Modification de la porosité de Ce_0,9Gd_0,1O_1,95 par traitement laser : Application pile SOFC monochambre

Mariana Mariño (1, 2, 3) , Mathilde Rieu (1, 2, 3) , Jean-Paul Viricelle (1, 2, 3) , Florence Garrelie (4)

1 PRESSIC-ENSMSE - Procédés et REactivité des Systèmes Solide-gaz, Instrumentation et Capteurs
2 LGF-ENSMSE - Laboratoire Georges Friedel
3 SPIN-ENSMSE - Centre Sciences des Processus Industriels et Naturels
4 LHC - Laboratoire Hubert Curien

Dans les piles à combustible SOFC monochambre (SC-SOFCs), l’anode et la cathode, séparées par un électrolyte, sont situées dans une même chambre où circule un mélange de combustible et d’oxygène. L’électrolyte, n’ayant alors plus le rôle d’étanchéité entre les compartiments anodique et cathodique, peut être mis en forme par sérigraphie, technique particulièrement adaptée pour préparer des revêtements poreux. Malgré tout, dans ces systèmes monochambre, la porosité liée à l’électrolyte peut permettre le transport de l’hydrogène produit localement à l’anode vers la cathode, ce qui génère alors une chute de la tension et entraîne une diminution des performances. Afin de résoudre cette difficulté, nous étudions la densification superficielle de l’électrolyte par 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., ont réussi la densification des couches de BaTiO₃ par le traitement d’un laser excimère XeCl [1]. La densification de ZrB₂-SiC en utilisant un laser à fibre dopée à l’ytterbium (Yb³⁺) a été aussi réalisée par Lonné et al. [2]. L’objectif de ce travail est de créer une barrière de diffusion, pour éviter le transport de l’hydrogène, par traitement laser sur la surface de l’électrolyte poreux d’une demi-pile SC-SOFC (anode/électrolyte). Le matériau sélectionné pour l’électrolyte est un oxyde mixte de cérium gadolinium Ce_0,9Gd_0,1O_1,95 (CGO) qui est déposé par sérigraphie sur une anode composite NiO-CGO. Deux types de laser sont utilisés : un laser UV excimère KrF (λ = 248 nm) et un laser IR à fibre dopée à l’ytterbium (λ = 1064 nm). Une large gamme de fluence ainsi que de nombre de tirs ont été balayées avec les 2 types de laser. Les caractérisations microstructurales réalisées ont permis de mettre en évidence les effets du traitement laser pour certaines combinaisons fluence – nombre de tirs, montrant un grossissement de grains de l’électrolyte ou des surfaces densifiées mais fissurées. La diffusion de gaz au travers des électrolytes modifiés ainsi que leur conductivité électrique ont été évaluées. Finalement, les performances de SC-SOFC ont été améliorées pour les piles présentant le grossissement de grains sur la surface de l'électrolyte. [1] E. D. Tsagarakis, et al., Applied Physics Letters, vol. 89, 2006, 202910-3. [2] Q. Lonné, et al., Journal of the European Ceramic Society, 32 , 2012, 955-963.

Mots clés: oxyde mixte de cérium gadolinium; Ce_{0; 9}Gd_{0; 1}O_{1; 95}; CGO; traitement laser; densification superficielle; SC-SOFC; piles à combustible SOFC monochambre; barrière de diffusion; sérigraphie

Domaines: Génie des procédés

Mariana Mariño, Mathilde Rieu, Jean-Paul Viricelle, Florence Garrelie. Modification de la porosité de Ce_0,9Gd_0,1O_1,95 par traitement laser : Application pile SOFC monochambre. Deuxièmes plénières GdR 3652 HySPàC "Hydrogène, Systèmes et Piles à Combustible" (Axe PACEOS), GdR 3652-Philippe POGGI (SPE, UMR 6134)-Dominique GRANDJEAN (Service de la communication et de l'événementiel, Université de Corse), Oct 2015, Porticcio, France. ⟨hal-01249812⟩