Conception et réalisation de coeurs de piles IT-SOFC et SOFC

Animateur d’axe : Pascal Briois, MCF HDR

Le problème majeur des piles à combustible à oxydes solides réside dans leur température de fonctionnement. En effet, les dispositifs actuels sont utilisés aux alentours de 1000°C. Cette température engendre des soucis de compatibilité thermomécanique et une réactivité accrue entre les différents éléments du cœur de pile (anode/électrolyte/cathode). Elle nécessite également l’emploi de matériaux onéreux au niveau des interconnecteurs. Les solutions envisagées pour s’affranchir des différents problèmes passent par la diminution de leur température de fonctionnement. Néanmoins, le challenge de cette thématique de recherche consiste à limiter la chute des performances des édifices (voire les augmenter). En plus des contraintes liées à chaque composant, il est nécessaire de garantir une compatibilité chimique et thermomécanique de l’ensemble pour assurer le bon fonctionnement du cœur de pile. Les matériaux de l’état de l’art sont de la zircone stabilisée à l’yttrium (YSZ) pour l’électrolyte, un mélange céramique/métal de Ni-YSZ pour l’anode et un manganite de lanthane dopé strontium (LSM) au niveau de la cathode.

Le cahier des charges attendus du point vue matériau d’une SOFC figure dans le tableau ci-dessous :

Les solutions proposées pour répondre au cahier des charges passent par la synthèse sous forme de  films minces des différents éléments de l’édifice et/ou l’élaboration de nouveau matériau, notamment par l’emploi de conducteurs protoniques comme nouveau type d’électrolyte (PCFC).

Différents axes de recherches réalisées dans la fédération de recherche FC LAB

  • Elaboration des matériaux usuels : YSZ, cérine gadoliniée (GDC), Ni-YSZ, LSM…
  • Synthèse de nouveaux composés de cathode (K2NiF4,…) et d’électrolytes (conducteurs anioniques : Apatite,…conducteurs protoniques (figure 1): cérate de baryum dopé à l’yttrium (BCY), zirconate de baryum dopée à l’yttrium (BZY), zirconate de strontium (SZY),…),

 

 Figure 1: micrographies MEB des faciès de rupture de conducteurs protoniques après un traitement thermique (600°C/48H)

 

  • Synthèse de revêtements protecteurs d’interconnecteurs,
  • Réalisation et caractérisation de mono-cellules (figure 2)

 

Figure 2 : fractographie d’une cellule SOFC sur anode support (électrolyte : PVD, cathode : sérigraphie) – Performances de la cellule à 800°C

 

Moyens expérimentaux de l’IRTES-LERMPS disponibles dans le cadre de la fédération de recherche FC LAB

  • Dispositifs de traitement de surfaces à l’échelle industrielle : projection thermique (figure 3) et pulvérisation cathodique magnétron (figure 4),
  • Four de traitement thermique de l’ambiante à 1200°C,
  • Caractérisation structurale et microstructurale : MEB, DRX, DSC…
  • Caractérisation électrochimique sous atmosphère contrôlée : résistivité 4 pointes, conductivité ionique par spectroscopie d’impédance (test de demi-cellule).

 

  Figure 4 : réacteur de pulvérisation cathodique magnétron

 

Thèmes de recherches futures

Les futures recherches envisagées de l’axe « développement d’un cœur de pile moyenne et haute température (ITSOFC/SOFC)» à court et moyen terme se focalisent sur quatre points différents :

1) Modélisation d’une pile SOFC élaborée sur en couches minces,
2) Réalisation et caractérisation d’empilements IT-SOFC par des techniques de traitement de surface par voie sèche,
3) Elaboration de monocellules de PCFC (pile à combustible conductrice du proton) sur anode support,
4) Tests sous conditions de fonctionnement de longue durée (quelque centaines d’heures) accompagnés d’analyses post-mortem.

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