Développement d’électrodes Innovantes pour piles à combustible réalisés sur support métallique poreux

Development of innovative electrodes for metal-supported solid oxide fuel cells

• Auteur / Autrice : Sarra Belakry
• Direction : Didier Fasquelle, Aurélie Rolle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Spécialité milieux denses, matériaux et composants
• Date : Soutenance le 28/01/2022
• Etablissement(s) : Littoral
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de dynamique et structure des matériaux moléculaires - UCCS - Unité de Catalyse et Chimie du Solide
• Partenaire(s) de recherche : financeur : Hauts-de-France. Conseil régional
• Jury : Président / Présidente : Rose-Noëlle Vannier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Armelle Ringuedé, Jean-Marc Bassat, Pascal Briois
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Armelle Ringuedé, Jean-Marc Bassat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie -- Développement

Piles à combustible

Électrodes

Piles à combustible à oxyde solide

Mots clés libres

Infiltration

Film mine

MS-IT-SOFC

FeCrAl

Acier 316L

LSCF

Impregnation

Thin film

316L stainless steel

MS-IT-SOFC

FeCrAl

LSCF

Résumé

Les piles à combustible à oxyde solide à support métallique (MS-SOFC) connaissent un grand intérêt en raison de leurs avantages potentiels (faible coût, tolérance aux cycles redox et thermiques, etc.) par rapport aux piles à combustible SOFC conventionnelles. Cette thèse a pour objectif de développer une pile à combustible à oxyde solide fonctionnant aux températures intermédiaires (500 - 750°C) sur un support métallique poreux (MS-IT-SOFC). Deux supports métalliques poreux, sous forme de fibres compactées en acier 316L et FeCrAl, fournis par une entreprise locale TIBTECH, ont été étudiés afin d’évaluer leur stabilité physique, chimique et électrique et valider leur utilisation comme support pour IT-SOFC. Cette étude a permis de sélectionner le FeCrAl comme support métallique pour IT-SOFC. La réduction de la température de fonctionnement passe en partie par la diminution de la résistance de polarisation de la cathode. Cet objectif peut être atteint soit par le développement de nouveaux matériaux plus performants, soit par l’amélioration de la microstructure ou de la surface/interface entre l’électrolyte et la cathode. Cette thèse développe la dernière approche en améliorant la surface/interface entre le CGO et le LSCF. Pour cela, trois architectures de cathode ont été élaborées et caractérisées par spectroscopie d’impédance : cathode classique (LSCF poreux et épais), cathode avec un film mince LSCF à l’interface cathode-électrolyte, et cathode avec squelette CGO imprégné de LSCF. L’influence des deux dernières architectures reste remarquable dans la mesure où leur ASR est proche de 0,1 Ω.cm2 à 600°C et 0,02 Ω.cm2 à 750°C. La cellule complète MS-IT-SOFC avec une cathode simple et un électrolyte CGO a fourni 421 et 523 mW/cm2 à 700 et 750°C, respectivement. L’objectif d’une cellule à support métallique pouvant fournir 0,5 W/cm2 est donc atteint. En revanche, l’utilisation de l’électrolyte CGOCB/YSZ/CGOCB donne les densités de puissance plus faible à 154 et 219 mW/cm2 à 700 et 750°C, respectivement. Cette baisse de performance est attribuée à l’utilisation de l’oxyde YSZ qui introduit plus de pertes aux températures intermédiaires. Cependant, l’intégration d’une cathode avec squelette CGO imprégné de LSCF a permis d’augmenter ces valeurs à 242 et 342 mW/cm2, démontrant ainsi tout l’intérêt de ce type de cathode. L’ensemble de ces travaux a permis de valider notre architecture SOFC à support métallique poreux FeCrAl, et a permis de définir des orientations importantes dans le choix de l’électrolyte (matériau, épaisseur) et des électrodes.

Metal Supported Solid Oxide Fuel Cells (MS-SOFCs) have gained significant interest due to their potential advantages (low-cost, tolerance to redox and thermal cycling and so on) over conventional fuel cells. The main objective of this thesis was to develop an intermediate temperature (500-750°C) Solid Oxide Fuel Cell on a porous metal support (MS-IT-SOFC). Two porous metallic supports in the form of compacted fibers (316L steel and FeCrAl, supplied by the local company TIBTECH, were studied in order to evaluate their physical, chemical and electrical stability and to validate their use as support for IT-SOFCs. This study leads to the selection of FeCrAl as a metallic support for IT-SOFC. The decrease of the operating temperature is partly achieved by reducing the cathode polarization resistance. This objective can be achieved either by developing new and better performing materials, or by improving the microstructure or the electrolyte/cathode or surface/interface of known materials. This thesis develops the latter approach, by improving the surface/interface of GDC/LSCF. For this purpose, three cathode architectures have been developed and characterized by impedance spectroscopy: conventional cathode (porous and thick LSCF), cathode with a thin LSCF film at the cathode-electrolyte interface, and cathode with GDC backbone infiltrated by LSCF. The influence of the last two architectures remains remarkable as their ASR is close to 0.1 Ω.cm2 at 600°C and 0.02 Ω.cm2 at 750°C. The complete MS-IT-SOFC cell with a simple cathode and GDC electrolyte has provided 421 and 523 mW/cm2 at 700 and 750°C, respectively. Thus, the goal of a metal-supported cell that can deliver 0.5 W/cm2 is achieved. On the other hand, the use of CGOCB/YSZ/CGOCB electrolyte decreased the power densities to 154 and 219 mW/cm2 at 700 and 750°C, respectively. This decrease in performance is attributed to the use of YSZ oxide, which introduces more losses at intermediate temperatures. However, the integration of a cathode with a CGO backbone impregnated with LSCF allowed to increase these values to 242 and 342 mW/cm2, demonstrating the interest of this type of cathode. All these works allowed to validate our SOFC architecture with a porous FeCrAl metal support, and to define important orientations in the choice of the electrolyte (material, thickness) and the electrodes.