Réalisation de liaisons céramique-métal par brasage dans une cellule prototype d’électrolyse de la vapeur d’eau à haute température pour la production d’hydrogène

par Johan Loricourt

Thèse de doctorat en Chimie des matériaux

Sous la direction de Béatrice Sala.

Soutenue le 19-04-2011

à Montpellier 2 , dans le cadre de Sciences Chimiques (Montpellier ; École Doctorale ; ...-2014) , en partenariat avec Institut Européen des membranes (Montpellier) (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Claude Tédénac.

Le jury était composé de Béatrice Sala, Gérald Pourcelly, Dominique Goeuriot.

Les rapporteurs étaient Gilbert Fantozzi, Denyse Juvé.


  • Résumé

    L'électrolyse de la vapeur d'eau à haute température et sous pression avec des électrolytes à conduction protonique est un moyen envisagé pour produire massivement de l'hydrogène à un coût compétitif. Pour être fonctionnelle, une cellule d'électrolyse doit être hermétique vis-à-vis de l'extérieur et entre le compartiment anodique (O2 et H2O) et le compartiment cathodique (H2). Ainsi, la réalisation de liaisons céramique-métal est nécessaire, soit pour l'intégration de l'électrolyte (liaison perovskite-métal), soit pour l'intégration d'alimentations électriques (liaison alumine-métal). Compte-tenu des conditions de fonctionnement de la cellule (600°C, 50 bars, vapeur d'eau), seul un procédé de brasage est envisageable pour réaliser des jonctions résistantes mécaniquement et hermétiques. L'expertise des processus de corrosion sous vapeur d'eau a permis de définir la partie métallique et la brasure pour cette application et a montré que des alliages spécifiques étaient requis. L'étude de métallisation des céramiques par PVD pour permettre le mouillage de la brasure au moment du brasage a montré que la présence d'une barrière de diffusion était nécessaire, pour éviter la dissolution du dépôt lors du passage à l'état liquide de la brasure. Après une étude de mouillabilité à chaud de la brasure sélectionnée sur les céramiques métallisées et les substrats métalliques, les liaisons ont été optimisées en appliquant la méthodologie des plans d'expériences sur des éprouvettes normalisées. L'ensemble des résultats a ainsi conduit au développement de liaisons céramique-métal possédant de bonnes propriétés mécaniques (Rm = 60 MPa à 20°C) et hermétiques.

  • Titre traduit

    Ceramic to metal assemblies by brazing within a steam electrolysis prototype cell under pressure at high temperature for hydrogen production


  • Résumé

    Steam electrolysis at high temperature and under pressure with protonic conduction electrolyte is a way to produce hydrogen massively at low cost. To operate, an electrolysis cell must be hermetic especially between the anodic compartment (O2 and H2O) and the cathodic one (H2). Thus, ceramic to metal assemblies are needed, either to insert the electrolyte (perovskite-metal junction) or to realize power supply (alumina-metal junction).Considering the operating conditions (873°K, 725 PSI, steam), only a brazing process is possible to realize strong and hermetic junctions.The evaluation of corrosion process under steam pressure has enabled to select a metallic component and a brazing alloy for this application, and has shown that specific alloys are needed.The studies of ceramics metallization by PVD to assure the brazing alloy wetting throughout the brazing process have shown that a barrier diffusion was necessary to avoid the dissolution of coatings when the brazing alloy become liquid.After wetting experimentations of the chosen brazing alloy over the metalized ceramics and the metallic substrate, ceramic to metal assemblies have been optimized in applying the experimental design methodology on standard samples (ASTM).The whole results have enabled to develop hermetic ceramic to metal assemblies having good mechanical properties (Rm = 8700 PSI at 300°K).



Le texte intégral de cette thèse sera accessible sur intranet à partir du 19-04-2021

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