Étude d'une pile à combustible SOFC alimentée au gaz : caractérisation et modélisation du fonctionnement de l'anode

Study of Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) fed with methane : modelling and characterization of the anode behaviour.

• Auteur / Autrice : Bertrand Morel
• Direction : Florence Lefebvre-Joud, Yann Bultel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électrochimie
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Grenoble INPG

Résumé

Ce travail porte sur l'étude de l'anode d'une pile à électrolyte oxyde solide (SOFC), fonctionnant en reformage interne direct du méthane. Cette étude s'est déclinée suivant deux axes : le développement d'un modèle de compréhension du fonctionnement de l'anode et sa caractérisation électrochimique en fonctionnement sous méthane. Ce modèle, basé sur le couplage du transport de matière et de chaleur au sein d'une anode support permet d'établir les distributions de courant, de surtensions, de concentration des espèces et de température dans l'anode. Les réponses simulées montrent que la distribution des espèces gazeuses au sein de l'anode dépend fortement de la cinétique des réactions de reformage, tandis que les paramètres microstructuraux (porosité, tortuosité ou rayon moyen des pores) ont peu d'effet. De plus, les résultats des simulations sous méthane ont montré un faible gradient thermique induit par le reformage interne. En parallèle, deux matériaux d'anode ont été étudiés: le chromite de lanthane dopé strontium (LSC), matériau prometteur pour un fonctionnement sous méthane et le cermet Ni-YSZ, matériau classiquement utilisé et servant de référence dans cette étude. La mise en forme d'anode en LSC s'est avérée difficile pour des raisons de frittage. Les premiers éléments de validation du modèle obtenus sur le cermet Ni-YSZ montrent une assez forte résistance de contact provenant du collectage de courant dans nos conditions d'essais. Toutefois, des performances de l'ordre de 150 mW/cm2 sous méthane, voisines de celles sous hydrogène (200 mW/cm2), ont été atteintes en se plaçant à des rapports eau/méthane élevés (>2).

This work deals with Sol id Oxide Fuel Cell (SOFC) operating directly under methane. This study of the Direct Internai Reforming (DIR) has been performed following two paths. The first one has been focused on the development of a model centered on the DIR. The second one has concerned the electrochemical characterization of an anode fed with wet methane. This model is based on mass and heat transport in anode-supported cell. It allows to predict current, overpotential, concentration of species and temperature distributions in the anode. Simulations have shown that the distribution of species depends strongly on the steam reforming kinetic. Furthermore, a low thermal gradient due to the DIR process has been established. Two anode materials have been studied : the classical Ni-YSZ cermet and the strontium-doped lanthanum chromite which appears as a promising material for such an application. The first elements of the model validation obtained on the cermet Ni-YSZ have shown a high contact resistance, caused by current collectors. However, electrochemical performances under methane (150 mW/cm2), close to an hydrogen supply, have been obtained with the cermet when high water/methane ratio (>2) are used.