Etude de l'interaction joint verre - interconnecteur des Electrolyseur à Haute Température pour la production d'hydrogène vert

Study of the glass seal - interconnector interactions in solid oxide electrolysis cells for green dihydrogen production

• Auteur / Autrice : Andre Germain
• Direction : Stéphane Mathieu
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 14/11/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : C2MP - CHIMIE MECANIQUE MATERIAUX PHYSIQUE
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IJL - INSTITUT JEAN LAMOUR

Mots clés

Mots clés libres

Oxydation haute température

Hydrogène

Electrolyse

Verre

Revêtements

High temperature oxidation

Hydrogen

Electrolysis

Glass

Coatings

Résumé

Dans le cadre de la stratégie nationale pour le développement d'une filière « hydrogène décarboné» le CEA a décidé d'investir sur le développement de la technologie d'électrolyseur haute température à oxyde solide (EHT). Cette technologie permet d'obtenir des rendements de conversion particulièrement élevés et de valoriser la chaleur fatale de processus industriels. Les enjeux pour le CEA sont de démontrer la faisabilité industrielle d'un EHT aux performances accrues tout en limitant les phénomènes d'usure et de vieillissement. Au cours de son fonctionnement les composants de l'EHT sont soumis à des champs de température importants dans un milieu chimique agressif (présence de H2, H2O, O2). Dans ces conditions, des phénomènes de corrosion et d'oxydation peuvent affecter les performances de l'électrolyseur. Le Service de Recherche en Corrosion et Comportement des Matériaux (S2CM) du CEA Saclay a lancé le projet CASINOH (Calphad Assisted Study of INteractiOns in the HTE). Le projet se focalisera sur l'interaction entre les interconnecteurs (en acier inoxydable ferritique ayant pour fonction de conduire le courant et de séparer le milieu air du milieu vapeur d'eau/hydrogène) et le joint de verre (assure l'étanchéité des différents compartiments et permet ainsi de séparer le milieu air du mélange H2O/H2) afin d'identifier des potentiels revêtements capables de contribuer à l'amélioration des performances du stack. Dans ce cadre, cette thèse aura pour objectif d'étudier l'interaction chimique entre le joint de verre et l'interconnecteur nu et revêtu. Les essais seront conduits dans des fours de traitements thermiques adaptés pour simuler l'environnement de travail des matériaux des interconnecteurs (700-800 °C, en présence de O2 et/ou H2/H2O). L'étude systématique dans différentes atmosphères permettra d'identifier les mécanismes de dégradation et ainsi piloter le choix d'un revêtement protecteur. Dans un premier temps, des calculs thermodynamiques permettront de définir les conditions expérimentales ainsi que d'évaluer l'influence de l'atmosphère sur les phases formées. La réalisation des revêtements protecteurs sur le matériau d'interconnecteur se fera ensuite par des techniques de pack-cémentation, DLIMOCVL et/ou ALD. Les essais seront suivi d'analyses chimiques (microscopie électronique à balayage et à transmission, diffraction de rayons X, microscopie Raman) afin de déterminer la composition ainsi que la structure cristalline des phases formées.

In the context of the national strategy for the development of a “decarbonised hydrogen” sector, the CEA has decided to invest on the development of the solid oxide electrolysis cell technology (SOEC). This technology permits particularly high conversion efficiency and valorisation of the waste heat from industrial processes. The stakes for the CEA are to demonstrate the industrial feasibility of a high performance SOEC while limiting the ageing and wear phenomenons. During the SOEC operations its components sustain high temperature fields in chemically aggressive environment (H2, H2O, O2 presence). In these conditions, the corrosion and oxidation phenomenons can affect the electrolyser performances. The S2CM service of the CEA Saclay launched the CASINOH project. This project is focused on the interactions between the interconnectors (stainless ferritic steel parts used to conduct the electricity and separate the air environment from the water/hydrogen environment) and the glass seal (insuring the airtightness of the different compartments and separating the air environment from the water/hydrogen environment) to identify the potential coatings able to contribute to the performance enhancement of the stack. In this context, this PhD has the objective of studying the chemical interactions between the glass seal and the steel interconnector with and without coatings. The trials will be conducted in thermal treatment furnaces adapted to simulate the work environment of the interconnector materials (700-800 °C, with O2 and/or H2/H2O). The study in different atmospheres will permit to identify the degradation mechanisms and therefore pilot the protective coating choice. In a first part, thermodynamic calculations will help to define the experimental conditions and to evaluate the atmosphere influence on the obtained phases. The protective coatings on the steel interconnector will be performed by pack cementation, DLIMOCVL and/or ALD techniques. The trials will be followed by chemical analysis (SEM, XRD, Raman microscopy) to identify the composition and crystalline structure of the formed phases.