour permettre la surchauffe des gaz.In this case, it is assumed that the gases entering GE through the clamping rods 55 and circulating in the lower clamping plate 46 are not already superheated. The lower clamping plate 46 will therefore be used to allow the overheating of the gases.
La conception des tiges de serrage 55 et de la plaque de serrage inférieure 46 peut être analogue à celle décrite précédemment quant à la distribution de gaz. Autrement dit, les tiges de serrage 55 et la plaque de serrage inférieure 46 peuvent être usinées pour former les conduits de distribution de gaz, puis être soudées entre elles ou assemblées entre elles de façon démontable. Toutefois, à la différence des réalisations des figures 6 à 8 décrites précédemment, il va maintenant être expliqué les moyens présents dans la plaque de serrage inférieure 46 pour la surchauffe de gaz. De ce fait, les conduits de distribution de gaz présents dans la plaque de serrage inférieure 46 ne débouchent pas directement dans l’empilement 20 par le biais de la plaque terminale inférieure 44 mais permettent d’alimenter des moyens de surchauffe présents dans la plaque de serrage inférieure 46.The design of the clamping rods 55 and the lower clamping plate 46 can be analogous to that described above with respect to gas distribution. In other words, the clamping rods 55 and the lower clamping plate 46 can be machined to form the gas distribution ducts, then be welded together or assembled together in a removable manner. However, unlike the embodiments of Figures 6 to 8 described above, it will now be explained the means present in the lower clamping plate 46 for gas overheating. As a result, the gas distribution ducts present in the lower clamping plate 46 do not open directly into the stack 20 via the lower end plate 44 but make it possible to supply the overheating means present in the lower clamp 46.
En effet, dans le cas où une surchauffe des gaz est nécessaire, un couplage des tiges de serrage 55 et de la plaque de serrage inférieure 46 est avantageusement réalisé pour permettre l’obtention d’un système de distribution de gaz 40 intégré. Le surchauffage est réalisé au sein de la plaque de serrage inférieure 46, la chaleur produite par l’empilement 20 permettant par conduction de surchauffer le gaz circulant dans la plaque 46.Indeed, in the case where overheating of the gases is necessary, a coupling of the clamping rods 55 and of the lower clamping plate 46 is advantageously carried out to allow obtaining an integrated gas distribution system 40. The superheating is carried out within the lower clamping plate 46, the heat produced by the stack 20 allowing by conduction to superheat the gas circulating in the plate 46.
Aussi, dans les exemples de réalisation des figures 9 à 19, la plaque de serrage inférieure 46 comporte au moins un conduit de circulation 350 de gaz permettant la surchauffe de gaz par le biais de la chaleur produite par l’empilement 20.Also, in the embodiments of Figures 9 to 19, the lower clamping plate 46 comprises at least one gas circulation conduit 350 allowing the gas to be overheated by means of the heat produced by the stack 20.
Ce conduit de circulation 350 comporte au moins un canal, dit canal d’échange thermique 400, qui s’étend dans le volume de la plaque de serrage inférieure 46 selon un plan essentiellement parallèle aux faces principales de cette plaque 46 de sorte qu’en fonctionnement, la chaleur produite par l’empilement 20 permette un échauffement du gaz circulant dans ce canal d’échange thermique 400.This circulation duct 350 comprises at least one channel, called the heat exchange channel 400, which extends in the volume of the lower clamping plate 46 along a plane essentially parallel to the main faces of this plate 46 so that in operation, the heat produced by the stack 20 allows heating of the gas circulating in this heat exchange channel 400.
Il est entendu qu’un canal d’échange thermique 400 dans le volume de la plaque de serrage inférieure 46 est nécessairement à distance des faces principales de la plaque 46. Aussi, le canal d’échange thermique 400 est enterré dans le volume de la plaque de serrage inférieure 46.It is understood that a heat exchange channel 400 in the volume of the lower clamping plate 46 is necessarily at a distance from the main faces of the plate 46. Also, the heat exchange channel 400 is buried in the volume of the lower clamping plate 46.
Avantageusement, ce canal d’échange thermique 400 permet la surchauffe de gaz sans nécessiter de pièces ou d’éléments supplémentaires. Il en résulte un dispositif plus simple à mettre en œuvre, et ne nécessitant que peu ou pas d’ajustements supplémentaires. Il est ainsi possible d’obtenir un dispositif plus compact que les dispositifs pourvus de systèmes de surchauffe extérieurs connus de l’art antérieur.Advantageously, this heat exchange channel 400 allows gas overheating without requiring additional parts or elements. The result is a device that is easier to implement, and requires little or no additional adjustments. It is thus possible to obtain a more compact device than the devices provided with external overheating systems known from the prior art.
Afin de maximiser les échanges thermiques, le canal d’échange thermique 400 peut comporter des circonvolutions, notamment une spirale ou un serpentin.In order to maximize the heat exchanges, the heat exchange channel 400 can comprise convolutions, in particular a spiral or a serpentine.
A titre d’exemple, la figure 9 représente une vue en coupe selon un plan de coupe parallèle aux faces principales de la plaque de serrage inférieure 46. Ici, le canal d’échange thermique 400 est en forme de spirale, ce qui permet d’augmenter le temps d’échange thermique du gaz circulant à l’intérieur avec l’empilement 20.By way of example, FIG. 9 represents a sectional view according to a section plane parallel to the main faces of the lower clamping plate 46. Here, the heat exchange channel 400 is in the form of a spiral, which makes it possible to increase the heat exchange time of the gas circulating inside with the stack 20.
Ce canal d’échange thermique 400 est, bien que non représenté sur cette figure 9, en communication fluidique avec au moins une tige de serrage 55 et notamment les conduits primaires 101a, 101b formés dans l’embase 100 de la tige de serrage 55.This heat exchange channel 400 is, although not shown in this figure 9, in fluid communication with at least one clamping rod 55 and in particular the primary conduits 101a, 101b formed in the base 100 of the clamping rod 55.
La figure 13 représente par ailleurs une vue en coupe de la plaque de serrage inférieure 46 illustrée en figure 12 selon un plan de coupe parallèle aux faces principales de la plaque 46. Ainsi, quatre canaux d’échange thermique 400EA, 400EC, 400SA et 400SC en forme de serpentin sont prévus.FIG. 13 also represents a sectional view of the lower clamping plate 46 illustrated in FIG. 12 according to a section plane parallel to the main faces of the plate 46. Thus, four heat exchange channels 400EA, 400EC, 400SA and 400SC serpentine shapes are provided.
Chaque quart de plaque 46 peut servir à la circulation d’un gaz prédéterminé. Chaque canal d’échange thermique peut être sous forme de canal sur deux niveaux comme décrit ensuite en référence à la figure 10. Comme il a été indiqué précédemment, quatre type de gaz peuvent circuler au contact de l’empilement 20 et chaque quart de plaque 46 peut donc être consacré à un des quatre types de gaz.Each quarter plate 46 can be used to circulate a predetermined gas. Each heat exchange channel can be in the form of a channel on two levels as described next with reference to FIG. 10. As indicated previously, four types of gas can circulate in contact with the stack 20 and each quarter of 46 can therefore be devoted to one of the four types of gas.
Dans tous les exemples décrits, le canal d’échange thermique 400 peut présenter une épaisseur comprise entre 1 m et 4 m. De plus, le canal 400 peut présenter un profil hexagonal, avec notamment un diamètre de l’ordre de 11 m.In all the examples described, the heat exchange channel 400 can have a thickness of between 1 m and 4 m. In addition, the channel 400 can have a hexagonal profile, with in particular a diameter of the order of 11 m.
De manière avantageuse, le canal d’échange thermique 400 peut être à deux niveaux et peut comporter deux sous-canaux d’échange thermique, appelés respectivement premier sous-canal 400a et second sous-canal 400b, comme visibles sur la figure 10 et également les figures 15 à 17.Advantageously, the heat exchange channel 400 can be at two levels and can comprise two heat exchange sub-channels, respectively called first sub-channel 400a and second sub-channel 400b, as visible in FIG. 10 and also figures 15 to 17.
Le premier sous-canal 400a et le second sous-canal 400b sont formés dans deux sections volumiques distinctes appelées, respectivement, première section 410a et seconde section 410b, de la plaque de serrage inférieure 46.The first subchannel 400a and the second subchannel 400b are formed in two distinct volume sections called, respectively, first section 410a and second section 410b, of the lower clamping plate 46.
La première section 410a et la deuxième section 410b sont avantageusement à l’aplomb l’une de l’autre selon une direction perpendiculaire à la face principale de la plaque de serrage 46. De plus, les deux sections volumiques présentent sensiblement la même forme.The first section 410a and the second section 410b are advantageously plumb with one another in a direction perpendicular to the main face of the clamping plate 46. In addition, the two volume sections have substantially the same shape.
Le premier sous-canal 400a et le second sous-canal 400b sont en communication fluidique par le biais d’un trou de passage 420 reliant les première et seconde sections. En particulier, le premier sous-canal 400a et le second sous-canal 400b sont agencés de sorte qu’un gaz circulant dans le conduit de circulation 350, depuis les gaz entrants GE vers les gaz sortants GS, s’écoule successivement dans le premier sous-canal 400a, dans le trou de passage 420 et dans le second sous-canal 400b.The first subchannel 400a and the second subchannel 400b are in fluid communication through a via hole 420 connecting the first and second sections. In particular, the first sub-channel 400a and the second sub-channel 400b are arranged so that a gas circulating in the circulation conduit 350, from the incoming gases GE to the outgoing gases GS, flows successively in the first sub-channel 400a, in the passage hole 420 and in the second sub-channel 400b.
A titre d’exemple, la figure 10 représente une section de la plaque de serrage 46 illustrée à la figure 9 d’une part en coupe brisée à plans sécants AA et d’autre part selon un plan de coupe transversal. La figure 10 représente notamment le premier sous-canal 400a et le second sous-canal 400b dans leur section volumique respective. Le trou de passage 420, repéré sur l’une et l’autre des figures 9 et 10, relie le premier sous-canal 400a et le second sous-canal 400b à proximité du centre du motif en spirale dessiné par lesdits sous-canaux 400a et 400b.By way of example, FIG. 10 represents a section of the clamping plate 46 illustrated in FIG. 9 on the one hand in broken section with secant planes AA and on the other hand according to a transverse section plane. FIG. 10 notably represents the first sub-channel 400a and the second sub-channel 400b in their respective volume section. The passage hole 420, marked on both of Figures 9 and 10, connects the first sub-channel 400a and the second sub-channel 400b near the center of the spiral pattern drawn by said sub-channels 400a and 400b.
Le trou de passage 420 permet de doubler la longueur du canal d’échange thermique 400. L’entrée de gaz GE est disposée sur une face principale de la plaque de serrage 46, tandis que la sortie de gaz GS est disposée sur l’autre face principale de la plaque de serrage 46. Ainsi, un gaz injecté au niveau de l’entrée GE, s’écoule dans l’ordre dans le premier sous-canal 400a, le trou de passage 420 et le second sous-canal 400b. En sortie GS, le gaz peut être acheminé, par le biais d’un tube de distribution anodique ou un tube de distribution cathodique (non représentés sur les figures), dans les compartiments anodiques 51 ou les compartiments cathodiques 50 (voir figure 2).The passage hole 420 makes it possible to double the length of the heat exchange channel 400. The gas inlet GE is arranged on one main face of the clamping plate 46, while the gas outlet GS is arranged on the other. main face of the clamping plate 46. Thus, a gas injected at the GE inlet, flows in order in the first sub-channel 400a, the passage hole 420 and the second sub-channel 400b. At the GS outlet, the gas can be routed, through an anode distribution tube or a cathode distribution tube (not shown in the figures), into the anode compartments 51 or the cathode compartments 50 (see FIG. 2).
Toujours à titre d’exemple, les figures 15 et 16 représentent, respectivement, selon des plans de coupe parallèles aux faces principales de la plaque de serrage inférieure 46, le premier sous-canal 400a et le second sous-canal 400b. La figure 15 et la figure 16 représentent en particulier le premier sous-canal 400a et le second sous-canal 400b dans leur section volumique respective.Still by way of example, FIGS. 15 and 16 represent, respectively, according to section planes parallel to the main faces of the lower clamping plate 46, the first sub-channel 400a and the second sub-channel 400b. FIG. 15 and FIG. 16 represent in particular the first sub-channel 400a and the second sub-channel 400b in their respective volume section.
Le trou de passage 420, repéré sur les figures 15 à 17, relie le premier sous-canal 400a et le second sous-canal 400b. L’entrée de gaz GE est disposée sur une face principale de la plaque de serrage inférieure 46, tandis que la sortie de gaz GS est disposée sur l’autre face principale de la plaque de serrage inférieure 46. Ainsi, un gaz injecté au niveau de l’entrée GE, s’écoule dans l’ordre dans le premier sous-canal 400a, le trou de passage 420 et le second sous-canal 400b. En sortie GS, le gaz peut être acheminé, par le biais d’un tube de distribution anodique ou un tube de distribution cathodique (non représentés sur les figures), respectivement, dans les compartiments anodiques 51 ou les compartiments cathodiques 50.The passage hole 420, identified in Figures 15 to 17, connects the first sub-channel 400a and the second sub-channel 400b. The gas inlet GE is arranged on one main face of the lower clamping plate 46, while the gas outlet GS is arranged on the other main face of the lower clamping plate 46. Thus, a gas injected at the level from the GE inlet, flows in order through the first sub-channel 400a, the through hole 420 and the second sub-channel 400b. At the GS outlet, the gas can be routed through an anode distribution tube or a cathode distribution tube (not shown in the figures), respectively, into the anode compartments 51 or the cathode compartments 50.
Avantageusement, le conduit de circulation de gaz 350 peut comporter un premier conduit d’entrée de gaz et un premier conduit de sortie de gaz destinés, respectivement, à alimenter en gaz et à évacuer des gaz d’un type, dit premier type, d’électrode choisi parmi les anodes et les cathodes.Advantageously, the gas circulation conduit 350 may comprise a first gas inlet conduit and a first gas outlet conduit intended, respectively, to supply gas and to evacuate gases of a type, called first type, d electrode chosen from anodes and cathodes.
Par exemple, comme visible sur la figure 11, le conduit de circulation de gaz 350 comporte un conduit d’entrée cathodique 350EC (premier conduit d’entrée de gaz) et un conduit de sortie cathodique 350SC (premier conduit de sortie de gaz), destinés, respectivement, à alimenter en gaz les cathodes de l’empilement 20 à oxydes solides, et à évacuer des gaz desdites cathodes.For example, as seen in Figure 11, the gas circulation conduit 350 comprises a cathodic inlet conduit 350EC (first gas inlet conduit) and a cathodic outlet conduit 350SC (first gas outlet conduit), intended, respectively, to supply gas to the cathodes of the solid oxide stack 20, and to evacuate gas from said cathodes.
Le conduit d’entrée cathodique 350EC et le conduit de sortie cathodique 350SC comprennent chacun un canal d’échange thermique dit, respectivement, canal d’entrée cathodique 400EC et canal de sortie cathodique 400SC, comme visible sur la figure 13. De manière avantageuse, le canal d’entrée cathodique 400EC et le canal de sortie cathodique 400SC sont formés dans la même plaque de serrage 46, et en particulier à l’aplomb l’un de l’autre selon une direction perpendiculaire à la face principale de la plaque de serrage 46, visible sur la figure 11. Selon cette configuration, les gaz sortants permettent aussi de chauffer les gaz entrants.The cathode inlet duct 350EC and the cathode outlet duct 350SC each comprise a heat exchange channel called, respectively, cathode inlet channel 400EC and cathode outlet channel 400SC, as shown in Figure 13. Advantageously, the cathodic inlet channel 400EC and the cathodic outlet channel 400SC are formed in the same clamping plate 46, and in particular plumb with one another in a direction perpendicular to the main face of the clamping plate clamp 46, visible in Figure 11. According to this configuration, the outgoing gases also allow the incoming gases to be heated.
De manière complémentaire, le conduit de circulation de gaz 350 peut également comprendre un second conduit d’entrée de gaz et un second conduit de sortie de gaz destinés, respectivement, à alimenter en gaz et à évacuer des gaz d’un autre type, dit second type, d’électrode, différent du premier type, choisi parmi les anodes et les cathodes.In a complementary manner, the gas circulation conduit 350 can also comprise a second gas inlet conduit and a second gas outlet conduit intended, respectively, to supply gas and to evacuate gases of another type, called second type, of electrode, different from the first type, chosen from anodes and cathodes.
Par exemple, le conduit de circulation de gaz 350 comprend un conduit d’entrée anodique 350EA (second conduit d’entrée de gaz) et un conduit de sortie anodique 350SA (un second conduit de sortie de gaz), destinés, respectivement, à alimenter en gaz les anodes de l’empilement 20 à oxydes solides, et à évacuer des gaz desdites anodes.For example, the gas circulation conduit 350 comprises an anode inlet conduit 350EA (second gas inlet conduit) and an anode outlet conduit 350SA (a second gas outlet conduit), intended, respectively, to supply gas the anodes of the stack 20 to solid oxides, and to evacuate gas from said anodes.
Le conduit d’entrée anodique 350EA et le conduit de sortie anodique 350SA comprennent chacun un canal d’échange thermique dit, respectivement, canal d’entrée anodique 400EA et canal de sortie anodique 400SA, comme visible sur la figure 13.The anode inlet duct 350EA and the anode outlet duct 350SA each comprise a heat exchange channel called, respectively, anode inlet channel 400EA and anode outlet channel 400SA, as shown in Figure 13.
De manière particulièrement avantageuse, le canal d’entrée anodique 400EA et le canal de sortie anodique 400SA sont formés dans la même plaque de serrage 46, et en particulier à l’aplomb l’un de l’autre selon une direction perpendiculaire à la face principale de la plaque de serrage 46.In a particularly advantageous manner, the anode inlet channel 400EA and the anode outlet channel 400SA are formed in the same clamping plate 46, and in particular plumb with each other in a direction perpendicular to the face. main clamping plate 46.
Selon une autre alternative, le canal d’entrée cathodique 400EC et le canal de sortie anodique 400SA sont formés dans la même plaque de serrage 46, et en particulier à l’aplomb l’un de l’autre selon une direction perpendiculaire à la face principale de la plaque de serrage 46. Toujours selon cette alternative, le canal d’entrée anodique 400EA et le canal de sortie cathodique 400SC sont formés dans la même plaque de serrage 46, et en particulier à l’aplomb l’un de l’autre selon une direction perpendiculaire à la face principale de la plaque de serrage 46.According to another alternative, the cathode inlet channel 400EC and the anode outlet channel 400SA are formed in the same clamping plate 46, and in particular plumb with each other in a direction perpendicular to the face. main part of the clamping plate 46. Still according to this alternative, the anode inlet channel 400EA and the cathode outlet channel 400SC are formed in the same clamping plate 46, and in particular directly above one of the another in a direction perpendicular to the main face of the clamping plate 46.
La vue en coupe de la plaque de serrage représentée sur la figure 13 révèle la présence des quatre canaux d’échanges thermiques 400EA, 400SA, 400EC, et 400SC. La figure 13 représente notamment le canal d’entrée anodique 400EA, le canal de sortie anodique 400SA, le canal d’entrée cathodique 400EC et le canal de sortie cathodique 400SC. Chacun de ses quatre canaux peut comprendre un premier sous-canal et un second sous-canal formés, respectivement, dans une première section et une seconde section, et communiquant via un trou de passage.The sectional view of the clamping plate shown in figure 13 reveals the presence of the four heat exchange channels 400EA, 400SA, 400EC, and 400SC. FIG. 13 notably represents the anode input channel 400EA, the anode output channel 400SA, the cathode input channel 400EC and the cathode output channel 400SC. Each of its four channels may include a first sub-channel and a second sub-channel formed in a first section and a second section, respectively, and communicating via a through hole.
Avantageusement, la plaque de serrage inférieure 46, pourvue d’au moins un canal de circulation de gaz 350, peut être fabriquée par une technique de fabrication additive, et notamment par impression 3D. L’impression 3D comprend en particulier des séquences de dépôt de matière, de fusion de cette dernière par apport de chaleur (par exemple avec un laser, à l’aide d’une résistance chauffante, un faisceau d’électrons, ou encore un chauffage UV), et enfin de solidification de la matière en fusion par refroidissement. La formation de la plaque de serrage 46 par impression 3D est donc exécutée couche par couche. À l’issue de cette phase d’impression, une étape de séchage est généralement exécutée. La plaque de serrage 46 peut alors subir un traitement thermique destiné à améliorer sa dureté ou tenue mécanique.Advantageously, the lower clamping plate 46, provided with at least one gas circulation channel 350, can be manufactured by an additive manufacturing technique, and in particular by 3D printing. 3D printing includes in particular sequences of material deposition, fusion of the latter by adding heat (for example with a laser, using a heating resistor, an electron beam, or even heating UV), and finally solidification of the molten material by cooling. The formation of the clamping plate 46 by 3D printing is therefore carried out layer by layer. At the end of this printing phase, a drying step is generally carried out. The clamping plate 46 can then undergo a heat treatment intended to improve its hardness or mechanical strength.
En conséquence, afin d’assurer la surchauffe des gaz, l’invention met donc en œuvre un couplage démontable ou soudé entre des tiges de serrage 55 creuses, à l’intérieur desquels circulent les gaz à surchauffer, et une plaque de serrage 46, avantageusement réalisée par fabrication additive, en communication fluidique avec les tiges de serrage 55 et dans laquelle figure des moyens de surchauffe des gaz sous la forme d’un canal de circulation de gaz 350. La figure 18 représente ainsi un tel exemple de système de distribution de gaz 40 comprenant des tiges de serrage 55 creuses couplées à la plaque de serrage inférieure 46 pourvue de canaux de circulation 350 du même type que ceux décrits en référence à la figure 13.Consequently, in order to ensure the overheating of the gases, the invention therefore implements a removable or welded coupling between hollow clamping rods 55, inside which the gases to be overheated circulate, and a clamping plate 46, advantageously produced by additive manufacturing, in fluid communication with the clamping rods 55 and in which there are gas superheating means in the form of a gas circulation channel 350. FIG. 18 thus represents such an example of a distribution system gas 40 comprising hollow clamping rods 55 coupled to the lower clamping plate 46 provided with circulation channels 350 of the same type as those described with reference to Figure 13.
De façon avantageuse, l’invention peut permettre de déporter la zone de couplage, c’est-à-dire l’endroit où l’on va se raccorder pour l’alimentation et la récupération des gaz. La figure 19 illustre, en perspective et de manière isolée, une tige de serrage 55. Ainsi, en partie froide, en allongeant la portée P, on déporte la zone de couplage ZC, ce qui simplifie le raccordement aux alimentations de gaz. Aussi, l’intérêt de déporter cette zone loin de la source de chaleur, donc en partie froide, est d’obtenir une liaison étanche par des raccords que l’on trouve dans le commerce tels que des raccords VCR® ou des raccords de serrage mécanique double bague.Advantageously, the invention can make it possible to deport the coupling zone, that is to say the place where the connection will be made for the gas supply and recovery. FIG. 19 illustrates, in perspective and in isolation, a clamping rod 55. Thus, in the cold part, by lengthening the span P, the coupling zone ZC is offset, which simplifies the connection to the gas supplies. Also, the advantage of deporting this zone away from the heat source, therefore partly cold, is to obtain a tight connection by fittings found on the market such as VCR® fittings or clamping fittings double ring mechanism.
La figure 20 illustre par ailleurs, en perspective, la possibilité d’obtenir un système 500 comprenant une pluralité d’ensembles 80 tels que décrits précédemment montés en série par le biais de raccords rapides tels que ceux décrits dans la demande de brevet français FR 3 061 495 A1. La figure 21 représente, en coupe et partiellement, un détail de conception du système 500 de la figure 20 avec le raccordement à une rampe d’alimentation en gaz 501.FIG. 20 also illustrates, in perspective, the possibility of obtaining a system 500 comprising a plurality of assemblies 80 as previously described mounted in series by means of quick couplings such as those described in the French patent application FR 3 061 495 A1. Figure 21 shows, in section and partially, a design detail of the system 500 of figure 20 with the connection to a gas supply ramp 501.
Avantageusement, un tel système 500 est facilité car les tiges de serrage 55 rapportées par soudure (les soudures sont représentées par la référence 105 sur la figure 21) ou démontables possèdent un référentiel Re identique et la même longueur. De ce fait, l’intervalle entre les écrous mâles 502 (voir la demande de brevet français FR 3 061 495 A1) soudés sur la rampe d’alimentation 501 et l’intervalle des embases de liaison 503 sera identique. Sur la figure 21, la référence 504 désigne les écrous femelles. Il n’y a pas d’écarts dimensionnels pouvant nuire à un appui plan sur plan du joint, à l’intérieur du raccord rapide. De plus, il n’y a pas besoin de pièces en céramique pour séparer et supporter les ensembles 80 entre eux, qui peuvent être remplacés par des isolants. En outre, la barre d’alimentation et de récupération des gaz peut être sortie en partie froide du four, afin d’éviter des raccords rapides haute température. Des raccords usuels tels que double bague ou VCR® peuvent alors être utilisés.Advantageously, such a system 500 is facilitated because the clamping rods 55 added by welding (the welds are represented by the reference 105 in FIG. 21) or removable have an identical repository Re and the same length. As a result, the interval between the male nuts 502 (see French patent application FR 3 061 495 A1) welded to the supply ramp 501 and the interval between the connecting bases 503 will be identical. In Figure 21, the reference 504 designates the female nuts. There are no dimensional deviations that could affect plane-to-plane support of the joint, inside the quick coupling. In addition, there is no need for ceramic parts to separate and support the 80 sets between them, which can be replaced by insulators. In addition, the gas supply and recovery bar can be taken out in the cold part of the oven, in order to avoid high temperature quick couplings. Usual fittings such as double ring or VCR® can then be used.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d’être décrits. Diverses modifications peuvent y être apportées par l’homme du métier.Of course, the invention is not limited to the embodiments which have just been described. Various modifications can be made thereto by those skilled in the art.
Claims (15)
- un empilement (20) à oxydes solides de type SOEC/SOFC fonctionnant à haute température, comportant :
- une pluralité de cellules électrochimiques (41) formées chacune d’une cathode, d’une anode et d’un électrolyte intercalé entre la cathode et l’anode, et une pluralité d’interconnecteurs intermédiaires (42) agencés chacun entre deux cellules électrochimiques (41) adjacentes,
- un système de serrage (60) de l’empilement (20) à oxydes solides de type SOEC/SOFC, comportant une plaque de serrage supérieure (45) et une plaque de serrage inférieure (46), entre lesquelles l’empilement (20) à oxydes solides de type SOEC/SOFC est enserré, chaque plaque de serrage (45, 46) comportant au moins deux orifices de serrage (54), le système de serrage (60) comportant en outre :
- au moins deux tiges de serrage (55) destinées à s’étendre chacune au travers d’un orifice de serrage (54) de la plaque de serrage supérieure (45) et au travers d’un orifice de serrage (54) correspondant de la plaque de serrage inférieure (46) pour permettre l’assemblage entre elles des plaques de serrage supérieure (45) et inférieure (46),
- des moyens de serrage (56, 57, 58) au niveau de chaque orifice de serrage (54) des plaques de serrage supérieure (45) et inférieure (46) destinés à coopérer avec lesdites au moins deux tiges de serrage (55) pour permettre l’assemblage entre elles des plaques de serrage supérieure (45) et inférieure (46),
caractérisé en ce qu’il comporte un système de distribution de gaz (40) formé au moins en partie à l’intérieur d’au moins l’une des plaques de serrage supérieure (45) et inférieure (46) et à l’intérieur d’au moins deux tiges de serrage (55) creuses en communication fluidique avec ladite au moins l’une des plaques de serrage supérieure (45) et inférieure (46) pour la circulation d’au moins un gaz surchauffé ou destiné à être surchauffé.Assembly (80), comprising:
- a SOEC/SOFC type solid oxide stack (20) operating at high temperature, comprising:
- a plurality of electrochemical cells (41) each formed of a cathode, an anode and an electrolyte interposed between the cathode and the anode, and a plurality of intermediate interconnectors (42) each arranged between two electrochemical cells (41) adjacent,
- a clamping system (60) for the solid oxide stack (20) of the SOEC/SOFC type, comprising an upper clamping plate (45) and a lower clamping plate (46), between which the stack (20 ) with solid oxides of the SOEC/SOFC type is clamped, each clamping plate (45, 46) comprising at least two clamping orifices (54), the clamping system (60) further comprising:
- at least two clamping rods (55) each intended to extend through a clamping orifice (54) of the upper clamping plate (45) and through a clamping orifice (54) corresponding to the lower clamping plate (46) to allow the upper (45) and lower (46) clamping plates to be assembled together,
- clamping means (56, 57, 58) at each clamping orifice (54) of the upper (45) and lower (46) clamping plates intended to cooperate with said at least two clamping rods (55) for allow the upper (45) and lower (46) clamping plates to be assembled together,
characterized in that it comprises a gas distribution system (40) formed at least partly inside at least one of the upper (45) and lower (46) clamping plates and inside at least two hollow clamping rods (55) in fluid communication with said at least one of the upper (45) and lower (46) clamping plates for the circulation of at least one gas that is superheated or intended to be superheated .
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