Modélisation et validation expérimentale du comportement électrochimique d'une pile à combustible SOFC en reformage interne de biocombustible

Modelling and experimental validation of the SOFC behaviour under internal reforming biogas

• Auteur / Autrice : Kelly Girona
• Direction : Florence Lefebvre-Joud, Jacques Fouletier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, énergétique, procédés
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Grenoble INPG

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie d'impédance

Piles à combustible à oxyde solide

Résumé

Ce travail concerne le fonctionnement d’une pile SOFC alimentée en biogaz. Il s’agit plus particulièrement d’optimiser les conditions de reformage à sec et de contrôler le dépôt de carbone. Un premier axe de recherche correspond à la mise en place d’outils numériques pour mesurer les risques de formation de carbone solide à l’anode lors du reformage du méthane. Pour cela, des calculs thermodynamiques complétés par des calculs cinétiques ont été réalisés permettant de déterminer des points de fonctionnement. La seconde partie du travail porte sur l’étude de la formation du dépôt de carbone au sein de l’anode (Cermet Ni-YSZ). La dégradation des performances de la pile provoquée par ce dépôt a été étudiée in situ par spectroscopie d’impédance électrochimique sur des cellules complètes. Un protocole d’exploitation des diagrammes a été établi spécifiquement. Le carbone déposé a été caractérisé après vieillissement par microscopie à balayage, notamment sa morphologie et sa distribution. Sur la base de l’ensemble de ces résultats, des mécanismes de formation du dépôt de carbone ont pu être proposés. Au final, la pertinence d’une utilisation directe du biogaz comme combustible SOFC pour produire de l’électricité est validée ainsi que l’approche numérique développée à cet effet.

This work is dedicated to the study of SOFC operation directly on biogas (mixture of humidified methane and carbon dioxide). More specifically, it concerns the optimization of biogas internal dry reforming conditions. A special attention is paid to the carbon deposition risk. The first part of this work is dedicated to the development of numerical tools in order to determine the risk of carbon formation within the anode during the operation. Thermodynamic and kinetic calculations have been achieved allowing the determination of safe operation conditions (temperature, fuel composition and cell polarization). The second part of this work concerns the study of carbon deposition within the anode material (Cermet Ni-YSZ). The performance degradation upon operation due to carbon deposition has been studied over more than hundred hours on complete cells by electrochemical impedance spectroscopy. A diagram analysis protocol has been specially developed. The carbon deposited has been characterized by scanning electron microscopy with particular attention given to its morphology and distribution. The analyses of all the above results allowed proposing carbon deposition mechanisms. To end, the cell operation under biogas is shown to be relevant as well as the dedicated numerical approach developed in this work.