Développement de verres de scellement par voie sol-gel en vue de l'élaboration d'une Serial Repeat Unit (SRU) pour piles à combustibles SOFC

Development of glass seals using a sol-gel route in order to elaborate a serial repeat unit (SRU) for solid oxide fuel cells (SOFC) applications

• Auteur / Autrice : Jean Puig
• Direction : Florence Ansart, Pascal Lenormand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vitrocéramique

Sol-gel, Procédé

Piles à combustible à oxyde solide

Mots clés libres

Sofc

Vitrocéramiques

Scellement

Sol-gel

Résumé

Les verres de scellement permettent d'assurer l'étanchéité à haute température des systèmes SOFC en séparant les compartiments anodiques et cathodiques. Les scellements rigides sont soumis à différentes contraintes simultanées (thermomécaniques, chimiques, électriques,. . . ) lors des cycles thermiques d'une pile SOFC. Ces travaux ont consisté à développer des verres de scellement pour les systèmes SOFC en utilisant un procédé de synthèse en milieu liquide : la voie sol-gel. De basses températures de mise en forme et une homogénéité en composition chimique des matériaux formés ont été obtenues à l'aide de ce procédé. Les verres élaborés correspondent aux compositions chimiques BxAS (BaO- x= CaO, MgO, B2O3 -Al2O3-SiO2) avec une forte teneur en BaO afin d'avoir des coefficients d'expansion thermique compatibles avec les autres éléments de la cellule SOFC. Les caractérisations des propriétés des verres ont permis de démontrer que plusieurs matériaux élaborés avaient les propriétés requises pour une application en tant que scellement SOFC. Plusieurs tests de scellement à haute température sous atmosphère oxydante et réductrice ont mis en avant le fait que la réactivité chimique avec l'acier des interconnecteurs était un critère déterminant dans le choix de la formulation d'un verre idéal contenant du BaO. Un verre avec une composition chimique optimisé a finalement été sélectionné pour réaliser des tests électriques sur une cellule en fonctionnement. Les premiers résultats obtenus sur la cellule scellée sont prometteurs et font du verre élaboré un candidat potentiel aux futures applications SOFC.

Glass seals are used to ensure gas-tightness at high temperature for SOFC systems by separating the anode and cathode compartments. These rigid seals are subject to different strains simultaneously (thermomechanical, chemical, electrical,. . . ) during thermal cycles of a SOFC. This work consisted in developing glass seals for SOFC systems using a synthesis process in a liquid medium: the sol-gel process. Low temperatures shaping and homogeneity in chemical composition of materials formed were obtained using this method. The as-formed glasses correspond to the chemical compositions BxAS (BaO-x = CaO, MgO, B2O3-Al2O3-SiO2) with a high content of BaO in order to have coefficients of thermal expansion compatible with the other components of the SOFC. The characterization of the glass properties have demonstrated that several materials had developed the required properties for application as SOFC sealing. Several tests of sealing at high temperature under oxidizing and reducing atmosphere highlighted the fact that the chemical reactivity with steel interconnects was a critical criteria in selecting the ideal formulation in BaO containing glasses. A glass with optimized chemical composition was finally selected to realize electrical tests on an operational cell. The first results on the sealed cell are promising and the glass used is a potential candidate for future SOFC applications.