New architectures of exchange surface of SOFC for the improvement of electrochemical efficiency

Le présent travail souhaite explorer théoriquement et expérimentalement de quelle manière l’augmentation des surfaces d’échange par l’architecturation mésoscopique des interfaces électrode/électrolyte dans une SOFC à anode support pourrait améliorer ses performances. D’abord, une optimisation des caractéristiques microstructurales de l’anode a été effectuée par ajustement de la composition initiale de la barbotine, favorisation de la percolation du réseau de Ni par une microstructure « hiérarchique » et des mesures de perméabilités aux gaz identifiant le choix de l’anode. Ensuite, un modèle électrochimique a montré une augmentation des courants d’échange par rapport à la surface plane dans le cas d’un motif périodique pour une épaisseur d’électrolyte sensiblement plus petite que les dimensions du motif. Ce dernier doit présenter des singularités concaves et convexes de façon à confiner le matériau d’électrode au voisinage de l’interface, ainsi que des caractéristiques géométriques réduisant la surtension de concentration. De telles architectures ont été réalisées, par des techniques de mise en forme des céramiques, sur des anodes auto-supportées (YSZ + Ni) sur lesquelles une couche mince d’électrolyte (YSZ) a été déposée, puis l’ensemble co-fritté. Pour finaliser la cellule, une barrière de diffusion (CGO) et une cathode bicouche (LSCF48 + CGO / LSCF48) ont ensuite été déposées puis frittées. Les premiers résultats électriques et électrochimiques montrent une augmentation de la densité de courant de130 à 300 mA.cm-2 à une tension d’opération de 0,7 V, qui reste plus élevée que ce que prévoyait la modélisation. Les résultats sont discutés ici en termes de géométrie du motif et de son évolution au cours du frittage, ainsi que des surtensions d’activation et de concentration.The present work aims to explore, theoretically and experimentally, how the increase of exchange surfaces via the mesoscopic scale corrugation of electrode / electrolyte interfaces in an anode-supported SOFC could improve its performance. First, an optimization of the microstructural characteristics of the anode was performed by adjusting the initial composition of the slurry, favoring the percolation of the network of Ni by a "hierarchical" microstructure and gas permeability measurements identifying the choice of the anode. Next, an electrochemical model showed an increase in the exchange currents with respect to the planar surface in the case of a periodic pattern for an electrolyte thickness substantially smaller than the dimensions of the pattern. The latter must have concave and convex singularities so as to confine the electrode material in the vicinity of the interface, as well as geometrical characteristics reducing the concentration overvoltage. Such architectures have been carried out by ceramic shaping techniques on self-supported anodes (YSZ + Ni) on which a thin layer of electrolyte (YSZ) has been deposited, and then the co-sintered along with the anode. To finalize the cell, a diffusion barrier (CGO) and a bi-layered cathode (LSCF48 + CGO / LSCF48) were then deposited and then sintered. The first electrical and electrochemical results show an increase in the current density from 130 to 300 mA.cm-2 at an operating voltage of 0.7V, which is still higher than what was anticipated by modeling, reaching more than the double of the value for flat interfaces. The results are discussed here in terms of geometry of the pattern and its evolution during sintering, as well as activation and concentration overvoltages