Durability of solid oxide cells : an experimental and modelling investigation based on synchrotron X-ray nano-tomography characterization

Ce travail porte sur l’étude de la dégradation des convertisseurs électrochimiques haute température à oxydes solides. Une approche couplant des tests électrochimiques, des caractérisations post-mortem avancées et une modélisation multi-échelle a été mise en place afin d’établir les liens entre les performances, la microstructure des électrodes et leur dégradation. Dans ce but, des essais de durabilité de plus de mille heures ont été menés dans différentes conditions opératoires. La microstructure des électrodes a été reconstruite par nano-holotomographie des rayons X pour la cellule de référence avant et après vieillissement. Une attention particulière a été apportée à la mesure de la résolution spatiale et à la fiabilisation du protocole expérimental. Grâce aux volumes 3D, les propriétés microstructurales de l’électrode H2 en Ni-YSZ ont été quantifiées pour les cellules à l’état initial et vieillies. Un modèle physique d’agglomération des particules de Nickel a ensuite été ajusté sur les analyses tridimensionnelles et intégré dans une structure de modélisation multi-échelle développée au laboratoire. Il a auparavant été nécessaire de compléter l’outil numérique avec un module spécifique dédié aux matériaux composant l’électrode à oxygène fait avec un conducteur mixte ionique-électronique. Une fois le modèle validé sur des courbes de polarisation expérimentales, il a été utilisé pour quantifier la contribution de l’agglomération du Nickel sur les pertes de performances mesurées expérimentalement en mode pile à combustible et électrolyse.This work aims at a better understanding of the high temperature Solid Oxide Cells degradation. An approach based on electrochemical tests, advanced post-test characterizations and multi-scale models has been used to investigate the links between the performances, the electrodes microstructure and their degradation. In that goal, long-term durability tests have been performed over thousand hours in different operating conditions. Electrode microstructures have been reconstructed by X-ray nano-holotomography for the pristine and the aged cells. It is worth noting that a special attention has been paid to improve both the process reliability for the tomographic experiments as well as the spatial resolution of the 3D reconstructed images. Thanks to the valuable 3D volumes, the Ni-YSZ microstructural properties of the H2 electrode have been quantified for the fresh and the aged samples. Then, a physically-based model for Nickel particle agglomeration has been adjusted on the microstructural parameters obtained by the 3D analysis and implemented in an in-house multi-scale modelling framework. Beforehand, it has been necessary to enrich the available numerical tool with a specific module dedicated to the oxygen electrode made in Mixed Ionic Electronic Conducting materials. Once validated on polarisation curves, the completed model has been used to quantify the contribution of Nickel agglomeration on the experimental degradation rates recorded in fuel cell and electrolysis modes