Development of conventional and single-chamber planar Solid Oxide Fuel Cells by screen printing
Développement de piles à combustible de type SOFC, conventionnelles et mono-chambres, en technologie planaire par sérigraphie
Résumé
This work is the first of of a new research theme of the laboratory in the field of solid oxide planar fuel cells. With his high experience in the sensor field, the objectives were to realise prototypes using a "low cost" technology like screen-printing, using classical materials in the field of fuel cells, rather than researching new materials having optimum properties which may be damaged during the realisation of the complete fuel cell. These materials are yttria stabilised zirconia (YSZ) for electrolyte, strontium doped lanthanum manganite(LSM) for cathode and a nickel oxide-YSZ cermet (NiO-Ysz) for anode.
The first part of the study consists in structural and electrical characterisations of chosen materials, both on dense pellets and on screen-printed layers of YSZ, LSM or NiO-YSZ. These characterisations showed a good adequation of our materials for a fuel cell applications.
The second part consists in testing realised prototypes on electrolyte support and on anode support with screen-printed electrodes and electrolyte. The weak obtained performances are mainly due to the low functional temperature (800°C), the thickness of the electrolyte support (about 1 mm) and the porosity of the YSZ screen-printed layers. Finally, we tested in the same time an original device in which both electrodes are exposed to a fuel and air mixture. This promising device inspired from the research on potentiometric sensors developed in the team by Nicolas Guillet (2001), avoids the tightness problem encountered with two gaseous chambers. Moreover, the performances obtained are just twice below than those obtained with a conventional fuel cell with two gaseous chambers.
The first part of the study consists in structural and electrical characterisations of chosen materials, both on dense pellets and on screen-printed layers of YSZ, LSM or NiO-YSZ. These characterisations showed a good adequation of our materials for a fuel cell applications.
The second part consists in testing realised prototypes on electrolyte support and on anode support with screen-printed electrodes and electrolyte. The weak obtained performances are mainly due to the low functional temperature (800°C), the thickness of the electrolyte support (about 1 mm) and the porosity of the YSZ screen-printed layers. Finally, we tested in the same time an original device in which both electrodes are exposed to a fuel and air mixture. This promising device inspired from the research on potentiometric sensors developed in the team by Nicolas Guillet (2001), avoids the tightness problem encountered with two gaseous chambers. Moreover, the performances obtained are just twice below than those obtained with a conventional fuel cell with two gaseous chambers.
Ce travail marque le départ d'une nouvelle thématique au sein du laboratoire dans le domaine des piles à combustible à oxydes solides planaires. Fort de son expérience dans le domaine des capteurs, l'objectif a été de réaliser des prototypes avec des technologies "bas coûts" comme la sérigraphie à partir de matériaux classiques pour les piles, plutôt que de rechercher des nouveaux matériaux avec des propriétés optimales, mais qui peuvent être amoindries lors de la réalisation d'un dispositif complet. Ces matériaux sont la zircone yttriée (YSZ) pour l'électrolyte, un manganite de lanthane dopé au strontium (LSM) pour la cathode et d'un cermet à base d'oxyde de nickel et de zircone yttriée (Nio-YSZ) pour l'anode.
la première partie des travaux a consisté à caractériser les propriétés physico-chimiques et électriques des matériaux choisis, sur des frittés d'abord et ensuite sur des couches sérigraphiées de YSZ, LSM ou NiO-YSZ. Ces caractérisations ont montré une bonne adaptabilité de nos matériaux pour une application pile à combustible.
La seconde partie a consisté à tester les prototypes réalisés sur l'électrolyte support, et sur anode support avec les électrodes et l'électrolyte déposé par sérigraphie. Les faibles performances obtenues sont surtout dues à la faible température de fonctionnement (800°C), à l'épaisseur de l'électrolyte support (environ 1mm)ou à la porosité des couches de YSZ par sérigraphie. Enfin, nous avons en même temps testé un dispositif original qui consiste à exposer les deux électrodes à un mélange de combustible et du comburant. Ce dispositif mono-chambre prometteur inspiré de l'expérience des capteurs potentiométriques développés au laboratoire par Nicolas Guillet (2001), permet de s'affranchir des problèmes d'étanchéité des deux compartiments gazeux. De plus, les performances obtenues ne sont que deux fois moindres par rapport à celles obtenues avec une pile conventionnelel à deux chambres gazeuses.
la première partie des travaux a consisté à caractériser les propriétés physico-chimiques et électriques des matériaux choisis, sur des frittés d'abord et ensuite sur des couches sérigraphiées de YSZ, LSM ou NiO-YSZ. Ces caractérisations ont montré une bonne adaptabilité de nos matériaux pour une application pile à combustible.
La seconde partie a consisté à tester les prototypes réalisés sur l'électrolyte support, et sur anode support avec les électrodes et l'électrolyte déposé par sérigraphie. Les faibles performances obtenues sont surtout dues à la faible température de fonctionnement (800°C), à l'épaisseur de l'électrolyte support (environ 1mm)ou à la porosité des couches de YSZ par sérigraphie. Enfin, nous avons en même temps testé un dispositif original qui consiste à exposer les deux électrodes à un mélange de combustible et du comburant. Ce dispositif mono-chambre prometteur inspiré de l'expérience des capteurs potentiométriques développés au laboratoire par Nicolas Guillet (2001), permet de s'affranchir des problèmes d'étanchéité des deux compartiments gazeux. De plus, les performances obtenues ne sont que deux fois moindres par rapport à celles obtenues avec une pile conventionnelel à deux chambres gazeuses.
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