WO2003058744A2 - Pen de sofc - Google Patents

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WO2003058744A2
WO2003058744A2 PCT/CH2003/000008 CH0300008W WO03058744A2 WO 2003058744 A2 WO2003058744 A2 WO 2003058744A2 CH 0300008 W CH0300008 W CH 0300008W WO 03058744 A2 WO03058744 A2 WO 03058744A2
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layer
cathode
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Raphaël IHRINGER
Alexandre Closset
Joseph Sfeir
Olivier Franz Bucheli
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Htceramix S.A.
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Priority to AT03700031T priority patent/ATE298133T1/de
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Priority to EP03700031A priority patent/EP1464092B1/fr
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to the field of solid oxide fuel cells commonly called SOFC (Solid Oxide Fuel Cell).
  • SOFC Solid Oxide Fuel Cell
  • a fuel cell has an anode and a cathode, separated by an electrolyte transporting the ions but not conducting the electrons.
  • the cathode - electrolyte - anode assembly is commonly called PEN (Positive - Electrolyte - Negative).
  • the electrolyte consists of a metal oxide, in solid, non-porous form, for example a zirconia, capable of transporting oxygen anions.
  • the porous anode is the site of an oxidation reaction of a gaseous fuel, generally hydrogen, or of an organic fuel (methanol, light fuel, natural gas) from which hydrogen is extracted. by reforming. At the porous cathode, a reaction of reduction of the oxygen of the air takes place.
  • the reaction is continuous thanks to the constant supply of fuel and oxidizing gases, produces two electrons per molecule of hydrogen and delivers a potential of the order of 0.6 to 1.2 V, as well as heat. it is necessary to associate several SOFCs in series in order to obtain a higher output voltage.
  • a stack - commonly called a "stack" is formed, each unit of which comprises one or more ceramic and / or metal plates from a few tenths of a millimeter to a few millimeters thick, integrating all of the electrochemically active components of PEN and an interconnection plate sometimes called a dipole plate.
  • the invention relates in particular to a SOFC PEN with a cathode, said cathode comprising a porous cathode layer and an active cathode layer, with an anode, said anode comprising an active anode layer and a porous anode support layer, said anode support layer constituting the mechanical support of PEN, and with at least one non-porous electrolyte layer, said electrolyte layer being placed between said active layers anode and cathode.
  • the fuel circulates in the central tube then is diffused towards the anode face of each cell thanks to the openings left by the structure of the interconnection plate.
  • the fuel cannot penetrate on the cathode side, because the interconnection plate covers over a width of a few millimeters all the interior edge of the cathode.
  • the air is injected from the outside through holes drilled in the interconnection plates and aligned vertically, which makes it possible to bring the air through "U" profiles pressed against the stack.
  • the air passes through an interior cavity of the interconnection plate, which makes it possible to heat it by means of the heat released by the cells. Then, the air passes over the structured face of the interconnection plate facing the cathode.
  • a thin layer of ceramic is deposited by VPS (Vacuum Plasma Spraying) to prevent the evaporation of chromium in the form of Cr0 3 .
  • VPS Vauum Plasma Spraying
  • the outside diameter of the PEN interconnection plates is around 120 mm and that of the inside hole 22 mm.
  • a stack has about 70 cells and is about 50 cm high; the electrical power produced is 1 k at 40 V.
  • Interconnection plates of this type of stack are complex to produce and of high cost.
  • the power and the electric voltage delivered by this device are respectively a function of the surface and the number of cells, therefore of the surface and the number of interconnection plates, the cost of which constitutes an obstacle to the profitability of the electric energy produced. by this type of device.
  • JP 04 169071 and JP 04 079163 describe an interconnection device which can be arranged between two PENs, which differs from that of the Sulzer cell by the fact that it is made in three parts: a flat central plate carries on each side a layer made of electrode materials, in which channels are provided for the circulation of gases.
  • the additional electrical resistance due to contact between this layer and the actual electrode facing it is significant, although it can be reduced thanks to an additional interface made of conductive material.
  • Document JP 03 134964 also describes an interconnection device consisting of three layers of ceramic, one of which carries channels for the circulation of gas.
  • the PEN is also carried by a substrate plate, grooved on the side opposite to the PEN for the circulation of one other gas.
  • US Patent 5,256,499 (Allied Signal Aerospace) describes a SOFC stack, consisting of a stack of plates in ceramics pierced with several holes, arranged near the edges of the plates; the arrangement of the holes facing each other constitutes lateral pipes for supplying and discharging fuel and oxidizing gases, the active elements of the PENs being arranged in the central part.
  • Each cell consists of a plate forming the electrolyte, surrounded on either side by at least one plate respectively forming the anode and the cathode, as well as two plates pierced with holes the dimensions of the anode and cathode, the same thickness as these two electrodes, surrounding them so as to form a section of tubing.
  • This PEN is sandwiched between two flat interconnection plates.
  • Each electrode is itself formed either of a plate carrying grooves or studs, or of the assembly of a flat plate and a corrugated plate.
  • the interconnection plates of this device are simpler and less expensive than the plates of the Sulzer device, cited above, but each cell requires two additional elements surrounding the electrodes to constitute the tubes. These elements, almost completely hollowed out, are fragile and the seal between the electrodes and these elements is difficult to achieve.
  • the structure forming the channels is sintered on one electrolyte, which does not make it possible to compensate for the flatness defects of the cell.
  • the plate constituting one electrolyte forms the mechanical support of the PEN. It must therefore be relatively thick and therefore has a relatively high ohmic resistance.
  • Patent application WO 01/67534 describes an anode made up of a multitude of discrete ceramic columns, between which a gas can flow, arranged between an electrolyte in a thin layer and an equally thin metallic interconnection plate. On the cathode side, the electrolyte is also separated from the interconnection plate by a structure formed by a multitude of discrete columns allowing the passage of gas between them.
  • the structures made up of the balusters are produced by stamping the individual balusters in a strip of raw ceramic and fixing these balusters on a sheet of paper, which allows their manipulation. The sheet burns and disappears when the stack is put into service for the first time after assembly.
  • This device makes it possible to use flat interconnection plates, therefore inexpensive.
  • the realization of the structure of columns is complex, and the manipulation of the components of the cell during assembly is delicate. Finally, it requires an additional sealed gas supply and evacuation system.
  • Document JP 08 078040 also describes a system of discrete ceramic columns, glued on either side. a flat PEN, ensuring the electrical connection with the interconnection plates and allowing the passage of gases. This device has the advantages and disadvantages indicated above with regard to document WO 01/67534.
  • Document JP 06 068885 also describes a system of columns, in an arrangement similar to that of the previous document.
  • the electrolyte plates and the interconnection plates constitute the mechanical supports of this system, the electrodes being very thin electrodes, printed on each side of the electrolyte plate, which must therefore be thick, this which increases the ohmic resistance.
  • Patent application WO 01/41239 also describes a system of channels, formed by a multitude of discrete balusters allowing the passage of gas between them.
  • the structures formed of the columns can be produced by locally depositing, over a thickness of 0.05 to 0.4 mm, constituent materials of the electrodes on the two faces of a plane interconnection plate, by a printing technique. The columns thus constitute the electrodes.
  • the interconnection plate and the electrolyte plate each have at least one pair of holes in their central zones, each of the holes being surrounded alternately, on each face of the interconnection plate, by a seal. The holes of the interconnection plate and of the electrolyte plate come into alignment for the gas supply, these flowing radially towards the edges of the plates between the columns.
  • the production of the interconnection plate carrying the electrode columns is inexpensive. However, handling the electrolyte plate (0.2 to 0.4 mm thick) during stacking is delicate.
  • the surface of the electrodes is the total front surface of the balusters, ie only a fraction of the surface of the plates.
  • the ohmic resistance of the PEN is therefore greater than that of a PEN of the same composition, the electrodes of which are in contact with the entire surface of the electrolyte.
  • WO 01/41239 also proposes to make the channel systems by digging them, mechanically or chemically, into the surfaces of the interconnection plate or of the electrodes. This variant is expensive to produce, as in the case of the Sulzer interconnection plates described above.
  • the object of the present invention is to propose a PEN of SOFC making it possible to produce a stack which does not have the defects of the devices of the prior art.
  • the invention relates in particular to the production of stacks which can use, for the interconnection, of SOFCs, simple thin and inexpensive metal plates. It simultaneously aims to produce SOFCs with the lowest ohmic resistance possible. It also aims to limit the bulk in thickness of an SOFC. It also aims to increase the electrical power available per unit area. Finally, it aims to achieve a PEN and its interconnection system, the manufacturing of which is easy and which is easy to handle during the construction of the stack.
  • a PEN of the defined type of input in which the anode comprises an anode collecting layer, covering the rear face of the anode support layer, that is to say on the side opposite to the active anode layer, and in which the anode collecting layer has, on its own rear face, intended to come into contact with an interconnection plate, a relief structure chosen so as to be able to form, with a flat plate, gas circulation channels.
  • the face "front”, respectively “anterior” structure, of an electrode layer of a PEN will be called its face, respectively a structure, oriented towards the electrolyte, and face “rear” its opposite face, therefore oriented towards an interconnection plate.
  • a PEN according to the invention therefore allows the use of an interconnection plate consisting of a simple flat and smooth plate on the anode side. Furthermore, since the mechanical support of the PEN consists of the anode support layer, when the electrolyte is assembled between the two electrodes, this electrolyte can be reduced to a thin layer of a few ⁇ m, of low ohmic resistance.
  • the cathode also has on its rear face, intended to come into contact with an interconnection plate, a relief structure chosen so as to form with said interconnection plate gas circulation channels.
  • the relief structures of the anode and of the cathode may each comprise a plurality of prominent studs, spaced from each other, the top surfaces of the anode studs being substantially coplanar and parallel to the top surfaces of the studs.
  • the cathode also substantially coplanar with each other.
  • These structures may also include sealing edges of the same thickness as the height of the studs on the periphery of the rear faces of the electrodes. The entire structure of the PEN is therefore between two parallel planes. To create a stack, it is sufficient to stack alternately PENs of this type and simple flat metal plates.
  • the gas supply can advantageously be carried out by means of at least a first hole and at least a second hole traversing the PEN axially, that is to say along the axis of the stack, the structure in relief of the rear face of the anode comprising at least a first coping surrounding said first hole, the relief structure of the rear face of the cathode comprising at least a second coping surrounding said second hole, said first hole not being surrounded by a said second coping and said second hole not being surrounded by a said first coping.
  • the copings perform the function of seals and provide a near seal.
  • the holes facing each other constitute a tube parallel to the axis of the stack and the presence, respectively the absence, of a coping around each hole conditions the diffusion of one of the gases exclusively on the rear face of the cathode and the other gas exclusively on the rear face of one anode.
  • the relief structures of the respective rear face of the cathode and of the anode each comprise a border surrounding each rear face, capable of forming each, by cooperating with an interconnection plate, a sealed enclosure, except on an openwork portion of said border.
  • the two perforated portions, seen in the direction of the stacking axis of the SOFC, have no overlap area. These openwork areas communicate with lateral gas supply or discharge pipes.
  • the raised structures of the rear faces of the two electrodes are entirely surrounded by a sealed border and the plates constituting the stack have at least two circulation holes for each gas, namely a hole d entry and exit hole, totaling at least four holes.
  • the front face of the anode, on the side of the electrolyte, forming contact with this electrolyte, also has a relief structure.
  • Such a front face has a developed surface greater than the surface projected along the stacking axis. The reactive surface is therefore considerably increased ⁇ , without appreciable increase in the overall size of the device.
  • the anode support layer has on its front face a relief structure.
  • the active anode layer, the electrolyte and the whole of the cathode may consist of thin layers, coating said relief structure with the front face of the anode support layer, and this relief structure is chosen so that the rear face of the cathode can form gas circulation channels with a flat interconnection plate coming into contact with it.
  • the relief structure of the front face of the anode therefore has a dual function: on the one hand it increases the reactive surface of the PEN, and on the other hand the relief of this surface, not being or only slightly attenuated by the thin layers which cover the anode support layer, generates the shape of the gas circulation channels on the cathode side.
  • the structure of the front face of the anode support layer can be obtained by a molding process, while the thin layers of the electrolyte and the cathode can be obtained by a deposition process.
  • This relief structure of the front face of the anode may in particular consist of a plurality of studs of height between 0.2 and 2 mm, the distance between the sides of neighboring studs being between 0.1 and 2 mm.
  • the active anode layer, the electrolyte and the active cathode layer consist of thin layers.
  • the porous cathode layer which covers them and which totally or partially equalizes the relief behind the active cathode layer, has on its rear face, intended to come into contact with an interconnection plate, a second relief structure chosen such that so as to form with said interconnection plate gas circulation channels.
  • the front relief structure of the front face of the anode support layer and the relief structure of the rear face of the porous cathode layer can be chosen with different configurations, the relief of the structure of the rear face of the cathode must be sufficient to form gas circulation channels, while the front face of the anode may have only a microstructuring intended to increase its reactive surface.
  • This anterior relief structure of the front face of the anode support layer can be obtained by stamping, by micromolding, in particular a micromolding process using gelling, or "gel casting", of the raw material.
  • the height of the relief elements constituting the relief structure can be from 0.1 to 2 mm.
  • the distance between neighboring elements can be between 50 ⁇ m and 2 mm.
  • the ratio between height and thickness of these elements can be between 1 and 4.
  • an anode having on the one hand a first relief structure on its rear face and on the other hand an anterior relief structure on its front face
  • two layers can be assembled, each having a smooth face and a structured face, by their smooth faces.
  • the assembly can be carried out when the two layers are in the raw state.
  • the layer forming the gas distribution channels and the current collection can be deposited on the anode support layer produced beforehand by sintering.
  • An anode support layer can thus be assembled with an anode collecting layer. It is also possible to assemble two half-layers, the assembly of which constitutes the anode support layer.
  • An anode support layer structured on its two faces can also be produced by direct molding, for example by injection molding.
  • a common property sought for the materials of a SOFC cell is their ability not to change over time, at the operating temperature of the cell (700 - 1000 ° C) in their environments, oxidizing or reducing, respective.
  • the materials used to constitute the cathode, in particular the porous cathode layer often include a perovskite structure, such as lanthanum manganates doped with strontium (LSM).
  • LSM strontium
  • Compositions such as lanthanum cobaltates or ferrocobaltates exhibit greater activity than LSMs but are capable of reacting with a zirconia electrolyte.
  • porous cathode layer and the electrolyte can be arranged a thin (2 to 5 ⁇ m) and dense (> 80%) active layer consisting for example of a mixture of Ce0 2 or zirconia with an LSM.
  • This choice of material makes it possible to create on the electrolyte a thin layer of a material which is a mixed conductor, ionic and electronic.
  • the electrolyte is a dense material with high ionic conductivity, but zero or very low electronic conductivity.
  • the most commonly used material is stabilized zirconia, for example with 8 mol% of Y 2 0 3 (8 YSZ), or partially stabilized, for example with 3 mol% of Y 2 0 3 (3 YSZ).
  • cermets are preferred materials for forming a SOFC anode.
  • a Ni-8 YSZ "cermet" with 35 to 45% by weight of nickel metallic phase can be used.
  • the electrochemically active anode layer (0.5 to 5 ⁇ m), in contact with the electrolyte, it is possible to seek to decrease the current density in the metallic phase and increase the number of particles of the metallic phase belonging to the network. electrically percolating, thereby increasing the activity of the electrode, replacing part of the ceramic phase ionic conductor, that is to say 8 YSZ, by an electronic conductive ceramic which does not reduce to metal in a hydrogen atmosphere at the operating temperature of the cell, that is to say about 800 ° C.
  • a conductive ceramic By way of example of such a conductive ceramic, mention may be made of Ce0 2 doped with U 2 0 3 (1 to 10%) or Nb 2 0 5 (1 to 10%) or with 10 to 40 mol% of Gd or of Y or even U 2 0 3 doped with Y 2 0 3 (1 to 10%) or Ti0 2 doped with Nb or Ta (1 to 10%).
  • the anode support layer is porous and made of an electronic conductive material.
  • an electronic conductive material for example Ni
  • the ceramic phase for example zirconia.
  • the electronically conductive phase can be distributed around particles of the ceramic phase with an average diameter three to ten times greater than the average thickness of the film formed by the electronically conductive phase.
  • This structure can be obtained by atomization of a dispersion of fine particles of zirconia, for example 0.1 ⁇ D50 ⁇ 0.3 ⁇ m, into particles of larger size, for example 15 ⁇ D50 ⁇ 30 ⁇ m and mixture of these particles to a dispersion of fine particles, for example 0.1 ⁇ D50 ⁇ 0.3 ⁇ m from the conductive phase.
  • the electronically conductive phase is also preferable to arrange the electronically conductive phase on the walls of pores formed in the structure.
  • the electronically conductive phase such as Ni or NiO
  • the electronically conductive phase is previously deposited, for example by electroless deposition or precipitation of a salt, on the surface of relatively large particles, for example 5 ⁇ D50 ⁇ 30 ⁇ m, of a pyrolizable substance between 250 and 400 ° C, such as particles of cellulose, carbon or starch which, after pyrolysis, leave pores in the structure of the anode support layer.
  • particles of size 2 ⁇ D50 ⁇ 50 ⁇ m and of density less than or equal to 2 g / cm 3 containing nickel or any other transition metal (Fe, Co for example) in the form of an oxide or a salt (oxalate or carbonate for example) and, optionally, zirconia and an organic phase. They can be obtained for example by atomization of a dispersion of fine particles of the materials mentioned above. These particles are then added at a rate of approximately 35% by volume to zirconia particles. This mixture serves as the basis for obtaining the anode support. During the sintering of the latter, a porosity is created inside the particles containing the nickel. This allows the nickel to reoxidize without destroying the structure of the anode support.
  • the anode may also comprise, on the side of the interconnection plate, a fine (1 to 10 ⁇ m) or structured collecting layer, enriched with electronic conductive material, for example nickel. This layer makes it possible to reduce the ohmic losses of current collection.
  • the constituent layers of the anode can incorporate fibers.
  • employment of a composite material incorporating fibers has many advantages:
  • Fibers will usefully be chosen whose diameter is between 1 and 50 ⁇ m and whose length / diameter ratio L / d is between 2 and 30. Preferably, the diameter will be between 2 and 30 ⁇ m and the ratio L / d between 5 and 25. Fibers with a diameter of 5 to 15 ⁇ m and a L / d ratio between 8 and 20 are particularly preferred.
  • the cathode in particular the porous cathode layer, it is possible to use ceramic fibers with or without electronic conductivity.
  • Fibers of LSM type materials for example Lao, can be used. 7 Sr 0 . 3 Mn0 3 , or of LSC type, in particular La 0 . 7 Sr 0 . 3 MnO 3 .
  • the anode in particular the collecting layer, it is possible to add from 5 to 60% by volume, preferably 20 to 40% by volume, and particularly preferably 25 to 35% by volume, of ceramic fibers. or metallic in relation to the total volume.
  • the fiber material can be chosen from Zr0 / Al 2 0 3 , MgO, Ni or among conductive ceramics under H 2 / H 2 0 such as Ti0 2 , Ti0 2 + 5% Nb0 2/5 , Ce0 2 + 1% Nb0 2 , 5 , Nb 2 Ti0 7 , Nb 2 0 5 , SrTi0 3 , Fe 3 0 4 .
  • particles of the ceramic materials indicated above with diameters between 0.1 and 50 ⁇ m, and preferably 0, 3 to 30 ⁇ m. Particularly preferred are particles with diameters between 0.5 and 5 ⁇ m.
  • the anode materials can incorporate one or more catalysts , for the purpose of reforming a carbon-based fuel, to allow direct oxidation of a carbon-based combustible gas, for example CH 4 , partially reformed or not, and / or to improve the tolerance from SOFC to the presence of sulfur in the fuel.
  • a carbon-based combustible gas for example CH 4
  • Part of the anode, which is a porous structure thus becomes an internal reforming element, without increasing the stack height. This would be impossible with an interconnection plate structured so as to produce circulation channels, made of dense steel.
  • Ni or an NiCu alloy can be used on a ceramic support, such as zirconia, alumina, magnesia or cerine.
  • nickel represents 1 to 25% by weight of the particles, preferably 1 to 10%, and more particularly 1.2 to 5%.
  • the copper content is 5 to 50%, in particular 10 to 30%, and more particularly 15 to 25% of the metallic phase.
  • magnesia MgO magnesia MgO as support, it can be mixed with another oxide, to improve its catalytic power as well as the coefficient of thermal expansion and the conductivity of the anode layer.
  • the following catalysts can be added as a mixture: NiCu and chromites, the chromite content may vary from 0 100% of this mixture.
  • the mixture can also comprise another conductive oxide, for example titanates or niobates having conductivities of the order of 300 S / cm.
  • Ce0 2 To improve the tolerance to sulfur, it is possible to add to the cerine catalysts, Ce0 2 , in the proportion of 5 to 100% by weight relative to the catalysts based on Ni, preferably 10 to 50%, and in particular 15 at 25% by weight.
  • the presence of Cu at the anode also improves tolerance to sulfur.
  • This catalyst or catalytic mixture, is mixed with the constituent materials of the anode typically at a rate of 5 to 15% by volume, remaining below the percolation threshold, so as not to disturb the current collection.
  • the interconnection plate inserted between two PENs can be made of a ferritic alloy for operating temperatures between 700 and 800 ° C, a chromium-based alloy for operating temperatures between 800 and 900 ° C or even a ceramic, such as a chromite from lanthanum for operating temperatures between 900 and 1000 o C.
  • the surface of the interconnection plate for example made of Fe26Cr, can be treated according to the following procedure : an aqueous solution of cations (in the form of nitrate for example) is deposited on the interconnection plate, so as to obtain, after drying, a layer of a few microns. The latter is then brought to high temperature in a reducing atmosphere or not.
  • the duration of the treatment can for example be 48 hours at 1000 ° C. under an atmosphere consisting of argon and hydrogen.
  • the cations used are chosen from the following family: La, Ti, Sr, Ca, Mg, Ba, Nb, Mo, Mn, Cu, Ce, Pr.
  • a pair of cations which particularly improve the desired properties consists of lanthanum and strontium.
  • the aforementioned layers and layer assemblies can be produced using the above materials dispersed in water and / or organic solvents, added with binders, wetting agents, etc. in the form of liquid, slip and / or paste.
  • the formation of one or more thin layers on a support layer, in particular an anode support layer can be obtained by printing techniques, for example by depositing a thin layer using rollers on a thicker layer beforehand. obtained by a strip casting process.
  • - fig. 1 is a schematic representation, in vertical section, of a first embodiment of PEN
  • - fig. 2 is a schematic representation, in vertical section, of a second embodiment of PEN
  • - fig. 3 is a schematic representation, in plan view, of a first embodiment of the rear face of an electrode
  • - fig. 4 is a schematic representation, in vertical section, along AA ', of the embodiment of FIG. 3;
  • - fig. 5 is a schematic representation, in vertical section, of a third embodiment of PEN
  • - fig. 6 is a schematic representation, in vertical section, of a fourth embodiment of PEN
  • - fig. 7 is a schematic representation, in vertical section, of a fifth embodiment of PEN
  • - fig. 8 is a photomicrograph of a rear face portion of anode according to the invention
  • - fig. 9 is a schematic representation, in plan view, of a second embodiment of a rear face of the electrode.
  • Fig. 1 illustrates a first embodiment. It shows from top to bottom:
  • a metal unstructured flat interconnection plate i can be of the order of 0.1 to 2 mm;
  • porous cathode layer, cpc structured, obtained by molding, having on its rear face protuberances in the form of studs of 0.2 to 1 mm in height, the top surfaces of which are in contact with the interconnection plate i ; the spaces between the studs form gas circulation channels;
  • an active layer of thin cathode cac can be of the order of 1 to 20 ⁇ m;
  • an electrolyte layer e can be of the order of 3 to 20 ⁇ m;
  • an active layer of caa anode can be of the order of 1 to 20 ⁇ m;
  • porous csal anode support layer structured, its thickness possibly being of the order of 0.1 to 0.5 mm, obtained by micromolding, having on its rear face protuberances in the form of studs of height of the order of 0.2 to 1 mm;
  • a thin ccal anode collector layer of the order of 5 to 20 ⁇ m, deposited on the anode support layer, covering the pads.
  • the top surfaces of these studs are in contact with a second interconnection plate i, identical to the upper plate, forming therewith gas circulation channels.
  • Fig. 2 shows a similar structure with respect to layers i, cpc, cac, e and caa.
  • the rear face of a csa2 porous anode support layer is planar and carries a cca2 anode collector layer structured, molded and bonded to the csa2 layer.
  • the anode collector layer presents CCA2 on its rear face a relief structure constituted by blocks whose apical surfaces come into contact with the plate 'interconnection i, forming therewith the gas flow channels.
  • the collecting layer cca2 participates in the support function.
  • Fig. 3 shows a schematic view of the rear face of an anode collecting layer, the structure of which can correspond as well to the ccal layer of FIG. 1 than at layer cca2 in fig. 2.
  • a plurality of studs 6 are distributed uniformly over the entire surface of the anode collecting layer. It is pierced with several holes.
  • the holes 1, located on the right in fig. 3, are surrounded by copings 3 of the same height as the studs 6.
  • the holes 2, located on the left part of the figure, are not surrounded. All the layers of a stack have the same holes, arranged so as to come exactly opposite one another in the stack, as illustrated in FIG. 4. When a gas is injected through one of the left holes in fig.
  • Fig. 9 shows a schematic view of the rear face of an anode collecting layer which differs from the embodiment illustrated in FIG. 3 by the absence of openings in the peripheral border 4.
  • the gas injected through the hole 7 at the top left of FIG. 6 is discharged through the hole 8 at the bottom right, or vice versa.
  • This embodiment does not require lateral tubes; it is therefore particularly cheap to manufacture.
  • Fig. 8 is a photomicrograph of a rear face portion of anode corresponding to the embodiment shown schematically in FIG. 9.
  • On the right-hand side there is a portion of the border, on the left a portion of the coping and, between the two, a plurality of studs of approximate dimensions lll mm, the top faces of which appear in a light shade, separated by circulation channels darker colored gas.
  • both the edge and the edge are made of the same ceramic material as the studs, that is to say in the material constituting the rear face of the electrode.
  • This embodiment has the advantage of great simplicity but is accompanied by a very slight lack of tightness, this material being porous.
  • a "belleville” type washer can be used alone or embedded in the electrode material which also constitutes the coping.
  • “Belleville” washers made of refractory steel sheets, for example Fe22Cr can be used with sheet thicknesses of the order of 5 to 200 ⁇ m, in particular 20 to 75 ⁇ m.
  • the inside and outside diameters of the washers are equal respectively to the inside and outside diameters of the copings.
  • a very thin metal sheet made of refractory steel or aluminum or aluminum-nickel, in the form of a compressed accordion tube, as a joint, alone or embedded in the electrode material of the coping.
  • the interfaces between the electrolyte and the electrodes are flat.
  • the same arrangement of the gas distributor channels can be achieved in embodiments where the interface between one electrolyte and the electrodes is structured, as illustrated in FIGS. 5 to 7.
  • Fig. 5 shows from bottom to top: a flat interconnection plate i; a structured cca anode collector layer, with a flat front face, but having on its rear face studs constituting gas circulation channels; a csa anode support layer, with a flat rear face, but comprising on its front face a relief structure having protuberances in the form of studs.
  • On this anode support layer is deposited a succession of thin layers, each of the order of a few microns, namely an active anode layer, an electrolyte layer, at least one active cathode layer and, optionally, a second porous cathode layer.
  • the thickness of all of these deposited layers being small compared to the dimensions, heights and thicknesses, of the studs arranged on the front face of the anode support layer, the deposited materials do not fill the spaces between the pads, and these spaces constitute gas circulation channels when a second flat interconnection plate is placed on top of the PEN.
  • Fig. 6 shows another embodiment of the PEN according to the invention. It differs from the embodiment illustrated in FIG. 5 by the fact that the anode support layer is formed of two half-layers each structured on one face and assembled by their smooth faces, by a method described below. On the rear face of the anode support layer thus produced can be deposited a thin anode collecting layer. On the front face of the csa are deposited the same layers as in the embodiment illustrated in fig. 5.
  • Fig. 7 shows an embodiment in which the anode support layer also has on its front face an anterior relief structure, on which are deposited the active anode layer, the electrolyte and the active cathode layer, consisting of layers thin by a few ⁇ m.
  • the porous cathode layer is thicker and present on its rear face, intended to come into contact with the interconnection plate i a relief structure made up of studs forming with this interconnection plate channels gas circulation.
  • the anterior relief structure of the front face of the anode support layer is independent of the relief structures in the form of studs on the rear faces of the anode and of the cathode which form the gas circulation channels.
  • the anterior relief structure of the front face of the anode support layer is only intended to increase the working surface, that is to say the surface of the electrolyte / electrode interface.
  • the geometry can therefore be different from the structures of the rear faces, in particular by the dimension of the elements in relief, which can be much smaller than that of the studs forming the gas channels.
  • the front face of the anode support layer can, in this case, receive a microstructuring by stamping.
  • Microstructuring can also be carried out by a micromolding process.
  • This process makes it possible, for example, to produce an electrolyte / electrode interface having a "chessboard" structure comprising "high” and “low” boxes, of width L, offset by a height H.
  • the ratio between developed surface and surface projected increases with the H / L ratio.
  • the ratio is approximately 3.
  • Example 1 manufacturing a mold for gas channels
  • a "master" mold is produced, representing in positive terms the gas distribution channels.
  • This master mold can be manufactured by micro-machining a metal part, for example by electroerosion. It can also be produced by a stereo-lithography process or by a UV LIGA process, these processes being known in the state of the art.
  • a liquid rubber RTV-ME 622, Wacker Silicone
  • the master mold is poured onto the master mold. After polymerization of the rubber, the latter is removed from the master mold. This gives a flexible and negative mold of the gas distribution channels.
  • the layer is made up of zirconia particles (8 YSZ) and nickel oxide particles (60 to 100% relative to the weight of the zirconia), with a diameter of between 0.2 and 1.5 ⁇ m.
  • the ceramic powders intended to constitute the anode support layer are dispersed in water using a dispersing polyelectrolyte (Duramax D3005, Rohm and Haas Company).
  • a bifunctional acrylate monomer (SR 610, Sartomer, USA) is added to the dispersion, in a proportion of 8 to 15% by weight relative to the ceramic powders.
  • a polymerization reaction initiating reagent is added, for example ammonium persulfate and tetramethylene diamine, each at 0.5% by weight relative to the mass of the acrylate monomer.
  • the process is the same as in Example 2.
  • the polymerization initiating reagent is diethylenetriamine, at 5% by weight relative to the monomer.
  • Example 4 Manufacture of a structured anode support layer, by gelation
  • Ceramic powders of Example 2 to which 20% by volume of Zr0 2 fibers 100 ⁇ m long and 10 ⁇ m in diameter are added, are dispersed in water using a dispersing polyelectrolyte (Duramax, D3005, Rohm and Haas).
  • Gelatin Gelatin Gelia, Stoess AG, Germany
  • Gelatin is added to the dispersion in an amount of 5 to 15% by weight relative to the mass of the water, which is heated to a temperature of 50 ° C. Once the gelatin has dissolved, the dispersion is poured into the rubber mold. The dispersion is degassed, then the rubber mold is deposited on the smooth face of a layer previously molded and sintered. Once the dispersion has cooled to room temperature and left to stand for 24 hours, it is frozen and the rubber mold can be removed. The relief structure is now in a solid state and linked to the underlying layer.
  • Example 5 Manufacture of a structured anode collector layer with catalytic properties
  • a ceramic powder of the Ni-8YSZ type at 45% by weight of Ni is doped with 10% by volume of CeO 2 particles carrying 5% of catalytic Ni.
  • the mixture is dispersed in water at using a polyelectrolyte dispersant (Duramax, D3005, Rohm and Haas).
  • Agarose LMP analytical grade agarose, Promega USA
  • Agarose is added to the dispersion (5 to 15% by weight relative to the mass of the water) which is heated. Once the agarose has dissolved, the dispersion is poured into the rubber mold. At this time, the dispersion is degassed, then the rubber mold is deposited on the anode support layer of a flat cell (PEN). Once the dispersion has cooled to room temperature, it is frozen and the rubber mold can be removed.
  • the gas distribution channels and current collectors are now in a solid state and attached (linked) to the cell (PEN).
  • Example 6 Manufacture of a structured anode collector layer with catalytic properties (variant)
  • Ceramic powders of Example 5 are dispersed in water using a polyelectrolyte type dispersant (Duramax, D3005, Rohm and Haas).
  • a gelatin of the cryogel type (Cryogel 220/240, PB Gelatins, Belgium) is added to the dispersion (5 to 15% by weight relative to the mass of the water) which is heated. Once the gelatin has dissolved, the dispersion is poured into the rubber mold. At this time, the dispersion is degassed, then the rubber mold is placed on the cell. Once the dispersion has cooled to room temperature and left to stand for 24 hours, it is frozen and the rubber mold can be removed.
  • the structured layer comprising the gas distributor channels and the current collecting elements is now in a solid state and attached (linked) to the cell (PEN).
  • EXAMPLE 7 Manufacture of a Porous Cathode Layer by Polymerization
  • the material used may be the LSM (La 0. 7 Sr 0. 3 MnO 3) or LSC having a particle size between 0.2 and 1.5 .mu.m.
  • Ceramic powders are mixed with a liquid epoxy monomer (Araldite DY-T, Vantico, Switzerland), at a rate of 0.3 to 1 g per gram of ceramic powder.
  • the hardening reagent (Aradur 21, Vantico, Switzerland) is introduced into the paste at a rate of 25% by weight of the mass of epoxy monomer, and the mixture is rehomogenized.
  • the dough is placed in the rubber mold and the latter, after degassing of the dough, is deposited on a flat and smooth substrate of silicone rubber. After crosslinking the epoxy, the relief structure obtained is detached from the rubber mold as well as from the silicone substrate. This relief structure is inserted during assembly of the stack, between the cathode and the metal interconnection plate.
  • Example 8 production of a relief structure with catalytic properties on an interconnection plate
  • Example 9 Making a Relief Structure Using a Temporary Mold
  • a bottomless mold consisting of a grid of polymer material, is placed on a smooth PEN, previously sintered.
  • a liquid or pasty dispersion of the same type as that of Examples 1 to 4 is deposited on this mold. The dispersion is infiltrated into the mold and pressed against the underlying layer using a roller.
  • the grid does not need to be removed after the relief structure has been formed, as it burns when the stack is put into service at high temperature for the first time.
  • Example 10 making a relief structure using a temporary mold (variant)
  • Example 9 The start of the procedure of Example 9 is followed, but before the gelation of the dough takes place, a metal interconnection plate is . placed on the temporary grid. After gelation, the interconnection plate and the PEN are bonded to each other by the gel. They form a stack element. The grid will be destroyed during high temperature operation.
  • Example 11 production of a structured electrolyte
  • a paste or a dispersion containing a mixture of nickel oxide powders (40% by weight) and zirconia powder (8 YSZ) is produced according to one of the procedures of Examples 1 to 4.
  • the rubber mold is filled with the dispersion over a height of 0.5 mm. Once the dispersion has solidified, it is removed from the mold and constitutes the anode support in the raw state.
  • a layer of paste composed of zirconia powder (8 YSZ, 0.05 ⁇ D50 ⁇ 1 ⁇ m), water, dispersant (Duramax D3005) and polymer (Natrosol HEC MR, Aqualon, France).
  • the thickness of the dough layer above the structure is 50 to 100 ⁇ m.
  • the residual layer of zirconia 8 YSZ follows the structure of the anode support and has a thickness of between 3 and 15 ⁇ m. It constitutes the electrolyte.
  • the anode support, covered with this thin layer of zirconia, is placed in an oven and sintered at a temperature of 400 ° C for four hours.
  • the thickness of the dough layer above the structure is 50 to 100 ⁇ m.
  • the LSM layer follows the structure of the electrolyte and has a residual thickness of between 3 and 15 ⁇ m. The whole is again sintered at 200 ° C for two hours.
  • Example 12 making an anode support structured on both sides
  • a PEN is produced from an anipulable assembly, consisting of an active cathode layer, an electrolyte layer, an active anode layer and an anode support layer, all these layers being planar. and smooth.
  • the assembly is in the form of a disc 120 mm in diameter, pierced with holes for the supply and evacuation of gas.
  • An anode collector layer is added on the anode side, according to the procedure of Example 4.
  • a porous cathode layer is added on the cathode side according to the procedure of Example 7.
  • Example 14 making a stack
  • a structured anode support is produced on both sides, the front face being microstructured, carrying an electrolyte layer and an active cathode layer, according to the procedure of Example 12.
  • a layer is added over the active cathode layer.
  • porous cathode according to the procedure of Example 7.
  • An anode collecting layer is deposited on the rear face of the anode support by spray painting and drying. The stacking is then carried out as in Example 13.

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Abstract

Un PEN de SOFC présente sur les faces arrières des électrodes destinées a venir au contact d'une plaque d'interconnexion plane une structure en relief choisie de telle sorte à former avec cette plaque des canaux de circulation de gaz. PEN et plaques d'interconnexion peuvent être percés de façon a créer des tubulures internes d'admission et d'évacuation des gaz. L'interface électrolyte/électrodes peut également présenter une structure en relief augmentant le rapport surface développe/surface projetée.

Description

PEN de SOFC
La présente invention concerne le domaine des piles à combustible à oxydes solides couramment appelées SOFC (Solid Oxyde Fuel Cell) .
Une pile à combustible possède une anode et une cathode, séparées par un électrolyte transportant les ions mais ne conduisant pas les électrons. L'ensemble cathode - électrolyte - anode est couramment appelé PEN (Positive - Electrolyte - Négative) . L' électrolyte est constitué d'un oxyde de métal, sous forme solide, non poreuse, par exemple une zircone, capable de transporter des anions oxygène. L'anode, poreuse, est le lieu d'une réaction d'oxydation d'un carburant gazeux, généralement de l'hydrogène, ou encore d'un carburant organique (méthanol, fuel léger, gaz naturel) dont on extrait l'hydrogène par reformage. A la cathode, poreuse, se produit une réaction de réduction de l'oxygène de l'air. La réaction est continue grâce à l'apport constant des gaz carburants et comburants, produit deux électrons par molécule d'hydrogène et délivre un potentiel de l'ordre de 0,6 à 1,2 V, ainsi que de la chaleur.- Il est nécessaire d'associer plusieurs SOFC en série afin d'obtenir une tension de sortie plus élevée. Dans le concept SOFC planaire, on forme un empilement - couramment appelé "stack" - dont chaque unité comprend une ou plusieurs plaque (s) de céramique (s) et/ou de métal de quelques dixièmes de millimètres à quelques millimètres d'épaisseur, intégrant l'ensemble des composants électrochimiquement actifs du PEN et une plaque d'interconnexion parfois appelée plaque dipolaire.
L'invention concerne en particulier un PEN de SOFC avec une cathode, ladite cathode comprenant une couche poreuse de cathode et une couche active de cathode, avec une anode, ladite anode comprenant une couche active d'anode et une couche support anode poreuse, ladite couche support anode constituant le support mécanique du PEN, et avec au moins une couche non poreuse d' électrolyte, ladite couche d' électrolyte étant placée entre lesdites couches actives d'anode et de cathode.
Le document "Status of the Sulzer Hexis solid oxide fuel cell (SOFC) System development" , R. Diethelm et al., Third European Solid Oxide Fuel Cell Forum, P. Stevensed. , Nantes, juin 1998, p. 87-93, décrit une SOFC développée par la société Sulzer Hexis (CH) . L'apport des gaz carburants et comburants aux électrodes est assuré par une plaque d'interconnexion constituée d'un disque en alliage métallique riche en chrome (94 % Cr, 5 % Fe, 1 % Y203) , percé d'un trou central et structuré par usinage sur ses deux faces, celles-ci présentant alternativement des ouvertures vers l'extérieur et vers le trou central. Dans un empilement de ce type, le combustible circule dans le tube central puis est diffusé vers la face anodique de chaque cellule grâce aux ouvertures laissées par la structure de la plaque d'interconnexion. Le combustible ne peut pas pénétrer du côté cathodique, car la plaque d'interconnexion recouvre sur une largeur de quelques millimètres tout le bord intérieur de la cathode. L'air est injecté par l'extérieur par des trous percés dans les plaques d'interconnexion et alignés verticalement, ce qui permet d'amener l'air par des profils en "U" plaqués contre l'empilement. L'air traverse une cavité intérieure de la plaque d'interconnexion, ce qui permet de le chauffer au moyen de la chaleur dégagée par les cellules. Puis, l'air passe sur la face structurée de la plaque d'interconnexion faisant face à la cathode. Sur le côté cathodique de la plaque d'interconnexion, une fine couche de céramique est déposée par VPS (Vacuum Plasma Spraying) afin d'éviter 1 ' évaporation du chrome sous forme de Cr03. Le diamètre extérieur des plaques d'interconnexion des PEN est d'environ 120 mm et celui du trou intérieur de 22 mm. Un empilement compte environ 70 cellules et mesure environ 50 cm de hauteur; la puissance électrique produite est de 1 k sous 40 V. Les plaques d'interconnexion de ce type d'empilement sont complexes à réaliser et d'un coût élevé. La puissance et la tension électrique délivrées par ce dispositif sont fonction respectivement de la surface et du nombre de cellules, donc de la surface et du nombre de plaques d'interconnexion, dont le coût constitue un obstacle à la rentabilisation de l'énergie électrique produite par ce type de dispositif.
Les documents JP 04 169071 et JP 04 079163 décrivent un dispositif d'interconnexion agençable entre deux PEN, qui diffère de celui de la cellule Sulzer par le fait qu'il est réalisé en trois parties : une plaque centrale plane porte de chaque côté une couche réalisée en matériaux d'électrode, dans laquelle sont ménagés des canaux pour la circulation des gaz. La résistance électrique additionnelle due au contact entre cette couche et l'électrode proprement dite qui lui fait face est importante, bien qu'elle puisse être réduite grâce à une interface supplémentaire en matériau conducteur.
Le document JP 03 134964 décrit également un dispositif d'interconnexion constitué de trois couches de céramique, dont l'une porte des canaux pour la circulation de gaz. Le PEN est par ailleurs porté par une plaque-substrat , cannelée du côté opposé au PEN pour la circulation de 1 ' autre gaz .
Le brevet US 5,256,499 (Allied Signal Aerospace) décrit un stack de SOFC, constitué d'un empilement de plaques en céramiques percées de plusieurs trous, agencés près des bords des plaques; l'agencement des trous en regard les uns des autres constitue des tubulures latérales d'amenée et d'évacuation des gaz carburants et comburants, les éléments actifs des PEN étant disposés dans la partie centrale. Chaque cellule est constituée d'une plaque formant 1 ' électrolyte, entourée de part et d'autre d'au moins une plaque formant respectivement l'anode et la cathode, ainsi que de deux plaques percées de trous aux dimensions de l'anode et de la cathode, de même épaisseur que ces deux électrodes, entourant celles-ci de façon à former un tronçon de tubulures. Ce PEN est pris en sandwich entre deux plaques d'interconnexion planes. Chaque électrode est elle-même formée soit d'une plaque portant des cannelures ou des plots, soit de l'assemblage d'une plaque plane et d'une plaque ondulée. Les plaques d'interconnexion de ce dispositif sont plus simples et moins onéreuses que les plaques du dispositif de Sulzer, cité plus haut, mais chaque cellule nécessite deux éléments supplémentaires entourant les électrodes pour constituer les tubulures. Ces éléments, presque totalement évidés, sont fragiles et l'étanchéité entre les électrodes et ces éléments est difficile à réaliser. La structure formant les canaux est frittée sur 1 ' électrolyte, ce qui ne permet pas de compenser les défauts de planéité de la cellule. Par ailleurs, dans ce dispositif, la plaque constituant 1 ' électrolyte forme le support mécanique du PEN. Elle doit donc être relativement épaisse et présente par conséquent une résistance ohmique relativement importante. Or, pour augmenter l'efficacité d'une SOFC, il convient d'abaisser au maximum la résistance ohmique en employant un électrolyte peu épais, ce qui n'est pas possible avec des structures dont 1 ' électrolyte constitue le support . Pour diminuer la résistance ohmique d'une SOFC, le document WO 00/69008 propose d'utiliser une anode poreuse relativement épaisse en tant que support mécanique du PEN et de déposer un électrolyte en couche fine (10 à 40 μm) ainsi qu'une contre- électrode relativement fine sur ce support anode. Toutefois, ce PEN a besoin de plaques d'interconnexion de structure complexe comportant les tubulures d'amenée et d'évacuation des gaz, donc assez épaisse, pour constituer un stack. Cette structure est donc désavantageuse, du fait de son épaisseur et du coût des plaques d'interconnexion.
La demande de brevet WO 01/67534 décrit une anode constituée d'une multitude de colonnettes discrètes de céramique, entre lesquelles peut circuler un gaz, disposées entre un électrolyte en couche fine et une plaque d'interconnexion métallique également fine. Côté cathode, 1 ' électrolyte est également séparé de la plaque d'interconnexion par une structure formée d'une multitude de colonnettes discrètes permettant le passage de gaz entre elles. Les structures constituées des colonnettes sont réalisées par estampage des colonnettes individuelles dans une bande de céramique crue et fixation de ces colonnettes sur une feuille de papier, qui permet leur manipulation. La feuille brûle et disparaît lors de la première mise en service du stack après assemblage. Ce dispositif permet d'utiliser des plaques d'interconnexion planes, donc bon marché. Toutefois, la réalisation de la structure de colonnettes est complexe, et la manipulation des composantes de la cellule lors de l'assemblage est délicate. Enfin, elle nécessite un système supplémentaire étanche d'amenée et d'évacuation des gaz.
Le document JP 08 078040 décrit également un système de colonnettes discrètes de céramique, collées de part et d'autre d'un PEN plan, assurant la liaison électrique avec les plaques d'interconnexion et permettant le passage des gaz. Ce dispositif présente les avantages et inconvénients indiqués ci-dessus à propos du document WO 01/67534.
Le document JP 06 068885 décrit également un système de colonnettes, dans un agencement similaire à celui du document précédent. Les plaques d' électrolyte et les plaques d'interconnexion constituent les supports mécaniques de ce système, les électrodes étant des électrodes très fines, imprimées sur chaque face de la plaque d' électrolyte, qui doit donc, quant à elle, être épaisse, ce qui augmente la résistance ohmique.
La demande de brevet WO 01/41239 décrit également un système de canaux, formé par une multitude de colonnettes discrètes permettant le passage de gaz entre elles. Les structures formées des colonnettes peuvent être réalisées en déposant localement, sur une épaisseur de 0,05 à 0,4 mm, des matériaux constitutifs des électrodes sur les deux faces d'une plaque d'interconnexion plane, par une technique d'impression. Les colonnettes constituent ainsi les électrodes. La plaque d'interconnexion et la plaque d' électrolyte présentent chacune au moins une paire de trous dans leurs zones centrales, chacun des trous étant entouré alternativement, sur chaque face de la plaque d'interconnexion, par un joint d' étanchéité . Les trous de la plaque d'interconnexion et de la plaque d' électrolyte viennent en alignement pour l'alimentation en gaz, ceux-ci s ' écoulant radialement vers les bords des plaques entre les colonnettes. La réalisation de la plaque d'interconnexion portant les colonnettes-électrodes est bon marché. Mais la manipulation de la plaque d' électrolyte (0,2 à 0,4 mm d'épaisseur) lors de l'empilement est délicate. Dans ce système, tout comme dans celui décrit dans WO 01/67534, la surface des électrodes est la surface frontale totale des colonnettes, soit seulement une fraction de la surface des plaques. La résistance ohmique du PEN est donc supérieure à celle d'un PEN de même composition dont les électrodes seraient en contact avec toute la surface de 1 ' électrolyte .
Le document WO 01/41239 propose également de réaliser les systèmes de canaux en les creusant, mécaniquement ou chimiquement, dans les surfaces de la plaque d'interconnexion ou des électrodes. Cette variante est onéreuse à réaliser, comme dans le cas des plaques d'interconnexion Sulzer décrites ci-dessus .
Le but de la présente invention est de proposer un PEN de SOFC permettant de réaliser un empilement ne présentant pas les défauts des dispositifs de l'art antérieur. L'invention vise en particulier la réalisation d'empilements pouvant utiliser pour 1 ' interconnexion __des SOFC de simples plaques métalliques fines et bon marché. Elle vise simultanément à réaliser des SOFC dont la résistance ohmique est la plus faible possible. Elle vise également à limiter l'encombrement en épaisseur d'une SOFC. Elle vise également à augmenter la puissance électrique disponible par unité de surface. Elle vise enfin à réaliser un PEN et son système d'interconnexion dont la fabrication soit aisée et qui soit facile à manipuler lors de la construction du stack.
Ces buts sont atteints grâce à un PEN du type défini d'entrée, dans lequel l'anode comporte une couche collectrice d'anode, recouvrant la face arrière de la couche support anode, c'est-à-dire du côté opposé à la couche active d'anode, et dans lequel la couche collectrice d'anode présente, sur sa propre face arrière, destinée à venir au contact d'une plaque d'interconnexion, une structure en relief choisie de telle sorte à pouvoir former avec une plaque plane des canaux de circulation de gaz.
Par commodité de langage, on appellera dans la suite de cet exposé face "avant", respectivement structure "antérieure", d'une couche d'électrode d'un PEN sa face, respectivement une structure, orientée vers 1 ' électrolyte, et face "arrière" sa face opposée, donc orientée vers une plaque d ' interconnexion .
Un PEN selon l'invention permet donc l'utilisation d'une plaque d'interconnexion constituée d'une simple plaque plane et lisse du côté anode. Par ailleurs, le support mécanique du PEN étant constitué de la couche support anode, lors de l'assemblage de 1 ' électrolyte entre les deux électrodes, on peut réduire cet électrolyte à une couche mince de quelques μm, de faible résistance ohmique.
De préférence, la cathode présente également sur sa face arrière, destinée à venir au contact d'une plaque d'interconnexion, une structure en relief choisie de telle sorte à former avec ladite plaque d'interconnexion des canaux de circulation de gaz. En particulier, les structures en relief de l'anode et de la cathode peuvent comprendre chacune une pluralité de plots proéminents, espacés les uns des autres, les surfaces sommitales des plots de l'anode étant sensiblement coplanaires et parallèles aux surfaces sommitales des plots de la cathode, également sensiblement coplanaires entre elles. Ces structures peuvent comprendre également des bordures d'étanchéité de même épaisseur que la hauteur des plots sur le pourtour des faces arrières des électrodes. L'ensemble de la structure du PEN s'inscrit donc entre deux plans parallèles. Pour créer un stack, il suffit d'empiler en alternance des PEN de ce type et de simples plaques métalliques planes.
L'amenée des gaz peut être réalisée avantageusement au moyen d'au moins un premier trou et d'au moins un deuxième trou traversant le PEN axialement, c'est-à-dire selon l'axe de l'empilement, la structure en relief de la face arrière de l'anode comprenant au moins une première margelle entourant ledit premier trou, la structure en relief de la face arrière de la cathode comprenant au moins une deuxième margelle entourant ledit deuxième trou, ledit premier trou n'étant pas entouré par une dite deuxième margelle et ledit deuxième trou n'étant pas entouré par une dite première margelle.
Les margelles remplissent la fonction de joints et assurent une quasi-étanchéité . Dans l'empilement, les trous en regard les uns des autres constituent une tubulure parallèle à l'axe du stack et la présence, respectivement l'absence, d'une margelle autour de chaque trou conditionne la diffusion de l'un des gaz exclusivement sur la face arrière de la cathode et de l'autre gaz exclusivement sur la face arrière de 1 ' anode .
Selon un mode d'exécution, les structures en relief de face arrière respectives de la cathode et de l'anode comprennent chacune une bordure entourant chaque face arrière, capable de former chacune, en coopérant avec une plaque d'interconnexion, une enceinte étanche, sauf sur une portion ajourée de ladite bordure. Les deux portions ajourées, vues dans le sens de l'axe d'empilement de la SOFC, n'ont aucune zone de recouvrement. Ces zones ajourées communiquent avec des tubulures latérales d'amenée ou d'évacuation de gaz.
Selon un autre mode d'exécution préféré, les structures en relief des faces arrières des deux électrodes sont entièrement entourées d'une bordure étanche et les plaques constituant l'empilement présentent au moins deux trous de circulation pour chaque gaz, à savoir un trou d'entrée et un trou de sortie, soit au total au moins quatre trous. Ceux-ci forment un ensemble de tubulures interne à l'empilement de cellules, ce qui supprime la nécessité de tubulures latérales d'évacuation et abaisse le coût de fabrication.
Avantageusement, la face avant de l'anode, du côté de 1 ' électrolyte, formant contact avec cet électrolyte, présente également une structure en relief. Une telle face avant présente une surface développée supérieure à la surface en projection suivant l'axe d'empilement. La surface réactive est donc considérablement augmentée^, sans augmentation sensible de l'encombrement de l'ensemble du dispositif.
Selon un mode d'exécution préféré, la couche support anode présente sur sa face avant une structure en relief. La couche active d'anode, 1 ' électrolyte et l'ensemble de la cathode peuvent consister en des couches minces, revêtant ladite structure en relief de la face avant de la couche support anode, et cette structure en relief est choisie de telle sorte que la face arrière de la cathode puisse former des canaux de circulation de gaz avec une plaque d'interconnexion plane venant à son contact .
Dans ce mode d'exécution, la structure en relief de la face avant de l'anode a donc une double fonction : d'une part elle augmente la surface réactive du PEN, et d'autre part le relief de cette surface, n'étant pas ou seulement peu atténué par les couches minces qui recouvrent la couche support anode, génère la forme des canaux de circulation de gaz du côté cathode. Dans ce mode d'exécution, la structure de la face avant de la couche support anode peut être obtenue par un procédé de moulage, alors que les couches minces de 1 ' électrolyte et de la cathode peuvent être obtenues par un procédé de dépôt. Cette structure en relief de la face avant de l'anode peut en particulier être constituée d'une pluralité de plots de hauteur comprise entre 0,2 et 2 mm, la distance entre les flancs de plots voisins étant comprise entre 0,1 et 2 mm.
Selon un autre mode d'exécution d'un PEN dont la couche support anode présente sur sa face avant une structure antérieure en relief, la couche active d'anode, 1 ' électrolyte et la couche active de cathode consistent en des couches minces. La couche poreuse de cathode qui les recouvre et qui égalise totalement ou partiellement le relief derrière la couche active de cathode, présente sur sa face arrière, destinée à venir au contact d'une plaque d'interconnexion, une deuxième structure en relief choisie de telle sorte à former avec ladite plaque d'interconnexion des canaux de circulation de gaz. Dans ce mode d'exécution, la structure antérieure en relief de la face avant de la couche support anode et la structure en relief de la face arrière de la couche poreuse de cathode peuvent être choisies avec des configurations différentes, le relief de la structure de la face arrière de la cathode devant être suffisant pour former des canaux de circulation de gaz, alors que la face avant de l'anode peut ne présenter qu'une microstructuration destinée à augmenter sa surface réactive. Cette structure antérieure en relief de la face avant de la couche support anode peut être obtenue par estampage, par micromoulage, en particulier un procédé de micromoulage utilisant la gélification, ou "gel casting" , du matériau cru. La hauteur des éléments en relief constituant la structure en relief peut être de 0,1 à 2 mm. La distance entre éléments voisins peut être comprise entre 50 μm et 2 mm. Le rapport entre hauteur et épaisseur de ces éléments peut être compris entre 1 et 4.
Pour obtenir une anode présentant d'une part une première structure en relief sur sa face arrière et d'autre part une structure antérieure en relief sur sa face avant, on peut assembler deux couches, présentant chacune une face lisse et une face structurée, par leurs faces lisses. L'assemblage peut être réalisé lorsque les deux couches sont à l'état cru. La couche formant les canaux de distribution de gaz et la collection de courant peut être déposée sur la couche support anode réalisée au préalable par frittage.
On peut assembler ainsi une- couche support anode avec une couche collectrice d'anode. On peut également assembler deux demi-couches, dont l'assemblage constitue la couche support anode .
Une couche support anode structurée sur ses deux faces peut également être réalisée par moulage direct, par exemple par moulage par injection.
Une propriété commune recherchée pour les matériaux d'une pile SOFC est leur aptitude à ne pas se modifier au cours du temps, à la température de fonctionnement de la pile (700 - l'000°C) dans leurs environnements, oxydant ou réducteur, respectifs . Les matériaux utilisés pour constituer la cathode, notamment la couche poreuse de cathode, comportent souvent une structure pérovskite, telles les manganates de lanthane dopés au strontium (LSM) . Des compositions telles que les cobaltates ou ferrocobaltates de lanthane présentent une plus grande activité que les LSM mais sont susceptibles de réagir avec un électrolyte de zircone.
Entre la couche poreuse de cathode et 1 ' électrolyte peut être agencée une couche active mince (2 à 5 μm) et dense (> 80 %) constituée par exemple d'un mélange de Ce02 ou de zircone avec un LSM. Ce choix de matériau permet de créer sur 1 'électrolyte une couche mince d'un matériau qui est conducteur mixte, ionique et électronique.
L' électrolyte est un matériau dense présentant une conductivité ionique élevée, mais une conductivité électronique nulle ou très faible. Le matériau le plus couramment utilisé est la zircone stabilisée, par exemple avec 8 % molaire de Y203 (8 YSZ) , ou partiellement stabilisée, par exemple avec 3 % molaire de Y203 (3 YSZ) .
Des composites de nickel et de zircone, communément appelés "cermets", sont des matériaux préférés pour constituer une anode de SOFC. A titre d'exemple, on peut utiliser un "cermet" Ni-8 YSZ avec 35 à 45 % en poids de phase métallique nickel.
Dans la couche d'anode électrochimiquement active (0,5 à 5 μm) , au contact de 1 ' électrolyte, on peut chercher à diminuer la densité de courant dans la phase métallique et augmenter le nombre de particules de la phase métallique appartenant au réseau électriquement percolant, et ainsi augmenter l'activité de l'électrode, en remplaçant une partie de la phase céramique conductrice ionique, c'est-à-dire 8 YSZ, par une céramique conductrice électronique qui ne se réduit pas en métal dans une atmosphère d'hydrogène à la température de fonctionnement de la cellule, c'est-à-dire à environ 800°C. A titre d'exemple d'une telle céramique conductrice, on peut citer Ce02 dopée avec U203 (1 à 10 %) ou Nb205 (1 à 10 %) ou avec 10 à 40 % molaire de Gd ou de Y ou encore U203 dopée avec Y203 (1 à 10 %) ou Ti02 dopée avec Nb ou Ta (1 à 10 %) .
La couche support anode est poreuse et constituée d'un matériau conducteur électronique. Pour augmenter sa stabilité, on peut chercher à réduire la proportion de la phase électroniquement conductrice, par exemple Ni, par rapport à la phase céramique, par exemple la zircone. Pour conserver une conductivité électronique suffisante, il est alors nécessaire d'organiser la distribution spatiale de la phase électroniquement conductrice :
- La phase électroniquement, conductrice peut être répartie autour de particules de la phase céramique de diamètre moyen trois à dix fois plus grand que l'épaisseur moyenne de la pellicule formée par la phase électroniquement conductrice. Cette structure peut êt e obtenue par atomisâtion d'une dispersion de particules fines de zircone, par exemple 0,1 < D50 < 0,3 μm, en particules de taille plus importante, par exemple 15 < D50 < 30 μm et mélange de ces particules à une dispersion de particules fines, par exemple 0,1 < D50 < 0,3 μm de la phase conductrice.
- On peut également agencer préférentiellement la phase électroniquement conductrice sur les parois de pores formées dans la structure. Pour cela, la phase électroniquement conductrice, telle que Ni ou NiO, est au préalable déposée, par exemple par dépôt electroless ou précipitation d'un sel, sur la surface de particules relativement importantes, par exemple 5 < D50 < 30 μm, d'une substance pyrolisable entre 250 et 400°C, telles que des particules de cellulose, de carbone ou d'amidon qui, après pyrolyse, laissent subsister des pores dans la structure de la couche support anode.
- On peut encore fabriquer, dans une première étape, des particules de taille 2 < D50 < 50 μm et de densité inférieure ou égale à 2 g/cm3, contenant du nickel ou tout autre métal de transition (Fe, Co par exemple) sous forme d'oxyde ou d'un sel (oxalate ou carbonate par exemple) et, optionnellement , de la zircone et une phase organique. Elles peuvent être obtenues par exemple par atomisation d'une dispersion de particules fines des matériaux cités ci-avant. Ces particules sont ensuite additionnées à raison d'environ 35 % en volume à des particules de zircone. Ce mélange sert de base pour l'obtention du support anode. Lors du frittage de ce dernier, une porosité est créée à l'intérieur des particules contenant le nickel. Celle-ci permet au nickel de se réoxyder sans détruire la structure du support anode.
L'anode peut aussi comporter, du côté de la plaque d'interconnexion, une couche collectrice fine (1 à 10 μm) ou structurée, enrichie en matériau conducteur électronique, par exemple en nickel . Cette couche permet de réduire les pertes ohmiques de collection de courant.
Les couches constitutives de l'anode, tout comme les couches constitutives de la cathode, et notamment la couche support anode, la couche collectrice anode et la couche poreuse de cathode, peuvent incorporer des fibres. L'emploi d'un matériau composite incorporant des fibres présente de nombreux avantages :
- amélioration de la stabilité dimensionnelle depuis la fabrication jusqu'à l'utilisation, c'est-à-dire de la forme crue à la structure à température opérationnelle et jusqu'à la forme frittée;
- amélioration de la stabilité redox, grâce au choix des matériaux constitutifs des fibres;
- ajustement des coefficients d'expansion thermique des différentes couches, en particulier amélioration de la compatibilité du coefficient d'expansion thermique du support anode avec ceux des autres couches .
On choisira utilement des fibres dont le diamètre est compris entre 1 et 50 μm et dont le rapport longueur/diamètre L/d est compris entre 2 et 30. De préférence, le diamètre sera compris entre 2 et 30 μm et le rapport L/d entre 5 et 25. Des fibres de diamètre 5 à 15 μm et de rapport L/d entre 8 et 20 sont particulièrement préférées.
Pour la cathode, en particulier la couche poreuse de cathode, on peut utiliser des fibres céramiques avec ou sans conductivité électronique. On peut utiliser des fibres de matériaux de type LSM, par exemple Lao.7Sr0.3Mn03, ou de type LSC, en particulier La0.7Sr0.3MnO3.
Pour la réalisation de l'anode, en particulier la couche collectrice, on peut ajouter de 5 à 60 % en volume, de préférence, 20 à 40 % en volume, et de manière particulièrement préférée 25 à 35 % en volume, de fibres céramiques ou métalliques par rapport au volume total. Le matériau des fibres peut être choisi parmi Zr0 / Al203, MgO, Ni ou parmi les céramiques conductrices sous H2/H20 telles que Ti02, Ti02+5%Nb02/5, Ce02+l%Nb02,5, Nb2Ti07, Nb205, SrTi03, Fe304.
Enfin, en variante, on peut incorporer au matériau de l'anode, à la place ou en sus des fibres, des particules des matériaux céramiques indiqués ci-dessus, de diamètres compris entre 0,1 et 50 μm, et de préférence 0,3 à 30 μm. Sont particulièrement préférées des particules de diamètres entre 0,5 et 5 μm.
Selon un mode d'exécution préféré de l'invention, les matériaux de l'anode, c'est-à-dire de la couche support anode et/ou en particulier de la couche collectrice d'anode, peuvent incorporer un ou plusieurs catalyseurs, dans le but d'un reformage d'un combustible à base de carbone, de permettre une oxydation directe d'un gaz combustible à base de carbone, par exemple CH4, partiellement reformé ou non, et/ou d'améliorer la tolérance de la SOFC à la présence de souffre contenu dans le combustible. Une partie de l'anode, qui est une structure poreuse, devient ainsi un élément de reformage interne, sans augmenter la hauteur du stack. Ceci serait impossible avec une plaque d'interconnexion structurée de façon à réaliser des canaux de circulation, réalisée en acier dense.
En tant que catalyseur, on peut employer Ni ou un alliage NiCu sur un support céramique, tel qu'une zircone, de l'alumine, de la magnésie ou de la cérine. Dans le cas d'un catalyseur au nickel, le nickel représente 1 à 25 % en poids des particules, de préférence 1 à 10 %, et plus particulièrement 1,2 à 5 %. Dans le cas d'un catalyseur au NiCu, la teneur de cuivre est de 5 à 50 %, en particulier 10 à 30 %, et plus particulièrement 15 à 25 % de la phase métallique. Dans le cas d'un catalyseur utilisant la magnésie MgO comme support, celle-ci peut être mélangée à un autre oxyde, pour améliorer son pouvoir catalytique ainsi que le coefficient d'expansion thermique et la conductivité de la couche d ' anode .
En vue de réaliser l'oxydation directe d'un combustible à base de carbone, par exemple CH4, non réformé ou déjà partiellement réformé, on peut ajouter en mélange les catalyseurs suivants : NiCu et chromites, la teneur en chromites pouvant varier de 0 à 100 % de ce mélange. La composition optimale des chromites est Laι-x(Ca, Sr) xCrι_yNiy03- avec x=0-0,15 et y=0-0,5. Le mélange peut également comprendre un autre oxyde conducteur, par exemple des titanates ou des niobates ayant des conductivités de l'ordre de 300 S/cm.
Pour améliorer la tolérance au souffre, on peut ajouter aux catalyseurs de la cérine, Ce02, dans la proportion de 5 à 100 % en poids par rapport aux catalyseurs à base de Ni, de préférence 10 à 50 %, et en particulier de 15 à 25 % en poids. La présence de Cu à l'anode améliore également la tolérance au souffre .
Ce catalyseur, ou mélange catalytique, est mélangé aux matériaux constitutifs de l'anode typiquement à raison de 5 à 15 % en volume, en restant en dessous du seuil de percolation, pour ne pas perturber la collecte de courant .
La plaque d'interconnexion intercalée entre deux PEN peut être constituée d'un alliage ferritique pour des températures de fonctionnement entre 700 et 800°C, par un alliage à base de chrome pour des températures de fonctionnement entre 800 et 900°C ou encore par une céramique, telle qu'une chromite de lanthane pour des températures de fonctionnement entre 900 et l'000oC.
Afin d'améliorer la conductivité électrique à long terme de la plaque d'interconnexion et de l'interface cathode/plaque d'interconnexion, la surface de la plaque d'interconnexion, par exemple constituée de Fe26Cr, peut être traitée selon la procédure suivante : une solution aqueuse de cations (sous la forme de nitrate par exemple) est déposée sur la plaque d'interconnexion, de manière à obtenir après séchage une couche de quelques microns. Cette dernière est ensuite portée à haute température dans une atmosphère réductrice ou non. La durée du traitement peut par exemple être de 48 heures à 1000°C sous une atmosphère constituée d'argon et d'hydrogène. Les cations utilisés sont choisis dans la famille suivante : La, Ti, Sr, Ca, Mg, Ba, Nb, Mo, Mn, Cu, Ce, Pr. Un couple de cations améliorant particulièrement les propriétés recherchées est constitué par le lanthane et le strontium.
Les couches et assemblages de couches précités peuvent être réalisés en mettant en œuvre les matériaux ci-dessus dispersés dans de l'eau et/ou des solvants organiques, additionnés de liants, d'agents mouillants, etc. sous forme de liquide, de barbotine et/ou de pâte. Parmi les techniques de mise en œuvre, on peut citer le laminage, l'extrusion, le coulage en bandes, en particulier le co-coulage, ou encore le moulage avec ou sans gélification de la pâte ou suspension. La formation d'une ou plusieurs couches minces sur une couche support, en particulier une couche support anode, peut être obtenue par des techniques d'impression, par exemple en déposant une couche mince à l'aide de rouleaux sur une couche plus épaisse préalablement obtenue par un procédé de coulage en bandes. Ces techniques en tant que telles sont connues de l'homme du métier et sont décrites plus particulièrement, par exemple par Raphaël Ihringer et al., "Solid Oxide Fuel cells V", U. Stimming, S.C. Singhal, H. Tagawa and W. Lehnert, Editors, PV 97-40, p. 340-347, The Electrochemical Society Proceedings Séries, Pennington, NJ (1997) , ou par Mark A. Janney et al., J. Am. Ceram. Soc, 81 (3) 581-91 (1998), ou encore dans la thèse no 2 '307 soutenue en 2001 à l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne. Elles sont également illustrées par les exemples ci-après.
D'autres particularités de l'invention apparaîtront à l'homme du métier à la lumière de la description détaillée des modes d'exécution et des exemples de réalisation ci-dessous, en relation avec les dessins, dans lesquels :
- la fig. 1 est une représentation schématique, en coupe verticale, d'un premier mode d'exécution de PEN;
- la fig. 2 est une représentation schématique, en coupe verticale, d'un deuxième mode d'exécution de PEN;
- la fig. 3 est une représentation schématique, en vue plane, d'un, premier mode d'exécution de la face arrière d'une électrode;
- la fig. 4 est une représentation schématique, en coupe verticale, selon AA' , du mode d'exécution de la fig. 3;
- la fig. 5 est une représentation schématique, en coupe verticale, d'un troisième mode d'exécution de PEN;
- la fig. 6 est une représentation schématique, en coupe verticale, d'un quatrième mode d'exécution de PEN;
- la fig. 7 est une représentation schématique, en coupe verticale, d'un cinquième mode d'exécution de PEN;
- la fig. 8 est une microphotographie d'une portion de face arrière d'anode selon l'invention; - la fig. 9 est une représentation schématique, en vue plane, d'un deuxième mode d'exécution d'une face arrière d' électrode .
Dans ces figures, les couches de fonctions et de natures identiques ou similaires sont désignées par les mêmes numéros de référence et/ou les mêmes abréviations. Les épaisseurs des couches ne sont pas représentées à l'échelle.
La fig. 1 illustre un premier mode d'exécution. Elle montre de haut en bas :
- une plaque d'interconnexion plane non structurée métallique i; son épaisseur peut être de l'ordre de 0,1 à 2 mm;
- une couche poreuse de cathode, cpc, structurée, obtenue par moulage, présentant sur sa face arrière des excroissances sous forme de plots de 0,2 à 1 mm de hauteur, dont les surfaces sommitales sont en contact avec la plaque d'interconnexion i; les espaces entre les plots forment des canaux de circulation de gaz;
- une couche active de cathode mince cac; son épaisseur peut être de l'ordre de 1 à 20 μm;
- une couche d' électrolyte e; son épaisseur peut être de l'ordre de 3 à 20 μm;
- une couche active d'anode caa; son épaisseur peut être de l'ordre de 1 à 20 μm;
- une couche support anode csal poreuse, structurée, son épaisseur pouvant être de l'ordre de 0,1 à 0,5 mm, obtenue par micromoulage, présentant sur sa face arrière des excroissances sous forme de plots de hauteur de l'ordre de 0,2 à 1 mm;
- une couche collectrice d'anode ccal mince, de l'ordre de 5 à 20 μm, déposée sur la couche support anode, recouvrant les plots. Les surfaces sommitales de ces plots sont en contact avec une deuxième plaque d'interconnexion i, identique à la plaque supérieure, formant avec celle-ci des canaux de circulation de gaz.
La fig. 2 montre une structure similaire en ce qui concerne les couches i, cpc, cac, e et caa. Dans ce deuxième mode d'exécution, la face arrière d'une couche support anode poreuse csa2 est plane et porte une couche collectrice d'anode cca2 structurée, moulée et collée à la couche csa2. La couche collectrice d'anode cca2 présente sur sa face arrière une structure en relief constituée de plots dont les surfaces sommitales viennent au contact de la plaque 'd'interconnexion i, formant avec celle-ci des canaux de circulation de gaz. La couche collectrice cca2 participe à la fonction de support.
La fig. 3 montre une vue schématique de la face arrière d'une couche collectrice d'anode, dont la structure peut correspondre aussi bien à la couche ccal de la fig. 1 qu'à la couche cca2 de la fig. 2. Une pluralité de plots 6 sont répartis uniformément sur l'ensemble de la surface de la couche collectrice d'anode. Celle-ci est percée de plusieurs trous. Les trous 1, situés à droite sur la fig. 3, sont entourés de margelles 3 de même hauteur que les plots 6. Les trous 2, situés sur la partie gauche de la figure, ne sont pas entourés. Toutes les couches d'un empilement portent les mêmes trous, agencés de telle façon à venir exactement en regard les uns des autres dans l'empilement, comme l'illustre la fig. 4. Lorsqu'un gaz est injecté par l'un des trous de gauche de la fig. 3, il circule entre les plots de la couche collectrice d'anode, diffusant dans cette couche et dans la couche support anode, et s'échappe par les ouvertures 5 de la portion ajourée de la bordure 4 de la face arrière de l'anode, et il est brûlé. Un gaz injecté par l'un des trous 1, situés à droite sur la fig. 3, ne peut pas atteindre en quantités substantielles la face arrière de l'anode, du fait des margelles 3 entourant ces trous. Seules des quantités minimes de gaz peuvent s'échapper, du fait de la porosité du matériau. Par contre, le trou correspondant de la face arrière de la cathode n'étant pas entouré d'une margelle, ce gaz circule sur la face correspondante arrière de la cathode.
La fig. 9 montre une vue schématique de la face arrière d'une couche collectrice d'anode qui diffère du mode d'exécution illustré par la fig. 3 par l'absence d'ouvertures dans la bordure périphérale 4. Le gaz injecté par le trou 7 en haut et à gauche de la fig. 6 est évacué par le trou 8 en bas et à droite, ou vice versa.
L'alimentation et l'évacuation des gaz côté cathode se font de manière similaire par les trous situés respectivement en bas, à gauche, 9, et en haut, à droite, 10, de la fig. 6.
Ce mode d'exécution ne nécessite pas de tubulures latérales; il est de ce fait particulièrement bon marché à fabriquer.
La fig. 8 est une microphotographie d'une portion de face arrière d'anode correspondant au mode d'exécution représenté schématiquement sur la fig. 9. On distingue sur la partie droite une portion de bordure, à gauche une portion de margelle et, entre les deux, une pluralité de plots de dimensions approximatives l l l mm, dont les faces sommitales apparaissent en teinte claire, séparées par des canaux de circulation de gaz de teinte plus sombre. Dans le mode d'exécution montré par la fig. 8, aussi bien la margelle que la bordure sont réalisées dans le même matériau céramique que les plots, c'est-à-dire dans le matériau constitutif de la face arrière de l'électrode. Cette réalisation présente l'avantage d'une très grande simplicité mais s'accompagne d'un très léger défaut d' étanchéité, ce matériau étant poreux.
Pour parfaire l' étanchéité des margelles, on peut utiliser différentes pièces façonnées :
- Une rondelle de type "belleville" peut être utilisée seule ou noyée dans le matériau d'électrodes constituant par ailleurs la margelle. On peut utiliser des rondelles "belleville" en tôles d'acier réfractaire, par exemple Fe22Cr, avec des épaisseurs de tôles de l'ordre de 5 à 200 μm, en particulier de 20 à 75 μm. Les diamètres intérieurs et extérieurs des rondelles sont égaux respectivement aux diamètres intérieur et extérieur des margelles. Pour réaliser des margelles relativement épai-sses, on peut empiler plusieurs rondelles "belleville" les unes sur les autres, ou encore souder deux rondelles "belleville" l'une contre l'autre, le long du bord de leurs plus petits diamètres.
- On peut également utiliser une rondelle en mica, seule ou noyée dans le matériau d'électrodes de la margelle.
- On peut également utiliser une tôle métallique très fine, en acier réfractaire ou aluminium ou aluminium-nickel, sous forme de tube comprimé en accordéon, comme joint, seule ou noyée dans le matériau d'électrodes de la margelle.
- On peut enfin utiliser dans les mêmes conditions une mousse métallique présentant une porosité fermée.
- Enfin, on peut réaliser une margelle constituée d'un mélange de matériaux d'électrodes avec une poudre de verre ou encore utiliser des rondelles en céramique ou verre céramique denses, noyées dans le matériau d'électrodes de la margelle.
Pour améliorer l' étanchéité de la bordure 4 montrée dans les figs 3 ou 9, on peut :
- agencer des bandes de mica sur les bords de la plaque électrode en les noyant ou non dans le matériau d'électrodes,
- réaliser la bordure en un mélange de matériaux d'électrodes avec une poudre de verre,
- agencer sur le bord une céramique dense ou un verre céramique noyé dans le matériau d'électrodes.
Dans les modes d'exécution illustrés par les fig. 1 à 4, les interfaces entre 1 ' électrolyte et les électrodes sont planes. Le même agencement des canaux distributeurs de gaz peut être réalisé dans des modes d'exécution où l'interface entre 1 ' électrolyte et les électrodes est structurée, comme l'illustrent les fig. 5 à 7.
La fig. 5 montre de bas en haut : une plaque d'interconnexion plane i; une couche collectrice d'anode cca structurée, avec une face avant plane, mais présentant sur sa face arrière des plots constituant des canaux de circulation de gaz; une couche support anode csa, avec une face arrière plane, mais comportant sur sa face avant une structure en relief présentant des excroissances sous forme de plots. Sur cette couche support anode est déposée une succession de couches minces, chacune de l'ordre de quelques microns, à savoir une couche active d'anode, une couche d' électrolyte, au moins une couche active de cathode et, optionnellement, une deuxième couche de cathode poreuse. L'épaisseur de l'ensemble de ces couches déposées étant faible par rapport aux dimensions, hauteurs et épaisseurs, des plots agencés sur la face avant de la couche support anode, les matériaux déposés ne viennent pas combler les espaces situés entre les plots, et ces espaces constituent des canaux de circulation de gaz lorsqu'une deuxième plaque d'interconnexion plane est placée sur le dessus du PEN.
La fig. 6 montre un autre mode d'exécution du PEN selon l'invention. Il diffère du mode d'exécution illustré par la fig. 5 par le fait que la couche support anode est formée de deux demi-couches structurées chacune sur une face et assemblées par leurs faces lisses, par un procédé décrit plus loin. Sur la face arrière de la couche support anode ainsi réalisée peut être déposée une fine couche collectrice d'anode. Sur la face avant de la csa sont déposées les mêmes couches que dans le mode d'exécution illustré par la fig. 5.
La fig. 7 montre un mode d'exécution dans lequel la couche support anode présente également sur sa face avant une structure en relief antérieure ,_ sur laquelle sont déposées la couche active d'anode, 1 ' électrolyte et la couche active de cathode, constitués de couches minces de quelques μm. Dans ce mode d'exécution, la couche poreuse de cathode est plus épaisse et présente sur sa face arrière, destinée à venir au contact de la plaque d'interconnexion i une structure en relief constituée de plots formant avec cette plaque d'interconnexion des canaux de circulation de gaz. Il convient de remarquer que dans ce mode d'exécution, la structure en relief antérieure de la face avant de la couche support anode est indépendante des structures en relief sous forme de plots des faces arrières de 1 ' anode et de la cathode qui forment les canaux de circulation de gaz. La structure en relief antérieure de la face avant de la couche support anode n'est destinée qu'à augmenter la surface de travail, c'est-à-dire la surface de 1 ' interface électrolyte/électrodes . La géométrie peut donc être différente des structures des faces arrières, en particulier par la dimension des éléments en relief, qui peut être beaucoup plus petite que celle des plots formant les canaux à gaz. La face avant de la couche support anode peut, dans ce cas, recevoir une microstructuration par estampage.
La microstructuration peut aussi être réalisée par un procédé de micromoulage. Ce procédé permet de réaliser, par exemple, une interface électrolyte/électrodes présentant une structure en "échiquier" comprenant des cases "hautes" et "basses", de largeur L, décalées d'une hauteur H. Le rapport entre surface développée et surface projetée augmente avec le rapport H/L. Pour H = L, le rapport est de 3; pour H = 2L, le rapport est de 5; pour H = 3L, le rapport est de 7 et pour H = 4L, le rapport est de 9. Dans le cas où l'interface électrolyte/électrodes présente une géométrie similaire à celle illustrée par la fig. 8, le rapport est approximativement de 3.
La réalisation des structures en relief représentée aux figs. 1 à 7 est illustrée par les exemples suivants.
Exemple 1 : fabrication d'un moule pour canaux à gaz
Dans une première étape, on réalise un moule "master" , représentant en positif les canaux de distribution de gaz. Ce moule master peut être fabriqué par micro-usinage d'une pièce métallique, par exemple par électroérosion. Il peut également être réalisé par un procédé de stéréo-lithographie ou par un procédé UV LIGA, ces procédés étant connus dans l'état de la technique. Dans une deuxième étape, un caoutchouc liquide (RTV-ME 622, Wacker Silicone) est coulé sur le moule master. Après polymérisation du caoutchouc, ce dernier est retiré du moule master. On obtient ainsi un moule souple et en négatif des canaux de distribution de gaz.
Exemple 2 : fabrication d'une couche collectrice d'anode structurée, par polymérisation
La couche est constituée au moyen de particules de zircone (8 YSZ) et de particules d'oxyde de nickel (60 à 100 % par rapport au poids de la zircone), de diamètre compris entre 0,2 et 1,5 μm.
Les poudres céramiques destinées à constituer la couche support anode sont dispersées dans de l'eau à l'aide d'un poly- électrolyte dispersant (Duramax D3005, Rohm and Haas Company) . Un monomère acrylate bifonctionnel (SR 610, Sartomer, USA) est ajouté à la dispersion, dans une proportion de 8 à 15 % en poids par rapport aux poudres céramiques . Juste avant de disposer la dispersion dans le moule, on ajoute un réactif initiateur de réaction de polymérisation, par exemple persulfate d'ammonium et têtraméthylène diamine, chacun à 0,5 % en poids par rapport à la masse du monomère acrylate. La dispersion est disposée dans le moule en caoutchouc, dégazée, et le moule est appliqué sur une couche support anode lisse précédemment obtenue par coulage en bande et frittage, dont l'autre face porte déjà une couche d' électrolyte. Après polymérisation du monomère, le moule en caoutchouc est retiré. La structure collectant le courant est maintenant dans un état solide et liée à la couche sous-jacente, formant les canaux distributeurs de gaz. Exemple 3 : fabrication d'une structure distributrice de gaz (variante)
Le procédé est le même que dans l'exemple 2. Le réactif initiateur de polymérisation est le diéthylènetriamine, à 5 % en poids par rapport au monomère.
Exemple 4 : fabrication d'une couche support anode structurée, par gélification
Des poudres céramiques de l'exemple 2, auxquelles on ajoute 20 % en volume de fibres de Zr02 de 100 μm de long et 10 μm de diamètre, sont dispersées dans de l'eau à l'aide d'un poly-électrolyte dispersant (Duramax, D3005, Rohm and Haas) . Une gélatine (Gélatine Gelia, Stoess AG, Allemagne) est ajoutée à la dispersion à raison de 5 à 15 % en poids par rapport à la masse de l'eau, qui est chauffée à une température de 50°C. Une fois la gélatine dissoute, la dispersion est versée dans le moule en caoutchouc. La dispersion est dégazêe, puis le moule en caoutchouc est déposé sur la face lisse d'une couche précédemment moulée et frittée. Une fois la dispersion refroidie à température ambiante, et laissée au repos pendant 24 heures, celle-ci se trouve gelée et le moule en caoutchouc peut être retiré. La structure en relief est maintenant à l'état solide et liée à la couche sous-jacente .
Exemple 5 : fabrication d'une couche collectrice anode structurée avec propriétés catalytiques
Une poudre céramique du type Ni-8YSZ à 45 % en poids de Ni est dopée avec 10 % en volume de particules de Ce02 portant 5 % de Ni catalytique. Le mélange est dispersé dans de l'eau à l'aide d'un dispersant de type poly-électrolyte (Duramax, D3005, Rohm and Haas) . De 1 ' agarose (agarose LMP analytical grade, Promega USA) est ajouté à la dispersion (5 à 15 % en poids par rapport à la masse de l'eau) qui est chauffée. Une fois 1 ' agarose dissout, la dispersion est versée dans le moule en caoutchouc. A ce moment, un dégazage de la dispersion est opéré, puis le moule en caoutchouc est déposé sur la couche support anode d'une cellule (PEN) plane. Une fois la dispersion refroidie à la température ambiante, celle-ci se trouve gelée et le moule en caoutchouc peut être retiré. Les canaux distributeurs de gaz et collecteurs de courant sont maintenant dans un état solide et attachés (liés) à la cellule (PEN) .
Exemple 6 : fabrication d'une couche collectrice anode structurée avec propriétés catalytiques (variante)
Des poudres céramiques de l'exemple 5 sont dispersées dans de l'eau à l'aide d'un dispersant de type poly-électrolyte (Duramax, D3005, Rohm and Haas) . Une gélatine de type cryogel (Cryogel 220/240, PB Gelatins, Belgique) est ajouté à la dispersion (5 à 15 % en poids par rapport à la masse de l'eau) qui est chauffée. Une fois la gélatine dissoute, la dispersion est versée dans le moule en caoutchouc. A ce moment, un dégazage de la dispersion est opéré, puis le moule en caoutchouc est déposé sur la cellule. Une fois la dispersion refroidie à la température ambiante et laissée au repos pendant 24 heures, celle-ci se trouve gelée et le moule en caoutchouc peut être retiré. La couche structurée comprenant les canaux distributeurs de gaz et les éléments collecteurs de courant est maintenant dans un état solide et attachée (liée) à la cellule (PEN) . Exemple 7 : fabrication d'une couche poreuse de cathode par polymérisation
Le matériau utilisé peut être la LSM (La0.7Sr0.3MnO3) ou LSC avec une granulométrie entre 0,2 et 1,5 μm.
Des poudres céramiques sont mélangées à un monomère epoxy liquide (Araldite DY-T, Vantico, Suisse), à raison de 0,3 à 1 g par gramme de poudre céramique. Après homogénéisation, le réactif durcissant (Aradur 21, Vantico, Suisse) est introduit dans la pâte à raison de 25 % en poids de la masse de monomère • epoxy, et le mélange est réhomogénéisé. La pâte est placée dans le moule en caoutchouc et celui-ci, après dégazage de la pâte, est déposé sur un substrat plat et lisse de caoutchouc silicone. Après réticulation de l' epoxy, la structure en relief obtenue est détachée du moule en caoutchouc ainsi que du substrat en silicone. Cette structure en relief est insérée au moment du montage du stack, entre la cathode et la plaque métallique d'interconnexion.
Exemple 8 : réalisation d'une structure en relief avec propriétés catalytiques sur une plaque d'interconnexion
La procédure opératoire est la même que dans l'exemple 5, sauf que le moule en caoutchouc contenant la pâte ou la dispersion est appliqué sur la plaque d'interconnexion constituée d'une feuille d'acier. Après solidification de la pâte ou de la dispersion, la structure en relief est portée par la plaque d'interconnexion, à l'état cru. Cette structure est ensuite mise en contact avec un PEN avec une anode plane, préfritté, et l'ensemble est porté à température d'opération de la pile (700°C à 800°C) après montage du stack. Exemple 9 : réalisation d'une structure en relief à l'aide d'un moule temporaire
Un moule sans fond, constitué d'une grille en matériau polymère, est placé sur un PEN lisse, précédemment fritte. Une dispersion liquide ou pâteuse du même type que celle des exemples 1 à 4 est déposée sur ce moule. La dispersion est infiltrée dans le moule et plaquée contre la couche sous- jacente à l'aide d'un rouleau. La grille n'a pas besoin d'être retirée après formation de la structure en relief, car elle brûle lors de la première mise en service à haute température du stack.
Exemple 10 : réalisation d'une structure en relief à l'aide d'un moule temporaire (variante)
On suit le début de la procédure de l'exemple 9, mais avant qu'ait lieu la gélification de la pâte, une plaque d'interconnexion métallique est. déposée sur la grille temporaire. Après gélification, la plaque d'interconnexion et le PEN sont liés l'un à l'autre par le gel. Ils forment un élément de stack. La grille sera détruite lors du fonctionnement à haute température.
Exemple 11 : réalisation d'un électrolyte structuré
Une pâte ou une dispersion contenant un mélange de poudres d'oxydes de nickel (40 % en poids), et de poudre de zircone (8 YSZ) est réalisée selon l'une des procédures des exemples 1 à 4. Le moule en caoutchouc est rempli de la dispersion sur une hauteur de 0,5 mm. Une fois la dispersion solidifiée, celle-ci est retirée du moule et constitue le support anode à l'état cru. Sur le côté structuré de celui-ci est déposée une couche de pâte, composée de poudre de zircone (8 YSZ, 0,05 < D50 < 1 μm) , d'eau, de dispersant (Duramax D3005) et de polymère (Natrosol HEC MR, Aqualon, France). L'épaisseur de la couche de pâte au-dessus de la structure est de 50 à 100 μm. Après séchage de cette pâte, la couche résiduelle de zircone 8 YSZ épouse la structure du support anode et a une épaisseur comprise entre 3 et 15 μm. Elle constitue 1 ' électrolyte. Le support anode, recouvert de cette couche mince de zircone, est placé dans un four et fritte à une température de l'400°C durant quatre heures. Ensuite, une couche de pâte, composée de poudre LSM (La0,8Sr0,2MnO3, 0,05 < D50 < 2 μm) , d'eau, de dispersant (Duramax D3005) et de polymère (Natrosol HEC MR) , est déposée sur 1 ' électrolyte fritte. L'épaisseur de la couche de pâte au-dessus de la structure est de 50 à 100 μm. Après séchage de cette dernière, la couche de LSM épouse la structure de 1 ' électrolyte et a une épaisseur résiduelle comprise entre 3 et 15 μm. L'ensemble est à nouveau fritte à l'200°C pendant deux heures.
Exemple 12 : réalisation d'un support anode structuré sur les deux côtés
Deux moules en caoutchouc sont remplis de la dispersion à l'état de pâte sur une hauteur de 0,2 à 1 mm. Une fois les deux dispersions solidifiées, les deux moules en caoutchouc sont joints sur leurs faces montrant les dispersions solidifiées lisses, après dépôt d'une fine couche de dispersion non solidifiée entre les deux faces. Lorsque l'ensemble de la dispersion est passé à l'état solide, le support anode ainsi constitué à l'état cru est retiré des deux moules en caoutchouc. Le dépôt de 1 ' électrolyte mince et de la cathode mince peuvent être effectués ensuite selon la procédure de l'exemple précédent. Exemple 13 : réalisation d'un empilement
Un PEN est réalisé à partir d'un ensemble anipulable, constitué d'une couche active de cathode, d'une couche d' électrolyte, d'une couche active d'anode et d'une couche support anode, toutes ces couches étant planes et lisses. L'ensemble se présente sous la forme d'un disque de 120 mm de diamètre, percé de trous pour l'amenée et l'évacuation de gaz. On ajoute, côté anode, une couche collectrice d'anode, selon la procédure de l'exemple 4. On ajoute, côté cathode, une couche poreuse de cathode selon la procédure de l'exemple 7. On empile de 20 à 40 PEN ainsi réalisés en alternance avec des plaques d'interconnexion métalliques planes, présentant les mêmes percements et on intègre cet empilement dans une enceinte de système SOFC.
Exemple 14 : réalisation d'un empilement
On réalise un support anode structuré des deux côtés, la face avant étant microstructurée, portant une couche d' électrolyte et une couche active de cathode, selon la procédure de l'exemple 12. On ajoute par-dessus la couche active de cathode une couche poreuse de cathode selon la procédure de 1 ' exemple 7. On dépose sur la face arrière du support anode une couche collectrice d'anode par peinture au pistolet et séchage. L'empilement est ensuite effectué comme dans l'exemple 13.
Les structures en relief des faces d'électrodes selon 1 ' invention ont été illustrées dans les exemples et dans les figures par des plots en forme de parallélépipède rectangle. L'homme du métier comprendra aisément que d'autres formes, cylindriques, hexagonales, pyramidales, etc. peuvent être utilisées en remplissant les mêmes fonctions, circulation des gaz carburants et comburants, et augmentation de la surface réactive de l'interface électrolyte/électrode .

Claims

Revendications
1. PEN de SOFC avec une cathode, ladite cathode comprenant une couche poreuse de cathode (cpc) et une couche active de cathode (cac) , avec une anode, ladite anode comprenant une couche active d'anode (caa) , une couche support anode (csa, csal, csa2) , ladite couche support anode constituant le support mécanique du PEN, et avec au moins une couche d' électrolyte (e) , ladite couche d' électrolyte étant placée entre lesdites couches actives d'anode et de cathode, caractérisé en ce que ladite anode comprend une couche collectrice d'anode (cca, ccal, cca2) , recouvrant la face arrière de la couche support anode, et en ce que la couche collectrice d'anode présente sur sa face arrière, destinée à venir au contact d'une plaque d'interconnexion (i) , une structure en relief, choisie de telle sorte à former avec ladite plaque d'interconnexion des canaux de circulation de gaz .
2. PEN de SOFC selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cathode présente également sur sa face arrière, destinée à venir au contact d'une plaque d'interconnexion (i) , une structure en relief choisie de telle sorte à former avec ladite plaque d'interconnexion des canaux de circulation de gaz, et en ce que les structures en relief de l'anode et de la cathode comprennent chacune une pluralité de plots (6) proéminents, espacés les uns des autres, les surfaces sommitales des plots de l'anode étant sensiblement coplanaires et parallèles aux surfaces sommitales des plots de la cathode, également sensiblement coplanaires entre elles.
3. PEN de SOFC selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un premier trou (1) et au moins un deuxième trou (2) le traversant axialement, que la structure en relief de la face arrière de l'anode comprend au moins une première margelle (3) entourant ledit premier trou, que la structure en relief de la face arrière de la cathode comprend au moins une deuxième margelle entourant ledit deuxième trou, ledit premier trou n'étant pas entouré par une dite deuxième margelle et ledit deuxième trou n'étant pas entouré par une dite première margelle.
4. PEN de SOFC selon la revendication 3, caractérisé en ce que les structures en relief des faces arrières respectives de la cathode et de l'anode comprennent chacune une bordure (4) entourant chaque face arrière, capable de former chacune, en coopérant avec une plaque d'interconnexion, une enceinte étanche sauf sur une portion ajourée (5) de ladite bordure.
5. PEN de SOFC selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend au moins quatre trous axiaux et que les structures en relief des faces ^arrières de l'anode et de la cathode présentent chacune une bordure entourant respectivement lesdites faces arrières, et au moins un trou d'entrée (7, 9) et un trou de sortie (8, 10) pour respectivement chacun des gaz carburants et comburants.
6. PEN de SOFC selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face avant de l'anode, du côté de 1 ' électrolyte, présente également une structure en relief .
7. PEN de SOFC selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche support anode (csa) présente sur sa face avant une structure en relief, que la couche active d'anode (caa), l' électrolyte (e) et la cathode (cac, cpc) consistent en des couches minces, revêtant ladite structure en relief de la dite face avant, et en ce que la structure en relief de ladite face avant de la couche support anode est choisie de telle sorte que la face arrière de la cathode puisse former des canaux de circulation de gaz avec une plaque d'interconnexion venant à son contact .
8. PEN de SOFC selon la revendication 7, caractérisé en ce que la structure de la face avant de la couche support anode est obtenue par un procédé de moulage et que les couches minces sont obtenues par un procédé de dépôt .
9. PEN de SOFC selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que ladite structure en relief de la face avant de l'anode comprend une pluralité de plots de hauteur comprise entre 0,2 et 2 mm et que la distance entre les flancs de plots voisins est comprise entre 0,1 et 2 mm.
10. PEN de SOFC selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche support anode (csa) présente sur sa face avant une structure antérieure en relief, que la couche active d'anode (caa), 1 ' électrolyte (e) et la couche active de cathode (cac) consistent en des couches minces et en ce que la couche poreuse de cathode (cpc) présente sur sa face arrière, destinée à venir au contact d'une plaque d'interconnexion, une structure en relief, choisie de telle sorte à former avec ladite plaque d'interconnexion des canaux de circulation de gaz.
11. PEN de SOFC selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite structure antérieure en relief de la face avant de la couche support anode est obtenue par estampage.
12. PEN de SOFC selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite structure antérieure en relief de la face avant de la couche support anode est obtenue par un procédé de micromoulage .
13. PEN de SOFC selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite structure antérieure en relief de la face avant de la couche support anode est obtenue par micromoulage et gélification.
14. PEN de SOFC selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que la hauteur des éléments en relief de ladite structure antérieure en relief est comprise entre 0,1 et 2 mm et en ce que la distance entre éléments voisins est comprise entre 50 μm et 2 mm.
15. PEN de SOFC selon l'une des revendications 6 à 14, caractérisé en ce que le rapport entre la hauteur et l'épaisseur des éléments de la -structure en relief de la face avant de l'anode est comprise entre 1 et 4.
16. PEN de SOFC selon l'une des revendications 6 à 15, caractérisé en ce que l'anode est obtenue en assemblant la face arrière lisse de la couche support anode avec la face avant lisse de la couche collectrice d'anode.
17. PEN de SOFC selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les structures en relief des faces avant et/ou des faces arrières de l'anode et de la cathode sont obtenues par moulage, en particulier par micromoulage et gélification.
18. PEN de SOFC selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que le matériau de la couche support anode et/ou de la couche collectrice d'anode comprend des fibres choisies parmi les fibres céramiques et les fibres métalliques .
19. PEN de SOFC selon la revendication 18, caractérisé en ce que la proportion desdites fibres est de 20 à 40 % en volume, et en particulier de 25 à 35 % par rapport au volume total .
20. PEN de SOFC selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, caractérisé en ce que le matériau de la couche poreuse de cathode comprend des fibres choisies parmi les fibres céramiques, en particulier les fibres LSM et les fibres LSC.
21. PEN de SOFC selon l'une quelconque des revendications 18 à 20, caractérisé en ce que le diamètre (d) desdites fibres est compris entre 1 et 50 μm, et le rapport L/d entre 2 et 30, en particulier que ledit diamètre est compris entre 2 et 30 μm et le rapport L/d entre 5 et 25, plus particulièrement que le diamètre est compris entre 5 et 15 μm et le rapport L/d entre 8 et 20.
22. PEN de SOFC selon l'une quelconque des revendications 1 à 21, caractérisé en ce que le matériau de la couche support anode et/ou couche collectrice d'anode comprend un catalyseur de reformage choisi parmi Ni déposé sur particules de céramique, NiCu déposé sur particules de céramiques, les chromites, Ce02 , et leurs mélanges.
23. PEN de SOFC selon la revendication 22, caractérisé en ce que la quantité de catalyseur est comprise entre 5 et 15 % en volume du matériau de 1 ' anode .
24. Empilement de SOFC, comprenant une pluralité de PEN selon l'une des revendications 3 à 22, et de plaques d'interconnexion, en alternance, caractérisé en ce que chacune desdites plaques d'interconnexion est une plaque plane et lisse munie de trous coïncidant, vus dans l'axe d'empilement, avec les trous des PEN.
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