Introduction Une pile à combustible à oxyde solide (SOFC) comporte un grand nombre de composants. La pile à combustible comprend un substrat, une anode, un électrolyte et une cathode. Un système de piles à combustible se compose de plusieurs SOFC maintenues solidaires par une plaque bipolaire et par des scellements.

l’IIPC-CNRC prépare actuellement de nouveaux matériaux pour les anodes, les cathodes et les électrolytes. En outre, il offre à ses clients et partenaires une ligne complète de matériaux d’anode, de cathode et d’électrolyte à la fine pointe de la technologie. Nous étudions également divers types de plaques bipolaires, de substrats et de scellements.

Anode – Électrolyte – Cathode – Substrat – Plaque bipolaire – Scellement

Figure 1: Image MEB d’une section transversale de pile SOFC à deux couches.

Anode L’anode fournit les sièges de réaction nécessaires à l’oxydation électrochimique du combustible. Le matériau d’anode doit être stable dans une condition réductrice. Il doit être aussi compatible, aux plans chimique et thermique, avec l’électrolyte et les matériaux de la plaque d’interconnexion. En outre, le matériau d’anode doit présenter une conductivité électrique et une activité catalytique suffisantes pour assurer l’oxydation du combustible. Il faut aussi le rendre poreux pour permettre au combustible d’atteindre les sièges de réaction. L’IIPC veut créer et offrir une ligne de matériaux d’anode pour les SOFC. Ces matériaux sont à base d’un mélange de poudres d’oxyde de nickel (NiO) ou d’oxyde de cuivre (CuO), et de matériaux d’électrolyte SDC (cérine dopée au samarium), GDC (cérine dopée au gadolinium) ou YSZ (zirconium stabilisé à l’yttrium). Nos formulations courantes présentent une teneur de 50 vol. % de nickel (Ni) mélangé avec de l’YSZ ou du SSZ (zirconium stabilisé au scandium), ou 65 vol. % de nickel mélangé avec de la GDC ou de la SDC

NiO/YSZ – NiO/SSZ – NiO/SDC – Cu/SDC

Électrolyte La fonction de l’électrolyte-oxyde est de transporter les ions d’oxygène de la cathode à l’anode. Aux plans chimique, morphologique et dimensionnel, l’électrolyte doit être stable dans les conditions d’oxydo-réduction. En outre, il doit être chimiquement et thermiquement compatible avec les autres éléments de la pile, et très dense pour empêcher les fuites de gaz. La conductivité ionique dans l’électrolyte doit toujours être élevée, même aux basses températures de fonctionnement. Les matériaux suivants sont actuellement les plus utilisés pour les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) :

YSZ – SSZ – SSC – SDC – GDC – LSGM

Cathode La cathode fournit des sièges de réaction pour la réduction électrochimique de l’oxygène dans les piles SOFC. Le matériau de cathode doit être stable dans les conditions oxydantes. En outre, il doit être compatible, chimiquement et thermiquement, avec l’électrolyte et les matériaux d’interconnexion. De plus, ce matériau doit présenter une conductivité électrique et une activité catalytique suffisantes pour assurer la réduction de l’oxygène. Il faut aussi le rendre poreux pour permettre le transport de l’oxygène aux sièges de la réaction. Les matières suivantes sont actuellement étudiées pour servir de matériaux de cathode aux basses températures de fonctionnement.

LSC (lanthane dopé au strontium et au cobalt) – BSCF (baryum, strontium, cobalt et fer) – SSCo – SSCo/SDC

(Veuillez noter : d’après les observations, l’incorporation d’un matériau d’électrolyte à la cathode améliore le rendement de l’électrode aux températures relativement basses, en augmentant le volume des sièges actifs disponibles pour les réactions électrochimiques.)

Substrat Les substrats ont deux fonctions :

1. fournir une résistance mécanique à toute la pile;
2. assurer certaines exigences morphologiques, notamment la porosité nécessaire au transport du gaz, la conduction électronique, ainsi que la stabilité chimique et thermique.

Les substrats de cermet sont nés d’une technologie éprouvée. Ils présentent plusieurs avantages, dont la stabilité chimique, la compatibilité de dilatation thermique et la facilité de fabrication. Les substrats métalliques témoignent d’une évolution technique des SOFC. Il faut donc faire appel à de nouvelles technologies pour fabriquer le substrat et l’intégrer au fonctionnement de la pile.

Voici quelques-uns des avantages du substrat métallique :

1. Résistance mécanique;
2. Conductivité thermique élevée;
3. Bonne conductivité électronique;
4. Réduction possible des coûts de fabrication.

Les matériaux que nous étudions actuellement sont les suivants :

Cermet : Ni-SDC – Ni-YSZ – Ni-GDC

Métal : tôle perforée – métal poreux – mousse métallique – tapis de fibres métalliques – métal déployé – métal à surface modifiée

Plaque d’interconnexion La plaque d’interconnexion est une plaque bipolaire montée dans un système de piles SOFC planaire. Elle assure le raccordement électrique et physique entre l’anode de l’une des piles et la cathode de la pile adjacente. Cette plaque peut être fabriquée de matériaux céramiques ou métalliques. L’IIPC-CNRC a choisi d’utiliser des plaques métalliques pour nos types de SOFC. Une plaque d’interconnexion métallique doit présenter une résistance mécanique suffisante à la température de fonctionnement; une bonne résistance à l’oxydation, à la corrosion et à la carburation dans les conditions d’utilisation, ainsi qu’une bonne compatibilité thermique et chimique avec les matériaux d’électrode. La difficulté liée aux interconnexions métalliques consiste à empêcher l’oxydation rapide et l’empoisonnement au chrome aux températures élevées. L’IIPC a établi la capacité de caractérisation des matériaux, et formulé une bonne méthode de fabrication des plaques d’interconnexion. L’IIPC-CNRC prépare actuellement des enduits en métal du groupe des terres rares et des revêtements protecteurs à base de spinelle.

Figure 2 : plaque d’interconnexion (au centre) avec scellement (plus bas)

Scellement Par comparaison avec les conceptions tubulaires, les piles SOFC planaires présentent une densité de puissance plus élevée, mais exigent des scellants à haute température, qui ne sont pas toujours nécessaires pour les SOFC tubulaires. Dans le modèle courant, le scellant sépare l’air du combustible dans une pile ou un système de SOFC. Il doit être stable dans les environnements oxydants et réducteurs. En outre, le scellant doit pouvoir adhérer à d’autres éléments de la pile, avec lesquels il doit être compatible aux plans mécanique et chimique. Il est également censé réduire la contrainte thermique lorsque les températures de fonctionnement sont élevées. De plus, le scellement peut servir d’élément structurel dans certaines conceptions de SOFC. Il est essentiel qu’il soit étanche aux gaz ou qu’il présente un taux de fuite négligeable. En effet, même des fuites minimes dans les scellements peuvent nuire au potentiel de la pile ou du système, et réduire ainsi leur rendement.

L’IIPC a créé divers types de scellements, notamment :  Scellement à compression, scellement à fibres céramiques, scellement en verre, scellement en verre céramique, scellement hybride