CA3201967A1 - Procede de fabrication d'un conducteur electrique, comme une canne de courant, pour un dispositif electrochimique a haute temperature - Google Patents
Procede de fabrication d'un conducteur electrique, comme une canne de courant, pour un dispositif electrochimique a haute temperatureInfo
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Abstract
Procédé de fabrication d'un conducteur électrique (100), comme une canne de courant, comprenant les étapes successives suivantes : - fourniture d'un noyau (110) en un premier matériau métallique, - fourniture d'une gaine (120), en un deuxième matériau métallique, la gaine (120) étant destinée à recouvrir une première partie (111) du noyau (110), - fourniture d'une borne de raccordement (130) en un troisième matériau métallique, - assemblage du noyau (110) et de la borne de raccordement (130), par sertissage, ou par sertissage et brasage, ou par soudo-brasage, ou par brasage, - assemblage du noyau (110) et de la borne de raccordement (130) avec la gaine (120).
Description
2 PCT/FR2021/052357 PROCEDE DE FABRICATION D'UN CONDUCTEUR ELECTRIQUE, COMME UNE CANNE DE
COURANT, POUR UN DISPOSITIF ELECTROCHIMIQUE A HAUTE TEMPERATURE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine général des dispositifs électrochimiques à haute température tels que les piles à combustible et les électrolyseurs à oxydes solides, et plus particulièrement à l'alimentation en courant électrique d'un empilement de cellules électrochimiques fonctionnant à haute température (typiquement supérieure à 450 C voire supérieure à 600 C).
L'invention est particulièrement intéressante puisqu'elle permet d'avoir un assemblage ayant une très bonne solidité mécanique, une excellente résistance à
l'oxydation et une bonne conductivité électrique, et d'utiliser une large gamme de matériaux tels que les fontes et les aciers spéciaux.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Comme représenté sur la figure 1, les cellules d'électrolyse à oxyde solide 10 (SOEC pour Solid Oxide Electrolyzer Cell ) transforment au sein d'un même système la vapeur d'eau H20 en H2 à la cathode 11 et en 02 à l'anode 12 (ou le CO2 en CO
et 02), sous l'effet d'un courant électrique. La cathode 11 et l'anode 12 sont séparées par un électrolyte oxyde solide 13 dense fonctionnant à haute température et permettant le passage des ions (ici anions 02).
Dans le cas des piles à combustible à oxyde solide (SOFC pour Solid Oxide Fuel Cell ), la pile à combustible est alimentée en H2 et 02, voire en CH4 et en air.
Une pile SOFC a donc un fonctionnement inverse de celui d'un électrolyseur SOEC : elle produit un courant électrique et de la chaleur en étant alimentée en hydrogène (ou en gaz naturel, ammoniac ou monoxyde de carbone) et en air.
Ces systèmes peuvent fonctionner aujourd'hui à haute température (entre 600 C et 1000 C).
Par la suite, nous allons décrire en détail un électrolyseur SOEC en mode électrolyse (couple H20/H2 et 02). D'une façon générale, un électrolyseur est formé d'un empilement de modules élémentaires 10 mis en série (figure 2).
Un module élémentaire 10 comprend un assemblage (aussi appelé
cellule électrochimique) formé d'un électrolyte 13 avec deux électrodes 11, 12 et enserré
entre deux plaques d'interconnexion 14, 15 (appelées aussi interconnecteurs ). Un électrolyseur complet est donc un empilement alterné de cellules électrochimiques et d'interconnecteurs. L'assemblage, sous forme d'empilement, des cellules est généralement désigné par le mot en langue anglo-saxonne : stack .
Chaque plaque d'interconnexion 14 est un conducteur électronique, par exemple une plaque métallique, qui est en contact sur une face avec la cathode 12 d'une cellule et sur l'autre face avec l'anode 21 de la cellule suivante.
Le premier rôle des interconnecteurs 14, 15 est d'alimenter la cellule en courant électrique. De plus, ils servent aussi à distribuer les combustibles et à récupérer les gaz produits tout en séparant les compartiments anodiques et cathodiques de deux cellules adjacentes.
En mode électrolyse, le compartiment cathodique contient la vapeur d'eau et l'hydrogène (et/ou CO si il y a du CO2 en entrée), produit de la réaction électrochimique. Le compartiment anodique contient un gaz drainant s'il existe et l'oxygène, autre produit de la réaction électrochimique à la fois dans le cas de l'électrolyse de l'eau ou du dioxyde de carbone.
En mode SOFC, le compartiment anodique contient le carburant, alors que le compartiment cathodique contient le comburant.
Un dispositif de conduction électrique (aussi appelé canne de courant ou dispositif d'amenée de courant) est connecté, d'une part, aux bornes de l'empilement et d'autre part, à une source de courant ou à une charge selon le mode d'opération du dispositif (électrolyseur/pile à combustible).
Le bon fonctionnement de ce type d'empilement requiert avant tout :
- l'isolation électrique entre deux interconnecteurs successifs sous peine de court-circuiter la cellule, mais aussi un bon contact électrique et une surface de
COURANT, POUR UN DISPOSITIF ELECTROCHIMIQUE A HAUTE TEMPERATURE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine général des dispositifs électrochimiques à haute température tels que les piles à combustible et les électrolyseurs à oxydes solides, et plus particulièrement à l'alimentation en courant électrique d'un empilement de cellules électrochimiques fonctionnant à haute température (typiquement supérieure à 450 C voire supérieure à 600 C).
L'invention est particulièrement intéressante puisqu'elle permet d'avoir un assemblage ayant une très bonne solidité mécanique, une excellente résistance à
l'oxydation et une bonne conductivité électrique, et d'utiliser une large gamme de matériaux tels que les fontes et les aciers spéciaux.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Comme représenté sur la figure 1, les cellules d'électrolyse à oxyde solide 10 (SOEC pour Solid Oxide Electrolyzer Cell ) transforment au sein d'un même système la vapeur d'eau H20 en H2 à la cathode 11 et en 02 à l'anode 12 (ou le CO2 en CO
et 02), sous l'effet d'un courant électrique. La cathode 11 et l'anode 12 sont séparées par un électrolyte oxyde solide 13 dense fonctionnant à haute température et permettant le passage des ions (ici anions 02).
Dans le cas des piles à combustible à oxyde solide (SOFC pour Solid Oxide Fuel Cell ), la pile à combustible est alimentée en H2 et 02, voire en CH4 et en air.
Une pile SOFC a donc un fonctionnement inverse de celui d'un électrolyseur SOEC : elle produit un courant électrique et de la chaleur en étant alimentée en hydrogène (ou en gaz naturel, ammoniac ou monoxyde de carbone) et en air.
Ces systèmes peuvent fonctionner aujourd'hui à haute température (entre 600 C et 1000 C).
Par la suite, nous allons décrire en détail un électrolyseur SOEC en mode électrolyse (couple H20/H2 et 02). D'une façon générale, un électrolyseur est formé d'un empilement de modules élémentaires 10 mis en série (figure 2).
Un module élémentaire 10 comprend un assemblage (aussi appelé
cellule électrochimique) formé d'un électrolyte 13 avec deux électrodes 11, 12 et enserré
entre deux plaques d'interconnexion 14, 15 (appelées aussi interconnecteurs ). Un électrolyseur complet est donc un empilement alterné de cellules électrochimiques et d'interconnecteurs. L'assemblage, sous forme d'empilement, des cellules est généralement désigné par le mot en langue anglo-saxonne : stack .
Chaque plaque d'interconnexion 14 est un conducteur électronique, par exemple une plaque métallique, qui est en contact sur une face avec la cathode 12 d'une cellule et sur l'autre face avec l'anode 21 de la cellule suivante.
Le premier rôle des interconnecteurs 14, 15 est d'alimenter la cellule en courant électrique. De plus, ils servent aussi à distribuer les combustibles et à récupérer les gaz produits tout en séparant les compartiments anodiques et cathodiques de deux cellules adjacentes.
En mode électrolyse, le compartiment cathodique contient la vapeur d'eau et l'hydrogène (et/ou CO si il y a du CO2 en entrée), produit de la réaction électrochimique. Le compartiment anodique contient un gaz drainant s'il existe et l'oxygène, autre produit de la réaction électrochimique à la fois dans le cas de l'électrolyse de l'eau ou du dioxyde de carbone.
En mode SOFC, le compartiment anodique contient le carburant, alors que le compartiment cathodique contient le comburant.
Un dispositif de conduction électrique (aussi appelé canne de courant ou dispositif d'amenée de courant) est connecté, d'une part, aux bornes de l'empilement et d'autre part, à une source de courant ou à une charge selon le mode d'opération du dispositif (électrolyseur/pile à combustible).
Le bon fonctionnement de ce type d'empilement requiert avant tout :
- l'isolation électrique entre deux interconnecteurs successifs sous peine de court-circuiter la cellule, mais aussi un bon contact électrique et une surface de
3 contact suffisante entre cellule et interconnecteur ; la plus faible résistance ohmique possible est recherchée entre cellule et interconnecteurs, - une étanchéité entre les deux compartiments (comburant ¨ 02) et (carburant H2/CO/CH4/NH3) sous peine de recombinaison des gaz produits entraînant une baisse de rendement et surtout l'apparition de points chauds endommageant l'empilement, - une bonne distribution des gaz à la fois en entrée de combustibles et en récupération des produits sous peine de perte de rendement, d'inhomogénéité
de pression et de température au sein des différents modules élémentaires voire de dégradations rédhibitoires de la cellule, - un dispositif de conduction électrique adapté à des courants de plusieurs centaines d'ampères, résistant à l'oxydation à haute température et supportant le cyclage thermique jusqu'à 900 C.
Concernant ce dernier point, par exemple, dans le document EP 3 098 889 A1, le dispositif de conduction électrique 20 comprend un noyau en cuivre 21, protégé par une gaine 22, en un alliage inoxydable (figure 3). Un sifflet 23, jouant le rôle de borne de raccordement, est en contact avec le noyau 21 et est positionné à
une extrémité de la gaine 22. Pour fabriquer un tel dispositif de conduction électrique, un embout de fermeture complété par un tube permettant de tirer au vide est positionné à
l'autre extrémité de la gaine. Après assemblage de ces éléments par TIG ( Tungsten Inert Gas ), une compression isostatique à chaud (CIC) est réalisée pour obtenir un soudage par diffusion garantissant la pérennité des propriétés mécaniques et électriques, même après de nombreux cycles thermiques.
Cependant, cet assemblage ne garantit pas que la surface du sifflet 23 soit positionné parfaitement plan sur plan avec la surface plane du noyau cuivre. En effet, l'une de ces pièces ou les deux pièces peuvent présenter, par exemple, des défauts de planéité dus à des défauts géométriques (figure 4A) ou dus à des stries de découpes (figure 4B) au niveau de la zone de contact (zone encadrée sur les figures 4A
et 4B).
de pression et de température au sein des différents modules élémentaires voire de dégradations rédhibitoires de la cellule, - un dispositif de conduction électrique adapté à des courants de plusieurs centaines d'ampères, résistant à l'oxydation à haute température et supportant le cyclage thermique jusqu'à 900 C.
Concernant ce dernier point, par exemple, dans le document EP 3 098 889 A1, le dispositif de conduction électrique 20 comprend un noyau en cuivre 21, protégé par une gaine 22, en un alliage inoxydable (figure 3). Un sifflet 23, jouant le rôle de borne de raccordement, est en contact avec le noyau 21 et est positionné à
une extrémité de la gaine 22. Pour fabriquer un tel dispositif de conduction électrique, un embout de fermeture complété par un tube permettant de tirer au vide est positionné à
l'autre extrémité de la gaine. Après assemblage de ces éléments par TIG ( Tungsten Inert Gas ), une compression isostatique à chaud (CIC) est réalisée pour obtenir un soudage par diffusion garantissant la pérennité des propriétés mécaniques et électriques, même après de nombreux cycles thermiques.
Cependant, cet assemblage ne garantit pas que la surface du sifflet 23 soit positionné parfaitement plan sur plan avec la surface plane du noyau cuivre. En effet, l'une de ces pièces ou les deux pièces peuvent présenter, par exemple, des défauts de planéité dus à des défauts géométriques (figure 4A) ou dus à des stries de découpes (figure 4B) au niveau de la zone de contact (zone encadrée sur les figures 4A
et 4B).
4 Or, le cycle de CIC ne permet pas de régler ce problème car la CIC agit ici radialement, et non pas longitudinalement. Ainsi, le défaut présent initialement, le restera à l'issue de la CIC.
Le courant électrique ne peut s'écouler que par les points de contact.
S'il y a des défauts de planéité sur les surfaces en contact, le passage du courant se fera entièrement par les seuls points de contact, ce qui augmentera localement la densité de courant, la résistance électrique de la liaison et par suite entrainera une dissipation thermique plus élevée que dans le cas d'un contact complet. Ces deux phénomènes pourront entrainer une dégradation des matériaux pouvant conduire à une perte de l'intégrité du contact entre les deux matériaux.
Ainsi, il est essentiel d'avoir un contact plan/plan le meilleur possible entre le noyau cuivre et le sifflet (parallélisme, état de surface...).
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Un but de la présente invention est de proposer un dispositif de conduction électrique adapté à des courants de plusieurs centaines d'ampères, résistant à
l'oxydation à haute température et supportant le cyclage thermique jusqu'à 900 C et remédiant aux inconvénients de l'art antérieur.
Pour cela, la présente invention propose un procédé de fabrication d'un conducteur électrique, comme une canne de courant, comprenant les étapes successives suivantes :
- fourniture d'un noyau (ou tige) en un premier matériau métallique, - fourniture d'une gaine en un deuxième matériau métallique, la gaine étant destinée à recouvrir une première partie du noyau, - fourniture d'un sifflet (aussi appelé borne de raccordement) en un troisième matériau métallique, - assemblage du noyau et du sifflet, - assemblage de la gaine et du noyau, notamment par emmanchage, l'assemblage de la gaine sur la première partie du noyau étant réalisé
par compression isostatique à chaud, l'assemblage du sifflet et du noyau étant réalisé par sertissage, ou par sertissage et brasage, ou par soudo-brasage, ou par brasage.
L'invention se distingue fondamentalement de l'art antérieur par la technique d'assemblage du sifflet et du noyau.
Le courant électrique ne peut s'écouler que par les points de contact.
S'il y a des défauts de planéité sur les surfaces en contact, le passage du courant se fera entièrement par les seuls points de contact, ce qui augmentera localement la densité de courant, la résistance électrique de la liaison et par suite entrainera une dissipation thermique plus élevée que dans le cas d'un contact complet. Ces deux phénomènes pourront entrainer une dégradation des matériaux pouvant conduire à une perte de l'intégrité du contact entre les deux matériaux.
Ainsi, il est essentiel d'avoir un contact plan/plan le meilleur possible entre le noyau cuivre et le sifflet (parallélisme, état de surface...).
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Un but de la présente invention est de proposer un dispositif de conduction électrique adapté à des courants de plusieurs centaines d'ampères, résistant à
l'oxydation à haute température et supportant le cyclage thermique jusqu'à 900 C et remédiant aux inconvénients de l'art antérieur.
Pour cela, la présente invention propose un procédé de fabrication d'un conducteur électrique, comme une canne de courant, comprenant les étapes successives suivantes :
- fourniture d'un noyau (ou tige) en un premier matériau métallique, - fourniture d'une gaine en un deuxième matériau métallique, la gaine étant destinée à recouvrir une première partie du noyau, - fourniture d'un sifflet (aussi appelé borne de raccordement) en un troisième matériau métallique, - assemblage du noyau et du sifflet, - assemblage de la gaine et du noyau, notamment par emmanchage, l'assemblage de la gaine sur la première partie du noyau étant réalisé
par compression isostatique à chaud, l'assemblage du sifflet et du noyau étant réalisé par sertissage, ou par sertissage et brasage, ou par soudo-brasage, ou par brasage.
L'invention se distingue fondamentalement de l'art antérieur par la technique d'assemblage du sifflet et du noyau.
5 De plus, l'assemblage de la gaine sur la première partie du noyau est réalisé par compression isostatique à chaud (Cc). La CIC apporte une meilleure tenue mécanique à chaud que le sertissage (le sertissage verra les contraintes de maintien mécanique réduites lors de la montée en température).
Avantageusement, le noyau est en cuivre.
Avantageusement, la gaine est en acier inoxydable ou en alliage et de nickel inoxydable et la borne de raccordement (ou sifflet) est en un alliage inoxydable.
Avantageusement, le sifflet est en acier inoxydable.
Avantageusement, la gaine est en acier inoxydable.
Selon une première variante de réalisation, l'assemblage est réalisé par sertissage. Le procédé de fabrication peut être réalisé en :
- insérant le noyau dans le lamage du sifflet, de manière à ce que le sifflet recouvre une deuxième partie du noyau, - sertissant la deuxième partie du noyau recouverte par le sifflet, de préférence à une force de 20kN, - recouvrant la première partie du noyau par la gaine puis en soudant la gaine sur la première partie du noyau, par compression isostatique à chaud.
Le sertissage permet d'immobiliser deux pièces par déformation sans avoir recours à la soudure, ce qui évite d'avoir une zone affectée thermiquement. Cette technique est réalisée sans apport de matière ce qui permet d'obtenir des assemblages à
moindre coût. De plus cette technique est simple et rapide à mettre en oeuvre.
Elle peut être mise en oeuvre en toute sécurité. Elle ne forme pas d'oxyde et ne pollue pas.
Selon une deuxième variante de réalisation, l'assemblage est réalisé par sertissage et brasage. Selon un mode de réalisation particulier, le procédé de fabrication peut être réalisé en :
- positionnant une brasure dans un lamage du sifflet,
Avantageusement, le noyau est en cuivre.
Avantageusement, la gaine est en acier inoxydable ou en alliage et de nickel inoxydable et la borne de raccordement (ou sifflet) est en un alliage inoxydable.
Avantageusement, le sifflet est en acier inoxydable.
Avantageusement, la gaine est en acier inoxydable.
Selon une première variante de réalisation, l'assemblage est réalisé par sertissage. Le procédé de fabrication peut être réalisé en :
- insérant le noyau dans le lamage du sifflet, de manière à ce que le sifflet recouvre une deuxième partie du noyau, - sertissant la deuxième partie du noyau recouverte par le sifflet, de préférence à une force de 20kN, - recouvrant la première partie du noyau par la gaine puis en soudant la gaine sur la première partie du noyau, par compression isostatique à chaud.
Le sertissage permet d'immobiliser deux pièces par déformation sans avoir recours à la soudure, ce qui évite d'avoir une zone affectée thermiquement. Cette technique est réalisée sans apport de matière ce qui permet d'obtenir des assemblages à
moindre coût. De plus cette technique est simple et rapide à mettre en oeuvre.
Elle peut être mise en oeuvre en toute sécurité. Elle ne forme pas d'oxyde et ne pollue pas.
Selon une deuxième variante de réalisation, l'assemblage est réalisé par sertissage et brasage. Selon un mode de réalisation particulier, le procédé de fabrication peut être réalisé en :
- positionnant une brasure dans un lamage du sifflet,
6 - insérant le noyau dans le lamage du sifflet, de manière à ce que le sifflet recouvre une deuxième partie du noyau, le noyau étant inséré dans le lamage jusqu'à être en contact avec la brasure, - sertissant la deuxième partie du noyau recouverte par le sifflet, de préférence à une force de 20kN, - réalisant un brasage, de manière à faire fondre la brasure, moyennant quoi après refroidissement de la brasure fondue, on obtient un joint de brasage entre le sifflet et le noyau, - recouvrant la première partie du noyau par la gaine puis en soudant la gaine sur la première partie du noyau, par compression isostatique à chaud.
Selon un autre mode de réalisation particulier, le procédé de fabrication peut être réalisé en :
- positionnant une brasure dans le lamage du sifflet, - insérant le noyau dans le lamage du sifflet, de manière à ce que le sifflet recouvre une deuxième partie du noyau, le noyau étant inséré dans le lamage jusqu'à être en contact avec la brasure, - sertissant la deuxième partie du noyau recouverte par le sifflet, de préférence à une force de 20kN, - recouvrant la première partie du noyau par la gaine puis en soudant la gaine sur la première partie du noyau, par compression isostatique à chaud, à
une température suffisante pour faire fondre la brasure, moyennant quoi en une seul étape, simultanément, on réalise la compression isostatique à chaud et on obtient un joint brasé
entre le sifflet et le noyau.
Le brasage en complément du sertissage améliore la tenue mécanique du conducteur électrique. Le procédé est simplifié lorsque le brasage est réalisé en même temps que la compression isostatique à chaud Selon une troisième variante de réalisation, l'assemblage est réalisé par soudo-brasage. Le procédé de fabrication peut être réalisé en :
- positionnant une brasure entre le sifflet et le noyau,
Selon un autre mode de réalisation particulier, le procédé de fabrication peut être réalisé en :
- positionnant une brasure dans le lamage du sifflet, - insérant le noyau dans le lamage du sifflet, de manière à ce que le sifflet recouvre une deuxième partie du noyau, le noyau étant inséré dans le lamage jusqu'à être en contact avec la brasure, - sertissant la deuxième partie du noyau recouverte par le sifflet, de préférence à une force de 20kN, - recouvrant la première partie du noyau par la gaine puis en soudant la gaine sur la première partie du noyau, par compression isostatique à chaud, à
une température suffisante pour faire fondre la brasure, moyennant quoi en une seul étape, simultanément, on réalise la compression isostatique à chaud et on obtient un joint brasé
entre le sifflet et le noyau.
Le brasage en complément du sertissage améliore la tenue mécanique du conducteur électrique. Le procédé est simplifié lorsque le brasage est réalisé en même temps que la compression isostatique à chaud Selon une troisième variante de réalisation, l'assemblage est réalisé par soudo-brasage. Le procédé de fabrication peut être réalisé en :
- positionnant une brasure entre le sifflet et le noyau,
7 - réalisant un soudo-brasage, de manière à obtenir un joint soudobrasé
entre le sifflet et le noyau, - recouvrant la première partie du noyau par la gaine, le noyau étant de préférence totalement recouvert par la gaine, la gaine étant en contact avec le sifflet, puis en soudant la gaine sur la première partie du noyau, par compression isostatique à chaud.
Le soudo-brasage est un soudage par diffusion des différents matériaux, à l'état solide, sans ajouter de métal d'apport. Ce procédé consiste à
appliquer une force à chaud sur les pièces à souder pendant un temps donné.
Le joint soudo-brasé entre le sifflet et le noyau est particulièrement résistant, et résiste aux températures de chauffages utilisées pour les dispositifs électrochimiques à haute température.
Avantageusement, la brasure est un alliage à base de cuivre et de zinc, pouvant contenir, en outre, du silicium. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux pour des températures de fonctionnement inférieures à 600 C.
Selon une autre variante avantageuse, la brasure est un alliage à base de cuivre, de zinc et de nickel pouvant contenir, en outre, de l'argent (notamment Cu/Zn/Ni/Ag) ou encore un alliage à base de Cu/Mn, Cu/Mn/Ni ou Ni/Cr/P. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux pour des températures de fonctionnement comprises entre 600 et 900 C.
L'invention concerne également un conducteur électrique, comme une canne d'amenée de courant, obtenue avec le procédé précédemment décrit.
Un tel conducteur électrique comprend un noyau, un sifflet (ou borne de raccordement) et une gaine, la gaine recouvrant une première partie du noyau.
La gaine est soudée sur la première partie du noyau.
Selon une première variante de réalisation, le noyau peut être serti dans le sifflet.
Selon une deuxième variante de réalisation, le noyau est serti dans le sifflet et brasé avec le sifflet.
entre le sifflet et le noyau, - recouvrant la première partie du noyau par la gaine, le noyau étant de préférence totalement recouvert par la gaine, la gaine étant en contact avec le sifflet, puis en soudant la gaine sur la première partie du noyau, par compression isostatique à chaud.
Le soudo-brasage est un soudage par diffusion des différents matériaux, à l'état solide, sans ajouter de métal d'apport. Ce procédé consiste à
appliquer une force à chaud sur les pièces à souder pendant un temps donné.
Le joint soudo-brasé entre le sifflet et le noyau est particulièrement résistant, et résiste aux températures de chauffages utilisées pour les dispositifs électrochimiques à haute température.
Avantageusement, la brasure est un alliage à base de cuivre et de zinc, pouvant contenir, en outre, du silicium. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux pour des températures de fonctionnement inférieures à 600 C.
Selon une autre variante avantageuse, la brasure est un alliage à base de cuivre, de zinc et de nickel pouvant contenir, en outre, de l'argent (notamment Cu/Zn/Ni/Ag) ou encore un alliage à base de Cu/Mn, Cu/Mn/Ni ou Ni/Cr/P. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux pour des températures de fonctionnement comprises entre 600 et 900 C.
L'invention concerne également un conducteur électrique, comme une canne d'amenée de courant, obtenue avec le procédé précédemment décrit.
Un tel conducteur électrique comprend un noyau, un sifflet (ou borne de raccordement) et une gaine, la gaine recouvrant une première partie du noyau.
La gaine est soudée sur la première partie du noyau.
Selon une première variante de réalisation, le noyau peut être serti dans le sifflet.
Selon une deuxième variante de réalisation, le noyau est serti dans le sifflet et brasé avec le sifflet.
8 Selon une troisième variante de réalisation, le noyau est soudo-brasé au sifflet au moyen d'un joint soudo-brasé, le joint soudo-brasé étant de préférence un alliage à base de Cu/Zn/Ni/Ag, Cu/Mn, Cu/Mn/Ni, Ni/Cr/P.
Avantageusement, la gaine est en acier inoxydable ou en alliage et de nickel inoxydable et la borne de raccordement (ou sifflet) est en un alliage inoxydable.
Un tel dispositif présente de très bonnes propriétés électriques et mécaniques, même après de nombreux cycles de fonctionnement à haute température comme cela peut être le cas pour des dispositifs électrochimiques tels que les piles à
combustibles et les électrolyseurs à oxydes solides.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront du complément de description qui suit.
Il va de soi que ce complément de description n'est donné qu'à titre d'illustration de l'objet de l'invention et ne doit en aucun cas être interprété comme une limitation de cet objet.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
La figure 1 déjà décrite précédemment, représente, de manière schématique, le principe de fonctionnement d'un électrolyseur à haute température (SOEC).
La figure 2 déjà décrite précédemment, représente de manière schématique les principaux composants d'un électrolyseur à haute température (SOEC).
La figure 3 déjà décrite précédemment, représente de manière schématique, une vue éclatée d'une canne d'amenée de courant.
Les figures 4A et 4B déjà décrites précédemment, représentent de manière schématique des exemples de défauts dans une amenée de courant, au niveau de l'interface sifflet/noyau.
Avantageusement, la gaine est en acier inoxydable ou en alliage et de nickel inoxydable et la borne de raccordement (ou sifflet) est en un alliage inoxydable.
Un tel dispositif présente de très bonnes propriétés électriques et mécaniques, même après de nombreux cycles de fonctionnement à haute température comme cela peut être le cas pour des dispositifs électrochimiques tels que les piles à
combustibles et les électrolyseurs à oxydes solides.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront du complément de description qui suit.
Il va de soi que ce complément de description n'est donné qu'à titre d'illustration de l'objet de l'invention et ne doit en aucun cas être interprété comme une limitation de cet objet.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
La figure 1 déjà décrite précédemment, représente, de manière schématique, le principe de fonctionnement d'un électrolyseur à haute température (SOEC).
La figure 2 déjà décrite précédemment, représente de manière schématique les principaux composants d'un électrolyseur à haute température (SOEC).
La figure 3 déjà décrite précédemment, représente de manière schématique, une vue éclatée d'une canne d'amenée de courant.
Les figures 4A et 4B déjà décrites précédemment, représentent de manière schématique des exemples de défauts dans une amenée de courant, au niveau de l'interface sifflet/noyau.
9 La figure 5 représente, de manière schématique, une vue éclatée d'une amenée de courant, selon un mode de réalisation particulier de l'invention.
La figure 6 représente, de manière schématique, une vue en coupe, de l'amenée de courant représentée sur la figure 5.
La figure 7 représente, de manière schématique, la pression exercée lors du sertissage sur le pourtour de la zone de sertissage de l'amenée de courant, selon un mode de réalisation particulier.
La figure 8 représente, de manière schématique, une vue éclatée d'une amenée de courant, selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention.
La figure 9 représente, de manière schématique, une vue en coupe, de l'amenée de courant représentée sur la figure 8.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Par la suite, même si la description fait, plus particulièrement, référence à l'assemblage d'une canne de courant, l'invention est d'une manière générale transposable aux assemblages de métaux et/ou alliages très résistants tels que les Fontes et les Aciers spéciaux. En particulier, l'invention trouve des applications pour l'assemblage des aciers ayant une mauvaise soudabilité, l'assemblage des métaux et alliages différents, l'assemblage des aciers galvanisés et inoxydable, l'assemblage du cuivre et de ses alliages, l'assemblage de l'aluminium et de ses alliages ou encore pour former des assemblages ayant peu ou pas de déformations.
Nous allons maintenant décrire le procédé de fabrication d'un conducteur électrique, et plus particulièrement, d'une canne de courant (aussi appelée amenée de courant) en faisant référence aux figures 5 à 9.
Les pièces à assembler pour former la canne de courant sont le noyau 110 en un premier matériau métallique, la gaine 120 en un deuxième matériau et le sifflet 130 en un troisième matériau.
Le sifflet 130 est aussi communément appelé borne de raccordement.
Le noyau 110 (aussi appelÚe Ôme ou c£ur) est un bon conducteur Úlectrique mais sensible Ó l'oxydation, par exemple du nickel, de l'argent, du cuivre ou des alliages de cuivre. De prÚfÚrence, le noyau 110 est en cuivre. Par exemple, il peut s'agir de cuivre Cuc1 ou Cua1. Le noyau 110 est une tige.
5 Le noyau 110 est insÚrÚ dans une gaine 120. La gaine 120 est un tube. La gaine comprend une premiÞre et une deuxiÞme extrÚmitÚ. Du c¶tÚ de la premiÞre extrÚmitÚ, la gaine 120 recouvre une premiÞre partie 111 du noyau 110 (zone de recouvrement noyau/gaine). Elle assure, par ses propriÚtÚs de rÚsistance Ó
l'oxydation plus ÚlevÚes que celle du noyau 110, la protection de celui-ci vis-Ó-vis de l'atmosphÞre
La figure 6 représente, de manière schématique, une vue en coupe, de l'amenée de courant représentée sur la figure 5.
La figure 7 représente, de manière schématique, la pression exercée lors du sertissage sur le pourtour de la zone de sertissage de l'amenée de courant, selon un mode de réalisation particulier.
La figure 8 représente, de manière schématique, une vue éclatée d'une amenée de courant, selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention.
La figure 9 représente, de manière schématique, une vue en coupe, de l'amenée de courant représentée sur la figure 8.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Par la suite, même si la description fait, plus particulièrement, référence à l'assemblage d'une canne de courant, l'invention est d'une manière générale transposable aux assemblages de métaux et/ou alliages très résistants tels que les Fontes et les Aciers spéciaux. En particulier, l'invention trouve des applications pour l'assemblage des aciers ayant une mauvaise soudabilité, l'assemblage des métaux et alliages différents, l'assemblage des aciers galvanisés et inoxydable, l'assemblage du cuivre et de ses alliages, l'assemblage de l'aluminium et de ses alliages ou encore pour former des assemblages ayant peu ou pas de déformations.
Nous allons maintenant décrire le procédé de fabrication d'un conducteur électrique, et plus particulièrement, d'une canne de courant (aussi appelée amenée de courant) en faisant référence aux figures 5 à 9.
Les pièces à assembler pour former la canne de courant sont le noyau 110 en un premier matériau métallique, la gaine 120 en un deuxième matériau et le sifflet 130 en un troisième matériau.
Le sifflet 130 est aussi communément appelé borne de raccordement.
Le noyau 110 (aussi appelÚe Ôme ou c£ur) est un bon conducteur Úlectrique mais sensible Ó l'oxydation, par exemple du nickel, de l'argent, du cuivre ou des alliages de cuivre. De prÚfÚrence, le noyau 110 est en cuivre. Par exemple, il peut s'agir de cuivre Cuc1 ou Cua1. Le noyau 110 est une tige.
5 Le noyau 110 est insÚrÚ dans une gaine 120. La gaine 120 est un tube. La gaine comprend une premiÞre et une deuxiÞme extrÚmitÚ. Du c¶tÚ de la premiÞre extrÚmitÚ, la gaine 120 recouvre une premiÞre partie 111 du noyau 110 (zone de recouvrement noyau/gaine). Elle assure, par ses propriÚtÚs de rÚsistance Ó
l'oxydation plus ÚlevÚes que celle du noyau 110, la protection de celui-ci vis-Ó-vis de l'atmosphÞre
10 oxydante. Elle permet, de la sorte, de bÚnÚficier de la meilleure conductibilitÚ Úlectrique du matÚriau du noyau en maximisant la durÚe de vie en atmosphÞre oxydante de l'assemblage. Par exemple, la gaine 120 est en acier inoxydable ou alliage de nickel inoxydable. La deuxiÞme extrÚmitÚ est destinÚe Ó Ûtre solidarisÚe avec un embout non reprÚsentÚ.
Le sifflet 130 est destinÚ Ó Ûtre reliÚ Ó la plaque de l'Úlectrolyseur. Il joue le r¶le de patte de raccordement et assure la connexion Úlectrique avec l'Úlectrolyseur. Il a une forme complÚmentaire de la plaque de l'Úlectrolyseur sur laquelle il est fixÚ. Le sifflet 130 peut Ûtre percÚ (trou dÚbouchant 131) perpendiculairement Ó l'axe de la gaine pour Ûtre vissÚ sur le stack de l'Úlectolyseur. Le sifflet 130 peut avoir une autre gÚomÚtrie que celle illustrÚe sur les figures. Il peut, par exemple, Ûtre cylindrique et destinÚ Ó entrer dans un perþage ou serrÚe entre deux demi-coquilles solidaires du dispositif Ó
alimenter.
Le sifflet 130, une fois assemblÚ Ó la premiÞre extrÚmitÚ de la gaine 120, obstrue hermÚtiquement cette extrÚmitÚ, et Úvite ainsi le passage de gaz.
Le sifflet 130 est, de prÚfÚrence, en en un alliage inoxydable, par exemple un alliage nickel-chrome-fer tel que l'lnconel« 600.
PrÚalablement Ó l'assemblage des piÞces, on rÚalise, avantageusement, une prÚparation de leurs surfaces par un moyen, ou un ensemble de moyens appropriÚ
(sablage, brossage, dÚcapage par dÚtergents et/ou solvants notamment).
Selon l'invention, l'assemblage du noyau 110, de la gaine 120 et du sifflet 130 pour former le conducteur Úlectrique peut Ûtre rÚalisÚ selon diffÚrents modes
Le sifflet 130 est destinÚ Ó Ûtre reliÚ Ó la plaque de l'Úlectrolyseur. Il joue le r¶le de patte de raccordement et assure la connexion Úlectrique avec l'Úlectrolyseur. Il a une forme complÚmentaire de la plaque de l'Úlectrolyseur sur laquelle il est fixÚ. Le sifflet 130 peut Ûtre percÚ (trou dÚbouchant 131) perpendiculairement Ó l'axe de la gaine pour Ûtre vissÚ sur le stack de l'Úlectolyseur. Le sifflet 130 peut avoir une autre gÚomÚtrie que celle illustrÚe sur les figures. Il peut, par exemple, Ûtre cylindrique et destinÚ Ó entrer dans un perþage ou serrÚe entre deux demi-coquilles solidaires du dispositif Ó
alimenter.
Le sifflet 130, une fois assemblÚ Ó la premiÞre extrÚmitÚ de la gaine 120, obstrue hermÚtiquement cette extrÚmitÚ, et Úvite ainsi le passage de gaz.
Le sifflet 130 est, de prÚfÚrence, en en un alliage inoxydable, par exemple un alliage nickel-chrome-fer tel que l'lnconel« 600.
PrÚalablement Ó l'assemblage des piÞces, on rÚalise, avantageusement, une prÚparation de leurs surfaces par un moyen, ou un ensemble de moyens appropriÚ
(sablage, brossage, dÚcapage par dÚtergents et/ou solvants notamment).
Selon l'invention, l'assemblage du noyau 110, de la gaine 120 et du sifflet 130 pour former le conducteur Úlectrique peut Ûtre rÚalisÚ selon diffÚrents modes
11 de réalisation : sertissage, ou sertissage et brasage ou soudo-brasage, et compression isostatique à chaud.
Nous allons maintenant décrire plus en détail le premier mode de réalisation (assemblage par sertissage) représenté sur les figures 5, 6 et 7.
Dans ce mode de réalisation, on utilisera, avantageusement, un sifflet 130 comprenant un lamage 132.
Le lamage 132 est un trou borgne à fond plat. Le lamage 132 peut avoir une profondeur, par exemple de 8 à 20mm. Le diamètre du lamage 132 dépend du diamètre du noyau 110. On insère le noyau 110 dans le lamage. Une fois assemblé, le lamage 132 recouvre une deuxième partie 112 du noyau 110 (zone de recouvrement noyau/sifflet).
Avantageusement, on choisit un jeu de 5/100ème entre le noyau et le lamage du sifflet.
Avantageusement, la paroi du lamage 132 est munie d'un trou traversant 133 pour permettre l'évacuation de l'air lors de l'insertion du noyau 110 dans le lamage 132 du sifflet 130.
Une fois le noyau 110 inséré dans le lamage 132, on réalise le sertissage en exerçant une pression sur le pourtour de la zone de recouvrement noyau/sifflet 112 (figure 7). Le sertissage peut être réalisé avec une pince à sertir électromécanique. Une force de sertissage, dépendant des dimensions effectives de l'assemblage et des propriétés mécaniques du matériau à sertir, est ensuite appliquée. Dans le cas décrit ici (tube inconel 600, diamètre de l'ordre de 10 mm), une force de l'ordre de 20kN
est suffisante pour obtenir un sertissage satisfaisant.
La gaine 120 est ensuite positionnée pour recouvrir la première partie 111 du noyau 110. Le noyau 110 est ainsi complètement recouvert d'une part par la gaine 120 et d'autre part par le sifflet 130. Une fois que le sifflet 130 et la gaine 120 sont mis en contact, ils sont avantageusement soudés afin de rendre étanche l'ensemble.
Le sertissage étant réalisé à température ambiante (typiquement entre 20 et 25 C), on ne déforme pas la structure moléculaire du noyau 110 en cuivre par chauffage, ce qui garantit une durée de vie rallongée. Le sertissage est une technique d'assemblage durable.
Nous allons maintenant décrire plus en détail le deuxième mode de réalisation (assemblage par sertissage + brasage).
Nous allons maintenant décrire plus en détail le premier mode de réalisation (assemblage par sertissage) représenté sur les figures 5, 6 et 7.
Dans ce mode de réalisation, on utilisera, avantageusement, un sifflet 130 comprenant un lamage 132.
Le lamage 132 est un trou borgne à fond plat. Le lamage 132 peut avoir une profondeur, par exemple de 8 à 20mm. Le diamètre du lamage 132 dépend du diamètre du noyau 110. On insère le noyau 110 dans le lamage. Une fois assemblé, le lamage 132 recouvre une deuxième partie 112 du noyau 110 (zone de recouvrement noyau/sifflet).
Avantageusement, on choisit un jeu de 5/100ème entre le noyau et le lamage du sifflet.
Avantageusement, la paroi du lamage 132 est munie d'un trou traversant 133 pour permettre l'évacuation de l'air lors de l'insertion du noyau 110 dans le lamage 132 du sifflet 130.
Une fois le noyau 110 inséré dans le lamage 132, on réalise le sertissage en exerçant une pression sur le pourtour de la zone de recouvrement noyau/sifflet 112 (figure 7). Le sertissage peut être réalisé avec une pince à sertir électromécanique. Une force de sertissage, dépendant des dimensions effectives de l'assemblage et des propriétés mécaniques du matériau à sertir, est ensuite appliquée. Dans le cas décrit ici (tube inconel 600, diamètre de l'ordre de 10 mm), une force de l'ordre de 20kN
est suffisante pour obtenir un sertissage satisfaisant.
La gaine 120 est ensuite positionnée pour recouvrir la première partie 111 du noyau 110. Le noyau 110 est ainsi complètement recouvert d'une part par la gaine 120 et d'autre part par le sifflet 130. Une fois que le sifflet 130 et la gaine 120 sont mis en contact, ils sont avantageusement soudés afin de rendre étanche l'ensemble.
Le sertissage étant réalisé à température ambiante (typiquement entre 20 et 25 C), on ne déforme pas la structure moléculaire du noyau 110 en cuivre par chauffage, ce qui garantit une durée de vie rallongée. Le sertissage est une technique d'assemblage durable.
Nous allons maintenant décrire plus en détail le deuxième mode de réalisation (assemblage par sertissage + brasage).
12 Selon ce deuxième mode de réalisation, on procède comme dans le premier mode de réalisation en positionnant en plus une brasure dans le lamage dans le sifflet 130 avant d'insérer le noyau 110. La brasure est de préférence positionnée sur le fond plat du lamage 132. La brasure 132 (aussi appelé matériau d'apport) peut être sous la forme d'une pastille ou d'une pâte que l'on peut étaler. Une fois le noyau 110 inséré
dans le lamage 132, la brasure est en contact avec les deux pièces à assembler (i.e. avec le sifflet et le noyau). La mise en place d'une pastille de brasure lors du montage avec une épaisseur, de préférence comprise entre 25 p.m et 200 m, et encore plus préférentiellement de 10011m, permet, avantageusement, d'accommoder les défauts et de créer une liaison entre l'inconel et le cuivre, assurant la continuité
électrique.
L'étape de brasage est réalisée en :
- chauffant les deux pièces 110, 130 et la brasure jusqu'à une température d'assemblage supérieure à la température de fusion de la brasure, de manière à faire fondre la brasure, et maintien de la température d'assemblage pendant une durée de maintien, la température de brasage dépend de l'alliage de brasage choisi, elle est de préférence supérieure à la température à laquelle sera opéré
l'assemblage, c'est-à-dire 900 C dans le cas d'une barre de courant de système type électrolyseur/pile à
combustible SOFC, - refroidissant l'ensemble de manière à former un joint de brasure entre le sifflet 130 et le noyau 110, et à les assembler.
Avantageusement, le brasage est réalisé au moment de la compression isostatique à chaud.
Nous allons maintenant décrire plus en détail le troisième mode de réalisation (assemblage par soudo-brasage - procédé de soudure oxyacétyléniques) représenté sur les figures 8 et 9.
Dans ce mode de réalisation, le sifflet 130 ne comprend pas de lamage.
Il a une forme complémentaire de la gaine 120 : la gaine 120 s'emboîte autour d'une des extrémités du sifflet 130.
Selon ce troisième mode de réalisation, l'assemblage est réalisé selon les étapes suivantes :
dans le lamage 132, la brasure est en contact avec les deux pièces à assembler (i.e. avec le sifflet et le noyau). La mise en place d'une pastille de brasure lors du montage avec une épaisseur, de préférence comprise entre 25 p.m et 200 m, et encore plus préférentiellement de 10011m, permet, avantageusement, d'accommoder les défauts et de créer une liaison entre l'inconel et le cuivre, assurant la continuité
électrique.
L'étape de brasage est réalisée en :
- chauffant les deux pièces 110, 130 et la brasure jusqu'à une température d'assemblage supérieure à la température de fusion de la brasure, de manière à faire fondre la brasure, et maintien de la température d'assemblage pendant une durée de maintien, la température de brasage dépend de l'alliage de brasage choisi, elle est de préférence supérieure à la température à laquelle sera opéré
l'assemblage, c'est-à-dire 900 C dans le cas d'une barre de courant de système type électrolyseur/pile à
combustible SOFC, - refroidissant l'ensemble de manière à former un joint de brasure entre le sifflet 130 et le noyau 110, et à les assembler.
Avantageusement, le brasage est réalisé au moment de la compression isostatique à chaud.
Nous allons maintenant décrire plus en détail le troisième mode de réalisation (assemblage par soudo-brasage - procédé de soudure oxyacétyléniques) représenté sur les figures 8 et 9.
Dans ce mode de réalisation, le sifflet 130 ne comprend pas de lamage.
Il a une forme complémentaire de la gaine 120 : la gaine 120 s'emboîte autour d'une des extrémités du sifflet 130.
Selon ce troisième mode de réalisation, l'assemblage est réalisé selon les étapes suivantes :
13 - positionner la brasure 140 entre le noyau 110 et le sifflet 130, - réaliser un soudo-brasage de l'ensemble ainsi obtenu, de manière à
avoir un ensemble comprenant un noyau 110 lié au sifflet 130 par un joint soudobrasé, - insérer le noyau 110, le joint soudo-brasé et une partie du sifflet 130 dans la gaine 120.
La brasure 140 est, de préférence, un alliage de cuivre et zinc. Cet alliage peut contenir en outre du silicium.
On choisira par exemple un alliage Cu-Zn-Ag commercialisé sous la référence 16 XFC par la société Castolin Eutectic.
Selon un autre mode de réalisation, l'assemblage du sifflet 130 et du noyau 110 pourrait être réalisé par brasage (sans mettre en oeuvre de sertissage).
Une fois le noyau 110, la gaine 120 et le sifflet 130 assemblés (par sertissage et/ou par brasage ou par soudo-brasage), cet assemblage est avantageusement soumis à une étape de compression isostatique à chaud afin de souder la gaine 120 au noyau 110 et ainsi renforcer la tenue mécanique de l'assemblage final.
Selon un mode de réalisation particulier du procédé, le soudage diffusion par compression isostatique à chaud comprend les étapes suivantes :
- soudage par TIG ( Tungsten Inert Gas ) d'un tube de dégazage sur la deuxième extrémité de la gaine 120, la deuxième extrémité de la gaine 120 étant opposée à celle en contact avec le sifflet 130, - soudage TIG d'un bouchon (ou embout de fermeture) pour étanchéifier cette deuxième extrémité. L'embout et son tube sont de préférence réalisés en un alliage inoxydable, par exemple AISI 316L. L'embout obstrue hermétiquement la deuxième extrémité de la gaine 120 hormis au niveau du tube central de dégazage qui le traverse de part en part et qui est en communication avec la gaine 120, - mise sous vide de la gaine par pompage via le tube de la première extrémité - ceci permet de retirer le gaz présent entre le noyau 110 et la gaine 120, - obturation de ce tube, par exemple par queusotage de la gaine 120, - application d'un cycle de soudage diffusion par compression isostatique à chaud (CIC) à l'ensemble.
avoir un ensemble comprenant un noyau 110 lié au sifflet 130 par un joint soudobrasé, - insérer le noyau 110, le joint soudo-brasé et une partie du sifflet 130 dans la gaine 120.
La brasure 140 est, de préférence, un alliage de cuivre et zinc. Cet alliage peut contenir en outre du silicium.
On choisira par exemple un alliage Cu-Zn-Ag commercialisé sous la référence 16 XFC par la société Castolin Eutectic.
Selon un autre mode de réalisation, l'assemblage du sifflet 130 et du noyau 110 pourrait être réalisé par brasage (sans mettre en oeuvre de sertissage).
Une fois le noyau 110, la gaine 120 et le sifflet 130 assemblés (par sertissage et/ou par brasage ou par soudo-brasage), cet assemblage est avantageusement soumis à une étape de compression isostatique à chaud afin de souder la gaine 120 au noyau 110 et ainsi renforcer la tenue mécanique de l'assemblage final.
Selon un mode de réalisation particulier du procédé, le soudage diffusion par compression isostatique à chaud comprend les étapes suivantes :
- soudage par TIG ( Tungsten Inert Gas ) d'un tube de dégazage sur la deuxième extrémité de la gaine 120, la deuxième extrémité de la gaine 120 étant opposée à celle en contact avec le sifflet 130, - soudage TIG d'un bouchon (ou embout de fermeture) pour étanchéifier cette deuxième extrémité. L'embout et son tube sont de préférence réalisés en un alliage inoxydable, par exemple AISI 316L. L'embout obstrue hermétiquement la deuxième extrémité de la gaine 120 hormis au niveau du tube central de dégazage qui le traverse de part en part et qui est en communication avec la gaine 120, - mise sous vide de la gaine par pompage via le tube de la première extrémité - ceci permet de retirer le gaz présent entre le noyau 110 et la gaine 120, - obturation de ce tube, par exemple par queusotage de la gaine 120, - application d'un cycle de soudage diffusion par compression isostatique à chaud (CIC) à l'ensemble.
14 Avantageusement, le cycle de soudage par CIC peut comprendre les étapes suivantes :
- porter l'ensemble formé du noyau 110 et de la gaine 120 à une température comprise entre 600 C et 1060 C, de préférence entre 800 C et 1000 C, encore plus préférentiellement entre 900 C et 1000 C, notamment une température de 920 C; et - appliquer sur la gaine 120 une pression comprise entre 500 bars et 1500 bars, de préférence entre 800 bars et 1200 bars, notamment une pression de 1020 bars, - appliquer un palier de pression et température d'une durée de 30 minutes à
plusieurs heures, de préférence 1 heure à 3 heures, notamment 2 heures, - laisser refroidir l'ensemble et à dépressuriser.
La canne de courant 100 est, avantageusement, utilisée dans un système électrochimique comportant :
- une enceinte pour la circulation d'air dans le volume délimité par celle-ci - un dispositif électrochimique logé dans l'enceinte (de préférence il s'agit d'un électrolyseur de vapeur d'eau à haute température ou d'une pile à
combustible à haute température), le dispositif comprenant :
- un empilement de cellules électrochimiques élémentaires ou stack comprenant chacune un électrolyte intercalé entre une cathode et une anode et connectées en série entre deux bornes électriques, et - deux conducteurs électriques tels que décrits précédemment respectivement connectés aux deux bornes électriques.
Exemples illustratifs et non limitatifs d'un mode de réalisation :
Dans cet exemple, la brasure 16 XFC (Cu/Zn/Ag/Ni) commercialisée par Castolin Eutectic est utilisée pour réaliser une jonction soudobrasée entre un sifflet 130 en un alliage lnconel 600 et un noyau 110 en cuivre.
La brasure 140 est présentée sous la forme d'une baguette enrobée de décapant Elastec. La baguette présente une remarquable flexibilité, ce qui permet une excellente visibilité du bain de fusion lors de l'opération d'assemblage.
La brasure 140 présente les caractéristiques suivantes : 1% Argent / 9%
5 Nickel, Solidus : 885 C, Liquidus : 915 C, Résistance à la traction :
550 MPa, Limite élastique : 236 M Pa, Allongement : 35 %, Densité : 8,4 et Dureté : 120 HB.
Une telle brasure 140 présente des propriétés mécaniques élevées et est particulièrement adaptée au soudo-brasage des aciers et des fontes.
Le jeu entre le noyau 110 et le sifflet 130 peut aller, par exemple, 10 jusqu'à 0,1mm car l'alliage présente de bonnes propriétés en terme de capillarité.
Une fois le soudo-brasage effectué, on procède au montage de la canne de courant (emmanchage de la gaine 120 sur le noyau 110) et on effectue le cycle de Compression Isostatique à Chaud (CIC) afin de réaliser un soudage par diffusion des différents matériaux entre eux, sans ajout de métal d'apport.
- porter l'ensemble formé du noyau 110 et de la gaine 120 à une température comprise entre 600 C et 1060 C, de préférence entre 800 C et 1000 C, encore plus préférentiellement entre 900 C et 1000 C, notamment une température de 920 C; et - appliquer sur la gaine 120 une pression comprise entre 500 bars et 1500 bars, de préférence entre 800 bars et 1200 bars, notamment une pression de 1020 bars, - appliquer un palier de pression et température d'une durée de 30 minutes à
plusieurs heures, de préférence 1 heure à 3 heures, notamment 2 heures, - laisser refroidir l'ensemble et à dépressuriser.
La canne de courant 100 est, avantageusement, utilisée dans un système électrochimique comportant :
- une enceinte pour la circulation d'air dans le volume délimité par celle-ci - un dispositif électrochimique logé dans l'enceinte (de préférence il s'agit d'un électrolyseur de vapeur d'eau à haute température ou d'une pile à
combustible à haute température), le dispositif comprenant :
- un empilement de cellules électrochimiques élémentaires ou stack comprenant chacune un électrolyte intercalé entre une cathode et une anode et connectées en série entre deux bornes électriques, et - deux conducteurs électriques tels que décrits précédemment respectivement connectés aux deux bornes électriques.
Exemples illustratifs et non limitatifs d'un mode de réalisation :
Dans cet exemple, la brasure 16 XFC (Cu/Zn/Ag/Ni) commercialisée par Castolin Eutectic est utilisée pour réaliser une jonction soudobrasée entre un sifflet 130 en un alliage lnconel 600 et un noyau 110 en cuivre.
La brasure 140 est présentée sous la forme d'une baguette enrobée de décapant Elastec. La baguette présente une remarquable flexibilité, ce qui permet une excellente visibilité du bain de fusion lors de l'opération d'assemblage.
La brasure 140 présente les caractéristiques suivantes : 1% Argent / 9%
5 Nickel, Solidus : 885 C, Liquidus : 915 C, Résistance à la traction :
550 MPa, Limite élastique : 236 M Pa, Allongement : 35 %, Densité : 8,4 et Dureté : 120 HB.
Une telle brasure 140 présente des propriétés mécaniques élevées et est particulièrement adaptée au soudo-brasage des aciers et des fontes.
Le jeu entre le noyau 110 et le sifflet 130 peut aller, par exemple, 10 jusqu'à 0,1mm car l'alliage présente de bonnes propriétés en terme de capillarité.
Une fois le soudo-brasage effectué, on procède au montage de la canne de courant (emmanchage de la gaine 120 sur le noyau 110) et on effectue le cycle de Compression Isostatique à Chaud (CIC) afin de réaliser un soudage par diffusion des différents matériaux entre eux, sans ajout de métal d'apport.
Claims (15)
1. Procédé de fabrication d'un conducteur électrique (100), comme une canne de courant, comprenant les étapes successives suivantes :
- fourniture d'un noyau (110) en un premier matériau métallique, - fourniture d'une gaine (120), en un deuxième matériau métallique, la gaine (120) étant destinée à recouvrir une première partie (111) du noyau (110), - fourniture d'une borne de raccordement (130) en un troisième matériau métallique, la borne de raccordement (130) étant destinée à être fixée à une plaque d'électrolyseur, la borne de raccordement (130) ayant une forme complémentaire de la plaque d'électrolyseur, - assemblage du noyau (110) et de la borne de raccordement (130), - assemblage du noyau (110) et de la borne de raccordement (130) avec la gaine (120), caractérisé en ce que la gaine (120) est soudée sur la première partie (111) du noyau (110) par compression isostatique à chaud, et en ce que l'assemblage du noyau (110) et de la borne de raccordement (130) est réalisé :
- par sertissage, ou - par sertissage et brasage, ou - par soudo-brasage, ou - par brasage.
- fourniture d'un noyau (110) en un premier matériau métallique, - fourniture d'une gaine (120), en un deuxième matériau métallique, la gaine (120) étant destinée à recouvrir une première partie (111) du noyau (110), - fourniture d'une borne de raccordement (130) en un troisième matériau métallique, la borne de raccordement (130) étant destinée à être fixée à une plaque d'électrolyseur, la borne de raccordement (130) ayant une forme complémentaire de la plaque d'électrolyseur, - assemblage du noyau (110) et de la borne de raccordement (130), - assemblage du noyau (110) et de la borne de raccordement (130) avec la gaine (120), caractérisé en ce que la gaine (120) est soudée sur la première partie (111) du noyau (110) par compression isostatique à chaud, et en ce que l'assemblage du noyau (110) et de la borne de raccordement (130) est réalisé :
- par sertissage, ou - par sertissage et brasage, ou - par soudo-brasage, ou - par brasage.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'assemblage du noyau (110) et de la borne de raccordement (130) est réalisé par sertissage et en ce que le procédé est réalisé en :
- insérant le noyau (110) dans un la mage (132) de la borne de raccordement (130), de manière à ce que la borne de raccordement (130) recouvre une deuxième partie (112) du noyau (110), - sertissant la deuxième partie (112) du noyau (110) recouverte par la borne de raccordement (130), de préférence à une force de 20kN, - recouvrant la première partie (111) du noyau par la gaine (120) puis en soudant la gaine (120) sur la première partie (111) du noyau, par compression isostatique à chaud.
- insérant le noyau (110) dans un la mage (132) de la borne de raccordement (130), de manière à ce que la borne de raccordement (130) recouvre une deuxième partie (112) du noyau (110), - sertissant la deuxième partie (112) du noyau (110) recouverte par la borne de raccordement (130), de préférence à une force de 20kN, - recouvrant la première partie (111) du noyau par la gaine (120) puis en soudant la gaine (120) sur la première partie (111) du noyau, par compression isostatique à chaud.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'assemblage du noyau (110) et de la borne de raccordement (130) est réalisé par sertissage et brasage et en ce que le procédé est réalisé en :
- positionnant une brasure dans un lamage (132) de la borne de raccordement (130), - insérant le noyau (110) dans le lamage (132) de la borne de raccordement (130), de manière à ce que la borne de raccordement (130) recouvre une deuxième partie (112) du noyau (110), - sertissant la deuxième partie (112) du noyau (110) recouverte par la borne de raccordement (130), de préférence à une force de 20kN, - réalisant un brasage, de manière à faire fondre la brasure, moyennant quoi après refroidissement de la brasure, on obtient un joint de brasage entre la borne de raccordement (130) et le noyau (110), - recouvrant la première partie (111) du noyau (110) par la gaine (120) puis en soudant la gaine (120) sur la première partie (111) du noyau (110), par compression isostatique à chaud.
- positionnant une brasure dans un lamage (132) de la borne de raccordement (130), - insérant le noyau (110) dans le lamage (132) de la borne de raccordement (130), de manière à ce que la borne de raccordement (130) recouvre une deuxième partie (112) du noyau (110), - sertissant la deuxième partie (112) du noyau (110) recouverte par la borne de raccordement (130), de préférence à une force de 20kN, - réalisant un brasage, de manière à faire fondre la brasure, moyennant quoi après refroidissement de la brasure, on obtient un joint de brasage entre la borne de raccordement (130) et le noyau (110), - recouvrant la première partie (111) du noyau (110) par la gaine (120) puis en soudant la gaine (120) sur la première partie (111) du noyau (110), par compression isostatique à chaud.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'assemblage du noyau (110) et de la borne de raccordement (130) est réalisé par sertissage et brasage et en ce que le procédé est réalisé en - positionnant une brasure dans le lamage (132) de la borne de raccordement (130), - insérant le noyau (110) dans le lamage (132) de la borne de raccordement (130), de manière à ce que la borne de raccordement (130) recouvre une deuxième partie (112) du noyau (110), - sertissant la deuxième partie (112) du noyau (110) recouverte par la borne de raccordement (130), de préférence à une force de 20kN, - recouvrant la première partie (111) du noyau (110) par la gaine (120) puis en soudant la gaine (120) sur la première partie (111) du noyau (110), par compression isostatique à chaud, à une température suffisante pour faire fondre la brasure, moyennant quoi simultanément on réalise la compression isostatique à chaud et on obtient un joint de brasage entre la borne de raccordement (130)et le noyau (110).
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'assemblage du noyau (110) et de la borne de raccordement (130) est réalisé par soudo-brasage et en ce que le procédé est réalisé en :
- positionnant une brasure (140) entre la borne de raccordement (130) et le noyau (110), - réalisant un soudo-brasage, de manière à obtenir un joint soudobrasé
entre la borne de raccordement (130) et le noyau (110), - recouvrant la première partie du noyau (110) par la gaine (120), la gaine (120) étant en contact avec la borne de raccordement (130) puis en soudant la gaine (120) sur la première partie (111) du noyau (110), par compression isostatique à
chaud.
- positionnant une brasure (140) entre la borne de raccordement (130) et le noyau (110), - réalisant un soudo-brasage, de manière à obtenir un joint soudobrasé
entre la borne de raccordement (130) et le noyau (110), - recouvrant la première partie du noyau (110) par la gaine (120), la gaine (120) étant en contact avec la borne de raccordement (130) puis en soudant la gaine (120) sur la première partie (111) du noyau (110), par compression isostatique à
chaud.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la brasure est un alliage à base de cuivre, de zinc et de nickel pouvant contenir, en outre, de l'argent.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le noyau (110) est en cuivre.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la gaine (120) est en acier inoxydable ou en alliage de nickel inoxydable et en ce que la borne de raccordement (130) est en un alliage inoxydable.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la borne de raccordement (130)est en acier inoxydable.
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la gaine (120) est en acier inoxydable.
11. Conducteur électrique (100), comme une canne d'amenée de courant, comprenant un noyau (110), une gaine (120) et une borne de raccordement (130), la gaine (120) recouvrant une première partie (111) du noyau (110), la borne de raccordement (130) étant destinée à être fixée à une plaque d'électrolyseur, la borne de raccordement (130) ayant une forme complémentaire de la plaque d'électrolyseur, Caractérisé en ce que la gaine (120) est soudée sur la première partie (111) du noyau (110), par compression isostatique à chaud, et en ce que :
- le noyau (110) est serti dans la borne de raccordement (130), ou - le noyau (110) est serti et brasé dans la borne de raccordement (130), ou - le noyau (110) est soudo-brasé à la borne de raccordement (130 )au moyen d'un joint soudo-brasé, le joint soudo-brasé étant de préférence un alliage à base de cuivre, de zinc et de nickel, pouvant contenir en outre de l'argent.
- le noyau (110) est serti dans la borne de raccordement (130), ou - le noyau (110) est serti et brasé dans la borne de raccordement (130), ou - le noyau (110) est soudo-brasé à la borne de raccordement (130 )au moyen d'un joint soudo-brasé, le joint soudo-brasé étant de préférence un alliage à base de cuivre, de zinc et de nickel, pouvant contenir en outre de l'argent.
12. Conducteur électrique (100) selon la revendication 11, caractérisé en ce que la gaine (120) est en acier inoxydable ou en alliage de nickel inoxydable et en ce que la borne de raccordement (130) est en un alliage inoxydable.
13. Conducteur électrique (100) selon l'une des revendications 11 et 12, caractérisé en ce que le noyau (110) est en nickel, argent, cuivre ou en un alliage de cuivre.
14. Conducteur électrique (100) selon l'une quelconque des 5 revendications 11 à 13, caractérisé en ce que le noyau (110) est inséré
et serti dans un lamage (132) de la borne de raccordement (130), la borne de raccordement (130) recouvrant une deuxième partie (112) du noyau (110).
et serti dans un lamage (132) de la borne de raccordement (130), la borne de raccordement (130) recouvrant une deuxième partie (112) du noyau (110).
15. Conducteur électrique (100) selon l'une quelconque des 10 revendications 11 à 13, caractérisé en ce que le noyau (110) est inséré, serti et brasé dans un lamage (132) de la borne de raccordement (130), la borne de raccordement (130) recouvrant une deuxième partie (112) du noyau (110).
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2013788A FR3117904B1 (fr) | 2020-12-21 | 2020-12-21 | Procede de fabrication d’un conducteur electrique, comme une canne de courant, pour un dispositif electrochimique a haute temperature |
| FRFR2013788 | 2020-12-21 | ||
| PCT/FR2021/052357 WO2022136772A1 (fr) | 2020-12-21 | 2021-12-16 | Procédé de fabrication d'un conducteur électrique, comme une canne de courant, pour un dispositif électrochimique à haute température |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CA3201967A1 true CA3201967A1 (fr) | 2022-06-30 |
Family
ID=74860134
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CA3201967A Pending CA3201967A1 (fr) | 2020-12-21 | 2021-12-16 | Procede de fabrication d'un conducteur electrique, comme une canne de courant, pour un dispositif electrochimique a haute temperature |
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| EP (1) | EP4263909A1 (fr) |
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| FR (1) | FR3117904B1 (fr) |
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| JPH01283772A (ja) * | 1988-05-11 | 1989-11-15 | Hitachi Ltd | 燃料電池 |
| US7695331B2 (en) * | 2007-05-01 | 2010-04-13 | Tri-Star Technology | Electrical contact assembly including a sleeve member |
| US7850495B2 (en) * | 2009-02-13 | 2010-12-14 | Amphenol Corporation | Electrical contacts |
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| JP4790851B2 (ja) * | 2010-03-11 | 2011-10-12 | 株式会社 ピー・エル | アルミニウム体の接続構造およびコネクタ |
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- 2020-12-21 FR FR2013788A patent/FR3117904B1/fr active Active
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- 2021-12-16 CA CA3201967A patent/CA3201967A1/fr active Pending
- 2021-12-16 US US18/257,245 patent/US20240097149A1/en active Pending
- 2021-12-16 EP EP21851833.0A patent/EP4263909A1/fr active Pending
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