Brevet FR3163780A1 — publié le 20251226

L’invention concerne notamment un procédé de fabrication d’une unité à répétition unique (SRU) pour dispositif électrochimique, en particulier pour électrolyseur à haute température ou pile à combustible à haute température, ledit ensemble comprenant un interconnecteur (1), comprenant au moins une première plaque (10) et une deuxième plaque (11, 12, 18, 19) superposées l’une par rapport à l’autre, et au moins un collecteur (21, 22) de courant. Le procédé comporte les étapes suivantes : a) application d’un matériau d’apport de brasage sur l’une des deux plaques, b) superposition des plaques formant une unité à répétition unique (SRU) , c) positionnement dans un four (4) pour que le matériau d’apport fond et solidarise par brasage lesdites au moins deux plaques de ladite unité. Figure pour l’abrégé : [Fig.1] PROCEDE D’ASSEMBLAGE D’UN INTERCONNECTEUR POUR MODULE SOEC SOFC ET INTERCONNECTEUR OBTENU PAR LEDIT PROCEDE L’invention se rapporte au domaine des dispositifs électrochimiques du type électrolyseurs et trouve notamment des applications dans les secteurs de la production d’énergies renouvelables et de la cogénération. L’invention présente un intérêt particulier, non limitatif, dans des dispositifs mettant en œuvre un processus d’électrolyse à haute température, c’est-à-dire typiquement une température comprise entre 100°C et 850°C, notamment des dispositifs connus sous la dénomination anglo-saxonne « Solid Oxide Electrolysis Cell (SOEC) » ou « Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) ». L’invention se rapporte plus spécifiquement à un procédé de fabrication d’un interconnecteur et à un interconnecteur obtenu par le procédé selon l’invention. État de la technique Un dispositif électrochimique peut être mis en œuvre pour l'électrolyse à haute température et comporter un empilement de cellules d'électrolyseur à oxyde solide ou SOEC (solid oxide electrolyzer cell en terminologie anglo-saxonne) ou en tant que pile à combustible et comporter un empilement de cellules à combustible à oxyde solide ou SOFC (Solid oxide fuel cell en terminologie anglo-saxonne). Un tel dispositif comporte un module (ou « stack » en langage anglosaxon) comprenant un empilement de cellules électrochimiques enserrées entre deux plaques de serrage. Les cellules sont connectées électriquement en série au moyen d’organes d’interconnexion, aussi appelés « interconnecteurs ». Il existe plusieurs types d’interconnecteurs, suivant l’architecture du module dans lequel il doit être mis en œuvre. L’invention s’intéresse en particulier à la réalisation d’interconnecteurs plats. Actuellement, ces interconnecteurs sont réalisés à partir de plusieurs plaques assemblées les unes aux autres, notamment par soudure au laser : les procédés de soudage de tôles, d'emboutissage de tôles ou de métallurgie des poudres sont les procédés bien connus pour la production massive d'interconnecteurs. Toutefois, le soudage au laser est assez long et peut ne pas être compatible avec une production élevée d’interconnecteur, à tout le moins pas pour réaliser un nombre prédéterminé souhaité par le demandeur en un temps donné. Il existe un besoin de changer le procédé de fabrication de ces interconnecteurs pour réduire le temps de fabrication jugé trop long, afin d’augmenter les capacités de production. Pour atteindre cet objectif, l’invention propose un procédé de fabrication d’une unité à répétition unique (SRU) pour dispositif électrochimique, en particulier pour électrolyseur à haute température ou pile à combustible à haute température, ledit ensemble comprenant : un interconnecteur destiné à être disposé d’un côté d’une cellule d’électrolyse du dispositif électrochimique, l’interconnecteur comprenant au moins une première plaque et une deuxième plaque superposées l’une par rapport à l’autre, et au moins un collecteur de courant, ledit procédé comportant les étapes suivantes : a) application d’un matériau d’apport de brasage sur l’une au moins parmi lesdites au moins deux plaques, b) superposition desdites au moins deux plaques de sorte que le matériau d’apport de brasage soit pris en sandwich entre lesdites au moins deux plaques superposées, lesdites au moins deux plaques ainsi superposées formant une unité à répétition unique, c) positionnement dans un four de ladite unité formée par desdites au moins deux plaques superposées, pendant un temps prédéterminé et à une température telle que le matériau d’apport fond et solidarise par brasage lesdites au moins deux plaques de ladite unité à répétition unique. Grâce à l’assemblage des plaques de l’interconnecteur par brasage, il est possible d’assembler jusqu’à 1 000 SRU en une seule étape. On comprendra par SRU une « unité à répétition unique » (en français), c’est-à-dire l’unité où se produit la réaction électrochimique (une pile est un assemblage de SRU). Cela est notamment possible car le brasage peut être réalisé pour plusieurs interconnecteurs à la fois dans un même four, ce qui est compliqué à faire avec une soudure. Le procédé conforme à l’invention peut également comprendre les caractéristiques suivantes, prises séparément ou en combinaison : - suivant une étape b1), avant l’étape c) de positionnement dans ledit four, on applique sur l’une au moins des desdites au moins deux plaques superposées un matériau d’apport de brasage et en ce que l’on positionne ledit au moins un collecteur de courant sur ledit matériau d’apport, l’unité à répétition unique comportant alors lesdites au moins deux plaques superposées et ledit au moins un collecteur de courant, de sorte à solidariser par brasage lesdites au moins deux plaques superposées audit au moins un collecteur de courant, - les étapes a) et b), d’une part, ou a) b) et b1) d’autre part, sont répétées autant de fois que souhaité pour former autant d’unités à répétition unique souhaitées, et suivant une étape b2), les unités à répétition unique sont empilées les unes sur les autres de manière à former une tour d’unités à répétition unique, et enfin, suivant une étape c1), ladite tour est positionnée dans ledit four pendant un temps prédéterminé et à une température telle que le matériau d’apport fond et forme, par brasage, un ensemble d’unités à répétition unique empilés, - suivant une ultime étape d), la tour d’unités à répétition unique est démontée pour dissocier les unités à répétition unique les unes des autres, et les unités à répétition unique dissociées sont nettoyées, - l’étape d’application d’un matériau d’apport de brasage, on applique un enduit de protection, - le matériau d’apport comprend du Chrome - ou du Nickel, suivant par exemple la norme ISO 17672 - la température prédéterminée est comprise entre 800 et 1 200°C, - ledit collecteur de courant comporte une grille, et la grille peut avantageusement être revêtue, – suivant une variante de réalisation, ledit collecteur de courant comporte une plaque de métal gravé par procédé chimique, présentant des canaux. L’invention concerne également une unité à répétition unique (SRU) pour dispositif électrochimique obtenue par le procédé tel que défini ci-dessus. Brève description des figures L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : FIG. 1 : la FIG. 1 est une vue en perspective qui illustre différents composants d’une unité à répétition unique obtenue par le procédé conforme à l’invention, comportant au moins un collecteur de courant et différentes plaques superposées d’un interconnecteur, FIG. 2 : la FIG. 2 est une autre vue en perspective d’une variante de réalisation d’une unité à répétition unique obtenue par le procédé conforme à l’invention, comportant différentes plaques superposées d’un interconnecteur, FIG. 3 : la FIG. 3 illustre le four dans lequel est positionnée une tour d’unité à répétition unique, pendant l’étape de brasage du procédé conforme à l’invention, FIG. 4 : la FIG. 4 illustre un exemple de réalisation d’un collecteur de courant utilisé dans le procédé conforme à l’invention, et FIG. 5 : la FIG. 5 montre une variante de réalisation d’un collecteur de courant utilisé dans le procédé conforme à l’invention. Il est bien entendu que les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs. On pourra notamment imaginer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si c'est cette partie qui est uniquement suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont combinables entre eux si rien ne s’oppose à cette combinaison sur le plan technique. Sur les figures et dans la suite de la description, les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence. Description détaillée L’on souhaite réaliser par le procédé, conforme à l’invention, une unité à répétition unique. La FIG. 1 montre un exemple d’éléments que peut comporter une unité à répétition unique conforme à l’invention. On observe un interconnecteur 1 comportant trois plaques métalliques 10, 11 et 12, ainsi que deux collecteurs de courant 21 et 22. Les trois plaques 10 à 12 métalliques sont des plaques fines de tôle de matériau ferritique spécifique (K41 par exemple), d’une épaisseur comprise entre 0,2 et 1 mm, dans le cadre de cet exemple. Chacune d’entre elle a été découpée au laser afin de les tailler aux dimensions souhaitées et également pour y réaliser des ouvertures traversantes 13, 14, 15, 16 et 17 de forme différentes, suivant la forme des éléments qu’elles doivent accueillir et pour lesquelles elle sont conçues, par exemple pour le passage des conduites de gaz (13), pour recevoir un collecteur de courant 21 ou 22. Les plaques métalliques 10 à 12 peuvent également avoir été embouties afin qu’elles présentent des formes en relief et en creux, notamment pour y créer des chemins de passage fluidique (non illustrés). On dit également que les plaques sont configurées pour créer l'ensemble d'architecture d'interconnecteur. Il est à noter que les plaques métalliques 10 à 12 ont chacune une face dédiée au passage d’un fluide gazeux, par exemple de l’air, et une autre face dédiée au passage d’un fluide liquide, par exemple du fuel : les formes qu’elles présentent sont réalisées en fonction de ces applications. Les collecteurs de courant 21 et 22 sont de différentes natures, également suivant l’application pour laquelle l’unité est conçu et suivant que le collecteur de courant est destiné à être porté par une face dédiée au passage de l’air ou à celle dédiée au passage du fuel. Le collecteur 21, sur la FIG. 1 , est positionné sur une face de plaque qui est dédiée à la circulation de fuel : la FIG. 5 montre un exemple de collecteur de courant, qui est réalisé au moyen d’une grille 210 laissant passer le fioul tout en collectant le courant. La grille peut être enduite de nickel par exemple pour faciliter la brasure si nécessaire. On remarque sur la FIG. 1 que le collecteur 21 est recouvert d’une cellule 200. Le collecteur de courant 22, montré en FIG. 4 et destiné à être positionné sur une face de plaque dédié à la circulation d’air, est réalisé par une plaque usinée chimiquement : on remarque que la plaque comprenant des canaux 220 en forme de serpentins qui s’étendent les uns à côté des autres sur tout la longueur de la plaque. La FIG. 1 montre également la présence de joints 23 ou 24, qui assurent une étanchéité entre les éléments compressés sur le joint 23 ou 24. Les joints 23 assurent l’étanchéité entre les ouvertures traversants 23 qui accueilles les conduits de distribution du gaz ou du fioul. Les joints 24 sont ceux dédiés à assurer l’étanchéité entre la plaque et le collecteur de courant. Un joint 24 s’étend sur le bord de l’ouverture 17 pour assurer l’étanchéité autour d’elle. Conformément à l’invention, pour assembler l’ensemble de ces éléments montrés en FIG. 1 , on utilise un procédé de brasage, c’est-à-dire un procédé suivant lequel on va solidariser deux éléments entre eux en ajoutant un matériau d’apport entre les éléments, ce matériau venant solidariser les éléments entre eux après avoir été fondu par apport de chaleur. Des produits brasés spécifiques (pâte, enduit etc…) sont ainsi appliqués sur la face à sceller. Par exemple, les produits à braser (appelés également matériaux d’apport) peuvent être du Ni710 selon la norme ISO 17672 (matériau appelé également BNI-7 selon la norme ANSI/ AWS A5.8 et répondant à la formule suivante B-Ni76CrP). Suivant une variante de mise en œuvre, les produits à braser peuvent être du Ni613 (selon la norme ISO précitée, répondant à la formule suivante B-Ni60CrPSi). De tels produits peuvent, actuellement, être commercialisés sous le nom BrazeLet ®. Un produit de protection peut également être appliqué sur la surface de l’élément sur laquelle on veut appliquer le matériau de d’apport de brasage : avant d’appliquer ledit matériau, on étale un peu de produit de protection, par exemple pour éviter toute réaction d’oxydation lors du brasage. Il devra être compris que l’invention ne se limite pas à la réalisation par brasage d’une unité à répétition unique telle que celle montrée en FIG. 1 . La FIG. 2 , par exemple, montre une variante de réalisation d’unité à répétition dont l’interconnecteur qui comprend cinq plaques métalliques découpées et éventuellement embouties, cette variante étant également conforme à l’invention. Les plaques 10, 11 et 12 sont associées à une plaque 18 et 19 : Comme pour l’exemple précédent, les plaques sont des plaques de tôle de matériau ferritique spécifique (K41 par exemple), d’une épaisseur comprise entre 0,2 et 1 mm, qui ont été découpées au laser, et éventuellement embouties. Elles présentent aussi des ouvertures traversantes 13 à 17, observables en FIG. 2 . Il va maintenant être fait référence au procédé conforme à l’invention : Après avoir préparé les plaques de l’interconnecteur, comme expliqué ci-avant, on va appliquer un matériau d’apport de brasage sur l’une au moins des faces des plaques 10, 11, 12, 18 et 19, voir sur les deux faces pour certaines plaques. On va également un matériau d’apport de brasage sur la plaque qui doit être solidarisée un collecteur de courant. Le collecteur de courant est alors positionné sur le matériau de brasage appliqué. L’unité à répétition unique, montrée en figures 1 ou 2, est ainsi réalisée en superposant les plaques et collecteurs de courant entre eux, après avoir appliqué un matériau d’apport de brasage. Ensuite, soit on positionne l’unité ainsi obtenu dans un four de brasage, soit on réalise un empilement des unités pour former une tour, de façon à réaliser le brasage de plusieurs unités en même temps. La FIG. 3 illustre schématiquement une tour 5 de plusieurs unités empilées, qui est maintenue en position par une charge 3 (par exemple un poids), dans un four de brasage 4. Le four (4) de brasage est amené à une température T comprise entre 850 et 1100 degrés °C, de manière à faire fondre le matériau d’apport de brasage qui solidarise les éléments avec lesquels il est en contact (voir FIG. 3 ). La tour d’unités SRU est laissé dans le four à la température de brasage pendant un temps compris entre 5 et 20 minutes. Puis, la tour est extraite du four, et les unités à répétition unique SRU sont dissociés les unes des autres, puis nettoyées. Aucune étape supplémentaire n’est nécessaire : les plaques et les collecteurs de courant sont solidarisés de façon efficace, propre et précise. La tour, réalisée par l’empilement de plusieurs SRU, permet de réaliser de nombreux SRU en même temps, là où la soudure implique un traitement individuel des interconnecteurs. On comprend de ce qui précède comment l’invention permet d’atteindre les objectifs techniques de réalisation de solidarisation fiables, efficace et pouvant être réalisé en un temps plus restreint que celui nécessaire pour réaliser les interconnecteurs actuellement. Bien entendu l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits. La description ci-dessus présente une conception d'interconnecteur « simple » dans laquelle seules les fonctions de distribution de gaz et de séparation des chambres sont présentées. Une pièce métallique supplémentaire pourrait être ajoutée pendant le processus de brasage pour créer l'interface du collecteur de courant du SRU. Ces pièces servent à distribuer le courant vers la cellule et à garantir le flux du gaz tant du côté du carburant que de l'air. Par exemple, un treillis ou une pièce estampée ou façonnée (usinée) pourrait être brasé simultanément avec l'interconnecteur. Un tel assemblage brasé pourrait constituer une pièce unique et peu coûteuse pour le SRU. Un revêtement spécifique pourrait ensuite être appliqué des deux côtés pour créer l’interface souhaitée avec la cellule. Procédé de fabrication d’une unité à répétition unique (SRU) pour dispositif électrochimique, en particulier pour électrolyseur à haute température ou pile à combustible à haute température, ledit ensemble comprenant : un interconnecteur (1) destiné à être disposé d’un côté d’une cellule d’électrolyse du dispositif électrochimique, l’interconnecteur (1) comprenant au moins une première plaque (10) et une deuxième plaque (11, 12, 18, 19) superposées l’une par rapport à l’autre, et au moins un collecteur (21, 22) de courant, ledit procédé comportant les étapes suivantes : a) application d’un matériau d’apport de brasage sur l’une au moins parmi lesdites au moins deux plaques (10-12, 18, 19), b) superposition desdites au moins deux plaques (10-12, 18, 19), de sorte que le matériau d’apport de brasage soit pris en sandwich entre lesdites au moins deux plaques (10-12, 18, 19) superposées, lesdites au moins deux plaques (10-12, 18, 19) ainsi superposées formant une unité à répétition unique (SRU) , c) positionnement dans un four (4) de ladite unité à répétition unique (SRU) formée par desdites au moins deux plaques superposées (10-12, 18, 19), pendant un temps prédéterminé et à une température T telle que le matériau d’apport fond et solidarise par brasage lesdites au moins deux plaques (10-12, 18, 19) de ladite unité à répétition unique (SRU) . Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que suivant une étape b1), avant l’étape c) de positionnement dans ledit four (4), on applique sur l’une au moins des desdites au moins deux plaques superposées (10-12, 18, 19) un matériau d’apport de brasage et en ce que l’on positionne ledit au moins un collecteur de courant (21, 22) sur ledit matériau d’apport, l’unité à répétition unique (SRU) comportant alors lesdites au moins deux plaques superposées (10-12, 18, 19) et ledit au moins un collecteur de courant (21, 22), de sorte à solidariser par brasage lesdites au moins deux plaques superposées (10-12, 18, 19) audit au moins un collecteur de courant (21, 22). Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les étapes a) et b), d’une part, ou a) b) et b1) d’autre part, sont répétées autant de fois que souhaité pour former autant d’unités à répétition unique (SRU) souhaitées, en ce que, suivant une étape b2), les unités à répétition unique (SRU) sont empilées les unes sur les autres de manière à former une tour (5) d’unités à répétition unique (SRU), et en ce que, suivant une étape c1), ladite tour (5) est positionnée dans ledit four pendant un temps prédéterminé et à une température (T) telle que le matériau d’apport fond et forme, par brasage, un ensemble d’unités à répétition unique (SRU) empilés. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, suivant une ultime étape d), la tour (5) d’unités à répétition unique (SRU) est démontée pour dissocier les unités à répétition unique (SRU) les unes des autres, et en ce que les unités à répétition unique (SRU) dissociées sont nettoyées. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’avant l’étape d’application d’un matériau d’apport de brasage, on applique un enduit de protection. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau d’apport comprend du Chrome ou du Nickel. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température (T) prédéterminée est comprise entre 800 et 1 200°C. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit collecteur de courant (21) comporte une grille. Procédé de fabrication selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite grille peut être revêtue. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit collecteur de courant (22) comporte une plaque de métal gravé par procédé chimique, présentant des canaux. Unité à répétition unique (SRU) pour dispositif électrochimique obtenue par le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes.