Configurations de cellule et procédés d’élaboration utilisés possibles

A ce jour, plusieurs configurations de SOFC existent et peuvent être classées en deux catégories : les configurations tubulaires et les configurations planaires. Les premières SOFC à avoir été développées présentent une configuration tubulaire (figure II.1). Les trois couches constituant une cellule sont déposées sur un substrat cylindrique poreux. La couche en contact avec le support est la cathode, viennent ensuite l’électrolyte et l’anode. Pour relier ces cellules cylindriques entre elles, il est nécessaire d’introduire un interconnecteur à travers l’électrolyte afin de relier la cathode d’une cellule avec l’anode de la cellule voisine. En superposant ainsi les cellules via les interconnecteurs, un assemblage en série est obtenu. Pour augmenter l’intensité globale produite, il suffit de placer en parallèle plusieurs assemblages en série. En observant la géométrie de l’assemblage (figure II.2), il apparaît évident que la compacité du système n’est pas élevée.L’alimentation en gaz du système se fait par l’intérieur des tubes pour le comburant (l’air) et par l’extérieur des tubes pour le carburant (gaz naturel ou hydrogène). Pour assurer une densité de courant uniforme et limiter ainsi l’apparition d’un trop fort gradient thermique le long du tube, il est nécessaire d’assurer un fort débit gazeux en air et en carburant. De cette façon les pressions partielles en composés actifs sont suffisantes dans tout le volume des électrodes. Cette suralimentation est cependant la cause d’une baisse de rendement de la pile puisqu’une partie du gaz introduit n’est pas consommée. Il est alors nécessaire de recycler le gaz en sortie, ce qui introduit une nouvelle étape dans le cycle de fonctionnement de ce type de pile. De par la dimension des cellules (longueur et diamètre), une perte ohmique est introduite par le chemin de collection des électrons ; l’efficacité de la pile se trouve alors affectée. En outre, les techniques d’élaboration utilisées, et notamment les dépôts thermiques, sont coûteuses. En contrepartie de ces inconvénients, l’intérêt de cette géométrie réside dans la facilité à assurer une bonne étanchéité entre les compartiments d’électrode et dans la tenue mécanique assurée par le substrat. La société Siemens-Westinghouse est celle qui possède le plus d’expérience dans ce domaine.

La seconde configuration la plus étudiée et la plus récente est la configuration planaire. Elle a été développée pour pallier aux principaux défauts évoqués précédemment. Les avantages majeurs de la configuration planaire se situent au niveau de la compacité de l’empilement (figure II.3) et des fortes densités de courant potentielles.En effet, les électrons empruntent un trajet plus court pour aller d’une cellule à une autre (épaisseur de l’interconnecteur), ce qui réduit considérablement les pertes ohmiques dues à la résistance des matériaux traversés. Il est à noter qu’il est possible d’utiliser des techniques d’élaboration moins chères que celles utilisées pour les cellules présentant une configuration tubulaire. En contrepartie, l’élaboration des cellules est plus délicate en raison de la différence de comportement des matériaux au frittage et à la dilatation. De plus le scellement des cellules est pour des raisons de résistance mécanique difficile à assurer. En effet, gêner la dilatation des cellules lors de l’utilisation sous température peut entraîner des fissurations, ou même des ruptures totales pouvant conduire à la mise hors service d’un empilement complet. Par conséquent, les réactions chimiques, à l’origine du courant, seraient arrêtées dans toutes les électrodes. Il existe également des configurations hybrides ou proches de la planaire ou de la tubulaire. La société Sulzer-Hexis fabrique des SOFC constituées d’assemblages de cellules planaires présentant la particu- larité d’être percées en leur centre pour permettre le passage du gaz carburant (figure II.4).

Procédés d’élaboration utilisés

Il existe un grand nombre de procédés d’élaboration permettant de réaliser des dépôts de matériaux comme les métaux et les céramiques. Ils ne sont toutefois pas tous adaptés à la réalisation de couches, épaisses ou minces, présentant une géométrie tubulaire ou planaire.Les différents procédés d’élaboration peuvent être classés dans trois grandes familles : etones. La figure II.6 représente un montage permettant de réaliser un dépôt à partir de deux précurseurs. Il est possible d’ajuster la vitesse de dépôt en agissant sur la température du substrat et la vitesse d’évaporation des précurseurs.Cette technique présente plusieurs avantages : tout d’abord, elle permet d’obtenir des couches uni- formes, de composition parfaitement contrôlée, avec une bonne reproductibilité ; en outre, l’adhésion entre le substrat et la couche est très bonne. Par contre, le dépôt ne peut se produire qu’à de fortes températures. Pour le dépôt de zircone yttriée, il est nécessaire de placer le substrat à une température de 850 : il s’agit de l’EVD (Electroche- mical Vapor Deposition). Elle permet de réaliser des dépôts sur des substrats poreux en deux étapes. Le substrat, dans cette technique, divise la chambre de réaction en deux compartiments (voir figure II.7.a)).