Elaboration et maitrise de la structure d'une cellule de pile à combustible à base de zircone scandiée.

Fabrication and control of the structure of a fuel cell based on scandia-stabilized zirconia

• Auteur / Autrice : Thibault Reynier
• Direction : Didier Bouvard, Claude Carry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 08/11/2012
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Sciences et Ingénieurie des Matériaux et des Procédés
• Jury : Président / Présidente : Jean-claude Grenier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Bouvard, Claude Carry, Nathalie Petigny, Richard Laucournet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Guillon, Jean-marc Heintz

Mots clés

Mots clés libres

Pile à combustible

SOFC

Frittage

Co-frittage

Zircone scandiée

Fuel cell

SOFC

Sintering

Co-sintering

Scndia stabilized zirconia

Résumé

Dans le domaine des piles SOFC, un des principaux objectifs actuels est la réduction de latempérature de fonctionnement des cellules en deçà de 700°C, afin de garantir une plusgrande durabilité des systèmes électrochimiques et des matériaux de cellules. En outre, leprocédé d’élaboration d’une cellule complète comprend actuellement deux voire trois étapesde frittage; une seule opération de frittage pourrait conduire à une diminution conséquente ducoût de production de la cellule. Le but de ce travail de thèse est d’apporter une contribution àces deux problématiques en proposant un procédé d’élaboration d’une cellule de pile àcombustible SOFC en une seule opération dite de cofrittage et avec une sélection dematériaux à hautes performances électrochimiques.Cette thèse a été abordée selon trois thématiques principales : mécanique, microstructurale etélectrochimique.Après la caractérisation du comportement en frittage des matériaux retenus pour l’étude, uncycle de frittage conduisant à une microstructure d’électrolyte acceptable (porosité fermée) aété sélectionné. Le cofrittage a ensuite été étudié selon un aspect mécanique. Les phénomènesde courbure engendrés par le cofrittage ont été expliquées à l’aide d’une modélisationanalytique et confrontées à des observations in situ. Le travail s’est ensuite orienté dans uneapproche microstructurale avec l’optimisation de la microstructure de la cathode en utilisantune modélisation numérique basée sur la méthode des éléments discrets. Les composants de lacellule complète ont finalement été caractérisés par spectroscopie d’impédanceélectrochimique afin d’optimiser leurs performances. Enfin, une cellule complète exempt defissure a été réalisée par cofrittage et ses performances électrochimiques ont été estimées.

In the field of SOFCs, a major objective is the reduction of the cell operating temperaturebelow 700°C, in order to ensure greater durability of electrochemical systems and cellmaterials. In addition, the fabrication process of a complete cell currently includes two orthree stages of sintering. Thus one sintering process could lead to a consequent decrease in theproduction cost of the cell. The purpose of this thesis is to contribute to these two issues byproposing a method for manufacturing a SOFC fuel cell in a single operation called cofiringand with a selection of high electrochemical performance materials.This thesis is addressed in three main areas: mechanical, microstructural and electrochemical.After sintering behavior characterization of the selected materials, a sintering cycle leading toan acceptable electrolyte microstructure (closed porosity) was selected. The cofiring was thenapproached by a mechanical aspect. The curvature Phenomena caused by of cofiring wereexplained using an analytical model and compared with in situ observations. The work is thencontinued with a microstructural approach. The optimization of the cathode microstructurewas done using a numerical modeling based on the discrete element method. Cell componentswere finally characterized by electrochemical impedance spectroscopy to optimize theirperformances. Finally, a free crack complete cell was obtained by co-sintering process and herelectrochemical performance was estimated.