Brevet FR2947100A1 — publié le 20101224

Système et procédé de formation de conducteurs d'un dispositif générateur d'énergie La présente invention concerne généralement les piles à combustible pour alimenter un procédé et/ou un dispositif et, plus particulièrement, un système et procédé pour augmenter la collecte d'énergie électrique de conducteurs de piles à combustible. Les dispositifs générateurs d'énergie tels que, par exemple, les piles à combustible et les convertisseurs catalytiques, sont bien connus. En règle générale, une pile à combustible génère de l'électricité en combinant l'hydrogène à l'oxygène. Par exemple, dans une pile à combustible à oxyde solide (SOFC ù Solid Oxide Fuel Cell), l'électricité est produite directement à partir de l'oxydation d'un combustible. Les dispositifs SOFC comprennent un électrolyte céramique ou à oxyde solide. Les avantages de cette catégorie de piles à combustible sont notamment, des efficacités élevées, une stabilité à long terme, une flexibilité dans le choix des combustibles, de faibles émissions et un faible coût. Un inconvénient reconnu est que la température de service élevée provoque des temps de démarrage plus longs et des problèmes de compatibilité mécanique/chimique. Pendant le fonctionnement, l'oxygène est réduit en ions d'oxygène au niveau d'une cathode. Les ions d'oxygène se diffusent ensuite à travers l'électrolyte à oxyde solide vers une anode où ils oxydent électrochimiquement le combustible (par exemple, les hydrocarbures légers tels que le méthane, le propane, le butane et similaire) dans la pile à combustible. Dans la réaction d'oxydation, l'eau est un sous-produit type ainsi que deux électrons. Les électrons circulent ensuite à travers un circuit externe sous forme d'électricité utilisable. Les inventeurs ont reconnu qu'il est nécessaire d'améliorer la collecte d'énergie électrique à l'intérieur des piles à combustible. Un aspect de la présente invention concerne un circuit électrique, comprenant un conducteur anodique formé à partir d'un premier fil conducteur et un conducteur cathodique formé à partir d'un second fil conducteur. Dans un mode de réalisation, le premier fil conducteur et le second fil conducteur sont chacun composés d'un fil ayant un premier diamètre prédéterminé. Au moins une partie du diamètre prédéterminé d'au moins un du premier fil conducteur et du second fil conducteur est comprimée pour donner une surface élargie de l'au moins une partie par rapport à un reste du diamètre prédéterminé. Dans un aspect de l'invention, le diamètre prédéterminé comprimé conserve une même superficie en coupe comme le reste du diamètre prédéterminé et a une surface élargie. Dans un mode de réalisation, la surface élargie du diamètre prédéterminé comprimé est d'au moins environ deux (2) fois une surface du reste du diamètre prédéterminé. Dans un mode de réalisation, le premier et le second fils conducteurs sont en nickel ou à base de nickel. Dans encore un autre mode de réalisation, une partie de l'un ou des deux du premier fil conducteur et/ou du second fil conducteur est couverte par une isolation ou un tressage à haute température, poreux et non conducteur. L'isolation peut être composée, par exemple, d'au moins un parmi un isolant céramique, un isolant de type céramique et d'un isolant au silicium. Dans un mode de réalisation, l'isolant de type céramique est composé d'un isolant alumine-boria-silice. Dans un mode de réalisation, le tressage est une gaine tressée à haute température. Dans encore un autre mode de réalisation, le conducteur anodique et le conducteur cathodique sont disposés autour d'un matériau d'électrolyte de la pile à combustible. Des exemples de matériaux d'électrolyte comprennent un électrolyte à oxyde solide. Un aspect de la présente invention concerne une pile à combustible ayant un conducteur anodique, un conducteur cathodique et un matériau d'électrolyte disposé entre le conducteur anodique et le conducteur cathodique. Dans un mode de réalisation, une première entrée fournit de l'oxygène au conducteur cathodique, l'oxygène étant réduit en ions d'oxygène et une seconde entrée fournit un combustible au conducteur anodique. Les ions d'oxygène se diffusent à travers le matériau d'électrolyte vers le conducteur anodique et oxydent électrochimiquement le combustible pour produire des électrons. Un circuit électrique externe est couplé à la pile à combustible et reçoit les électrons du conducteur anodique. Dans un mode de réalisation, le conducteur anodique est formé à partir d'un premier fil conducteur et le conducteur cathodique est formé à partir d'un second fil conducteur. Le premier fil conducteur et le second fil conducteur sont chacun composés d'un fil ayant un diamètre prédéterminé. Au moins une partie du diamètre prédéterminé d'au moins l'un du premier fil conducteur et du second fil conducteur est comprimée pour donner une surface élargie. Dans un autre mode de réalisation, une partie de l'un ou des deux du premier fil conducteur et/ou du second fil conducteur est recouverte par une isolation à haute température, poreuse et non conductrice. Dans encore un autre mode de réalisation, les matériaux d'électrolyte sont composés d'un électrolyte à oxyde solide. Les aspects précédents et autres caractéristiques des modes de réalisation actuellement décrits sont expliqués dans la description suivante, en référence aux dessins joints, sur lesquels : la figure 1 est un schéma de principe simplifié d'une pile à combustible ayant au moins un conducteur offrant une capacité de collecte d'énergie électrique améliorée ; et les figures 2A et 2B illustrent un fil conducteur ayant une partie aplatie ou comprimée. Comme décrit dans les présentes, les inventeurs ont découvert que la collecte d'énergie électrique est améliorée en élargissant une surface des conducteurs d'un circuit externe couplé à un dispositif générateur d'énergie tel que, par exemple, une pile à combustible, un convertisseur catalytique et des dispositifs similaires. Un élargissement de la surface d'un ou plusieurs des conducteurs augmente une énergie collectée totale produite par le dispositif générateur d'énergie. Les inventeurs ont en outre découvert qu'il serait avantageux de proposer des conducteurs présentant une surface élargie sans augmenter une masse des conducteurs et sans réduire la résistance à la traction du conducteur ou sa superficie en coupe, afin de ne pas compromettre les caractéristiques de poids et autres caractéristiques du dispositif générateur d'énergie. La figure 1 est un schéma de principe simplifié d'un dispositif générateur d'énergie 100 tel que, par exemple, une pile à combustible à oxyde solide, destiné à produire de l'électricité pour alimenter un circuit électrique externe 200. La pile à combustible 100 comprend un conducteur anodique 110 et un conducteur cathodique 120 disposé autour d'un matériau d'électrolyte 140 tel que, par exemple, un électrolyte à oxyde solide ou céramique. Comme on le sait généralement dans l'art, de l'oxygène 150 (par exemple, de l'air) est introduit dans la pile à combustible 100 par une entrée 152 et un combustible 160, tel que, par exemple, un hydrocarbure léger, est introduit dans la pile à combustible 100 par une entrée 162. Comme le montre la figure 1, l'oxygène 150 est réduit en ions d'oxygène (02) 154 au niveau du conducteur cathodique 120. L'O2 154 se diffuse à travers le matériau d'électrolyte 140 vers le conducteur anodique 110 pour oxyder électrochimiquement le combustible 160. Au cours de la réaction d'oxydation, des électrons (e-) 180 sont produits. Les e- 180 circulent à partir du conducteur anodique 110 vers le conducteur cathodique 120 à travers le circuit électrique externe 200 sous forme d'électricité qui peut être utilisée, par exemple, pour alimenter un procédé ou un dispositif 210 du circuit externe 200. Il doit être entendu que, alors que le dispositif générateur d'énergie 100 est décrit ci-après en tant que pile à combustible, il est dans la portée de la présente description que le dispositif générateur d'énergie 100 soit un convertisseur catalytique dans lequel un liquide tel que, par exemple, de l'eau, subit une réaction catalytique pour sa dissociation en un ion d'hydrogène et un électron (par exemple, e- 180). Selon la présente invention, au moins un du conducteur anodique 110 et du conducteur cathodique 120 est composé d'un fil 115 (figures 2A et 2B) tel que, par exemple, un fil de nickel ou à base de nickel. Dans un mode de réalisation, le fil à base de nickel est composé d'un alliage nickel-silicium tel que, par exemple, un alliage commercialisé sous le nom de marque NISILTM par Omega Engineering, Inc. (Stamford, CT USA). Dans un mode de réalisation, le conducteur du fil de nickel ou à base de nickel 115 est composé d'un fil possédant un diamètre nominal DN dans une plage d'environ 0,010 pouce (0,2546 mm) à environ 0,250 pouce (6,350 mm). Il est à noter qu'un fil d'un diamètre DN d'environ 0,010 pouce (0,2546 mm) à environ 0,250 pouce (6,350 mm) a une surface d'environ 0,0314 pouce au carré par pouce (20,26 mm2 par mm) de long à environ 0,785 pouce au carré (506,45 mm2 par mm) de long. Dans un mode de réalisation, le conducteur anodique à fil en nickel ou à base de nickel 110 collecte l'énergie générée par le dispositif générateur d'énergie 100 (par exemple, la pile à combustible), par exemple, 1'e-180. Le conducteur anodique de fil en nickel ou à base de nickel 110 est un fil conducteur allant vers le circuit électrique externe 200 couplant le procédé ou le dispositif 210 à la pile à combustible 100. Dans un mode de réalisation, le conducteur cathodique de fil en nickel ou à base de nickel 120 est un fil partant du circuit électrique externe 200 et revenant vers la pile à combustible 100. Selon un aspect de l'invention, une partie 117 du diamètre DN des conducteurs de fils 115, par exemple, le conducteur anodique 110 et/ou le conducteur cathodique 120, est comprimée ou aplatie à partir d'une section transversale arrondie pour élargir la surface d'au moins environ deux (2) fois. Ceci est réalisé, par exemple, en aplatissant ou en comprimant la partie 117 du fil 115 d'environ 0,020 pouce (0,508 mm) de diamètre à environ 0,005 pouce (0,127 mm). Lorsqu'elle est aplatie, la partie 117 du fil a une largeur Wc d'environ 0,045 pouce (1,143 mm), ressemble à un ruban et a environ la même surface en coupe (0,0314 pouce au carré, 0,7976 mm) que le fil arrondi d'origine (par exemple le diamètre DN), mais à présent la partie 117 a une épaisseur Tc d'environ 0,005 pouce (0,127 mm). Dans cet exemple de mode de réalisation, le fil de diamètre DN d'environ 0,020 pouce (0,508 mm) a une surface d'environ 0,0634 pouce au carré par pouce (40,90 mm2 par mm) de long et le conducteur de fil comprimé 117 a une surface d'environ 0,1045 pouce au carré par pouce (67,42 mm2 par mm) de long. En conséquence, la compression augmente la surface d'environ deux (2) fois. Il doit être entendu qu'en comprimant ou en aplatissant les conducteurs du fil de nickel ou à base de nickel 115 de la pile à combustible 100, ni la masse du conducteur ni la résistance à la traction ne sont augmentées de telle sorte que, par exemple, la pile à combustible 100 augmente l'énergie totale collectée sans augmenter les caractéristiques de poids et autres caractéristiques par rapport aux agencements de pile à combustible classique. Il doit également être entendu que l'augmentation de surface améliore la conductivité des conducteurs 115 ainsi que la connectivité (par exemple, le contact linéaire par rapport au contact ponctuel). Dans un mode de réalisation, le conducteur de fil comprimé est remplacé par un ruban de fil ayant la même surface en coupe que le fil comprimé (par exemple, la partie 117 représente une longueur totale du fil 115). Dans un mode de réalisation, l'un ou les deux du conducteur à fil anodique 110 et/ou du conducteur à fil cathodique 120 est/sont revêtu(s) avec ou couvert par une isolation ou tresse à haute température, poreuse, non conductrice 118 telle que, par exemple, un isolant céramique, de type céramique ou au silicium ou une gaine tressée. Dans un mode de réalisation, l'isolation de type céramique est une isolation alumine-boria-silice. Dans un mode de réalisation, le tressage est une gaine tressée haute température telle que, par exemple, une gaine tressée NEXTEL� (Nextel est la marque déposée de la société 3M, St. Paul, Minnesota, USA). La description précédente est simplement illustrative des présents modes de réalisation. Diverses variantes et modifications peuvent être conçues par l'homme du métier sans s'écarter des modes de réalisation décrits dans les présentes. En conséquence, les modes de réalisation sont censés comprendre toutes ces variantes, modifications et variations qui tombent dans le cadre de la présente description et d'une ou plusieurs des revendications annexées. REVENDICATIONS1. Circuit électrique comprenant : un conducteur anodique (110) formant un premier fil conducteur ; et un conducteur cathodique (120) formant un second fil conducteur ; le premier fil conducteur et le second fil conducteur sont chacun composés d'un fil ayant un diamètre prédéterminé, et au moins une partie du diamètre prédéterminé d'au moins un du premier fil conducteur et du second fil conducteur est comprimée pour fournir une surface élargie de l'au moins une partie par rapport à un reste du diamètre prédéterminé. 2. Circuit électrique selon la revendication 1, dans lequel la partie comprimée du diamètre prédéterminé conserve une superficie en coupe identique au reste du diamètre prédéterminé et présente une surface élargie. 3. Circuit électrique selon la revendication 1, dans lequel la surface élargie du diamètre prédéterminé comprimé est au moins d'environ deux fois une surface du reste du diamètre prédéterminé. 4. Circuit électrique selon la revendication 1, dans lequel au moins un du premier fil conducteur et du second fil conducteur est composé d'un ruban de fil ayant une surface en coupe identique à celle de la partie comprimée du diamètre prédéterminé. 5. Circuit électrique selon la revendication 1, dans lequel les premier et second fils conducteurs sont en nickel ou à base de nickel. 6. Circuit électrique selon la revendication 1, dans lequel une partie de l'un ou des deux du premier fil conducteur et/ou du second fil conducteur est couverte par une isolation à haute température, poreuse et non conductrice. 7. Circuit électrique selon la revendication 6, dans lequel l'isolation est composée d'au moins un parmi un isolant céramique, un isolant de type céramique et un isolant au silicium. 8. Circuit électrique selon la revendication 7, dans lequel l'isolant de type céramique est composé d'un isolant alumine-boria-silice. 9. Circuit électrique selon la revendication 1, dans lequel le conducteur anodique (110) et le conducteur cathodique (120) sont disposés autour d'un matériau d'électrolyte (140) d'une pile à combustible. 10. Circuit électrique selon la revendication 9, dans lequel les matériaux d'électrolyte (140) sont composés d'un électrolyte à oxyde solide. 11. Dispositif générateur d'énergie (100), comprenant : un circuit électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 ; un matériau d'électrolyte (140) disposé entre le conducteur anodique (110) et le conducteur cathodique (120) du circuit électrique ; une première entrée (152) qui fournit de l'oxygène au conducteur cathodique (120), l'oxygène étant réduit en ions d'oxygène (154) ; une seconde entrée (162) pour fournir un combustible à un conducteur anodique (110) ; les ions d'oxygène (154) se diffusant à travers le matériau d'électrolyte (140) vers le conducteur anodique (110) et oxydant électrochimiquement le combustible pour produire des électrons (180) ; et un circuit électrique externe (200) couplé au dispositif générateur d'énergie (100) recevant les électrons (180) du conducteur anodique (110). 12. Dispositif générateur d'énergie (100) selon la revendication 11, dans lequel le conducteur anodique (110) est formé à partir d'un premier fil conducteur et le conducteur cathodique (120) est formé à partir d'un second fil conducteur, le premier fil conducteur et le second fil conducteur sont chacun composés d'un fil ayant un diamètre prédéterminé, et au moins une partie du diamètre prédéterminé d'au moins l'un du premier fil conducteur et du second fil conducteur est comprimée pour fournir une surface élargie. 13. Dispositif générateur d'énergie (100) selon la revendication 12, dans lequel au moins l'un du premier fil conducteur et du second fil conducteur est composé d'un ruban de fil ayant une superficie en coupe identique à celle de la partie comprimée du diamètre prédéterminé. 14. Dispositif générateur d'énergie (100) selon la revendication 11, dans lequel une partie de l'un ou des deux du premier fil conducteur et/ou du second fil conducteur est couverte par une isolation à haute température, poreuse et non conductrice. 15. Dispositif générateur d'énergie (100) selon la revendication 11, dans lequel les matériaux d'électrolyte comprennent un électrolyte à oxyde solide. 16. Procédé de formation d'un conducteur du dispositif générateur d'énergie (100) de l'une quelconque des revendications 11 à 15, le procédé comprenant les étapes suivantes : fournir un premier fil ayant un diamètre prédéterminé et une première surface ; comprimer une partie du diamètre prédéterminé pour former une seconde surface élargie par rapport à la première surface ; et coupler la partie du premier fil en tant que fil conducteur du dispositif générateur d'énergie (100). 17. Procédé selon la revendication 16, dans lequel la partie comprimée du diamètre prédéterminé conserve une surface en coupe identique au diamètre prédéterminé. 18. Procédé selon la revendication 16, dans lequel la seconde surface est d'au moins environ deux fois la première surface. 19. Procédé selon la revendication 16, consistant en outre à : comprimer une partie d'au moins un second fil ayant le diamètre prédéterminé pour former la seconde surface ; et coupler la partie du second fil en tant que fil conducteur du dispositif générateur d'énergie (100) ; le premier fil conducteur est un conducteur anodique (110) et le second fil conducteur est un conducteur cathodique (120). 20. Procédé selon la revendication 16, dans lequel les premier et second fils conducteurs sont en nickel ou à base de nickel.