Modification de la porosité de Ce0,9Gd0,1O1,95 par traitement laser : Application aux piles SOFC
Résumé
L’objectif d’une pile à combustible SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) est de convertir l’énergie chimique de la réaction entre l’hydrogène et l’oxygène en énergie électrique. Les piles SOFC sont composées de deux électrodes, l’anode et la cathode, séparées par un électrolyte. Cet électrolyte doit être un matériau dense, pour éviter la possible diffusion de l’hydrogène de l’anode vers la cathode qui peut générer une chute de la tension.
Une problématique récurrente réside dans la préparation de couches denses sur substrat poreux : par traitement thermique conventionnel, il est difficile d'obtenir des couches denses tout en conservant la porosité du substrat. Afin de résoudre cette difficulté, nous proposons de densifier l’électrolyte par un traitement laser, technique qui permet d’effectuer des modifications localisées sur les matériaux.
Les lasers ont diverses applications mais un intérêt grandissant a été montré concernant la densification de céramiques. Tsagarakis et al., en 2006, ont réussi la densification des couches de BaTiO3 par le traitement d’un laser excimère XeCl. La densification de ZrB2-SiC en utilisant un laser à fibre dopée à l’ytterbium (Yb3+) a été aussi réalisée par Q. Lonné dans sa thèse en 2011.
L’objet d’étude de ce travail est le traitement laser sur la surface de l’électrolyte d’une demi-pile SOFC (anode/électrolyte) poreuse pour densifier uniquement l’électrolyte. Le matériau sélectionné pour l’électrolyte est un oxyde mixte de cérium gadolinium Ce0,9Gd0,1O1,95 (CGO) qui est déposé par sérigraphie sur une anode composite NiO-CGO. Deux types de laser sont utilisés dans cette étude : un laser excimere KrF (λ = 248 nm) et un laser à fibre dopée à l’ytterbium (λ = 1064 nm).
Les paramètres laser ajustables sont la fluence du laser et le nombre de tirs. Une large gamme de fluence ainsi que du nombre de tirs ont été balayés avec les 2 types de laser. Les caractérisations microstructurales réalisées ont permis de mettre en évidence un effet du traitement laser pour certaines combinaisons fluence – nombre de tirs. En effet, l’observation en surface montre une possible densification sur une épaisseur très faible. La modification de la porosité sera discutée en fonction des paramètres caractéristiques des 2 lasers utilisés.