Optimization of the Ni-YSZ Fuel Electrode for a Better Stability of Solid Oxide Cell - Direction de la recherche technologique Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2024

Optimization of the Ni-YSZ Fuel Electrode for a Better Stability of Solid Oxide Cell

Optimisation des électrodes de Ni-YSZ pour une meilleure stabilité des cellules à oxydes solides

Résumé

The Solid Oxide Cells durability remains one of the main issue limiting the large-scale deployment of this technology. The high operating temperature (700°C-850°C) and polarization can induce reactivity between the cell components or microstructure evolution in the electrodes especially in electrolysis mode (SOEC). Specifically, the classical Ni-YSZ cermet used as hydrogen electrode is subjected to Ni local coarsening and redistribution over large distance. Indeed, a substantial Ni migration away from the electrolyte/cermet interface is generally observed in electrolysis mode. Conversely, only a slight Ni enrichment of the electrolyte/electrode interface is detected for long-term operation in fuel cell mode. However, the underlying mechanism for the Ni migration remains unclear. Therefore, this thesis has been dedicated to the understanding of the Ni-migration using a coupled experimental and modelling approach. For this purpose, a mechanism has been proposed for Ni migration that takes into account the evolution of the electrochemical double layer and the Ni wettability on YSZ, with the electrode polarization. Besides, a series of long-term tests have been conducting in order to investigate the effect of the different operating conditions on the evolution of the Ni microstructure including post-test microstructural characterization. Then, a model based on the proposed mechanism has been developed in a finite element code (COMSOL®) using the phase-field theory to predict the evolution of the Ni migration on real microstructures. The phase-field model has been first validated on a simplified microstructure before been applied to a real one. It is worth noting that the gradient in Ni/YSZ wettability imposed as boundary conditions in the phase-field model have been computed with an electrochemical model calibrated to reproduce the behaviour of the cells used in this work. Phase-field simulations in SOEC and SOFC modes in the conditions of the experiments for 2000h (-/+1 A/cm², 750°C) have been launched and the results discussed in the light of the bibliography and confronted to the experimental electrode reconstructions. The good agreement between the simulations and the experimental data tends to prove the relevance of the proposed mechanism.
La durabilité des Cellules à Oxyde Solide reste l'un des principaux problèmes limitant le déploiement à grande échelle de cette technologie. La température de fonctionnement élevée (700°C-850°C) ainsi que la polarisation peuvent induire une réactivité entre les composants de la cellule ainsi qu’une évolution de la microstructure des électrodes, en particulier en mode électrolyse (SOEC). Plus précisément, le cermet de Ni-YSZ, classiquement utilisé comme électrode à hydrogène est soumis à un grossissement local du Ni et à une redistribution sur une grande distance. En effet, une migration substantielle du Ni loin de l'interface électrolyte/cermet est généralement observée en mode électrolyse. Inversement, seul un léger enrichissement en Ni de l'interface électrolyte/électrode est détecté après un temps long de fonctionnement en mode pile à combustible. Cependant, le mécanisme sous-jacent à l’origine de la migration du Ni, est peu ou mal compris et fait l’objet de nombreuses études internationales. Cette thèse a donc été consacrée à la compréhension du mécanisme de migration du Ni, en utilisant une approche couplée expérimentale et de modélisation. Premièrement, un mécanisme a été proposé pour la migration du Ni qui prend en compte l'évolution de la double couche électrochimique et la mouillabilité du Ni sur la YSZ avec la polarisation de l'électrode. De plus, une série de tests de longues durées a été menée afin d'étudier l'effet des différentes conditions de fonctionnement sur l'évolution de la microstructure du Ni, y compris la caractérisation de la microstructure post-test. Ensuite, un modèle basé sur le mécanisme proposé a été développé dans un code d’éléments finis (COMSOL®), utilisant la théorie des champs de phase pour la prédiction de l'évolution de la migration du Ni. Le modèle de champ de phase a initialement été validé sur une microstructure simplifiée avant d'être appliqué à une microstructure réelle. Il convient de noter que le gradient de mouillabilité Ni/YSZ imposé comme conditions limites dans le modèle de champ de phase a été calculé à l'aide d'un modèle électrochimique calibré pour reproduire le comportement des cellules utilisées dans le cadre de cette thèse. Des simulations en modes SOEC et SOFC dans les conditions des tests de durabilité (-/+1 A.cm-², 750°C), pour 2000h, ont été lancées puis les résultats ont été discutés à la lumière de la bibliographie et confrontés aux reconstructions expérimentales des électrodes. Finalement, la pertinence du mécanisme proposé a été confirmée par le bon accord entre les simulations et les données expérimentales.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04581123 , version 1 (21-05-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04581123 , version 1

Citer

Léa Rorato. Optimization of the Ni-YSZ Fuel Electrode for a Better Stability of Solid Oxide Cell. General Physics [physics.gen-ph]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2024. English. ⟨NNT : 2024GRALI013⟩. ⟨tel-04581123⟩
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