Caractérisation et modélisation des cermets Ni-YSZ infiltrés pour l'application d'électrolyse haute température.

Characterization and Modeling of Infiltrated Ni-YSZ Electrode for High Temperature Electrolysis Application

• Auteur / Autrice : Hugo Duchene
• Direction : Jérôme Laurencin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : EC - Electrochimie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA Grenoble - LITEN
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : DTCH

Mots clés

Mots clés libres

Électrolyse

Haute-température

Caractérisation

Modélisation

Dégradation

Électrochimie

Electrolysis

High-temperature

Characterization

Modeling

Degradation

Electrochemistry

Résumé

Contexte et problématique : Les cellules d'électrolyse à oxyde solide (SOEC) sont des dispositifs électrochimiques fonctionnant à haute température, capables de convertir l'électricité en hydrogène. Elles sont aujourd'hui considérées comme l'une des solutions techniques clés pour la transition vers un marché de l'énergie renouvelable. En effet, les SOEC présentent de nombreux avantages, tels que la possibilité de produire de l'hydrogène vert à haut rendement. Cependant, les SOEC sont soumises à diverses dégradations matérielles lors de leur fonctionnement, ce qui limite leur durée de vie. L'un des phénomènes les plus néfastes est lié à l'évolution microstructurale de l'électrode d'hydrogène standard, constituée de nickel et de zircone stabilisée à l'yttria (Ni-YSZ). Pour atténuer ce problème et améliorer l'efficacité de la cellule, il a été récemment proposé d'infiltrer l'électrode Ni-YSZ avec un catalyseur tel que l'oxyde de cérium dopé au gadolinium (CGO). Cependant, le gain réel en termes de performances et de durabilité doit encore être évalué précisément. De plus, les mécanismes complexes couplant les réactions électrochimiques aux propriétés microstructurales et à la dégradation des matériaux restent insuffisamment compris, en particulier dans des conditions d'électrolyse. Dans ce contexte, une méthodologie triple combinant tests électrochimiques, modélisation et caractérisation avancée est particulièrement pertinente pour mieux analyser le fonctionnement d'une électrode Ni-YSZ infiltrée. Objectifs et plan de travail : Des expériences électrochimiques seront d'abord réalisées pour étudier les performances et la durabilité de l'électrode Ni-YSZ infiltrée. Des techniques de caractérisation avancées, telles que la tomographie FIB-SEM (Faisceau d'Ions Focalisé - Microscopie Électronique à Balayage), seront ensuite utilisées pour quantifier la dégradation des matériaux et les modifications microstructurales dans les cellules vieillies. Un modèle multi-physique et multi-échelle existant, développé au CEA Liten, sera adapté à l'électrode étudiée. Un effort particulier sera fait pour modéliser la dégradation et son impact sur le spectre d'impédance électrochimique (EIS). La réponse EIS ainsi que l'évolution microstructurale de l'électrode seront simulées et comparées aux données expérimentales afin de valider le modèle. Une fois validé, le modèle sera utilisé pour analyser le rôle du catalyseur infiltré sur la dégradation de la cellule. Des solutions seront alors proposées et testées au cours de la thèse afin d'améliorer la performance et la durabilité de l'électrode.

Context and problematic: Solid oxide electrolysis cells (SOECs) are electrochemical devices operating at high temperature that can convert electricity into hydrogen. They are considered nowadays as one of the key technical solutions for the transition toward a renewable energy market. Indeed, the SOECs present many advantages such as the possibility to produce green hydrogen at high efficiency. However, the SOECs are subjected to various material degradations upon operation that limit their lifetime. One of the most harmful phenomena is related to microstructural evolution in the standard hydrogen electrode made of Ni and Yttria Stabilized Zirconia (Ni-YSZ). To mitigate this issue and improve the cell efficiency, it has been recently proposed to infiltrate the Ni-YSZ electrode with catalyst such as Ceria doped Gadolinium Oxide (CGO). However, the real gain in term of performances and durability still needs to be precisely evaluated. Moreover, the complex mechanisms coupling the electrochemical reactions to the microstructural properties and the material degradation remain unclear especially under electrolysis operation. In this context, a trifold methodology combining electrochemical test, modeling and advanced characterization is particularly relevant to better analyze the operation of infiltrated Ni-YSZ electrode. Objectives and work plan: Electrochemical experiments will be first carried out to investigate the performance and the durability of infiltrated Ni-YSZ electrode. Post-test advanced characterizations techniques including FIB-SEM (Focused Ion Beam-Scanning Electron Microscopy) tomography will be used to quantify the material degradation and the microstructural change in the aged cells. An existing multi-physic and multi-scale model developed at CEA Liten will be adapted to the studied electrode. A specific effort will be paid to model the degradation and its impact on the Electrochemical Impedance Spectra (EIS). The EIS response as well as the microstructural evolution in the electrode will be simulated and compared to the experimental data for model validation. Once validated, the model will be used to analyze the role of the infiltrated catalyst on the cell degradation. Solutions will be then proposed and tested during the PhD thesis to improve the electrode performance and durability.