Contribution à la compréhension et à l’optimisation des flux de matière, de charge et de chaleur au sein d’une cellule d’électrolyseur haute température à oxydes solides (SOEC)

Contribution towards mass, charge and heat flux comprehension and optimization in a Solid Oxide Electrolysis Cell (SOEC)

• Auteur / Autrice : Dominique Grondin
• Direction : Patrick Ozil, Jonathan Deseure, Jean-Pierre Chabriat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Grenoble INPG
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (Grenoble ; 1995-....) - Laboratoire d’énergétique, d’électronique et procédés (Saint-Denis, Réunion)
• Jury : Président / Présidente : Sergueï Martemianov
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohsine Zahid
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Lottin, Fabrice Mauvy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux

Technique de la production

Piles à combustible à oxyde solide

Électrochimie

Mots clés libres

Soec

Transfert de masse

Modélisation électrochimique

Mode d’alimentation

Soec

Mass transfer

Electrochemical modelling

Feeding configuration

Résumé

Dans ce travail, trois approches ont été réalisées pour aider au développement de l’électrolyseur haute température à oxydes solides. Dans une première, nous avons modélisé une cellule. Il en résulte que la description des cinétiques électrochimiques doit être la plus précise possible pour garantir une plus juste représentation des différents flux. Ainsi, dans une seconde approche, une étude expérimentale et théorique des réactions d’électrodes a été menée. Le comportement électrochimique des électrodes est dépendant de la microstructure et de la composition du gaz. Enfin, dans une troisième approche, nous avons modélisé un élément de répétition d’un empilement de cellule. Les phénomènes convectifs déterminent les distributions de concentration et de température au sein de la cellule. Enfin, la comparaison des alimentations co et contre-courant nous a révélé l’avantage du dernier pour la réduction des gradients de température dans la cellule

In this work, three approaches have been achieved to help high temperature Solid Oxide Electrolysis Cell (SOEC) development. First, a single cell has been modeled. It has been found that electrochemical kinetic description should be as accurate as possible to obtain a better flux estimation. Thus, in a second approach, an experimental and theoretical study of electrochemical reactions has been carried out. Electrodes electrochemical behavior is controlled by electrode microstructure and feeding gas composition. Finally, a single repeat unit of a SOEC stack has been modeled. Concentrations and temperature distributions are strongly influenced by convective phenomena. On the contrary of co-flow feeding configuration, a counter-flow configuration allows lower temperature gradient in the cell