Développement d'une interface cathode/électrolyte peu résistive par projection plasma pour application aux piles à combustible à électrolyte solide (SOFC)

Abstract

Les piles à combustible à électrolyte solide connues aussi sous le nom de SOFC (Solid Oxide Fuel Cells) gagnent en intérêt et sont de plus en plus utilisées à travers le monde. Ce type de piles en tant que systèmes stationnaires de génération d'électricité possède de nombreux avantages comparés aux systèmes conventionnels de génération électrique. Ces avantages sont : la modulabilité, leur petite taille, la versatilité en termes de combustibles utilisables, les faibles émissions polluantes, ainsi que la possibilité de pratiquer la cogénération d'électricité. La liste des avantages fournis ci-haut n'est que partielle. Les températures de fonctionnement sont situées entre 800[degrés celsius] et 1000[degrés celsius]. Ces températures élevées sont présentement un obstacle, à la commercialisation mondiale des SOFC parce que la vie utile des stacks de piles est affectée par le vieillissement prématuré de ceux-ci et parce que les coûts de fabrication sont encore trop élevés. Les coûts de fabrication sont essentiellement reliés aux matériaux qui sont souvent"exotiques". La recherche en ce domaine est orientée à diminuer les températures d'utilisation dans une zone intermédiaire (500-700[degrés celsius]). Dans cette zone de température, les effets indésirables des températures élevées comme la ségrégation, l'interdiffusion des composantes les unes dans les autres, le frittage et le vieillissement prématuré sont moins importants. Diminuer les températures, apporte des solutions, mais aussi un lot de problèmes, car l'activité catalytique des matériaux qui forment une SOFC diminue drastiquement avec la chute des températures. La perte de performance ainsi causée peut être compensée par le développement de nouveaux matériaux (anode, électrolyte et cathode) et la mise en place de nouvelles méthodes de synthèse et de mise en forme efficaces. Ce sont ces moyens qui vont permettre d'augmenter les performances des SOFC et ainsi leur assurer une place sur le marché mondial. Dans ce mémoire, la synthèse de matériaux de cathode de type pérovskite et la caractérisation de ceux-ci sont présentées. La mise en forme de ces matériaux de cathode par la projection plasma sur du GDC (Ce[indice inférieur 0,8]Gd[indice inférieur 0,2]O[indice inférieur 1,95-[delta]]) est également présentée. Les résultats et les avancées dans ce domaine seront discutés. L'étude de différents matériaux de cathode, la mesure de la résistance de polarisation en fonction de la température, l'effet du frittage, l'effet de l'épaisseur et la caractérisation de l'interface cathode/électrolyte mènent à une meilleure compréhension du comportement des piles à combustible à électrolyte solide. Les matériaux de cathode de type pérovskite comme LSM, LSC, LSF, LSCF[indice inférieur 8228], SSC et GSC ont été synthétisés en utilisant la synthèse plasma. Leurs caractéristiques physiques comme la stoechiométrie, la morphologie, la surface spécifique et la distribution de taille ont toutes été évaluées. La diffraction des rayons X, l'absorption atomique et l'ICP ont servi à déterminer la stoechiométrie. La synthèse par plasma donne du La[indice inférieur 2]O[indice inférieur 3] comme phase impureté démontrant une légère déficience en lanthane. La technique BET a révélé des valeurs de surface spécifique se situant entre 23 et 29 m[indice supérieur 2] /g. Ces valeurs sont deux à quatre fois supérieures aux valeurs obtenues pour les méthodes de synthèse chimique. La morphologie des particules formées par plasma est sphérique et c'est la microscopie électronique à balayage qui a permis d'extraire cette information. Le profil de distribution de taille de ces particules a été déterminé par granulométrie laser. Différentes grosseurs de particules sont possibles dans la poudre (de micrométrique à nanométrique) mais les particules de 63 nm sont les plus nombreuses. Seules des cathodes de LSCF[indice inférieur 6428] et de LSC ont été projetées par projection plasma sur du GDC, les caractéristiques physico-chimiques et électrochimiques des dépôts ont été évaluées. La microscopie électronique à balayage a servi à vérifier l'adhérence de la cathode projetée sur l'électrolyte ainsi qu'à mesurer l'épaisseur de celle-ci. L'épaisseur du dépôt est de 5 à 7 [micro]m pour chaque boucle de déposition. L'adhérence de la cathode sur toute la longueur de la demi-pile est parfaite. La MEB à haute résolution a permis de démontrer la présence d'une nanostructure en surface de la cathode. À partir des graphiques de Nyquist obtenus par spectroscopie d'impédance électrochimique, la résistance de polarisation a été extraite et la représentation de celle-ci sous la forme de graphiques d'Arrhénius a permis de mettre en comparer les R[indice inférieur P] et les énergies d'activation pour le LSC et LSCF[indice inférieur 6428]. Le LSCF [indice inférieur 6428] possède une E[indice inférieur A] et des R[indice inférieur P] plus faibles que le LSC. Les résultats obtenus pour ces cathodes déposées par plasma démontrent des E[indice inférieur A] et des R[indice inférieur P] plus petites que ceux rapportés dans d'autres travaux. Suite à l'exposition des dépôts de cathode à des conditions de frittage de 800[degrés celsius], 1000[degrés celsius] et 1200[degrés celsius], la MEB et la spectroscopie d'impédance électrochimique ont permis de déterminer que c'est surtout la nanostructure en surface de la cathode qui permet la mesure de R[indice inférieur P] si faible. L'exposition d'une pastille pendant plus d'une semaine à une température aussi basse de 800[degrés celsius] a révélé que les cathodes déposées par plasma ne sont pas stables, la R[indice inférieur P] ne cesse d'augmenter sans cesse (1,2 %/heure). Il a aussi été déterminer [i.d. déterminé] qu'une épaisseur de 20 [micro]m de cathode donne les R[indice inférieur P] les plus faibles. Malgré ceci, les échantillons présentés dans ce travail ont une épaisseur de 10 [micro]m, car l'exposition répétée au plasma fragilise les pastilles de GDC. La mise en forme par sérigraphie des poudres de cathodes synthétisées par plasma a été effectuée, mais les températures de frittage de celles-ci devront être diminuées, car les particules formées par plasma sont affectées par ces températures trop élevées. L'utilisation d'un composite au lieu d'une cathode pure a été tentée par déposition plasma. L'adhérence du dépôt s'apparente à celle des cathodes pures, mais la morphologie du dépôt s'est avérée être très différente. Les résistances de polarisation mesurées sont plus élevées que celles mesurées pour les cathodes pures. Ce qui va dans le sens opposé à ce qui était attendu. L'optimisation est inévitable si la projection de composites est envisagée."--Résumé abrégé par UMI.