L’EVHT, principe de fonctionnement

L’EVHT, principe de fonctionnement

Histoire de l’invention de l’électrolyse 

L’électrolyse de l’eau est une des techniques de production de l’hydrogène. Elle consiste en la séparation par réaction chimique, nécessitant un apport d’énergie, d’une molécule d’eau en hydrogène et en oxygène. Historiquement, la première électrolyse de l’eau est réalisée par deux anglais, Anthony Carlisle (Fig. 1.1.1a  ) et William Nicholson (Fig. 1.1.1b  ) en 1800 qui utilisent la pile électrique inventée peu de temps avant par Volta comme source d’énergie [Durand 99].

L’électrolyse fut utilisée par la suite afin d’obtenir divers dépôts métalliques permettant ainsi la découverte de nombreux éléments (potassium, calcium, magnésium, …) en 1807. Ces procédés ne purent être industrialisés que lorsque l’électricité fut disponible abondamment, soit vers 1880.

Les différents types d’électrolyseurs

Il existe trois types d’électrolyse pour produire de l’hydrogène : l’électrolyse alcaline, l’électrolyse de type PEM (Proton Exchange Membrane) et l’Electrolyse de la Vapeur d’eau à Haute Température EVHT [Viseur 08]. L’électrolyse alcaline est la technologie qui est la plus mature, la plus ancienne et la plus répandue. L’électrolyte est, le plus souvent, une solution d’hydroxyde de potassium KOH. Elle est réalisée en phase liquide et la dissociation se fait à basse température entre 70 et 100 °C. Le rendement dans ce type d’électrolyseur est assez faible à cause de surtensions aux électrodes et de pertes ohmiques dans l’électrolyte. L’utilisation par cette technique de la seule énergie électrique limite aussi le rendement énergétique global qui est d’environ 30 % [Doenitz 80]. Les électrolyseurs PEM, quant à eux, intègrent une membrane échangeuse de protons. L’eau est décomposée à l’anode en oxygène, électrons et protons. Ces protons migrent sous l’effet du champ électrique de l’anode vers la cathode au travers de la membrane électrolytique puis sont réduits à la cathode où ils forment l’hydrogène. Cette technologie permet d’obtenir de meilleurs rendements et des temps de réponse plus courts. Elle est en revanche pénalisée par son coût élevé lié à celui de la membran

Description d’un EVHT

Un électrolyseur est constitué de l’empilement, ou “stack”, de cellules électrochimiques et d’interconnecteurs. Le motif élémentaire ou SRU (Single Repeat Unit) correspond à une cellule et à deux interconnecteurs. Dans cet empilement, les cellules peuvent être planes (circulaires ou carrées) ou tubulaires. Les premières réalisations étaient tubulaires .

Les différents types de joints pour l’EVHT

La fonction d’étanchéité est essentielle dans un électrolyseur. Celle-ci intervient à plusieurs niveaux. Tout d’abord, au niveau de l’arrivée et de la sortie des fluides, l’étanchéité doit être assurée pour amener correctement les gaz dans le dispositif ou pour les évacuer après réaction électrochimique. Il faut ensuite éviter la recombinaison des gaz hydrogène et oxygène après la séparation électrolytique. Ainsi l’anode pour l’oxygène et la cathode pour l’hydrogène et la vapeur d’eau doivent être étanchées. Enfin, il faut aussi s’assurer d’une bonne herméticité entre les milieux intérieur et extérieur pour éviter notamment la perte de l’hydrogène produit et les risques associés à sa dispersion. Dans un EVHT, les étanchéités sont réalisées en plaçant un joint entre des matériaux de natures différentes, céramique et métallique, à haute température alors que ces matériaux ont des coefficients de dilatation thermique différents. Ainsi, la cellule en céramique possède un coefficient de dilatation thermique significativement inférieur à celui de l’interconnecteur. De plus, la cellule étant fragile, il faut pouvoir réaliser l’étanchéité sous faible niveau d’effort pour éviter de la casser. Le joint doit aussi avoir une bonne tenue au fluage afin de garantir un bon niveau de fuite dans le temps [Bram 02].

Aux conditions d’utilisation, c’est à dire à haute température, il n’est plus possible d’utiliser un joint en élastomère. Les solutions de référence pour l’étanchéité de ces systèmes sont aujourd’hui à base de verre à l’état pâteux. Mais, dans l’état de développement actuel, ce type de joint présente un certain nombre d’inconvénients. En fonctionnement nominal, ses propriétés sont généralement bien adaptées, mais des problèmes apparaissent dans les régimes transitoires, chauffage ou refroidissement. En particulier, le joint verre est fragile en dessous de sa température de transition vitreuse et est susceptible de se rompre s’il est sollicité notamment à cause des dilatations différentielles entre les interconnecteurs et la cellule [Fergus 05]. Le verre crée aussi une liaison rigide entre les composants de l’empilement, générant des contraintes lors des transitoires thermiques. De plus, le démontage des composants est difficile, voire impossible sans changer la cellule, lorsque les étanchéités sont réalisées à base de verre. Les joints verticaux ou «au plafond» sont alors délicats à envisager. Le verre peut s’écouler lentement, réduire la durée de vie de l’assemblage et ne pas supporter les pressions modérées de quelques bars sans doute nécessaires à terme à un EVHT industriel. Enfin, les verres ne sont pas toujours compatibles chimiquement avec les autres composants de la cellule et de l’interconnecteur et conduisent à une corrosion importante des portées des joints voire à une pollution au silicium des électrodes. Ces inconvénients conduisent à la recherche de solutions d’étanchéité alternatives [Lessing 07]. D’autres solutions consistent à braser le métal de l’interconnecteur sur la céramique [Weil 04], mais l’obtention du mouillage sur la céramique ainsi que les différences de dilatation thermique rendent cette opération très difficile avec de grandes dimensions, le refroidissement après la solidification de la brasure provoquant régulièrement la rupture de la céramique si aucune souplesse dans la structure de l’interconnecteur n’est introduite. Enfin, d’autres joints compressifs à base de mica [Chou 06] ou simplement métalliques [Gibson 95, Meacham 07] sont proposés mais nécessitent un serrage extérieur à contrôler et à maintenir en température pour obtenir une étanchéité efficace sans rupture de la cellule en cours de chauffage. Peu de résultats sont aujourd’hui proposés pour des joints métalliques applicables en SOFC et/ou EVHT [Duquette 04] et peu d’auteurs proposent d’améliorer les joints compressifs en modélisant leur comportement [Green 11]. Les joints métalliques sont généralement constitués d’une âme élastique revêtue par un métal “mou” présentant une dureté plus faible, cette technique permet d’obtenir des débits de fuite bien plus faibles [Yanagisawa 90]. La partie élastique permet la bonne tenue du joint dans le temps et peut compenser certains changements au niveau du serrage en cours de fonctionnement assurant le maintien de l’étanchéité. Le revêtement lui, grâce à sa plasticité permet d’avoir une interpénétration entre les rugosités du joint et celles de la cellule ou de l’interconnecteur facilitant ainsi l’établissement de l’étanchéité.

Modélisation de l’étanchéité

Dans la littérature, il y a peu de travaux sur l’étude des étanchéités métalliques et sur leur modélisation. L’approche classique consiste à mener des essais d’étanchéité sous différentes conditions expérimentales et à mesurer le débit de fuite selon différentes techniques. Le débit de fuite dans le montage dépendra des propriétés du joint pour l’établissement et le maintien de l’étanchéité, de l’effort de serrage appliqué, des états de surface des différentes pièces au contact et des conditions expérimentales (température, gradient de pression, nature du fluide à étancher, …). Ces recherches sont avant tout phénoménologiques et qualitatives. Certains auteurs comme [Yanagisawa 91] ont étudié le lien entre le serrage des brides et le débit de fuite pour un contact rugueux ainsi que d’autres aspects relatifs au joint comme sa déformation en fonction du chargement, la largeur du contact et les états de surface. Dans un autre article, ils montrent par des calculs aux éléments finis que la déformation plastique du revêtement du joint est majoritaire, mais aucune corrélation avec le débit de fuite n’est recherchée [Yanagisawa 90]. [Butcher 73] est l’un des premiers à poser les fondamentaux de l’étanchéité statique. Il donne des indications devant permettre l’obtention d’un niveau de débit faible, il faut pour cela que les rugosités plastifient ce qui peut être obtenu en minimisant la largeur de joint et en augmentant l’effort de serrage. [Matsuzaki 88, Matsuzaki 92] lui, cherche à relier le débit de fuite à la rugosité ainsi qu’aux pressions de contact et aux propriétés des matériaux. Pour cela, des essais sont menés à la fois sur des contacts rugueux usinés suivant différentes techniques ou avec des joints métalliques. Mais dans ces travaux, les phénomènes physiques régissant la fuite ainsi que la corrélation quantitative entre fuite et champs mécaniques locaux ne sont pas abordés.

Table des matières

Introduction
1 Contexte général de l’étude
1.1 L’EVHT, principe de fonctionnement
1.1.1 Histoire de l’invention de l’électrolyse
1.1.2 Les différents types d’électrolyseurs
1.1.3 Description d’un EVHT
1.2 Les différents types de joints pour l’EVHT
1.3 Modélisation de l’étanchéité
2 Partie expérimentale
2.1 Description des moyens d’essai
2.1.1 La presse
2.1.2 Le four
2.1.3 La mesure du déplacement
2.1.4 La mesure de fuite
2.2 Protocole expérimental
2.2.1 Le joint
2.2.1.1 Matériau du joint
2.2.1.2 Traitement thermique du FeCrAl
2.2.1.3 Mesures de rugosité
2.2.2 Mise en place
2.2.2.1 Réglage de l’alignement
2.2.2.2 Contrôle de l’étanchéité
2.2.2.3 Mise en place de l’échantillon
2.2.2.4 Mise à température
2.2.2.5 Mise au contact et réglage des palpeurs
2.2.2.6 Paramétrage de l’essai
2.2.2.7 Envoi du gaz
2.3 Les différents essais réalisés
2.3.1 Essai type
2.3.2 Gamme de fuite
2.3.3 Gamme d’effort
2.3.4 Effet de différents paramètres expérimentaux sur le débit de fuite
2.3.4.1 Effet de la géométrie
2.3.4.2 Effet du chargement
2.3.4.3 Carte des débits de fuite
2.3.4.4 Effet de la rugosité des rondelles
2.4 Contrôle des déformées post-essais
2.4.1 Suivi de la déformée en cours d’essai
2.4.2 Contrôle de la déformée post-mortem
2.5 Conclusion
3 Simulations des essais d’étanchéité
3.1 Description des simulations
3.1.1 Loi de comportement
3.1.1.1 Les portées
3.1.1.2 Le joint
3.1.2 Maillage
3.1.3 Conditions aux limites
3.1.4 Chargement
3.1.5 Détermination du coefficient de frottement
3.2 Les différents champs mécaniques
3.2.1 Contrainte axiale σzz
3.2.1.1 Calcul de la longueur de contact
3.2.1.2 Cartes des champs de contrainte
3.2.1.3 Evolution des champs de contrainte
3.2.2 Déformation plastique cumulée p
3.2.2.1 Cartes des champs de déformation plastique cumulée .
3.2.2.2 Evolution des champs de déformation plastique cumulée
3.3 Lien calcul-essai
3.3.1 Cas où une seule géométrie est considérée
3.3.1.1 Lien entre le débit de fuite et la longueur de contact
3.3.1.2 Lien entre le débit de fuite et la contrainte de von Mises
3.3.1.3 Lien entre le débit de fuite et la contrainte axiale σzz
3.3.1.4 Lien entre le débit de fuite et la déformation plastique cumulée p
3.3.1.5 Conclusion
3.3.2 Cas où plusieurs géométries sont considérées
3.3.2.1 Lien entre le débit de fuite et la longueur de contact
3.3.2.2 Lien entre le débit de fuite et la déformation plastique cumulée p
3.3.2.3 Conclusion
3.4 Conclusion
Conclusion

Télécharger le rapport complet