Brevet FR3038916A1 (20170120)
REVENDICATIONS1. Réacteur d'électrolyse à haute température (EHT) comportant un empilement alterné de deux groupes d'étages distincts dont : - un groupe d'une pluralité d'étages, dits étages électrochimiques, constitués chacun d'une cellule d'électrolyse élémentaire (Cl, C2, C3) de type à oxydes solides SOEC formée d'une cathode (2.1, 2.2, ...), d'une anode (4.1, 4.2, ...) et d'un électrolyte (3.1, 3.2...) intercalé entre la cathode et l'anode, et de deux interconnecteurs (5.1, 5.2), adaptés chacun pour l'interconnexion électrique et fluidique, agencés de part et d'autre de la cellule élémentaire (Cl, C2), - un groupe d'au moins un étage, dit étage(s) de régulation thermique constitué(s) d'au moins un élément de contact électrique (14) laissant passer les gaz et de deux interconnecteurs (5.2, 5.3) adaptés chacun pour l'interconnexion électrique et fluidique, agencés de part et d'autre de l'élément de contact, les interconnecteurs des étages électrochimiques et de(s) l'étage(s) thermique(s) étant adaptés pour à la fois : -faire circuler à travers l'empilement, de la vapeur d'eau (EH2(1)) ou un mélange de vapeur d'eau H2O et de dioxyde de carbone CO2, un gaz drainant, tel que de l'air, (E(02)), et un gaz caloporteur (EH2(2)), -récupérer l'hydrogène H2 produit (SH2(1)) ou le gaz de synthèse (mélange de monoxyde de carbone CO et d'hydrogène H2) produit aux cathodes des cellules, l'oxygène 02 produit (S(02)) aux anodes des cellules et le cas échéant le gaz drainant, et le gaz caloporteur (SH2(2)) en sortie des éléments (14), les interconnecteurs des étages électrochimiques étant en outre adaptés pour distribuer à la fois la vapeur d'eau (EH2(1)) ou le mélange de vapeur d'eau H2O et de dioxyde de carbone CO2, aux cathodes des cellules, et le gaz drainant (E(02)) aux anodes des cellules, tandis que les interconnecteurs de (des) l'étage(s) de régulation thermique sont adaptés pour distribuer uniquement le gaz caloporteur à l' (aux) élément(s) de contact électrique (14) laissant passer les gaz.\n<CLM>\1\tPile à combustible à haute température (SOFC) comportant un empilement alterné de deux groupes d'étages distincts dont : 3038916 29 - un groupe d'une pluralité d'étages, dits étages électrochimiques, constitués chacun d'une cellule électrochimique élémentaire (Cl, C2, C3) de type à oxydes solides SOFC formée d'une cathode (2.1, 2.2, ...), d'une anode (4.1, 4.2, ...) et d'un électrolyte (3.1, 3.2...) intercalé entre la cathode et l'anode, et de deux interconnecteurs (5.1, 5.2) 5 adaptés chacun pour l'interconnexion électrique et fluidique et agencés de part et d'autre de la cellule élémentaire (Cl, C2), - un groupe d'au moins un étage, dit étage(s) de régulation thermique constitué(s) d'au moins un élément de contact électrique (14) laissant passer les gaz et de deux interconnecteurs (5.2, 5.3) adaptés chacun pour l'interconnexion électrique et 10 fluidique, agencés de part et d'autre de l'élément de contact, les interconnecteurs des étages électrochimiques et de(s) l'étage(s) thermique(s) étant adaptés pour à la fois : -faire circuler à travers l'empilement, un combustible (EH2(1)), un comburant, tel que de l'air, (E(02)), et un gaz caloporteur (EH2(2)), 15 -récupérer le surplus de combustible et l'eau produite (SH2(1)) aux anodes des cellules, le surplus de comburant (S(02)) aux cathodes des cellules et, et le gaz caloporteur (SH2(2)) en sortie des éléments (14), les interconnecteurs des étages électrochimiques étant en outre adaptés pour distribuer à la fois le combustible (EH2(1)) aux anodes des cellules, et le comburant, 20 (E(02)) aux anodes des cellules, tandis que les interconnecteurs de (des) l'étage(s) de régulation thermique sont adaptés pour distribuer uniquement le gaz caloporteur à l' (aux) élément(s) de contact électrique (14) laissant passer les gaz.\n<CLM>\1\tRéacteur d'électrolyse à haute température (EHT) ou pile à combustible à 25 haute température (SOFC) selon la revendication 1 ou 2, l'élément de contact électrique laissant passer les gaz étant une grille métallique.\n<CLM>\1\tRéacteur d'électrolyse à haute température (EHT) ou pile à combustible à haute température (SOFC) selon l'une des revendications 1 à 3, les interconnecteurs des étages électrochimiques consistant chacun en un dispositif constitué de trois tôles planes 30 (6, 7, 8), allongées selon deux axes de symétrie (X, Y) orthogonaux entre eux, l'une des tôles d'extrémité étant destinée à venir en contact mécanique avec le plan d'une cathode (2) d'une cellule (C2) élémentaire et l'autre des tôles d'extrémité étant destinée à venir en 3038916 30 contact mécanique avec le plan d'une anode (4) d'une cellule (Cl) élémentaire adjacente, dispositif dans lequel : - les parties centrales (60,\n<CLM>\1\tde la tôle centrale (7) et d'une des tôles d'extrémité, dite première tôle d'extrémité, (6) sont non percées tandis que la partie 5 centrale (8) de l'autre tôle d'extrémité, dite deuxième tôle d'extrémité (8) est percée (80), - chacune des trois tôles planes (6, 7,\n<CLM>\1\test percée, à la périphérie de sa partie centrale, de six lumières (61, 62, 63, 64, 65, 66; 71, 72, 73, 74, 75, 76 ; 81, 82, 83, 84, 85, 86), les premières à quatrième lumières (61 à 64 ; 71 à 74 ; 81 à\n<CLM>\1\tde chaque tôle étant allongées sur une longueur correspondant à une partie de la longueur de la partie centrale 10 selon l'un des axes X des tôles et étant réparties deux à deux de part et d'autre dudit axe X, tandis que les cinquièmes et sixièmes (65, 75, 85 ; 66,76,\n<CLM>\1\tlumières sont allongées sur une longueur correspondant sensiblement à la longueur de la partie centrale selon l'autre des axes Y, - la première tôle d'extrémité (6), comporte en outre une septième (67) et une 15 huitième (68) lumières agencées symétriquement de part et d'autre de l'axe X, à l'intérieur de ses premières à quatrième lumières (61, 62, 63, 64), et allongées sur une longueur correspondant sensiblement à la longueur de la partie centrale selon l'axe X, - la deuxième (8) des tôles d'extrémité, comporte en outre une septième (87) et une huitième (88) lumières agencées symétriquement de part et d'autre de l'axe Y à 20 l'intérieur respectivement de sa cinquième (85) et de sa sixième (86) lumière, et allongées sur une longueur correspondant sensiblement la longueur de la partie centrale selon ledit axe Y, et, - les première (71), troisième (73), cinquième (75) et sixième lumières de la tôle centrale (7) sont élargies par rapport respectivement aux première (61, 81), troisième 25 (63, 83), cinquième (65,\n<CLM>\1\tet sixième (66,\n<CLM>\1\tlumières de chaque tôle d'extrémité, tandis que les deuxième (62, 72,\n<CLM>\1\tet quatrième (64, 74,\n<CLM>\1\tlumière des trois tôles sont de dimensions sensiblement identiques entre elles, - toutes les lumières élargies (71, 73, 75,\n<CLM>\1\tde la tôle centrale (7) comportent dans leur partie élargie, des languettes de tôles espacées les unes des autres en formant un 30 peigne, chacune des fentes définie entre le bord d'une fente élargie (71, 73, 75,\n<CLM>\1\tet une languette ou entre deux languettes consécutives débouchant sur une des lumières intérieures de la première (6) ou deuxième (8) tôle d'extrémité, - les trois tôles (6, 7,\n<CLM>\1\tsont stratifiées et assemblées entre elles telles que: 3038916 31 - les languettes de tôles forment des entretoises d'espacement entre première (6) et deuxième (8) tôles d'extrémité respectivement entre les première (61) et septième (67) lumières de la première tôle d'extrémité (6), entre les troisième (63) et huitième (68) lumières de la première tôle d'extrémité (6), entre les cinquième (85) et 5 septième (87) lumières de la deuxième tôle d'extrémité (8), et entre les sixième (86) et huitième (88) lumières de la deuxième tôle d'extrémité (8), - chacune des première à sixième lumières (61 à\n<CLM>\1\tde l'une des trois tôles est en communication fluidique individuellement respectivement avec l'une des première à sixième lumières (71 à 76 ; 81 à\n<CLM>\1\tcorrespondantes des deux autres tôles, 10 - la première (61) ou alternativement la deuxième (62) lumière de la première (6) tôle d'extrémité est en communication fluidique avec la septième (66) lumière de la première (6) tôle d'extrémité par le biais des fentes la première (71) lumière élargie de la tôle centrale (7), - la troisième (63) ou alternativement la quatrième (64) lumière de la 15 première (6) tôle d'extrémité est en communication fluidique avec la huitième (68) lumière de la première (6) tôle d'extrémité par le biais des fentes de la troisième (73) lumière élargie de la tôle centrale (7), - la cinquième (85) et la septième (87) lumières de la deuxième (8) tôle d'extrémité sont en communication fluidique par le biais des fentes de la cinquième (75) 20 lumière élargie de la tôle centrale (7), - la sixième (86) et la huitième (88) lumières de la deuxième (8) tôle d'extrémité sont en communication fluidique par le biais des fentes de la sixième (76) lumière élargie de la tôle centrale (7).\n<CLM>\1\tRéacteur d'électrolyse à haute température (EHT) ou pile à combustible à 25 haute température (SOFC) selon la revendication 4, au moins un des deux interconnecteurs des étages de régulation thermique étant constitué à partir des trois tôles que les interconnecteurs des étages électrochimiques, mais ne comportent pas les septième (87) et huitième (88) lumière de la deuxième tôle d'extrémité (8).\n<CLM>\1\tRéacteur d'électrolyse à haute température (EHT) ou pile à combustible à 30 haute température (SOFC) selon la revendication 4 ou 5, les deux interconnecteurs d'un même étage électrochimique (5.1, 5.2) sont constitués chacun à partir de trois tôles 3038916 32 planes identiques (6, 7, 8), mais avec la tôle centrale de l'un des interconnecteurs retournée dessus/dessous par rapport à la tôle centrale de l'autre des interconnecteurs.\n<CLM>\1\tRéacteur d'électrolyse à haute température (EHT) ou pile à combustible à haute température (SOFC) selon l'une des revendications précédentes, comprenant un 5 nombre d'étages de régulation thermique différent du nombre d'étages électrochimiques.\n<CLM>\1\tRéacteur d'électrolyse à haute température (EHT) ou pile à combustible à haute température (SOFC) selon l'une des revendications précédentes, comprenant un nombre d'étages de régulation thermique supérieur au centre de l'empilement que sur les extrémités de l'empilement. 10\n<CLM>\1\tRéacteur d'électrolyse à haute température (EHT) ou pile à combustible à haute température (SOFC) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel (laquelle) aucun étage de régulation thermique n'est visible depuis l'extérieur de l'empilement.\n<CLM>\1\tProcédé d'électrolyse à haute température de la vapeur d'eau H2O, ou de 15 co-électrolyse de la vapeur d'eau H2O et du dioxyde de carbone CO2, mis en oeuvre dans un réacteur selon une des revendications 1, ou 3 à 9, selon lequel: - on alimente, depuis les interconnecteurs (5.1, 5.2) des étages électrochimiques, la vapeur d'eau (EH2(1)) ou un mélange de vapeur d'eau H2O et de dioxyde de carbone CO2, en tant que combustible, et on la (le) distribue aux cathodes des 20 cellules, puis on récupère l'hydrogène H2 produit (SH2(1)) ou le gaz de synthèse (mélange de monoxyde de carbone CO et d'hydrogène H2) en sortie des cathodes, on alimente, depuis les interconnecteurs (5.1, 5.2) des étages électrochimiques, un gaz drainant, tel que de l'air, (E(02)), et on le distribue aux anodes des cellules, puis on récupère l'oxygène 02 produit et le cas échéant le gaz drainant 25 (S(02)) en sortie des anodes, - on alimente, depuis les interconnecteurs (5.2, 5.3) des étages de régulation thermique, un gaz caloporteur (EH2(2)) et on le distribue aux éléments de contact électrique (14), puis on le récupère en sortie des éléments (14).\n<CLM>\1\tProcédé d'électrolyse à haute température de la vapeur d'eau H2O, ou de 30 co-électrolyse de la vapeur d'eau H2O et du dioxyde de carbone CO2 selon la revendication 10, selon lequel le gaz caloporteur (EH2(2)) est le combustible (vapeur d'eau H2O, ou mélange de vapeur d'eau H2O et d'hydrogène H2, ou mélange de vapeur d'eau H2O et de dioxyde de carbone CO2) ou le gaz drainant, tel que de l'air, (E(02)). 3038916 33\n<CLM>\1\tProcédé de production d'électricité à haute température, mis en oeuvre dans une pile à combustible à oxydes solides (SOFC) selon l'une des revendications 3 à 9, selon lequel : on alimente depuis les interconnecteurs (5.1, 5.2) des étages 5 électrochimiques, le combustible (EH2(1)), et on le distribue aux anodes des cellules, puis on récupère le surplus de combustible et l'eau produite (SH2(1)) en sortie des anodes, on alimente depuis les interconnecteurs (5.1, 5.2) des étages électrochimiques le comburant, tel que de l'air, (E(02)), et on le distribue aux cathodes des cellules, puis on récupère le surplus de comburant S(02)) en sortie des cathodes, 10 - on alimente depuis les interconnecteurs (5.2, 5.3) des étages de régulation thermique, un gaz caloporteur (EH2(2)) et on le distribue aux éléments de contact électrique (14), puis on le récupère en sortie des éléments (14).\n<CLM>\1\tProcédé de production d'électricité à haute température selon la revendication 12, le combustible étant l'hydrogène ou le méthane (CH4). 15\n<CLM>\1\tProcédé d'électrolyse à haute température de la vapeur d'eau H2O, ou de co-électrolyse de la vapeur d'eau H2O et du dioxyde de carbone CO2, selon l'une des revendications 10 ou 11, et procédé de production d'électricité à haute température selon l'une des revendications 13 ou 12, selon lequel l'alimentation du gaz combustible est reliée en série à celle du gaz caloporteur. 20\n<CLM>\1\tProcédé d'électrolyse à haute température de la vapeur d'eau H2O, ou de co-électrolyse de la vapeur d'eau H2O et du dioxyde de carbone CO2, selon l'une des revendications 10, 11, ou 14, et procédé de production d'électricité à haute température selon l'une des revendications 12, 13 ou 14, selon lequel l'alimentation du gaz combustible est en parallèle de celle du gaz caloporteur. 25\n<CLM>\1\tProcédé d'électrolyse à haute température de la vapeur d'eau H2O, ou de co-électrolyse de la vapeur d'eau H2O et du dioxyde de carbone CO2, selon l'une des revendications 10, 11 ou 14, et procédé de production d'électricité à haute température selon l'une des revendications 12, 13 ou 14, selon lequel l'alimentation du gaz combustible est à contre-courant de celle du gaz caloporteur. 30\n<CLM>\1\tProcédé d'électrolyse à haute température de la vapeur d'eau H2O, ou de co-électrolyse de la vapeur d'eau H2O et du dioxyde de carbone CO2, selon l'une des revendications 10, 11 ou 14 à 16, et procédé de production d'électricité à haute température selon l'une des revendications 12, 13 ou 14 à 16, selon lequel on met en 3038916 34 oeuvre une réaction chimique exothermique ou endothermique entre le gaz caloporteur et les éléments de contact électrique (14). 5