Développement de piles à combustible de type SOFC en technologie planaire couches épaisses. Application à l'étude de dispositifs en configuration monochambre

Development of planar technology single chamber solid oxide fuel cells (SCFC) by screen - printing (thick films).

• Auteur / Autrice : Sorina-Nicoleta Udroiu
• Direction : Christophe Pijolat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sérigraphie

Piles à combustible à oxyde solide

Piles à combustible

Résumé

Cette étude est dédiée au développement de piles à combustible de type SOFC en configuration monochambre. L’originalité de ce type de pile SOFC est l’absence de séparation physique entre les compartiments anodique et cathodique. Un mélange d’hydrocarbure et d’air est injecté sur l’ensemble du dispositif comportant l’électrolyte et les deux électrodes de la pile SOFC. Le principe de fonctionnement de ce type de pile repose sur la différence d’activité catalytique entre les deux électrodes. L’anode doit être sélective pour l’oxydation des hydrocarbures et la cathode pour la réduction de l’oxygène. Cette configuration originale permet de s’affranchir des problèmes d’étanchéité des configurations conventionnelles deux atmosphères, ainsi que d’éviter les contraintes sur l’épaisseur de l’électrolyte suivant la disposition des électrodes (coplanaires ou de part et d’autre de l’électrolyte). Cette configuration conduit à des dispositifs simplifiés du point de vue technologique, et donc moins coûteux. Dans cette étude, les électrodes ont été déposées en couches épaisses par la technologie de sérigraphie sur des pastilles support d’électrolyte. Au niveau matériaux, des électrolytes à base de cérine (en particulier GDC et SDC) ont été utilisés afin de diminuer la température de fonctionnement des piles de type SOFC (par rapport à celles avec un électrolyte YSZ). Des électrodes à propriétés catalytiques bien spécifiques vis à vis du mélange gazeux, ont été aussi étudiés : cermets Ni - GDC ou Ni - SDC pour l’anode, cathodes à base de LSM, BSCF ou SSC. Les poudres initiales ainsi que les couches sérigraphiées ont été caractérisées (analyse de phase, microstructure, stabilité chimique, conductivité électrique…) par diverses méthodes physico-chimiques. Différentes piles ont été élaborées et testées dans un réacteur monochambre sous des mélanges air-propane. L’influence des conditions gazeuses (débit, composition) ainsi que de la température de fonctionnement sur les performances des piles a été étudiée. Compte tenu de nos conditions de test, les performances se sont avérées relativement modestes (densité de puissance maximale de l’ordre de 12 mW. Cm⁻²). Néanmoins, cette étude confirme la validité du concept des piles SOFC monochambres, et a aussi permis de développer un savoir-faire au niveau du laboratoire pour poursuivre les études sur cette thématique.

This work is devoted to the development of single chamber solid oxide fuel cells (SCFCs). The originality of this type of SOFC is the absence of physical separation between the anode and cathode compartments. A mixture of fuel (hydrocarbon) and oxidant (air) is injected into the device comprising the electrolyte and both electrodes of the cell. Their operating principle is based on the different catalytic activities of anode and cathode: ideally, the anode has to be active for the oxidation of fuel while the cathode should only present a strong electro-activity for oxygen reduction. This original configuration allows to overcome the problems of sealing contrary to conventional SOFC, and to avoid constraints on the thickness of the electrolyte according to the disposition of electrodes (coplanar or deposed on each sides of the electrolyte). This configuration leads to simplified design from a technological point of view and therefore to less expensive device. In this study, the electrodes were deposited as thick layers by screen-printing on electrolyte support. Ceria-based electrolytes (in particular GDC and SDC) have been used to reduce the operating temperature of SOFC cell (compared to those with YSZ electrolyte). Electrodes with specific catalytic properties towards gas mixture were also studied: Ni - GDC or Ni - SDC cermets for the anode, and LSM, BSCF or SSC cathodes. The initial powders as well the screen-printed layers were characterised by various physical-chemical methods (X-ray diffraction, microstructure, chemical stability, electronic conductivity). Different cells have been developed and tested in a single-chamber reactor under air / propane mixtures. The influence of gaseous conditions (flow, composition) as well as the operating temperature on the performances of the cells has been studied. Considering our tests conditions, the performances were relatively weak (maximum density power of about 12 mW. Cm⁻²). However this study confirms the validity of the SOFC single-chamber concept, and also allowed to develop know-how in the laboratory for further studies on this topic.