• PCOS avec une structure d'électrolyte à double-couche
• PCOS à support métallique fonctionnant à 400-600°C
• Pulvérisation pyrolytique et dépôt de l'anode et de l'électrolyte sur des PCOS à supports métalliques
• Fabrication and caractérisation de pile à support cermet avec un électrolyte SDC
• Effets d'additifs de frittage sur la formation de solution solide de Zircone-Cérine

PCOS avec une structure d'électrolyte à double-couche

Les PCOS conventionnelles fonctionnent à haute température ce qui est une barrière à une implentation étendue de cette technologie. La température à laquelle une PCOS fonctionne dépend principalement de de l'épaisseur et de la conductivité de l'électrolyte, une forte épaisseur et une faible conductivité signifiant une plus haute température. Le matériau le plus commun dans les PCOS à électrolyte monocouche est la zircone partiellement stabilisée à l'yttrine. Au CNRC-IIPC, nous nous sommes concentrés sur la cérine dopée au smarium (SDC) pour son utilisation comme électrolyte à cause de sa bonne conductivité à des températures plus faibles et aussi à cause de sa dilatation thermique compatible avec les autres composants de la pile. Mais il y a de la conductivité mixte due à la réduction des ions Ce⁴⁺ en Ce³⁺ qui crèe un court-circuit interne, ce qui réduit la tension de circuit ouvert et limite le taux d'utilisation du combustible. Nous avons étudié une façon de résoudre ce problème en applicant une seconde couche électrolytique de zircone partiellement stabilisée à la scandine sous la couche de SDC pour arrêter la conductivité électronique.Nous avons aussi diminué la température en dessous de 600°C pour utiliser des matériaux d'assemblage peu couteux. Nous avons utilisé des techniques de fabrication avancées et peu couteuses comme des procédés céramiques par voie humide. Nos piles montrent des valeurs de tension en circuit ouvert au-delà de 1.02V et un pic de puissance a 0.90 W·cm^-2 at 700°C, ce qui marque un grand progrès dans le fonctionnement des PCOS à basse température.

Performance et résistance des piles à électrolyte double-couche

Performance des piles à électrolyte double-couche

PCOS à support métallique fonctionnant à 400-600°C

PCOS à support métallique offrent de nombreux avantages par rapport aux piles conventionnelles supportées par l'électrolyte ou l'une des électrodes, tels que une bonne ductilité, une bonne conductivité thermique, une amélioration de la résistance aux chocs et une réduction des gradients thermiques internes. Les supports métallique permettent aussi l'utilisation de techniques conventionnelles de jointage et formage des métaux ce qui peut réduire d'une manière très significative les coûts de production des assemblages de pile. Nous avons fabriqué une PCOS à support métallique avec une double-couche électrolytique SDC/ScSZ et nous avons étudié les performance de la pile dans les basses température de fonctionnement (400-600°C). Nous avons trouvé que les performances de la pile étaient généralement stables. La couche de ScSZ avait des fissures et ne couvraient pas entièrement la couche de SDC, ainsi quelques fuites électroniques se sont produites par la réduction des ions Ce⁴⁺ en Ce³⁺ entre la node et la cathode. La polarisation et la résistance ohmique ont augmenté d'une manière significative à faible température à cause d'une activité électrochimique réduite de la cathode SSCo-SDC. Malgré cela, des réactions interfaciales comme le vieillissement d'électrode et l'important oxydation du support métallique ont été évité grâce aux faibles températures de fonctionnement.

Dans l'ensemble, les piles ont montré de très bonnes performances à ce stade précose de développement. En changeant la cathode par une électrode plus performante telle que le BSCF et en optimisant la microstructure de l'anode, de la cathode et du substrat, cela pourrait conduire à des améliorations des performances. De plus amples recherches se pencheront sur l'optimisation de la porosité du support métallique, de la microstructure des électrodes, de la résistance interfaciale et de l'épaisseur de la couche électrolytique.

PCOS à support métallique fonctionnant à 400-600°C (ecsdl.org)

Pulvérisation pyrolytique et dépôt de l'anode et de l'électrolyte sur des PCOS à supports métalliques

Le dépôt par pulvérisation pyrolytique met en jeu l'atomisation de solutions de sel métallique en micro-goutelettes ainsi que leur pulvérisation sur un substrat chauffé. C'est un moyen de dépôt de couches électrolytiques peu couteux. Nous employons cette technique en utilisant deux appareils construits aux CNRC-IIPC avec différents atomiseurs pour la génération et la pulvérisation des micro-goutelettes.

Pulvérisation pyrolytique et dépôt de l'anode et de l'électrolyte sur des PCOS à supports métalliques (ecsdl.org)

Fabrication and caractérisation de pile à support cermet avec un électrolyte SDC

Les recherche au CNRC-IIPC ont pour but d'améliorer la durabilité et de réduire les coûts en réduisant la température de fonctionnement et la complexité du système. Dans cette étude, le coulage en bande, la sérigraphie et le co-frittage ont été utilisé pour fabriquer des piles à base de fine couche électrolytique de cérine sur support Ni-cermet pour des températures de fonctionnement sous les 600°C. Elles ont un pic de puissance de 0.90 W·cm^-2. Nous avons augmenté la taille des piles avec succès jusqu'à 80 mm x 80 mm.

Performance de pile à électrolyte SDC sur support cermet

Fabrication and caractérisation de pile à support cermet avec un électrolyte SDC (ecsdl.org)

Effets d'additifs de frittage sur la formation de solution solide de Zircone-Cérine

Les matériaux à base de cérine dopée présentent une grande conductivité ionique accompagnée d'une certaine conductivité électronique ce qui est préjudiciable pour une bonne efficacité de la pile à combustible. L'ajout d'une couche bloquand les électrons est une solution que les chercheurs du CNRC-IIPC sont en train d'étudier.

Il a été rapporté dans la littérature qu'une réaction peut se produire entre les matériaux à base de cérine et ceux à base de zircone. Nous avons examiné plus en détail l'interaction entre des micro-particules de cérine et de zircone durant le procédé de frittage. Nous avons aussi étudié l'influence d'agent de frittage sur le processus de densification et les interactions. Nous avons conclu qu'en dépit de la baisse de la température de frittage fournie par l'utilisation d'agent de frittage, la formation d'une nouvelle phase entre la zircone et la cérine semble inévitable pendant la fabrication de la pile.

Paramètre de maille de SDC20 (graphique i), de 8YSZ et ScSZ (graphique ii) et de la nouvelle phase (graphique iii) pour les mélanges décrit au tableau II

Effets d'additifs de frittage sur la formation de solution solide de Zircone-Cérine (ecsdl.org)