Elaboration et optimisation d'électrolytes pour piles à combustible de type SOFC

par Régine Rampon

Thèse de doctorat en Matériaux

Sous la direction de Ghislaine Bertrand.

Soutenue en 2007

à Besançon en cotutelle avec Belfort-Montbéliard .


  • Résumé

    La température d’utilisation importante des SOFC est à l’origine de nombreux problèmes tant au niveau du choix des matériaux que de la durée de vie des piles. Un point clef dans l’obtention d’une pile fonctionnant à température réduite est la production d’un électrolyte dense et mince (une vingtaine de microns). Dans ce but, le procédé de projection par plasma d’arc soufflé atmosphérique (APS) a été adapté en remplaçant la poudre usuellement injectée dans le plasma par une suspension de fines particules. Pour mener à bien ces travaux, une bonne compréhension des phénomènes mis en jeu est nécessaire au contrôle de la microstructure des dépôts. Tout d’abord, une étude a été menée dans le but de comprendre les interactions entre les suspensions, l’injection et le procédé de projection. Des suspensions dispersées et stables ont été élaborées dans trois solvants : l’eau, le méthanol ou l’azéotrope éthanol/méthyléthylcétone. L’ajout de plastifiant a permis de contrôler la viscosité tandis que seul la nature du solvant a permis de modifier la tension de surface. Les comportements des suspensions vis-à-vis de l’atomisation ont ensuite été évalués. Ainsi pour l’eau les distributions de taille de gouttes sont quasi monomodales pour un faible débit de gaz ou une forte viscosité de la suspension, tandis que pour les alcools elles sont extrêmement larges et contiennent des gouttes de tailles très variées. Enfin en tirant des tendances sur les différences de comportement des suspensions vis-à-vis de l’atomisation, des hypothèses quant aux trajectoires des gouttes dans le plasma ont été avancées afin d’expliquer les évolutions des vitesses et température des particules en vol. L’étude de la microstructure des dépôts a ensuite montré que l’utilisation de l’eau comme solvant et la diminution du débit de gaz porteur se traduisent par une diminution drastique des taux de porosité. Outre les effets de la formulation des suspensions et de l’injection, certains paramètres opératoires de projection ont été évalués afin d’être optimisés. Ainsi la distance de projection est un paramètre particulièrement important. Les paramètres plasma permettent également la modification de la microstructure des dépôts, les plus intéressants ont donc été sélectionnés grâce aux températures et vitesses de particules mesurées avec l’accuraspray. Enfin les paramètres cinématiques optimaux ont été déterminés. Enfin l’obtention de dépôt dense étant délicate, une autre piste a été explorée de façon préliminaire afin d’obtenir des couches denses : le traitement thermique in situ. De premiers dépôts ont été traités par passage du plasma à très faible distance des dépôts précédemment réalisés. Des couches très denses sont alors obtenues en surface sur des épaisseurs très réduites. Des dépôts présentant les différentes microstructures obtenues dans ces travaux ont alors été testés par spectroscopie d’impédance.

  • Titre traduit

    Synthesis and optimization of electrolytes used in SOFC


  • Résumé

    The high operating temperature of the SOFC decreases the life time of the cells. The reduction of the SOFC operating temperature causes several problems such as ohmic drop through the electrolyte. To overcome these cell performance losses, the electrolyte resistivity can be decreased by lowering the thickness of the electrolyte. The chosen process is the plasma jet projection of ceramics suspensions. A good understanding of the process is necessary in order to control the coatings microstructure. First the interactions between the suspension characteristics, the injection and the projection process have been studied. Dispersed and stable suspensions have been obtained in three different solvents: distilled water, methanol and ethanol/methylethylketone azeotrope. Solvent nature determines the surface tension and viscosity is controlled through additive amounts. Atomization has been studied as a function of the suspension formulations. Suspension with water generates monomodal drop size distribution when its viscosity is high or the atomization gas flow rate is low. Suspensions with alcohol generate wide drop size distribution. This work gave trends about suspension behaviour toward atomization and allowed us to make hypothesis about drop trajectory in the plasma. Finally study of the coating microstructure showed that using water as solvent and working with low atomization gas flow rate generate the less porous microstructure. Influence of operating parameters such as plasma characteristics, cinematic and projection distance has been evaluated. Particle temperatures and speeds were measured with accuraspray and used as a tool to select the best operating parameters in order to obtain less porous coatings. It was really difficult to obtain dense coatings so in situ thermal treatment was studied and preliminary tests are presented. Coatings were produced and then treated by passing the plasma in front of the coating. Coating surfaces are obtained really dense but are cracked. Finally first electrochemical results are presented.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (150 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 131-142

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