La technologie de cellules à oxyde solide (SOC) se démarque par son rendement de réaction élevé et
sa réversibilité entre les deux modes, à un coût raisonnable. Son potentiel est remarquable, notamment pour sa capacité à stocker l'électricité produite à partir de sources renouvelables, à valoriser la chaleur fatale des procédés industriels, voire à être couplée à des réacteurs nucléaires. Principal obstacle à son développement : la durabilité des composants, soumis à des températures de fonctionnement élevées de 650 à 800 °C. Prolonger la durée de vie de cette technologie, visée à plusieurs dizaines de milliers d'heures, est donc un enjeu majeur.
Les travaux de recherche ici présentés, conduits par les équipes du CEA-Liten et du CEA-ISAS, s'inscrivent dans le cadre du programme d'accompagnement à la société Genvia. Ils se concentrent sur le vieillissement d'un des éléments composant le stack, que sont les interconnecteurs. Le matériau qui les constitue, un acier riche en chrome, présente de nombreux avantages, mais voit deux phénomènes principaux réduire son efficacité : d'une part, l'acier s'oxyde en formant une couche
d'oxyde riche en chrome, ce qui limite la conduction électrique des interconnecteurs ; d'autre part,
l'oxyde de chrome, soumis à une atmosphère oxydante,
se volatilise, et se redépose sur l'électrode à oxygène. Les deux phénomènes réduisent fortement les performances des SOC.
L'étude visait à évaluer l'effet d'un revêtement protecteur sur les interconnecteurs pour limiter ces phénomènes de dégradation. Le revêtement, constitué d'oxyde de cérium et de cobalt métallique, a été appliqué par dépôt physique en phase vapeur (PVD), une technique de mise en œuvre compatible avec une production industrielle. Les chercheurs ont mesuré deux paramètres critiques lors d'essais longue durée
(~5000H) sur des échantillons : la vitesse d'oxydation, qui affecte l'épaisseur de l'oxyde formé, et l'évaporation du chrome. Ces essais,
complétés par un fonctionnement longue durée en stack échelle 1, ont permis de comparer des interconnecteurs revêtus à des non-revêtus, grâce aux analyses post mortem. Les premiers résultats indiquent qu'à
l'échelle échantillon, le revêtement limite effectivement le vieillissement des interconnecteurs, bien que ces conclusions restent à confirmer
au sein d'un stack complet.
 |
Figure 1 - a) Pouvoir de rétention du chrome (Cr) pour différents revêtements à base de cérium (Ce) et cobalt (Co) par rapport à l’acier (AISI441) non revêtu, après 5 000 h sous air à 700 et 800°C.
Figure 1 - b) Épaisseurs moyennes d’oxyde de Cr pour l’acier (AISI441) nu et revêtu de différents revêtements à base de cérium (Ce) et cobalt (Co) après 5 000 h sous air à 800°C.
 |
Figure 2 - Images MEB et profils élémentaires EDX de (a) l’acier (AISI441) nu et (b) revêtu de cerium (Ce) et cobalt (Co) après 5 000 h sous air à 800°C. Le nickel provient d’un dépôt appliqué sur la surface lors de la préparation de l’échantillon.
Des essais supplémentaires sont en cours pour approfondir ces premières observations, incluant des mesures de résistivité en fonctionnement. Parmi les autres étapes envisagées, des essais accélérés seront nécessaires pour évaluer la durabilité à long terme de la technologie, représentatifs des dizaines de milliers d'heures visées. Des études pourront également être menées sur des revêtements alternatifs, moins dépendants de métaux critiques, pour renforcer encore les performances et la durabilité des stacks SOC.