La commercialisation des systèmes de piles à combustible à oxyde solide (SOFC) repose sur un équilibre entre leur coût de production, leurs performances et leur durabilité. Dans cette étude, le couplage des techniques de mise en forme par coulage en bande séquentiel et par sérigraphie, peu coûteux et adaptés à la production de masse, a été optimisé pour produire des cellules élémentaires SOFC en un minimum de traitements thermiques. Toujours dans l’optique de baisser le coût de production, faciliter le traitement des déchets et de respecter les préoccupations environnementales et de santé, des barbotines en base aqueuse formulées avec des additifs non toxiques sont choisis. Afin de focaliser les travaux sur le procédé, des matériaux modèles pour des températures de fonctionnement entre 700 et 850°C tels que le nickelate de lanthane La2NiO4+δ (LNO, cathode), la cérine gadolinée (GDC, couche barrière de diffusion), la zircone yttriée (YSZ, électrolyte) et le cermet Ni-8YSZ (anode) ont été sélectionnés. En ajustant la température de cofrittage et la composition de la barbotine, notamment en contrôlant la nature, la dispersion et la quantité de la poudre céramique, et en ajoutant des agents porogènes si nécessaire, il est possible de maîtriser la microstructure de chaque couche. Le coulage séquentiel associé au cofrittage permet d'effectuer en une seule étape le contrôle des épaisseurs pour assembler les couches d’anode fonctionnelle et structurale, l’électrolyte et la couche barrière de diffusion. Pour assurer une compatibilité thermomécanique entre GDC et YSZ, un gradient de composition est introduit par l'ajout d’une barbotine contenant une poudre composite, ce qui garantit une interface robuste. Des caractérisations électrochimiques, structurales et microstructurales permettent de valider le procédé avec l’obtention de cellules complètes par sérigraphie de l’électrode à air. Des premières études sur la gestion du séchage de la bande confirment la possibilité d'étendre le procédé à des échelles et formes différentes. Enfin, la flexibilité inhérente au procédé ouvre la porte à la production de demi-cellules SOFC métal support en utilisant la voie tout oxyde. |
The commercialization of solid oxide fuel cell (SOFC) systems relies on a balance between their production cost, performance, and durability. In this study, the coupling of cost-effective shaping techniques such as sequential tape casting and screen printing, suitable for mass production, has been optimized to produce elementary SOFC cells with a minimal number of thermal treatments and steps. Still in order to reduce production costs, simplify waste treatment and adhere to environmental and health concerns, water based slurries containing non-toxic additives are developed. To focus the work on the process, model materials for operating temperatures between 700 and 850°C, such as lanthanum nickelate La2NiO4+δ (LNO, cathode), ceria doped gadolinium (GDC, diffusion barrier layer), yttria-stabilized zirconia (YSZ, electrolyte), and Ni-YSZ cermet (anode), are selected. By adjusting the cosintering temperature and slurries composition, especially controlling the nature, dispersion, and quantity of ceramic powder and adding pore formers, the microstructure of each layer is controlled. Sequential casting combined with cosintering enables the one-step assembly of a multilayer anodic half-cell including the functional and structural anode layers, electrolyte, and diffusion barrier layer. To ensure thermomechanical compatibility between GDC and YSZ, a composition gradient is introduced by adding a composite powder slurry, ensuring robust interfaces. After fabrication of complete cells through air electrode screen printing, electrochemical, structural, and microstructural characterizations validate the process. First studies on band drying management confirm the potential to extend the process to different cells scales and shapes. Ultimately, the inherent flexibility of the process paves the way for the production of metal-supported half-cell SOFCs using the all-oxide route. |