Analysis of the degradation in solid oxide cells operated in fuel cell and electrolysis modes : microstructural evolution and stability of the electrodes materials

Ce travail a été dédié à l’étude de la dégradation des piles à oxyde solide fonctionnant en mode électrolyse et pile à combustibles. Une approche intégrée couplant (i) des caractérisations électrochimiques, (ii) des analyses post-test avancées et (iii) une modélisation multi-échelle a été adoptée. Des tests de longue durée ont été menés avec des cellules standards (Ni YSZ/YSZ/GDC/LSCF) pour évaluer la dégradation des performances en fonction des conditions de fonctionnement. Des échantillons, extraits de cellules initiales et après test, ont été finement caractérisés pour déterminer les évolutions microstructurales et physico-chimiques des deux électrodes en fonctionnement. En outre, des modèles de cinétiques élémentaires ont été développés et validés expérimentalement pour l’électrode à hydrogène (cermet Ni-YSZ) et pour l’électrode à oxygène (LSCF/LSCF-GDC) avant d’être intégrés dans un modèle de cellule à l'échelle macroscopique. L'outil numérique multi-échelle a été utilisé pour étudier les mécanismes sous-jacents contrôlant les phénomènes de dégradation. Par ailleurs, leurs effets sur les performances de la cellule en fonction des conditions de fonctionnement ont été évalués et discutés grâce au modèle. Sur la base des résultats présentés dans ce travail, il a été confirmé que la dégradation des SOCs est nettement plus importante en mode électrolyse par rapport à un fonctionnement en pile à combustibles fonctionnant sous H2. Cette différence peut être attribuée d’une part, à l'effet des surtensions cathodiques sur l'instabilité du nickel dans l’électrode à hydrogène. D’autre part, il a été observé et démontré que la déstabilisation du LSCF est favorisée sous fort courant anodique à haute température.This work was dedicated to the analysis of the degradation of solid oxide cells operated in electrolysis and fuel cell modes. A threefold methodology has been applied by coupling (i) electrochemical tests, (ii) advanced post-test analyses and (iii) multi-scale modeling. Long-term durability experiments have been carried out on standard cells (Ni-YSZ/YSZ/GDC/LSCF) to investigate the performance loss as a function of the operating conditions. Specimens, which have been extracted from the pristine and aged samples, have been characterized to evaluate the microstructural and physico-chemical evolutions occurring at the two electrodes. In parallel, detailed micro-kinetic models for the hydrogen electrode (Ni-YSZ cermet) and for the oxygen electrode (LSCF/LSCF-GDC) have been developed and experimentally validated before being integrated into a macro-scale model for the complete cell. The multi-scale numerical tool has been used to propose a better understanding of the underlying forces driving the degradation. Moreover, the impact on the cell performances has been simulated and discussed as a function of the operating conditions. Based on the results presented in this work, it has been confirmed that the degradation of SOCs is significantly larger in electrolysis mode with respect to fuel cell operation under H2. On the one hand, it has been shown that the difference in durability behavior can be ascribed to the effect of the cathodic overpotential on the nickel instability in the hydrogen electrode. On the other hand, it has been observed and demonstrated that the destabilization of the LSCF is favored by both the anodic current and the high operating temperature