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Actualité | Hydrogène

Une compréhension approfondie de la robustesse mécanique des cellules à oxyde solide


​L'hydrogène est un vecteur clé de la transition énergétique et de la réduction des émissions de gaz à effet de serre dans les secteurs de l'industrie et du transport (mobilité lourde). Son usage ne fait sens que si l'hydrogène est lui-même produit par des procédés décarbonés. La technologie d'électrolyse de vapeur d'eau à haute température (EHT) répond à cet enjeu. En effet, elle permet de convertir l'électricité produite par des énergies renouvelables ou des centrales nucléaires en hydrogène avec des rendements supérieurs aux autres solutions. 

Publié le 5 mai 2023

Le composant clé de cette technologie, la cellule a oxydes solides, est constitué d'un assemblage de matériaux céramiques : l'électrolyte en céramique dense est prise en sandwich entre deux céramiques poreuses, les électrodes, qui sont le siège des réactions électrochimiques. L'alternance de couches de natures différentes entraine des dilatations thermiques différentes entre les matériaux, qui génèrent des contraintes themo-mécaniques dans le système. Ce chargement peut induire un endommagement mécanique  dans le milieu poreux que sont les électrodes et conduire à une baisse significative des performances de l'électrolyseur.   

Pour augmenter la durée de vie des systèmes EHT, il est donc nécessaire d'améliorer la robustesse mécanique des cellules à oxyde solide. Cet objectif implique de pouvoir prévoir et anticiper l'amorçage et la propagation des fissures dans les électrodes. Néanmoins, les électrodes sont des milieux poreux présentant des microstructure 3D très complexes à analyser ! La littérature scientifique ne propose actuellement pas ou peu de données à l'échelle locale, représentative des microstructures, du fait notamment de la difficulté à mettre en place et réaliser les essais à cette échelle.

La compréhension de ces phénomènes a été étudiée au CEA-Liten dans le cadre d'une thèse, en collaboration avec l'INSA Lyon. Un travail de modélisation a été mené pour identifier les zones dans la microstructure à partir desquelles les fissures sont susceptibles de s'amorcer puis se propager.  Cette approche théorique a fait l'objet d'un premier article [ref1]. Pour valider cet outil de modélisation, des données expérimentales très spécifiques étaient nécessaires. 


Légende: Visualization of the cracks created in porous microstructures submitted to compression : first micro-cracks created in the microstructure for a porosity of a) 33% and b) 63%. Evolution of the damage variable after a small increment of a charge at c) 33% and d) 63%

Pour ce faire, des essais de micro-mécanique ont été mis en œuvre pour caractériser les matériaux à une échelle représentative des couches d’électrodes (dizaines de microns). Après avoir réalisé des micro-pilliers grâce à un équipement de faisceau d’ion (focus ion beam) du CEA-Leti, les échantillons ont été testés à l’INSA de Lyon. Ces essais ont permis de déterminer la limite à rupture en compression du matériau, à différents niveaux de porosité. Au-delà de la validation du modèle théorique, ils ont également permis de comprendre les mécanismes d’endommagement mis en jeu. Pour la céramique testée faiblement poreuse, la rupture présente un comportement fragile, tandis qu’elle devient diffuse à forte porosité. Dans ce dernier cas, on observe le développement de nombreuses microfissures stables dans le poreux. Ces éléments sont relatés dans une seconde publication [ref 2]. 

Légende: Procedure for micro-pillar preparation : a) schematic representation of the Xe+ pFIB, b) example of a typical specimen obtained after the milling

  • Le CEA-Liten dispose désormais d'un outil numérique puissant pour l'étude de la robustesse mécanique des cellules à oxyde solide, qui permettra d'anticiper et de prévenir l'endommagement des électrodes, et ainsi d'optimiser le fonctionnement des systèmes EHT dans la durée. Pour des travaux plus amonts sur le développement de nouveaux matériaux, cet outil guidera les compromis entre propriétés mécaniques et propriétés électrochimiques.

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