Soutenance de Jérôme Laurencin
Fonctionnement sous méthane d’une pile à combustible « SOFC » : Optimisation des performances et de la durabilité
Thèse préparée dans le Laboratoire d'Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles et les Nanomatériaux (LITEN) (Direction Mme Lefebvre-Joud Florence et M. Dupeux Michel)
Mercredi 22 octobre 2008
Jury
M. J. Fouletier (Président), M. M. Boussuge (Rapporteur), Mlle A. Ringuedé (Rapporteur), Mme F. Lefebvre-Joud (Directrice de thèse), M. M. Dupeux (Co-directeur de thèse), M. D. Leguillon (Examinateur), M. G. Delette (Examinateur), M. S. Hody (Examinateur)
Résumé
Ce travail a porté sur le développement et la validation expérimentale d'un modèle numérique décrivant le comportement d'une pile à combustible « SOFC » fonctionnant en Reformage Interne Direct (RID) du méthane. Ce modèle permet de prévoir la réponse électrochimique, thermique et mécanique du motif élémentaire de l'empilement. Afin d'évaluer la dégradation des cellules, le développement du modèle a nécessité l'approfondissement de deux points spécifiques :
· Une approche statistique a été utilisée pour décrire l'amorçage de la rupture aux singularités d'une structure céramique. Sur la base de ces travaux, une méthodologie numérique a été mise au point pour statuer sur la nocivité mécanique des singularités de structure des cellules SOFCs.
Une méthode de mesure a été développée pour estimer l'adhérence des couches de la cellule. Une valeur de ~20 J/m² a été obtenue sur une cellule commerciale pour l'interface cathode/électrolyte.
Cette approche de modélisation a été employée pour étudier la faisabilité de l'intégration d'une SOFC dans le cœur de chauffe d'une chaudière individuelle alimentée en gaz naturel. Les conditions d'implantation de la pile dans la chaudière ont été définies. Les effets de la géométrie des cellules, des caractéristiques électrochimiques et des modes de fonctionnement de la pile ont été analysés pour identifier les conditions opératoires optimales du système.
Le modèle a été utilisé pour estimer la robustesse mécanique des cellules en configuration planaire. L'analyse des résultats a permis de fournir des spécifications sur la géométrie des couches ainsi que sur les conditions opératoires permettant d'éviter un endommagement mécanique des cellules. Des préconisations sur le fonctionnement et les architectures de cellules ont été proposées afin d'assurer une meilleure durabilité du cœur de pile utilisé dans les conditions spécifiques de l'application visée.