Plasma spraying of lanthanum silicates electrolyte for intermediate temperature solid oxide fuel cell

Ce travail est consacré à l’élaboration par projection plasma à la pression atmosphérique, et à la caractérisation, de couches d’électrolyte en apatite de type La9Sr1Si6O26,5 pour les piles à combustibles à oxyde solide (SOFC) fonctionnant à température intermédiaire (700 °C). Dans un premier temps, ce travail a porté sur le choix des conditions opératoires permettant l’élaboration de dépôts denses d’apatite, caractéristique essentielle d’un électrolyte. Il est apparu que l’utilisation de mélanges plasmagènes à enthalpie et conductivité thermique élevées ainsi qu’un faible débit massique, soit favorable à l’obtention des dépôts les plus denses. Les deux techniques de frittage essayées (le frittage conventionnel et le frittage par « Spark Plasma Sintering ») ont conduit à la cristallisation et à la densification des dépôts, permettant ainsi d’améliorer leurs propriétés électrochimiques. L’augmentation de conductivité ionique est particulièrement notable pour les dépôts réalisés avec des conditions de projection très énergétiques et frittés de manière classique sous air. La conductivité ionique atteint 1,3.10-3 de Ω-1.cm-1 à 700 °C. Dans un second temps, les nickelates de type (La2, Nd2 et Pr2)NiO4+δ ont été étudiés comme matériau de cathode. Leurs compatibilités avec l’électrolyte en apatite ont été vérifiées et leurs températures de frittage ont été optimisées pour obtenir une microstructure suffisamment poreuse. Les meilleures performances électrochimiques sont ainsi obtenues pour les cathodes Pr2NiO4+δ frittées à 1100 °C dont l’ASR (Area-Specific Resistivity) est de 0,2 Ω.cm2 à 700 °C.This study deals with the elaboration by atmospheric plasma spraying process and the characterization of La9Sr1Si6O26,5 lanthanum silicates electrolyte for SOFC cell working at intermediate temperature (700 °C). In a first step, this work has been devoted to choose the plasma spraying conditions to elaborate dense apatite coatings, fundamental characteristic of an electrolyte. It has been observed that the use of plasma mixture with high enthalpy and thermal conductivity, as well as low gas flow rate, favours dense apatite coatings formation. However, to ensure a sufficient density of the coating while keeping their composition, it is necessary to add a sintering step. The two sintering techniques tested (conventional sintering and Spark Plasma Sintering) have leaded to the coatings crystallization and densification, thus permitted to improve their electrochemical properties. Particularly, a high ionic conductivity increase has been observed for sintered coatings elaborated with high power plasma spraying conditions. The ionic conductivity reaches 1.3.10-3 de Ω-1.cm-1 at 700 °C. In a second step, (La2, Nd2 et Pr2)NiO4+δ type nickelates materials have been studied as cathode. Their compatibility with apatite electrolyte was demonstrated and their sintering temperature was optimized in order to obtain sufficiently porous microstructure. The best electrochemical results were reached with Pr2NiO4+δ cathodes sintered at 1100 °C presenting a 0.2 Ω.cm2 ASR (Area-Specific Resistivity) at 700 °C