Rupture des céramiques poreuses: application à la fiabilité des cellules à oxydes solides au cours des cycles thermomécaniques

par Amira Abaza

Projet de thèse en 2MGE : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Jérôme Laurencin.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de I-MEP2 - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production , en partenariat avec CEA Grenoble / LITEN (laboratoire) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Les piles à combustibles ou électrolyseurs à oxydes solides sont des convertisseurs électrochimiques qui fonctionnent à hautes températures. Parmi de nombreux avantages, ces systèmes peuvent atteindre de très hauts rendements sans l'utilisation de catalyseurs onéreux. Grâce à leurs réversibilités, le même objet peut être alternativement utilisé dans un mode pile à combustibles (SOFC) puis électrolyseur (SOEC). Les cellules SOFC/SOEC sont fabriquées à partir de matériaux céramiques et sont constituées par deux électrodes poreuses séparées par un électrolyte dense. Les cellules sont assemblées avec des plaques d'interconnexion métalliques pour former un empilement de haute densité de puissance. A cause d'une expansion thermique différente entre les composants de l'empilement, les couches de la cellule sont soumises à de fortes contraintes internes. Au cours des cycles de marche/arrêt du système, le chargement thermomécanique peut aboutir à un endommagement local des électrodes. La thèse proposée a pour objectif d'évaluer l'endommagement des électrodes due aux cycles de marche/arrêt du système. Pour ce faire, un critère de rupture local sera validé puis utilisé pour calculer la densité de microfissures dans le réseau 3D des électrodes poreuses. Les résultats seront utilisés pour évaluer l'impact des cycles thermomécaniques sur les performances et la durabilité du convertisseur électrochimique.

  • Titre traduit

    Fracture of porous ceramics: application to the mechanical reliability of Solid Oxide Cells during thermal cycling


  • Résumé

    Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) and Solid Oxide Electrolysis Cells (SOEC) are promising electrochemical converters operating at high temperatures. Among several advantages, SOFCs and SOECs can reach a very high efficiency without the use of specific electro-catalyst. Thanks to their reversibility, the same device can be alternatively used in fuel cell and steam electrolysis modes. The SOFC/SOEC are made of ceramic materials and they consist in two porous electrodes separated by a dense electrolyte. In planar configuration, the cells are assembled with metallic interconnects to form a stack of high power density. Because of the mismatch in Thermal Expansion Coefficients (TEC) between all the stack components, the cell layers are subjected to significant internal stresses. During the accumulation of start and shutdown of the system, the thermomechanical loading can induce damage in the electrode which leads to decrease the global system efficiency. Nowadays, the SOFC/SOEC mechanical degradation remains an issue for the application that still needs to be precisely investigated. In this frame, it is necessary to study the brittle fracture behavior of the porous SOFC/SOEC ceramics.