Développement d'une pile à combustible à oxyde solide sur support métallique (MS-SOFC) obtenue par plasma atmosphérique et par pulvérisation cathodique magnétron

Development of Metal-supported Solid Oxide Fuel Cell (MS-SOFC) by Atmospheric Plasma Spraying and Reactive Magnetron Sputtering Technique

• Auteur / Autrice : Xiaolei Ye
• Direction : Pascal Briois, Pierre Bertrand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 22/06/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de technologie de Belfort-Montbéliard (1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Armelle Ringuedé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Briois, Pierre Bertrand, Anne-Lise Thomann, Fabrice Mauvy, Rémi Costa
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne-Lise Thomann, Fabrice Mauvy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergies renouvelables

Piles à combustible à oxyde solide

Mots clés libres

Ms-Sofc

Aps

Rms

Anode NiO-YSZ

Composite cathode PPNO

Ms-Sofc

Aps

Rms

NiO-YSZ anode

PPNO composite cathode

Résumé

Au cours des dernières décennies, afin de faire face à la pénurie mondiale d'énergie et aux défis de la pollution environnementale, le développement des énergies renouvelables est devenu imminent. En tant qu'appareil capable de convertir directement l'énergie chimique en énergie électrique, Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) joue un rôle important dans la production d'énergie propre. Cette technologie est bien adaptée à la production combinée de chaleur et d'électricité dans le stationnaire mais également dans l'alimentation auxiliaires pour la production mobile. Initialement, la SOFC est conçue pour fonctionner à haute température (800-1000°C), ce qui facilite une conversion efficace de l'énergie. Cependant, l'environnement de travail à haute température entraîne également une série d'inconvénients en termes de sélection des matériaux, de coût de fabrication et de durée de vie des cellules, etc... L'abaissement de la température de fonctionnement à une température intermédiaire/basse (600-800°C, IT-SOFC; ~600°C, LT-SOFC) peut efficacement surmonter ces inconvénients mais entraînera une baisse des performances de la cellule. Le maintien ou l'amélioration des performances des cellules travaillant à plus basse température est une tendance de développement des SOFC. Un avantage significatif apporté par la température de fonctionnement plus basse est que les matériaux métalliques peuvent être utilisés comme matériaux de support pour SOFC (MS-SOFC). Le concept fondamental de MS-SOFC est de supporter de fines couches d'électrodes/électrolytes en céramique sur des matériaux métalliques robustes et peu coûteux. De cette manière, l'utilisation de matériaux céramiques coûteux est considérablement réduite, ce qui minimise les coûts des cellules et maximise la résistance des cellules. Cependant, pour les MS-SOFC, des exigences plus élevées en matière de fabrication de cellule et de performance du matériaux composants sont nécessaires.Dans cette thèse, les MS-SFC sont fabriqués à l'aide de techniques de dépôt physique. Dans le chapitre 1, le développement des piles à combustible de type MS-SOFC est d'abord décrit. Ensuite, les matériaux de support, les matériaux d'électrode (anode/cathode) et les matériaux d'électrolyte qui peuvent être utilisés dans les MS-SOFC sont revue en détail. Différentes technologies de fabrication utilisées pour fabriquer les MS-SOFC sont comparées. Dans le chapitre 2, le principe de dépôt et les équipement de synthèse: APS et RMS sont d'abord présentés en détail. Ensuite, une série de techniques de caractérisation des matériaux et des cellules sont décrite. Dans le chapitre 3, le comportement d'oxydation d'un alliage dit à température intermédiaire (ITM) dans l'air est d'abord étudié, ce qui fournit une base pour le traitement de recuit ultérieur de la cellule unique complète. Ensuite, les paramètres de dépôt APS sont optimisés pour le dépôt de la couche d'anode bicouche NiO-YSZ. Après réduction, ses couches supérieure et inférieure ont une faible porosité de 17,2 ± 0,4 % en volume et une porosité élevée de 33,1 ± 0,6 % en volume, respectivement. Par la suite, un électrolyte bicouche mince 8YSZ/GDC10 (environ 10,8 μm) est déposé sur la couche d'anode NiO-YSZ polie par RMS. Enfin, l'effet bénéfique de la couche barrière en GDC10 déposée entre l'ITM et la couche d'anode NiO-YSZ pour empêcher l'interdiffusion entre Fe, Cr et Ni est clarifié. L'intérêt du chapitre 4 est la synthèse réussie du matériau cathodique composite poreux Pr2NiO4@Pr6O11 (PPNO) et Pr2NiO4 (PNO) par RMS. Une série de caractérisations sont réalisées sur les revêtements PPNO et PNO, incluant la morphologie, la structure, les propriétés électriques et électrochimiques. Enfin, les performances des cellules individuelles complètes avec les configurations ITM/GDC10/NiO-YSZ/8YSZ/GDC10/PPNO2 (MS/PPNO2) et ITM/GDC10/NiO-YSZ/8YSZ/GDC10/PNO (MS/PNO) sont mesurées, où MS/PPNO2 est réalisé pour un test de stabilité de 63 h.

In recent decades, to cope with the global energy shortage and environmental pollution challenges, the development of renewable clean energy has become imminent. As a device that can directly convert chemical energy into electrical energy, Solid oxide fuel cell (SOFC) plays an important role in clean energy production due to the advantages of high energy conversion efficiency, fuel flexibility, and the significant environmental benefits. It is well-suited for infrastructure support from distributed generation to combined heat and power to automotive auxiliary power systems. Initially, SOFC is designed to operate at high temperature (800-1000°C), which facilitates efficient energy conversion while avoiding the use of precious metal electrodes. However, the high temperature also causes a series of disadvantages in terms of material selection, fabricating cost, and cell life, etc. Lowering the operating temperature to intermediate/low temperature (600-800°C, IT-SOFC; ~600°C, LT-SOFC) can effectively overcome these disadvantages but will lead to a decline in cell performance. Maintaining or improving the cell performance working at lower temperature is a development trend of SOFC. A significant benefit brought by the lower operating temperature is that relatively cheap metal materials can be used as support material for SOFC (MS-SOFC). The fundamental concept of MS-SOFC is to support thin ceramic electrode/electrolyte layers on low-cost, robust metal support. In this way, the use of expensive ceramic materials is greatly reduced, which minimizes cell costs and maximizes cell strength. However, for MS-SOFC, higher cell fabrication and component material performance requirements are proposed.In this thesis, the complete single MS-SFCs are fabricated using physical deposition techniques. In Chapter 1, the development from fuel cell to MS-SOFC is first described. Then the support materials, electrode (anode/cathode) materials, and electrolyte materials that can be used in MS-SOFC are reviewed in detail. Various fabrication technologies used to fabricate MS-SOFC are compared. Finally, the research purpose and significance of this thesis are presented. In Chapter 2, the deposition principle and deposition devices of Atmospheric Plasma Spray (APS) and Reactive Magnetron Sputtering (RMS) are first introduced in detail. Then a series of material and cell characterization techniques are introduced. In Chapter 3, the oxidation behavior of a so-called intermediate temperature alloy (ITM) in air is first investigated, which provides a basis for the subsequent annealing treatment of the complete single cell. Then the APS deposition parameters are optimized for the deposition of NiO-YSZ bilayer anode layer. After reduction, its upper and lower layers have low porosity of 17.2 ± 0.4 Vol.% and high porosity of 33.1 ± 0.6 Vol.%, respectively. Subsequently, a thin 8YSZ/GDC10 bilayer electrolyte (about 10.8 μm) is deposited on the polished NiO-YSZ anode layer by RMS. Finally, the beneficial effect of the GDC10 barrier buffer layer deposited between the ITM and the NiO-YSZ anode layer to prevent the interdiffusion between Fe, Cr, and Ni is clarified. The interesting of Chapter 4 is the successful synthesis of porous Pr2NiO4@Pr6O11 (PPNO) composite and Pr2NiO4 (PNO) for cathode by RMS. A series of characterizations are carried out on PPNO and PNO coatings, including morphology, structure, electrical and electrochemical properties. Finally, the performance of complete single cells with the configurations of ITM/GDC10/NiO-YSZ/8YSZ/GDC10/PPNO2 (MS/PPNO2) and ITM/GDC10/NiO-YSZ/8YSZ/GDC10/PNO (MS/PNO) is measured, where MS/PPNO2 is performed for a stability test of 63h.