Modification de la porosité de Ce0,9Gd0,1O1,95 par traitement laser : application pile SOFC monochambre

Densification of cerium gadolinium oxide electrolyte by laser treatment : application to single-chamber solid oxide fuel cells

• Auteur / Autrice : Mariana Mariño Blanco
• Direction : Jean-Paul Viricelle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés
• Date : Soutenance le 19/12/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hubert Curien UMR CNRS 5516 - UMR 5307 - Laboratoire Georges Friedel
• Jury : Président / Présidente : Alexandre Maître
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Paul Viricelle, Alexandre Maître, Ghislaine Bertrand, Pascal Briois, Florence Garrelie, Mathilde Rieu, Philippe Breuil
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ghislaine Bertrand, Pascal Briois

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers

Électrolytes

Piles à combustible à oxyde solide

Piles à combustible

Mots clés libres

Piles à combustible

SOFC

Monochambre

CGO

Electrolyte

Densification des surfaces

Traitement laser

SOFC

Single-chamber

CGO

Electrolyte

Surface densification

Laser processing

Résumé

Dans les piles à combustible SOFC (Solid Oxide Fuel cell) de type monochambre (SC-SOFC), l’anode et la cathode, séparées par un électrolyte, sont situées dans une même chambre alimentée par un mélange de combustible et d’oxygène. L’électrolyte, n’ayant alors plus le rôle d’étanchéité entre les compartiments anodique et cathodique, peut être mis en forme par sérigraphie. Cependant, il est nécessaire d’avoir une barrière pour éviter la possible diffusion de l’hydrogène produit localement à l’anode vers la cathode, ce qui peut générer une chute de la tension. L’objectif de ce travail de thèse est de créer une barrière de diffusion localisée via la densification de la surface de l'électrolyte par un traitement laser. Le matériau sélectionné pour l’électrolyte est un oxyde mixte Ce0,9Gd0,1O1,95 (CGO) qui est déposé par sérigraphie sur une anode composite NiO-CGO. Deux types de lasers impulsionnels sont utilisés : un laser UV (λ = 248 nm) et un laser IR (λ = 1064 nm). Les caractérisations microstructurales réalisées ont permis de mettre en évidence les effets du traitement laser pour certaines combinaisons fluence – nombre de tirs, montrant un grossissement de grain de l’électrolyte ou bien des surfaces densifiées mais fissurées. Des modifications structurales et chimiques sur la surface ont été évaluées ainsi que la diffusion de gaz au travers des électrolytes modifiés tout comme leur conductivité électrique. Afin de mieux comprendre l'interaction laser-matière, une modélisation thermique a également été mise en œuvre. Finalement, les performances de piles SC-SOFC ont été améliorées pour les dispositifs présentant un grossissement de grain à la surface de l'électrolyte.

In single-chamber solid oxide fuel cells (SC-SOFC), anode and cathode are placed in a gas chamber where they are both exposed to a fuel/air mixture. Similarly to conventional dual-chamber SOFC, the anode and the cathode are separated by an electrolyte, but in the SC-SOFC configuration it does not play tightness role between compartments. For this reason, a porous electrolyte can be processed by screen printing. However, it is necessary to have a diffusion barrier to prevent the transportation of hydrogen produced locally at the anode to the cathode through the electrolyte that reduces fuel cell performances. This study aims to obtain directly a diffusion barrier through the surface densification of the electrolyte by a laser treatment. The material chosen for the electrolyte was cerium gadolinium oxide Ce0.9Gd0.1O1.95 (CGO) which is deposited by screen printing on a composite NiO-CGO anode. UV laser and IR laser irradiations were used at different fluences and number of pulses to modify the density of the electrolyte coating. Microstructural characterizations confirmed the modifications on the surface of the electrolyte for appropriate experimental conditions showing either grain growth or densified but cracked surfaces. Structural and chemical modifications on the surface were evaluated as well as the gas diffusion through the electrolytes and their electrical conductivity. In order to understand interaction between the laser and the material, thermal modelling was also developed. Finally, SC-SOFC performances were improved for the cells presenting grain growth at the electrolyte surface, particularly, the power density has been enhanced by a factor 2.