Réactivité des aciers inoxydables ferritiques utilisés comme éléments d’interconnexion électrique dans les PAC SOFC alimentées en biogaz

Reactivity of ferritic stainless steels used as electric interconnectors in biogas-fuelled solid oxide fuel cells

• Auteur / Autrice : Piyorose Promdirek
• Direction : Alain Galerie, Gobboon Lothongkum
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Grenoble INPG en cotutelle avec Université de Chulalongkorn (Bangkok)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Sawai Danchaivijit
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Wouters, Panyawat Wangyao
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Chevalier, Chatchai Somsiri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dioxyde de carbone

Piles à combustible

Acier inoxydable

Corrosion électrochimique

Mots clés libres

Piles à combustible à haute température

Sofcs

Interconnecteurs

Biogaz

Dioxyde de carbone

Cinétique de corrosion

Carburation

Aciers inoxydables ferritiques

Morphologie des surfaces

Solid oxide fuel cells

SOFCs, interconnects

Ferritic stainless steels

Biogas

Carbon dioxide

Corrosion kinetics

Carburization

Surface morphology

Résumé

L’objectif de cette étude est de comprendre le comportement à haute température à la corrosion de l’acier inoxydable de type ferritique AISI 441 (18CrTiNb), un candidat pour les interconnexions SOFC, dans les biogaz synthétiques (CH4 + CO2) utilisé sur le côté anode de la pile. L’analyse thermodynamique a montré que la pression partielle d’oxygène dans de tels mélanges se situe dans le domaine de 10-23 à 10-20 bar entre 700 et 900°C et la formation de carbone solide peut apparaître dans plusieurs conditions. La cinétique modélisée a été examinée dans cette étude. En comparant avec les constantes de vitesse linéaire du 441 oxydé en CO2 pur, la corrosion dans le biogaz est plus grande et augmente avec la teneur en méthane. Les morphologies de la surface des échantillons corrodés ont montré une couche d’oxyde dense à des températures inférieures à 800°C, agissant comme une barrière efficace à la pénétration de carbone. Toutefois, lorsque la température atteint 900°C, les fissures et les pores apparaissent dans la couche d’oxyde, le carbone peut précipiter et diffuse plus facilement qu’à 800°C

The objective of this study is to understand the high temperature corrosion behaviour of the ferritic stainless steel type AISI 441 (18CrTiNb), a candidate for SOFC interconnectors, under dry synthetic fermentation biogas (CH4 + CO2 mixtures) possibly used at the anode side of the cell. Thermodynamic analysis showed that, in such mixtures, the partial pressure of oxygen lies in the range of 10–23 to 10–20 bar for temperature between 700 and 900°C and that the formation of solid carbon may take place in several conditions. Kinetic experiments showed linear mass change at temperatures between 700 and 900°C. The modeled kinetics was discussed in this study. In this temperature range, kinetic experiments showed linear mass change. Comparing with the linear rate constants of 441 oxidised in pure CO2, corrosion in biogas is larger and increases with increasing the methane content in the dry biogas. XRD results confirmed the formation of Cr2O3 and Mn-Cr spinel, with a mixture of internal carbides. The surface morphology of the corroded specimens showed a dense oxide scale at temperatures less than 800°C, serving as an efficient barrier to carbon penetration. However, when the temperature reaches 900°C, cracks and pores appear in the oxide scale, carbon can precipitate and diffuse easier than at 800°C and may lead to internal carbide formation. In such biogas atmospheres, 800°C seems the maximum operating temperature of devices containing this ferritic stainless steel