Study on the gas permeation and ionic conductivity of plasma-sprayed yttria stabilized zirconia deposit for solid oxide fuel cells

• Auteur / Autrice : Chao Zhang
• Direction : Hanlin Liao
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Besançon en cotutelle avec Belfort-Montbéliard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Perméabilité

Conduction ionique

Projection au plasma

Piles à combustible à oxyde solide

Mots clés libres

Revêtement

Température de particule

Vitesse de particule

Zircone stabilisée à l'yttrium

Electrolyte

Perméabilité de gaz

Résumé

Les piles à combustible ont été largement étudiées comme une alternative aux combustibles fossiles traditionnels plus respectueuses de l'environnement. Le seul sous-produit direct de l'oxydation de l'hydrogène pour la production d'énergie est l'eau, ce qui signifie qu'elles pourraient réduire sensiblement la pollution et les produits de gaz à effets de serre. Les SOFCs (piles à combustible à oxyde solide) sont un type de pile à combustible prometteur, qui peut éliminer les problèmes de corrosion ou de fuite communs aux autres piles à combustible à électrolyte liquide. Les températures de fonctionnement des SOFCs sont typiquement de l'ordre de 800-1000°C, pouvant à conduire à plusieurs avantages, tels le réformage interne, l'utilisation du monoxyde de carbone comme combustible et la possibilité de réaliser la production combinée de chaleur et d'électricité. Depuis plusieurs années, les efforts de commercialisation sur les systèmes SOFC sont orientés vers la recherche de la réduction des coûts, afin de rivaliser plus efficacement avec d'autres méthodes de production d'énergie traditionnelles. Dans un tel contexte, les dépôts électrolytiques attire particulièrement l'attention. La projection plasma est un procédé prometteur, offrant des avantages tels que des rendements élevés des dépôts et la possibilité de masquer les dépôts. L'objectif de ces travaux est donc d'optimiser la projection plasma de revêtements électrolytiques, d'étudier les performances électriques et l'étanchéité aux gaz des revêtements. Dans ce contexte, quatre aspects ont été abordés. Dans un premier temps, l'optimisation des paramètres de la projection et la microstructure de revêtements a été réalisée par la mesure de particules en vol. D'autre part, la conductivité ionique des revêtements YSZ en fonction de la température a été examinée. La modification de la microstructure et de la conductivité ionique des revêtements projetés par frittage micro-ondes a également été étudiée. Enfin, l'étanchéité des revêtements YSZ ainsi que les mécanismes de perméation des gaz ont été étudiés par la mesure de la perméabilité. Finalement, les piles à combustible à oxyde solides tubulaires Ni-YSZ/YSZ/LSM (La0. 8Sr0. 2MnO3) ont été fabriqués grâce au procédé de projection thermique intégrée. En outre, les mesures de tension du circuit de sortie et de la densité de puissance des piles ont été effectuées.

Fuel cells have been widely investigated as an environmentally-friendly alternative to conventional fossil fuels. By oxidizing hydrogen, the only direct by-product of their energy generation is water, which means they could significantly reduce pollution and man-made greenhouse gases. SOFC (Solid oxide fuel cell) is one promising type of the fuel cell, which can eliminate corrosion or leakage problems common to the other liquid electrolyte fuel cells. SOFC operating temperatures are typically in the range of 800-1000°C, which leads to several advantages, such as internal reforming, the use of carbon monoxide as a fuel, the possibility of realizing combined heat and power plant solutions. At present, the commercialization efforts on SOFC systems are oriented to the cost reduction effort, in order to compete more effectively with other traditional power generating methods. In such a context, electrolyte deposition attracts particular attention. Plasma spraying process is a promising technique, providing such advantages as high deposition rate and easy masking for deposition of patterned structures, compared with other film formation processes. The objective of this work is thus to optimize the plasma-sprayed electrolyte coating and investigate the coating electrical and gas-tight performance as well as the finally tubular SOFC fabrication and performance test. With regard to this aim, four following aspects of work have been carried out. Firstly the optimization of spraying parameters and coating microstructure was done via measuring in-flight particle features. Secondly, the ionic conductivity of YSZ coatings was measured and the temperature dependence of ionic conductivity of YSZ coatings was discussed. In this part, the modification of microstructure and ionic conductivity of plasma-sprayed coatings by microwave sintering was also investigated. Thirdly, the gas tightness of YSZ coatings wa evaluated via measuring coating gas permeability and the gas permeation behavior through YSZ coatings was examined based on the gas permeation theory in porous materials. Finally, the tubular Ni-YSZ/YSZ/LSM (La0. 8Sr0. 2MnO3) solid oxide fuel cells are fabricated by the integrated thermal spray process and the output circuit voltage and power density of the cells are performed.