PROCEDES D' (DE CO) ELECTROLYSE DE L'EAU (SOEC) OU DE PRODUCTION D'ELECTRICITE A HAUTE TEMPERATURE A ECHANGEURS INTEGRES EN TANT QU'ETAGES D'UN EMPILEMENT DE REACTEUR

(EHT) OU D'UNE PILE A COMBUSTIBLE (SOFC)

Domaine technique

La présente invention concerne le domaine des piles à combustibles à oxydes solides (SOFC, acronyme anglais pour « Solid Oxide Fuel Cell ») et celui de l'électrolyse de l'eau à haute température (EHT, ou EVHT pour électrolyse de la vapeur d'eau à haute température, ou HTE acronyme anglais pour « High Température Electrolysis », ou encore HTSE acronyme anglais pour « High Température Steam Electrolysis ») également à oxydes solides (SOEC, acronyme anglais pour « Solid Oxide Electrolysis Cell »).

L'invention a trait plus particulièrement à de nouveaux procédés de fonctionnement d'un réacteur d'électrolyse de l'eau à haute température (EHT) de type SOEC pour produire de l'hydrogène H ₂ à partir de vapeur d'eau H ₂ 0 ou de co-électrolyse du dioxyde de carbone C0 ₂ et de l'eau H ₂ 0 pour produire du gaz de synthèse (mélange de CO et H ₂ ), ou d'une pile à combustible de type SOFC, à empilement de cellules électrochimiques élémentaires.

Bien que décrite en référence principalement à l'application d'électrolyse de l'eau à haute température, l'invention s'applique tout aussi bien à la co-électrolyse du dioxyde de carbone C0 ₂ et de l'eau H ₂ 0, ou à une pile à combustible SOFC alimentée en H ₂ ou en méthane C¾, en tant que combustible et en air ou oxygène 0 ₂ en tant que comburant.

Art antérieur

L'électrolyse de l'eau une réaction électrolytique qui décompose l'eau en dioxygène et dihydrogène gazeux avec l'aide d'un courant électrique selon la réaction:

H ₂ 0→H ₂ + ½ 0 ₂ .

Pour réaliser l'électrolyse de l'eau, il est avantageux de la réaliser à haute température typiquement entre 600 et 950°C, car une partie de l'énergie nécessaire à la réaction peut être apportée par la chaleur qui est moins chère que l'électricité et l'activation de la réaction est plus efficace à haute température et ne nécessite pas de catalyseur. Pour mettre en œuvre l'électrolyse à haute température, il est connu d'utiliser un électrolyseur de type SOEC (acronyme anglais de « Solid Oxyde Electrolyte Cell »), constitué d'un empilement de motifs élémentaires comportant chacun une cellule d'électrolyse à oxydes solides, 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. Les interconnecteurs ont pour fonction d'assurer à la fois le passage du courant électrique et la circulation des gaz au voisinage de chaque cellule (vapeur d'eau injectée, hydrogène et oxygène extraits dans un électrolyseur EHT ; air et hydrogène injectés et eau extraite dans une pile SOFC) et de séparer les compartiments anodiques et cathodiques qui sont les compartiments de circulation des gaz du côté respectivement des anodes et des cathodes des cellules. Pour réaliser l'électrolyse de la vapeur d ^' eau à haute température EHT, on injecte de la vapeur d'eau H ₂ 0 dans le compartiment cathodique. Sous l'effet du courant appliqué à la cellule, la dissociation des molécules d'eau sous forme vapeur est réalisée à l'interface entre l'électrode à hydrogène (cathode) et i'éiectrolyte: cette dissociation produit du gaz dihydrogène H 2 et des ions oxygène. Le dihydrogène est collecté et évacué en sortie de compartiment à vapeur d ^' eau, hydrogène. Les ions oxygène O migrent à travers i ^' éiectrolyte et se recombinent en dioxygène à l'interface entre I'éiectrolyte et l'électrode à oxygène (anode).

Comme schématisée en 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) 2,4 sont des conducteurs électroniques, en matériau poreux, et I'éiectrolyte 3 est étanche au gaz, isolant électronique et conducteur ionique. L'électrolyte peut être en particulier un conducteur anionique, plus précisément un conducteur anionique des ions O ^2" et l' électrolyseur est alors dénommé électrolyseur anionique.

Les réactions électrochimiques se font à l'interface entre chacun des conducteurs électroniques et le conducteur ionique.

A la cathode 2, la demi-réaction est la suivante :

2 H ₂ 0 + 4 e ^~ →2 H ₂ + 2 0 ^2~ .

A l'anode 4, la demi-réaction est la suivante:

2 0 ^2~ →0 ₂ + 4 e ^~ .

L'électrolyte 3 intercalé entre les deux électrodes 2, 4 est le lieu de migration des ions O ^2" ' sous l'effet du champ électrique créé par la différence de potentiel imposée entre l'anode 4 et la cathode 2.

Comme illustré entre parenthèses en figure 1, la vapeur d'eau en entrée de cathode peut être accompagnée d'hydrogène H ₂ et 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.

Un 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 connecteurs mono-polaires qui assurent les fonctions de distribution électrique, hydraulique et thermique.

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 dispositifs d'interconnexion, usuellement appelés interconnecteurs ou plaques d'interconnexion bipolaires. 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).

Un réacteur d'électrolyse ou électrolyseur de l'eau à haute température (EHT) 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.

Les dispositifs d'interconnexion fluidique et électrique qui sont des conducteurs électroniques, 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. Plus précisément, un interconnecteur assure le contact électrique par l'une de ses faces avec la cathode d'une cellule et par l'autre de ses faces avec l'anode de la cellule adjacente.

Ainsi, un 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.

Un 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.

La figure 2 représente une vue éclatée de modules élémentaires constituant les étages électrochimiques d'un électrolyseur de vapeur d'eau à haute température selon l'état de l'art. Cet électrolyseur EHT comporte une pluralité de cellules d'électrolyse élémentaires Cl, C2... de type à oxydes solides (SOEC) empilées alternativement avec des interconnecteurs 5. Chaque cellule Cl, C2... est constituée d ^' une cathode 2.1, 2.2,... et d'une anode 4.1, 4.2, entre lesquelles est disposé un éiectrolyte 3.1, 3.2.... L'ensemble des cellules d'électrolyse est alimenté en série par le courant électrique et en parallèle par les gaz.

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 Γ interconnecteur 5 et la cathode adjacente 2.1 et entre P interconnecteur 5 et l'anode adjacente 4.2 respectivement. 11 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. Le coiiectage de l'hydrogène produit et de la vapeur d'eau résiduelle à la cathode 2.1, 2.2 ... est effectué dans le compartiment cathodique 50 en aval de la cellule Cl, C2... après dissociation de la vapeur d'eau par celle-ci. Le coiiectage de l'oxygène produit à l'anode 4.2 est effectué dans le compartiment anodique 51 en aval de la cellule Cl, C2... après dissociation de la vapeur d'eau..

L' interconnecteur 5 assure le passage du courant entre les cellules Cl et C2 par contact direct avec les électrodes adjacentes, c'est-à-dire entre l'anode 4.2 et la cathode 2.1.

La figure 3 représente une vue éclatée de modules élémentaires constituant les étages éiectrochimiques d'une pile à combustible SOFC selon l'état de l'art : les mêmes motifs élémentaires que ceux de la figure 2 sont mis en oeuvre pour une pile à combustible SOFC avec des cellules de piles élémentaires Cl, C2 et les interconnecteurs 5. Les cathodes 2.1, 2.2...de l'électrolyseur EHT sont alors utilisées en tant qu'anodes en pile SOFC et les anodes 4.1, 4.2... de l'électrolyseur EHT sont quant à elles utilisées en cathodes en piles SOFC. Ainsi, en fonctionnement en pile SOFC, l'injection de l'air contenant l'oxygène dans chaque motif élémentaire se fait dans le compartiment cathodique SOFC 51. Le coiiectage de l'eau produit à l'anode SOFC est effectué dans le compartiment anodique SOFC 50 en aval de la cellule Cl, C2, après recombinaison de l'eau par celle-ci avec l'hydrogène H2 injecté à l'anode 2.2 dans chaque compartiment anodique en amont de la cellule Cl, C2. Le courant produit lors de l'oxydation de l'hydrogène en vapeur d'eau est collecté par les interconnecteurs 5.

Ainsi, dans une pile à combustible à oxydes solides SOFC, les cellules Cl, C2... et interconnecteurs 5 utilisés sont les mêmes composants, mais le fonctionnement est inverse de celui d'un éiectroiyseur F. HT tel qu'il vient d'être expliqué avec un sens du courant inversé, avec de l'air qui alimente les compartiments cathodiques SOFC et de l'hydrogène en tant que combustible qui alimente les compartiments anodiques SOFC.

Un fonctionnement satisfaisant d'un éiectroiyseur EHT ou d'une pile à combustible SOFC nécessite entre autres les fonctions essentielles suivantes:

AI une bonne isolation électrique entre deux interconnecteurs adjacents dans l'empilement, sous peine de court-circuiter la cellule électrochimique élémentaire intercalée entre les deux interconnecteurs,

B/ une bonne étanchéité entre les deux compartiments distincts, i.e. anodique et cathodique, sous peine de recombinaison des gaz produits entraînant une baisse de rendement et surtout l'apparition de points chauds endommageant Γ éiectroiyseur,

Cl une bonne distribution des gaz à la fois en entrée et en récupération des gaz produits, sous peine de perte de rendement, d'inhomogénéité de pression et de température au sein des différentes cellules élémentaires voire de dégradations rédhibitoires des cellules.

De plus, le point de fonctionnement retenu pour le réacteur d'électrolyse ou la pile SOFC fixe aussi les conditions thermiques dans l'empilement. En effet, pour les électrolyses réalisées à haute température, l'énergie Z\H nécessaire à la dissociation de la molécule d'entrée (H20 ou C02) peut être apportée sous forme électrique et/ou de chaleur. L'énergie thermique apportée Q se définit alors en fonction de la tension U aux bornes de chaque cellule d'électrolyse par la relation :

Q =— AH - U - I ,

2F

dans laquelle U est la tension électrique, I est le courant électrique et F est la constante de Faraday.

Ainsi, on définit trois régimes de fonctionnement pour l'électrolyse ou la co- électrolyse, correspondant à trois modes thermiques différents pour l'empilement de cellules:

- le mode dit autothermique dans lequel la tension imposée Ui _mp est égale à Z\H/2F. La chaleur consommée par la réaction de dissociation est complètement compensée par les différentes résistances électriques de Γ éiectroiyseur (irréversibilités). L' éiectroiyseur n'a pas besoin de gestion thermique particulière tout en restant stable en température. - le mode dit endothermique dans lequel la tension imposée Ui _mp est inférieure à AH/2F. L'électrolyseur consomme plus de chaleur que les pertes électriques en son sein. Cette chaleur nécessaire doit alors lui être apportée par un autre moyen, sous peine de voir sa température chuter irrémédiablement.

- le mode dit exothermique dans lequel la tension imposée Uimp est supérieure à AH I 2F. L'électrolyse consomme alors moins de chaleur que les pertes électriques par effet Joule. Ce dégagement de chaleur au sein de l'électrolyseur doit alors être évacué par un autre moyen, sous peine de voir sa température augmenter de manière rédhibitoire.

Le fonctionnement d'une pile alimentée en méthane CH ₄ nécessite quant à lui des précautions. En effet, la réaction de reformage interne, selon l'équation CH ₄ +FÎ ₂ 0→3FÎ ₂ +CO, catalysée par le cermet, en général en Nickel-zircone de l'anode SOFC alimentée en CH ₄ , est fortement endothermique, alors que la réaction d'oxydation de l'hydrogène au sein de la pile est fortement exothermique. Sans précaution particulière, cela nécessite de gérer de forts gradients thermiques dans l'empilement, entre l'entrée et la sortie des gaz, ces gradients thermiques importants pouvant être rédhibitoires car induisant de fortes contraintes mécaniques.

Ainsi, les réactions électrochimiques nécessaires au fonctionnement de ce type d'empilement en électrolyseur ou pile à combustible SOFC peuvent être réalisées dans diverses conditions électriques et thermiques, chacune ayant ses propres avantages et ses inconvénients.

En particulier, en mode endothermique pour l'électrolyse, on consomme moins d'électricité mais on produit moins d'hydrogène et il faut fournir de la chaleur à l'empilement. L'intérêt de ce point de fonctionnement réside dans la disponibilité d'une source de chaleur peu coûteuse. Tout dépend alors de la nature, de la température de cette source thermique et du design de Γ interconnecteur permettant de valoriser cette chaleur au mieux.

A contrario, le mode exothermique pour l'électrolyse comme pour la pile conduit à une production importante soit d'hydrogène soit d'électricité, mais il faut refroidir l'empilement, ce qui peut être difficile à réaliser. Seul un design adapté d' interconnecteur peut permettre le refroidissement. L'intérêt de ce mode exothermique dépend alors beaucoup du coût de l'électricité et de l'utilisation de la chaleur excédentaire.

Une contrainte importante est de gérer au mieux ces régimes de fonctionnement thermiques d'une pile à combustible (SOFC) ou d'un électrolyseur (EHT). En effet, quel que soit le mode considéré, les gradients thermiques au sein de l'empilement peuvent être très importants, ce qui génère des contraintes mécaniques élevées voire très élevées pouvant conduire jusqu'à la casse des cellules et/ou des joints. De plus, si on refroidit mal l'empilement, on peut atteindre des températures trop élevées notamment pour les joints d'étanchéité.

Or, les éléments internes à la pile SOFC ou à l'électrolyseur, notamment les cellules élémentaires, sont réalisés au moins en partie en céramique, ceux-ci sont donc très sensibles aux gradients de température et ne sont pas aptes à supporter ni un choc thermique, ni un gradient thermique trop important (quelques dizaines de degrés entre l'entrée et la sortie des gaz).

Par ailleurs, pour assurer la longévité de la pile ou de l'électrolyseur et son bon fonctionnement, il est préférable d'assurer une répartition de la température au sein du réacteur, la plus homogène possible. On recherche typiquement des températures ne variant pas plus de 10 à 20°C dans tout l'empilement.

Différentes stratégies de régulation/gestion thermique d'un empilement d'électrolyseur EHT ou de pile SOFC ont déjà été mises en œuvre.

Au préalable, il est important de préciser que les hautes températures de fonctionnement d'électrolyseur EHT ou de pile SOFC interdisent tout refroidissement au moyen d'un liquide comme c'est le cas pour des électrolyseurs et des piles à combustibles à membrane échangeuse de protons en tant qu'électrolyte (acronyme anglais PEM pour « Protons Exchange Membrane » ou pour « Polymer Electrolyte Membrane »).

Des solutions largement répandues pour le refroidissement des piles SOFC, consistent de manière alternative à :

-effectuer un re formage interne direct au sein de la pile, c'est-à-dire une conversion possible grâce à l'activité catalytique de l'anode, d'un mélange de méthane et d'eau suivant l'équation CH ₄ + H ₂ 0→3H ₂ + CO,

- baisser le taux d'utilisation en carburant,

- augmenter le débit d'air.

Les deux dernières solutions citées visent à évacuer la chaleur par les gaz, mais cela a un impact négatif direct sur le rendement de la pile.

Il est également connu de la demande de brevet WO 2009/040335 de faire circuler les gaz au sein même des plaques d'interconnexion qui jouent alors le rôle d'échangeur, cette solution ayant l'avantage de pourvoir être mise en œuvre à la fois pour un fonctionnement en pile SOFC et pour un électrolyseur.

Certains designs d'empilement prévoient de rajouter des tubes entre les plaques d'interconnexion de manière à faire circuler un gaz en vue d'évacuer les calories: on peut citer ici la demande de brevet WO2005/122302.

D'autres designs, comme décrit dans la demande de brevet US 2006/0105213, présentent des interconnecteurs avec ailettes dépassant vers l'extérieur de l'empilement afin d'assurer un échange thermique supplémentaire avec l'environnement extérieur.

Enfin, la faible épaisseur des tôles d'interconnexion limite les possibilités de refroidissement par rayonnement et conduit donc à épaissir certaines tôles, comme cela est par exemple décrit dans la demande de brevet WO2013/060869.

Cela permet d'augmenter l'échange thermique prépondérant par rayonnement et/ou de pouvoir faire circuler d'autres fluides au sein de ce type de plaque épaisse, comme décrit dans le brevet US 4574112, mais a un impact négatif important sur le coût de l'empilement tout comme pour les tubes entre plaques ou les ailettes d'échange rapportées.

Par ailleurs, un empilement de motifs élémentaires dans un électrolyseur EHT ou dans une pile SOFC présente aussi des conditions limites différentes d'un motif à l'autre adjacent. En particulier, les motifs élémentaires proches des extrémités de l'empilement peuvent échanger convenablement la chaleur avec l'environnement extérieur, ce qui permet de pouvoir gérer leur température dans une certaine mesure.

Par contre, les motifs élémentaires au centre de l'empilement n'ont pas d'échange thermique possible avec l'environnement extérieur. Pour ces motifs au centre de l'empilement, seuls les gaz apportés dans ces zones peuvent donc permettre de gérer la thermique.

Il existe donc un besoin d'améliorer les réacteurs d' électrolyse ou de co- électrolyse et les piles à combustible SOFC fonctionnant à haute température, notamment afin de limiter les gradients thermiques au sein de leur empilement en vue d'augmenter leur durée de vie, tout en réduisant le coût de réalisation de l'empilement, en particulier en s 'affranchissant de tout ajout de matière ou de pièces supplémentaires, telles que des plaques d'interconnexion épaisses et/ou de tubes et/ou d'ailettes rapportés.

Un but de l'invention est de répondre au moins en partie à ce besoin. Exposé de l'invention

Pour ce faire, l'invention concerne, sous une première alternative, un Réacteur d'électrolyse à haute température 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 de type à oxydes solides SOEC formée d'une cathode, d'une anode et d'un électrolyte intercalé entre la cathode et l'anode, et de deux interconnecteurs, adaptés chacun pour réaliser une interconnexion électrique et fluidique, agencés de part et d'autre de la cellule élémentaire,

- un groupe d'au moins un étage, dit étage(s) de régulation thermique constitué(s) d'au moins un élément de contact électrique laissant passer les gaz et de deux interconnecteurs, adaptés chacun pour réaliser une 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 ou un mélange de vapeur d'eau H ₂ 0 et de dioxyde de carbone C0 ₂ , un gaz drainant, tel que de l'air, et un gaz caloporteur,

•récupérer l'hydrogène H ₂ produit ou le gaz de synthèse (mélange de monoxyde de carbone CO et d'hydrogène H ₂ ) produit aux cathodes des cellules, l'oxygène 0 ₂ produit aux anodes des cellules et le cas échéant le gaz drainant, et le gaz caloporteur en sortie des éléments,

la partie des interconnecteurs dédiée aux étages électrochimiques étant en outre adaptés pour distribuer à la fois la vapeur d'eau ou le mélange de vapeur d'eau H ₂ 0 et de dioxyde de carbone C0 ₂ , aux cathodes des cellules, et le gaz drainant aux anodes des cellules,

tandis que la partie des interconnecteurs dédiée à (aux) l'étage(s) de régulation thermique sont adaptés pour distribuer uniquement le gaz caloporteur à l'(aux) élément(s) de contact électrique laissant passer les gaz.

L'invention concerne également, sous une deuxième alternative une pile à combustible à haute température (SOFC) 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 électrochimique élémentaire de type à oxydes solides SOFC formée d'une cathode, d'une anode et d'un électrolyte intercalé entre la cathode et l'anode, et de deux interconnecteurs, adaptés chacun pour réaliser une interconnexion électrique et fluidique, agencés de part et d'autre de la cellule élémentaire,

- un groupe d'au moins un étage, dit étage(s) de régulation thermique constitué(s) d'au moins un élément de contact électrique laissant passer les gaz et de deux interconnecteurs, adaptés chacun pour réaliser une 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, un combustible, un comburant, tel que de l'air, et un gaz caloporteur,

•récupérer le surplus de combustible et l'eau produite produit aux anodes des cellules, le surplus de comburant aux cathodes des cellules et, et le gaz caloporteur en sortie des éléments,

la partie des interconnecteurs dédiée aux étages électrochimiques étant en outre adaptés pour distribuer à la fois le combustible aux anodes des cellules, et le comburant aux anodes des cellules,

tandis que la partie des interconnecteurs dédiée à (aux) l'étage(s) de régulation thermique sont adaptés pour distribuer uniquement le gaz caloporteur à l'(aux) élément(s) de contact électrique laissant passer les gaz.

De préférence, l'élément de contact électrique laissant passer les gaz est une grille métallique. L'élément peut être aussi constitué de fils métalliques discrets, un substrat poreux conducteur électronique...

Selon un mode de réalisation avantageux, les interconnecteurs des étages électrochimiques consistent chacun en un dispositif constitué de trois tôles planes, allongées selon deux axes de symétrie orthogonaux entre eux, l'une des tôles d'extrémité étant destinée à venir en contact mécanique avec le plan d'une cathode d'une cellule élémentaire et l'autre des tôles d'extrémité étant destinée à venir en contact mécanique avec le plan d'une anode d'une cellule élémentaire adjacente, dispositif dans lequel : - les parties de la tôle centrale et d'une des tôles d'extrémité, dite première tôle d'extrémité sont non percées tandis que la partie centrale de l'autre tôle d'extrémité, dite deuxième tôle d'extrémité est percée,

- chacune des trois tôles planes est percée, à la périphérie de sa partie centrale, de six lumières, les premières à quatrième lumières de chaque tôle étant allongées sur une longueur correspondant à une partie de la longueur de la partie centrale 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 lumières 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, comporte en outre une septième et une huitième lumières agencées symétriquement de part et d'autre de l'axe X, à l'intérieur de ses premières à quatrième lumières, et allongées sur une longueur correspondant sensiblement à la longueur de la partie centrale selon l'axe X,

la deuxième des tôles d'extrémité, comporte en outre une septième et une huitième lumières agencées symétriquement de part et d'autre de l'axe Y à l'intérieur respectivement de sa cinquième et de sa sixième lumière, et allongées sur une longueur correspondant sensiblement la longueur de la partie centrale selon ledit axe Y, et,

les première, troisième, cinquième et sixième lumières de la tôle centrale sont élargies par rapport respectivement aux première, troisième, cinquième et sixième lumières de chaque tôle d'extrémité, tandis que les deuxième et quatrième lumière des trois tôles sont de dimensions sensiblement identiques entre elles,

toutes les lumières élargies de la tôle centrale comportent dans leur partie élargie, des languettes de tôles espacées les unes des autres en formant un peigne, chacune des fentes définie entre le bord d'une fente élargie et une languette ou entre deux languettes consécutives débouchant sur une des lumières intérieures de la première ou deuxième tôle d'extrémité,

les trois tôles sont stratifiées et assemblées entre elles telles que:

• les languettes de tôles forment des entretoises d'espacement entre première et deuxième tôles d'extrémité respectivement entre les première et septième lumières de la première tôle d'extrémité, entre les troisième et huitième lumières de la première tôle d'extrémité, entre les cinquième et septième lumières de la deuxième tôle d'extrémité, et entre les sixième et huitième lumières de la deuxième tôle d'extrémité, • chacune des première à sixième lumières de l'une des trois tôles est en communication fluidique individuellement respectivement avec l'une des première à sixième lumières correspondantes des deux autres tôles,

• la première ou alternativement la deuxième lumière de la première tôle d'extrémité est en communication fluidique avec la septième lumière de la première tôle d'extrémité par le biais des fentes la première lumière élargie de la tôle centrale,

• la troisième ou alternativement la quatrième lumière de la première tôle d'extrémité est en communication fluidique avec la huitième lumière de la première tôle d'extrémité par le biais des fentes de la troisième lumière élargie de la tôle centrale,

• la cinquième et la septième lumières de la deuxième tôle d'extrémité sont en communication fluidique par le biais des fentes de la cinquième lumière élargie de la tôle centrale,

• la sixième et la huitième lumières de la deuxième tôle d'extrémité sont en communication fluidique par le biais des fentes de la sixième lumière élargie de la tôle centrale.

Selon ce mode, au moins un des deux interconnecteurs des étages de régulation thermique est constitué du même dispositif que les interconnecteurs des étages électrochimiques, mais ne comportent pas les septièmes et huitièmes lumières de la deuxième tôle d'extrémité.

Avantageusement, les deux interconnecteurs d'un même étage électrochimique sont constitués chacun à partir de trois tôles planes identiques mais avec la tôle centrale de l'un des interconnecteurs retournée dessus/dessous par rapport à la tôle centrale de l'autre des interconnecteurs.

Selon une variante avantageuse, on peut prévoir un nombre d'étages de régulation thermique différent du nombre d'étages électrochimiques.

On peut aussi prévoir un nombre d'étages de régulation thermique supérieur au centre de l'empilement que sur les extrémités de l'empilement.

Selon une caractéristique avantageuse, aucun étage de régulation thermique n'est visible depuis l'extérieur de l'empilement.

Ainsi, l'invention consiste essentiellement à créer un circuit d'un gaz caloporteur dédié à la régulation/gestion thermique de l'empilement d'un réacteur EHT ou d'une pile à combustible SOFC en supprimant certaines cellules à certaines zones de l'empilement pour les remplacer par des éléments de contact électrique qui peuvent laisser passer le gaz caloporteur.

Autrement dit, on crée un nouveau type d'empilement dans un réacteur EHT ou une pile à combustible SOFC dans lequel on conserve la plupart des étages électrochimiques usuels dédiés soit à l'(la) (co-) électrolyse de la vapeur d'eau soit à la production d'électricité par la pile, et on leur adjoint des étages à fonction de régulation thermique en lieu et place d'étages électrochimiques afin de réguler la thermique des réactions dans ces zones.

Comparativement aux solutions de régulation thermique selon l'état de l'art, l'invention permet de ne pas à avoir à réaliser des interconnecteurs spécifiques avec des rajouts de tubes ou avec des surépaisseurs de plaques ou encore avec des ailettes de refroidissement en contact avec l'extérieur.

En particulier, dans le mode de réalisation avantageux d'interconnecteurs à trois tôles planes stratifiées et assemblées entre elles, il suffit :

- dans les interconnecteurs dédiés aux étages électrochimiques de retourner dessus/dessous la tôle centrale d'un interconnecteur par rapport à celle d'un interconnecteur adjacent ;

- dans les interconnecteurs dédiés aux étages de régulation thermique, de supprimer les lumières d'alimentation et de récupération soit en gaz drainant, soit en comburant. On obtient ainsi à moindre coût un empilement dont tous les interconnecteurs sont réalisés avec le même design de trois tôles planes

Ainsi, il est possible de réaliser tous les interconnecteurs, qu'ils soient dédiés aux étages électrochimiques ou à ceux de régulation thermique, sur le même outil de production et avec les mêmes gammes de fabrication. Autrement dit, les étages de régulation thermique selon l'invention sont réalisés avec le même outil de fabrication, d'assemblage et de montage que dans un empilement n'intégrant pas ces étages.

Avantageusement, le gaz caloporteur peut être soit le combustible, telle que la vapeur d'eau en mode de fonctionnement d' (de co-) électrolyse, soit le gaz drainant ou le comburant en mode de fonctionnement de pile SOFC. Pour les deux modes de fonctionnement, SOFC ou SOEC, on prévoit de fait de choisir un matériau poreux du contact électrique qui tienne compte de la nature oxydante ou réductrice de l'atmosphère du gaz caloporteur. On peut alors réaliser une alimentation/récupération du gaz caloporteur à la fois pour un groupe d'étages électrochimiques et pour un groupe d'étages de régulation thermique adjacents aux étages électrochimiques, soit en parallèle en maintenant les clarinettes séparées l'une de l'autre, soit en série en les reliant l'une à l'autre à l'extérieur de l'empilement.

L'invention ne modifie pas la réversibilité d'un réacteur à empilement qui peut être utilisé aussi bien en tant que réacteur d'électrolyse ou co- électrolyse qu'en tant que pile SOFC avec comme combustible de l'hydrogène, ou du méthane.

En résumé, les réacteurs EHT, piles à combustible SOFC et leurs procédés de fonctionnement selon l'invention présentent de nombreuses caractéristiques et avantages, parmi lesquels on peut citer:

- régulation/gestion de la thermique d'un empilement puisque pouvant être ciblée dans les zones de réaction quasi adiabatiques au centre de l'empilement,

- couplage en série du gaz caloporteur avec le gaz d'alimentation H ₂ /H ₂ 0 des cellules pour préchauffer ou refroidir les étages électrochimiques,

- modifications du design au niveau des étages de régulation thermique à moindre coût puisque ces modifications consistent en le remplacement de cellules à oxydes solides par des éléments de contacts électrique, tels que des grilles métalliques, et en ce qui concerne les interconnecteurs dédiés uniquement au non perçage de lumières d'alimentation et de récupération de gaz comburant et donc par-là l'absence de contraintes de réalisation d' interconnecteurs à plaques épaisses, ou avec tubes de circulation de gaz caloporteur spécifiques,

- réalisations de l'ensemble des interconnecteurs moins coûteuses comparativement à celles des solutions selon l'état de l'art, car les moyens de fabrication, la gamme de fabrication et de montage sont identiques pour tous les interconnecteurs à tôles planes stratifiées et assemblées.

L'invention a également pour objet un procédé d'électrolyse à haute température de la vapeur d'eau H ₂ 0, ou de co-électrolyse de la vapeur d'eau H ₂ 0 et du dioxyde de carbone C0 ₂ , mis en œuvre dans un réacteur selon une décrit précédemment selon lequel:

- on alimente, depuis les interconnecteurs des étages électrochimiques, la vapeur d'eau (EH ₂ (1)) ou un mélange de vapeur d'eau H ₂ 0 et de dioxyde de carbone C0 ₂ , en tant que combustible, et on la (le) distribue aux cathodes des cellules, puis on récupère l'hydrogène H ₂ produit (SH ₂ (1)) ou le gaz de synthèse (mélange de monoxyde de carbone CO et d'hydrogène H ₂ ) en sortie des cathodes,

- on alimente, depuis les interconnecteurs 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 0 ₂ produit et le cas échéant le gaz drainant (S(02)) en sortie des anodes,

- on alimente, depuis les interconnecteurs des étages de régulation thermique, un gaz caloporteur (EH ₂ (2)) et on le distribue aux éléments de contact électrique, puis on le récupère en sortie des éléments.

Selon une variante avantageuse, le gaz caloporteur (EH ₂ (2)) est le combustible (vapeur d'eau H ₂ 0, ou mélange de vapeur d'eau H ₂ 0 et d'hydrogène H ₂ , ou mélange de vapeur d'eau H ₂ 0 et de dioxyde de carbone C0 ₂ ) ou le gaz drainant, tel que de l'air, (E(02)).

L'invention a encore pour objet un procédé de production d'électricité à haute température, mis en œuvre dans une pile à combustible à oxydes solides (SOFC) décrite précédemment, selon lequel :

- on alimente depuis les interconnecteurs des étages électrochimiques, le combustible (EH ₂ (1)), et on le distribue aux anodes des cellules, puis on récupère le surplus de combustible et l'eau produite (SH ₂ (1)) en sortie des anodes,

- on alimente depuis les interconnecteurs 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,

- on alimente depuis les interconnecteurs des étages de régulation thermique, un gaz caloporteur (EH ₂ (2)) et on le distribue aux éléments de contact électrique, puis on le récupère en sortie des éléments.

Le combustible est de préférence l'hydrogène ou le méthane (CH ₄ ). Avantageusement, l'alimentation du gaz combustible est reliée en série à celle du gaz caloporteur.

Selon une variante, l'alimentation du gaz combustible peut être en parallèle (« coflow » en anglais) de celle du gaz caloporteur.

De manière alternative, l'alimentation du gaz combustible est à contre-courant (« counterflow » en anglais) de celle du gaz caloporteur. Avantageusement, on peut mettre en œuvre une réaction chimique exothermique ou endothermique entre le gaz caloporteur et les éléments de contact électrique.

Par «cellule à cathode support », on entend ici et dans le cadre de l'invention la définition déjà donnée dans le domaine de l'électrolyse de l'eau à haute température EHT et désignée sous l'acronyme anglais CSC pour « Cathode-supported Cell », c'est-à- dire une cellule dans laquelle l'électrolyte et l'électrode à oxygène (anode) sont disposées sur l'électrode à hydrogène ou à monoxyde de carbone (cathode) plus épaisse qui sert donc de support.

Description détaillée

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d'exemples de mise en œuvre de l'invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes parmi lesquelles :

- la figure 1 est une vue schématique montrant le principe de fonctionnement d'un électrolyseur d'eau à haute température;

- la figure 2 est une vue schématique en éclaté d'une partie d'un électrolyseur de vapeur d ^' eau à haute température comprenant des interconnecteurs selon l'état de l'art,

- la figure 3 est une vue schématique en éclaté d'une partie d'une pile à combustible SOFC à haute température comprenant des interconnecteurs selon l'état de l'art,

- la figure 4 en coupe d'un réacteur d'électrolyse mettant en œuvre un procédé d'électrolyse à haute température selon un mode de l'invention,

- la figure 5 est une vue en éclaté d'une partie d ^' un réacteur d'électrolyse selon l ^' invention avec un étage d ^' électrolyse adjacent à un étage de régulation thermique,

- les figures 6A et 6B sont des vues en éclaté d'un interconnecteur d'un étage d'électrolyse selon l'invention qui permet une alimentation/récupération de la vapeur d'eau et de l'hydrogène produit, et une alimentation/récupération du gaz caloporteur les figures montrant l'alimentation, la distribution et la récupération de la vapeur d'eau et de l'hydrogène produit en figure 6A et gaz caloporteur en figure 6B,

-la figure 6C est une vue en éclaté de Γ interconnecteur selon les figures 6A et

6B, montrant l'alimentation, la distribution et la récupération du gaz drainant et de l'oxygène produit, - la figure 7 A est une vue de face d'une tôle d'extrémité d'un interconnecteur selon la figure 6A, montrant l'alimentation, la distribution et la récupération de la vapeur d'eau et de l'hydrogène produit,

- la figure 7B est une vue de face d'une tôle d'extrémité d'un interconnecteur selon la figure 6B, montrant l'alimentation, la distribution et la récupération du gaz caloporteur selon l'invention,

- la figure 7C est une vue de face d'une tôle d'extrémité d'un interconnecteur selon la figure 6 A ou 6B, montrant l'alimentation, la distribution et la récupération du gaz drainant et de l'oxygène produit,

- la figure 7D est une vue en perspective d'un interconnecteur selon la figure

6A ou 6B,

- la figure 8 est une vue en éclaté d'un interconnecteur d'un étage de régulation thermique selon l'invention, cette figure montrant l'absence de lumière pour l'alimentation, la distribution et récupération du gaz drainant et de l'oxygène au niveau de Γ étage de régulation thermique,

- les figures 9A et 9B sont des vues de détail d'une partie d'un interconnecteur selon l'invention.

On précise ici que sur l'ensemble des figures 1 à 8, les symboles et les flèches d'alimentation d'une part de vapeur d'eau H ₂ 0, de distribution et de récupération de dihydrogène H.> et d'oxygène ().; et du courant sont montrés à des fins de clarté et de précision, pour illustrer le fonctionnement d'un réacteur d'électroiyse de vapeur d'eau selon l'état de l'art et d ^' un réacteur d'électroiyse de vapeur d ^' eau selon l ^' invention.

On précise également que tous les électrolyseurs décrits sont de type à oxydes solides (SOEC, acronyme anglais de « Solid Oxyde Electrosis Cell ») fonctionnant à haute température. Ainsi, tous les constituants (anode/électrolyte/cathode) d'une cellule d'électroiyse sont des céramiques. La haute température de fonctionnement d'un électrolyseur (réacteur d'électroiyse) est typiquement comprise entre 600°C et 950°C.

Typiquement, les caractéristiques d'une cellule d'électroiyse élémentaire SOEC convenant à l'invention, du type cathode support (CSC), peuvent être celles indiquées comme suit dans le tableau ci-dessous. TABLEAU

Les figures 1 à 3 ont déjà été décrites en détail en préambule. Elles ne le sont donc pas ci-après.

Par convention, et afin de faciliter la lecture des circulations des gaz sur les différentes figures, on utilise les symboles suivants : - F.H;( 1 ) : désigne la circulation à travers l'empilement de la vapeur d'eau en tant que « combustible » alimentant les cellules d ^' électrolyse Cl, C2 ;

- SH ₂ (1) : désigne la circulation à travers l ^' empilement de l'hydrogène produit par les cellules d ^' électrolyse Cl, C2 ;

- EH (2 ) : désigne la circulation à travers l ^' empilement du gaz caloporteur alimentant les étages de régulation thermique ;

- S¾(2) : désigne la circulation à travers l'empilement du gaz caloporteur en sortie des étages de régulation thermique ;

-Ε(0>): désigne la circulation à travers l ^' empilement du gaz drainant alimentant les cellules d'électrolyse Cl, C2 ;

-S(0.<) : désigne la circulation à travers l ^' empilement de l'oxygène produit aux cellules d'électrolyse Cl, C2.

Pour améliorer la gestion des fonctionnements thermiques du réacteur d'électrolyse des étages électrochimiques, plus particulièrement ceux du centre de l ^' empilement qui n'ont pas d'échange possible avec l ^' env ironnement extérieur, les inventeurs ont pensé judicieusement à intégrer des étages de régulation thermique au sein de l'empilement en mettant en œuvre des interconnecteurs à tôles planes très peu modifiés dans leur structure par rapport à ceux dédiés aux étages éiectrochimiques et en agençant des éléments de contact électrique laissant passer les gaz en lieu et place des cellules d'électrolyse.

Ainsi, comme illustré en figure 4, on réalise simultanément les étapes suivantes au sein de l'empilement selon l'invention:

- on alimente, depuis les interconnecteurs 5.1 , 5.2 des étages électrochimiques, la vapeur d'eau EH ₂ (1) en tant que combustible, et on la distribue aux cathodes des cellules d'électrolyse Cl, C2, puis on récupère l'hydrogène H ₂ produit SH ₂ (1) en sortie des cathodes 2.1, 2.2,

- on alimente, depuis les interconnecteurs 5.1, 5.2 des étages électrochimiques, un gaz drainant, tel que de l'air, E(0 ₂ ), et on le distribue aux anodes 4.1, 4.2 des cellules, puis on récupère l'oxygène 0 ₂ produit et le cas échéant le gaz drainant S(0 ₂ ) en sortie des anodes,

- on alimente, depuis les interconnecteurs 5.2, 5.3 des étages de régulation thermique, un gaz caloporteur EH ₂ (2) et on le distribue aux éléments de contact électrique 14, puis on le récupère en sortie de ces éléments 14 SH ₂ (2). Ainsi, selon l'invention, on conserve la plupart des étages électrochimiques usuels d'un empilement de réacteur EHT, qui sont dédiés à l'électrolyse de la vapeur d'eau, et on leur adjoint des étages à fonction de régulation thermique en lieu et place d'étages électrochimiques afin de réguler la thermique des réactions dans ces zones.

Selon l'invention, on prévoit que le circuit des étages de régulation thermique soit balayé par un gaz caloporteur suffisamment réducteur pour éviter l'oxydation des éléments de contact 14. Ainsi, le caloporteur peut être avantageusement un mélange de vapeur d'eau et d'hydrogène. Dans ce cas, l'hydrogène est présent à au moins 10% afin d'éviter l'oxydation des éléments de contact 14, notamment sous la forme d'une grille en nickel.

On a représenté de manière schématique en figure 5, une partie d ^' un électrolyseur haute température à oxydes solides (SOEC) selon l'invention.

Cet électrolyseur réacteur d'électrolyse comporte un empilement alterné d'une cellule d'électrolyse élémentaire de type SOEC (Cl) 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 d'une grille métallique 14.

Cette grille métallique assure la continuité électrique en série au travers de l'étage de régulation thermique.

L'étage électrochimique comprend deux interconnecteurs électrique et fluidique 5.1, 5.2 agencés de part et d'autre de la cellule élémentaire Cl avec la cathode en contact électrique avec la face inférieure de Γ interconnecteur du dessus 5.1 et l'anode en contact électrique avec la face supérieure de Γ interconnecteur du dessous 5.2.

L'étage de régulation thermique comprend également deux interconnecteurs électrique et fluidique 5.2, 5.3 dont celui de dessus 5.2 est commun avec l'étage électrochimique. Les deux interconnecteurs 5.2, 5.3 sont agencés de part et d'autre de la grille métallique 14.

Comme montré en figure 5, on prévoit en outre des cadres d'isolation et d'étanchéité 9 permettant d'assurer l'isolation électrique entre interconnecteurs 5.1 et 5.2 d'une part et entre interconnecteurs 5.2, 5.3 d'autre part. Il est à noter qu'entre les deux interconnecteurs 5.2 et 5.3 le cadre 9 sert avant tout à réaliser l'étanchéité, l'isolation électrique n'étant pas requise sur l'étage dédié à la gestion thermique.

Chaque cadre 9 est percé de lumières 99 adaptées pour loger des tirants de fixation de l'empilement, ainsi que des joints 10 prévus pour réaliser l'étanchéité autour des lumières d'alimentation des gaz H ₂ 0, Air et de récupération des gaz produits H ₂ , 0 ₂ avec Air, ainsi qu'autour des clarinettes dédiées au gaz caloporteur

Une couche de contact 11, telle qu'une grille métallique en nickel, permet d'assurer le contact entre la cathode de la cellule Cl et Γ interconnecteur 5.1 du dessus.

Un autre joint 12 est en outre prévu à la périphérie de l'anode de la cellule pour assurer l'étanchéité de l'oxygène produit.

L'ensemble de l'empilement comprenant la cellule d'électrolyse Cl et la grille métallique 11 de passage du gaz caloporteur est traversé par le même courant électrique.

Dans le réacteur selon l'invention, tous les compartiments cathodiques 50 des étages électrochimiques dans lesquels circulent la vapeur d'eau alimentée H ₂ 0 et l'hydrogène produit H ₂ communiquent entre eux.

De même, tous les étages de régulation thermique dans lesquels circule le gaz caloporteur, communiquent en eux.

Selon l'invention, un interconnecteur 5.3 dédié à un étage de régulation thermique est différent d'un interconnecteur 5.1 dédié à un étage électrochimique afin de pouvoir réaliser uniquement une alimentation en gaz caloporteur, sans introduction de comburant, au niveau d'une grille métallique 14.

Les figures 6 A à 6C montrent chacune en éclaté un interconnecteur 5.1 ou 5.2 d'un étage électrochimique selon l'invention permettant d'assurer à la fois :

- l'alimentation de vapeur d'eau H ₂ 0 en tant que « combustible », la circulation de la vapeur d'eau et de l'hydrogène produit à la cellule Cl, la récupération de l'hydrogène produit, ainsi que l'alimentation et la récupération de l'oxygène 0 ₂ produit au sein de l'empilement d'un réacteur d'électrolyse,

- l'alimentation en gaz caloporteur, la circulation de ce gaz caloporteur au niveau d'une grille métallique 14 ainsi que sa récupération ayant circulé sur une grille métallique 14 au sein de l'empilement d'un réacteur d'électrolyse.

Chaque interconnecteur 5.1, 5.2 dédié à un étage électrochimique permet d'assurer une circulation du gaz (H ₂ 0/H ₂ ) aux cathodes des cellules à courant croisé à 90° avec la circulation du gaz récupéré (02) et le gaz drainant à l'anode des cellules.

L 'interconnecteur 5.1 ou 5.2 est constitué de trois tôles planes 6, 7, 8 allongées selon deux axes de symétrie (X, Y) orthogonaux entre eux, les tôles planes étant stratifiées et assemblées entre elles par soudure. Une tôle centrale 7 est intercalée entre une première 6 et une deuxième 8 tôles d'extrémité. La première 6 tôle d'extrémité est destinée à venir en contact mécanique avec le plan d'une cathode 2.1 de la cellule Cl d'électrolyse élémentaire et la tôle centrale 7 est destinée à venir en contact mécanique avec le plan d'une anode 4.1 d'une cellule d'électrolyse élémentaire adjacente, chacune des deux cellules d'électrolyse élémentaires adjacentes (Cl, C2) de type SOEC étant 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.

Chacune des trois tôles planes 6, 7, 8 comporte une partie centrale 60, 70, 80.

Les parties centrales 60, 70 de la tôle centrale 7 et de la première tôle d'extrémité 6 sont non percée tandis que celle 80 de la deuxième tôle d'extrémité 80 est percée.

Chaque tôle 6, 7, 8 est percée, à la périphérie de sa partie centrale, de six lumières 61, 62, 63, 64, 65, 66 ; 71, 72, 73, 74, 75, 66 ; 81 , 82, 83, 84, 85, 86.

Les premières 61, 71, 81 à quatrième 64, 74, 84 lumières de chaque tôle sont allongées sur une longueur correspondant à une partie de la longueur de la partie centrale 60, 70, 80 selon l'un des axes X des tôles et sont réparties deux à deux de part et d'autre dudit axe X.

La cinquième 65, 75, 85 lumière est allongée sur une longueur correspondant sensiblement à la longueur de la partie centrale 60, 70, 80 selon l'autre des axes Y.

La sixième 66, 76, 86 lumière est allongée sur une longueur correspondant sensiblement à la longueur de la partie centrale 60, 70, 80 selon l'autre des axes Y.

La première 6 tôle d'extrémité comporte en outre une septième 67 et huitième 68 lumières agencées symétriquement de part et d'autre de l'axe X, à l'intérieur de ses premières à quatrième lumières 61 à 64, et sont allongées sur une longueur correspondant sensiblement à la longueur de la partie centrale selon l'axe X.

La deuxième 8 tôle d'extrémité comporte en outre une septième 87 lumière et huitième 88 lumière agencées symétriquement de part et d'autre de l'axe Y, à l'intérieur respectivement de sa cinquième 85 lumière et sa sixième lumière 86, et allongée sur une longueur correspondant sensiblement la longueur de la partie centrale selon ledit axe Y.

Comme visible sur la figure 6 A, les première 71, troisième 73, cinquième 75 et sixième 76 lumières de la tôle centrale 7 sont élargies par rapport respectivement aux première 61, 81, troisième 63, 83, cinquième 65, 85 et sixième 66, 86 lumières de chaque tôle d'extrémité 6, 8. Les deuxième 62, 72, 82 et quatrième 64, 74, 84 lumières des trois tôles sont de dimensions sensiblement identiques entre elles.

La stratification et l'assemblage des trois tôles 6, 7, 8 entre elles sont réalisées telles que:

«chacune des première à sixième 61 à 66 lumières de l'une des trois tôles est en communication fluidique individuellement respectivement avec l'une des première à sixième 71 à 76 et 81 à 86 lumières correspondantes des deux autres tôles 7, 8.

•la première lumière 61 de la première 6 tôle d'extrémité est en communication fluidique avec la septième lumière 67 de la première 6 tôle d'extrémité par le biais de la première lumière 71 de la tôle centrale 7,

•la troisième lumière 63 de la première 6 tôle d'extrémité est en communication fluidique avec la huitième lumière 68 de la première 6 tôle d'extrémité par le biais de la troisième lumière 73 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 de la cinquième 75 lumière 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 de la sixième 76 lumière de la tôle centrale 7.

Les figures 9A et 9B montrent en détail la réalisation du peigne formé par les languettes de tôle 710 au niveau de la fente élargie 71 de la tôle centrale et son agencement entre les deux tôles d'extrémité 6, 8 afin de permettre l'alimentation d'une cellule d'électrolyse, ici en vapeur d'eau H ₂ 0 ou d'une grille métallique 14 au niveau d'un étage de régulation thermique comme détaillé par la suite. Ainsi, le peigne formé 710, 71 1 permet à la vapeur d'eau de passer de la clarinette d'alimentation 61 , 71, 81 à la fente de distribution 67 en passant dans l'espace entre les deux tôles d'extrémité 6, 8. L'épaisseur de la tôle 7 centrale au niveau de ce peigne 710, 711 lui confère une fonction d' entretoise et garantit ainsi la hauteur du passage pour la vapeur d'eau dans l'espace inter-tôles d'extrémité 6, 8. Un tel passage des gaz selon l'invention par l'intérieur de l'interconnecteur 5.1 a pour avantage de libérer une surface plane pour la réalisation des étanchéités. En outre, on obtient grâce à ces formes de peignes pour les fentes élargies 71, 75 une distribution homogène de chaque gaz (H ₂ 0, Air) sur chaque cellule d'électrolyse et sur chaque grille métallique de l'étage thermique, et grâce à ces formes de peigne pour les fentes élargies 73, 76 une récupération du gaz produit (H ₂ , 0 ₂ ) ou du gaz caloporteur. Ces distributions ou récupérations homogènes ou autrement dit uniformes en débit sont montrée sur les différentes figures 6 A à 8, sous la forme de petites flèches espacées les unes des autres.

Pour réaliser Γ interconnecteur 5.2 représenté en figure 6B qui permet à la fois d'amener le gaz drainant au niveau de la cellule Cl et le gaz caloporteur au niveau de la grille métallique 14, on utilise les mêmes trois tôles planes 6, 7, 8 que celles utilisées pour la réalisation de Γ interconnecteur 5.1 mais en procédant uniquement à un retournement de la tôle centrale 7 dessus-dessous avant sa stratification et l'assemblage avec les deux tôles d'extrémité 6, 8.

Ainsi, dans Γ interconnecteur 5.2, les trois tôles 6, 7, 8 sont stratifiées et assemblées entre elles telles que:

•chacune des première à sixième 61 à 66 lumières de l'une des trois tôles est en communication fluidique individuellement respectivement avec l'une des première à sixième 71 à 76 et 81 à 86 lumières correspondantes des deux autres tôles 7, 8,

•la deuxième lumière 62 de la première 6 tôle d'extrémité est en communication fluidique avec la septième 67 lumière de la première 6 tôle d'extrémité par le biais de la troisième 73 lumière de la tôle centrale 7,

•la quatrième lumière 64 de la première 6 tôle d'extrémité est en communication fluidique avec la huitième 68 lumière de la première 6 tôle d'extrémité par le biais de la première 71 lumière 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 de la cinquième 75 lumière 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 de la sixième 76 lumière de la tôle centrale 7.

Pour réaliser Γ interconnecteur 5.3 représenté en figure 8 qui permet de ne pas amener de gaz drainant ou oxygène ni récupérer de gaz comburant au niveau de la grille métallique 14, on utilise les mêmes trois tôles planes 6, 7, 8 que celles utilisées pour la réalisation des interconnecteurs 5.1 et 5.2 en conservant l'ensemble des lumières dédiées à Γ alimentation/récupération des gaz à l'exception des lumières 87, 88 qui sont supprimées. Autrement dit, on crée un interconnecteur 5.3 dédié à un étage de régulation thermique en partant exactement des mêmes tôles planes 6, 7, 8 constitutives des interconnecteurs 5.1, 5.2 dédiés à un étage électrochimique et en supprimant les uniquement les lumières 87, 88 ou fentes dédiées usuellement à la fonction d'alimentation en gaz drainant et de récupération de Γ oxygène 0 ₂ produit.

Ainsi, selon l'invention, à l'aide d'un interconnecteur identique dans sa structure à tôles planes stratifiées et assemblées et dans ses épaisseurs et formes à ceux dédiés aux étages électrochimiques, on réalise un étage dédié à la régulation thermique.

Grâce à l'invention, on obtient ainsi un empilement alterné d'étages de régulation thermique et d'étages électrochimiques dont la régulation thermique en particulier au centre de l'empilement est très efficace et dont le coût de réalisation est moindre par rapport aux solutions selon l'état de l'art puisque tous les interconnecteurs 5.1, 5.2, 5.3 sont réalisés avec les mêmes tôles planes 6, 7, 8 et donc selon les mêmes gammes de fabrication et certaines cellules d'électrolyse sont remplacées par des grilles métalliques qui assurent la continuité électrique au travers de l'empilement.

On décrit maintenant en référence aux figures 6 A à 8, le procédé de fonctionnement d'un réacteur d'électrolyse selon l'invention tel qu'il vient d'être décrit:

On alimente les premières 61, 71, 81 lumières en vapeur d'eau EH2(1) des interconnecteurs 5.1 à 5.3 et simultanément les deuxièmes 62, 72, 82 lumières de l'interconnecteur 5.1 à 5.3 en gaz caloporteur EH2(2).

Le gaz caloporteur EH2(2) traverse l'interconnecteur 5.1 sans être distribué à la cathode 2.1 de la cellule Cl . Elle alimente les lumières 62, 73, et 82 de l'interconnecteur 5.2.

De même, la vapeur d'eau EH2(1) traverse l'interconnecteur 5.2 sans être distribuée sur la grille métallique 14.

Le parcours au sein d'un interconnecteur 5.1, de la vapeur d'eau injectée et de l'hydrogène produit est schématisé en figures 6A et 7A.

Le parcours au sein d'un interconnecteur 5.2 du gaz caloporteur au sein d'un interconnecteur 5.2 est schématisé en figures 6B et 7B.

En outre, on alimente les cinquième 65, 75, 85 lumière des trois tôles 8 de chaque interconnecteur 5.1, 5.2, 5.3 par un gaz drainant E(0 ₂ ), tel que de l'air.

Le parcours de l'air en tant que gaz drainant injecté et de l'oxygène produit au sein d'un interconnecteur 5.1 ou 5.2 est schématisé en figure 6C. Du fait de l'absence des lumières 87, 88 au sein de Γ interconnecteur 5.3, le gaz drainant n'est pas distribué/récupéré sur la grille métallique 14.

On récupère ainsi l'hydrogène produit SH2(1) par Pélectrolyse de la vapeur d'eau au niveau de la cellule Cl, dans les troisièmes 63, 73, 83 lumières de l'interconnecteur 5.1.

On récupère de manière séparée le gaz caloporteur SH2(2) ayant circulé à des fins de gestion thermique au niveau de la grille métallique 14, dans les quatrième 64, 84 lumières des tôles d'extrémité et la première lumière 71 de l'interconnecteur 5.2.

Simultanément, on récupère l'oxygène 0 ₂ produit S(0 ₂ ) dans les sixième 66, 76, 86 lumières des trois tôles 8 de chaque interconnecteur 5.1, 5.2.

L'alimentation de la vapeur d'eau et la récupération de l'hydrogène produit ainsi que l'alimentation en gaz drainant et la récupération en oxygène produit montrées aux figures 6A à 6C constitue une circulation en co-courant de combustible/gaz caloporteur d'une cellule Cl par rapport à la grille métallique 14 adjacente, et à courant croisés avec la circulation de gaz drainant/oxygène produit commune.

Avec les deux types d' interconnecteurs 5.1, 5.2 on peut aussi réaliser en tant que variante, une circulation à contre-courant de combustible/gaz caloporteur d'une cellule Cl par rapport à la grille métallique 14 adjacente, et à courant croisés avec la circulation de gaz drainant/oxygène produit.

Les trois tôles planes 6, 7, 8 constituant chaque interconnecteur 5.1, 5.2, 5.3 selon l'invention sont des tôles minces métalliques planes, percées et assemblées entre elles par soudures. De préférence, les tôles minces sont des tôles d'épaisseur inférieure à 3mm, typiquement de l'ordre de 0,2 mm. Toutes les soudures entre tôles réalisées à la fabrication, en dehors de tout fonctionnement de l'électrolyseur peuvent être réalisées avantageusement selon une technique de laser par transparence, ce qui est possible du fait de la faible épaisseur des tôles minces, typiquement de l'ordre de 0,2 mm.

Toutes les tôles sont avantageusement en acier ferritique avec de l'ordre de 20% de chrome, de préférence en CROFER® 22APU ou le FT18TNb, à base Nickel de type Inconel® 600 ou Haynes® dans des épaisseurs typiquement comprises entre 0,1 et 1 mm.

L'assemblage par lignes de soudures ls autour des lumières entre tôles planes 6, 7, 8 garantit une bonne étanchéité lors du fonctionnement de l'électrolyseur entre la vapeur d'eau EH ₂ (1) amenée aux interconnecteurs 5.1 en tant que « combustible », le gaz caloporteur EH ₂ (2) amenée aux interconnecteurs 5.2, 5.3 en tant que gestion thermique, l'hydrogène SH ₂ (1) récupéré aux interconnecteurs 5.1, le gaz caloporteur SH ₂ (2) récupérée aux interconnecteurs 5.2, le gaz drainant amené E(02) et l'oxygène S(02) récupéré. Les lignes de soudures sont illustrées aux figures 10A à 10C

Tel qu'illustré sur l'ensemble des figures 5 à 8, les trois tôles 6, 7, 8 sont percées à leur périphérie de lumières supplémentaires 69, 79, 89 adaptées pour loger des tirants de fixation. Ces tirants de fixation permettent d'appliquer une force de maintien à l'empilement des différents composants à la fois des étages électrochimiques et des étages de régulation thermique du réacteur d'électrolyse.

D'autres variantes et améliorations peuvent être envisagées dans le cadre de l'invention.

Ainsi, si dans le mode de réalisation illustré, le gaz caloporteur est du type vapeur d'eau avec de l'hydrogène, on peut tout aussi bien envisager que le gaz drainant soit également le gaz caloporteur. Plus généralement, le gaz caloporteur peut être n'importe quel gaz, à la condition qu'il soit adapté au(x) matériau(x) des éléments de contact 14, c'est-à-dire qu'il n'oxyde pas ces derniers.

On pourrait d'ailleurs utiliser pour réaliser un interconnecteur dédié, de stratifier et d'assembler trois tôles planes comme celles 6, 7, 8 illustrées mais à la condition de supprimer les lumières 67, 68 de Γ interconnecteur 5.2 dédiées à l'alimentation de la vapeur d'eau/hydrogène et la récupération de l'hydrogène produit et de maintenir 87 et 88 sur Γ interconnecteur 5.3 au niveau d'un étage de régulation thermique. Selon cette variante, la régulation thermique serait faite par le gaz drainant (ou gaz comburant en pile SOFC). Dans ce cas, la grille métallique 14 est soit une grille résistante à l'oxydation, soit un contact électrique assuré directement en soudant l'un à l'autre deux interconnecteurs successifs 5.2, 5.3. Les soudures entre ces deux interconnecteurs 5.2, 5.3 doivent alors assurer les étanchéités et le passage du courant.

Les étages électrochimiques et les étages de régulation thermique peuvent être en parallèle si les clarinettes d'alimentation/récupération des gaz restent indépendantes ou en série si elles sont raccordées entre elles à l'extérieur de l'empilement.

Le raccord en série entre étages électrochimiques et étages de régulation thermique permet de préchauffer de manière efficace la vapeur d'eau dédiée à l'électrolyse de l'eau avant son entrée sur les cathodes des cellules d'électrolyse.