FLEXISOC
Aperçu
Flexibilité des cellules SOC (Solid Oxide Cell) vis-à-vis du combustible
Dr Annie LE GAL LA SALLE
UMR IMN (CNRS – Université de Nantes)
Le projet FLEXISOC a pour objet l’amélioration des piles à combustible à oxydes solides (SOC).
Il vise à mettre au point une cellule flexible vis-à-vis du combustible, apte à fonctionner avec des mélanges liquides ou gazeux variés (syngaz, biogaz…), ou en présence de polluants susceptibles d’agir comme un poison des catalyseurs.
La température de fonctionnement de ces systèmes « flexibles » sera également abaissée à 600°C afin d’accroître leur durée de vie.
Il vise à mettre au point une cellule flexible vis-à-vis du combustible, apte à fonctionner avec des mélanges liquides ou gazeux variés (syngaz, biogaz…), ou en présence de polluants susceptibles d’agir comme un poison des catalyseurs.
La température de fonctionnement de ces systèmes « flexibles » sera également abaissée à 600°C afin d’accroître leur durée de vie.
Mots clés: pile à combustible haute température, tolérance aux polluants, combustible liquide, combustible gazeux, Pile à combustible SOC
Actualités
Procédé de fabrication d’un électrolyte d’oxyapatite orienté pour les SOFC fonctionnant à basse température
Les récents travaux menés à l’IRCER (Institut de recherche sur les céramiques, CNRS – Université de Limoges), dans …
Tâches
Nos recherches
Choix et synthèse de nouveaux matériaux
De nouveaux matériaux d’électrodes, d’électrolyte et de catalyseurs seront développés pour disposer de cellules tolérantes aux polluants comme le sulfure d’hydrogène. Ces cellules devront également fonctionner avec du biogaz ou un combustible liquide sans reformage interne. Les procédés de mise en forme des matériaux et des cellules seront également investigués.
Cellules et stacks performants
Le comportement des matériaux et des cellules sera évalué en fonctionnement. L’optimisation des cellules sera guidée par des critères de performance et de robustesse, à 600°C. Les objectifs sont :
- Pour les catalyseurs : vitesse de formation de carbone autour de 0,5 mgcarbon gcat-1 h-1 à 600°C
- Pour les matériaux d’électrode : tolérance à des teneurs en H2S de 3 à 5 ppm
- Pour la cellule complète : densité de puissance (sans reformage) de 1 W/cm2 à 600°C
- Pour les catalyseurs : vitesse de formation de carbone autour de 0,5 mgcarbon gcat-1 h-1 à 600°C
- Pour les matériaux d’électrode : tolérance à des teneurs en H2S de 3 à 5 ppm
- Pour la cellule complète : densité de puissance (sans reformage) de 1 W/cm2 à 600°C
Optimisation et fiabilisation du fonctionnement du système complet
La modélisation sera utilisée pour accroître le rendement total du système, fiabiliser ses modes de fonctionnement, minimiser les dégradations, mettre au point des stratégies de nettoyage des cellules, de contrôle/commande, des diagnostics de surveillance…
Le consortium :
11 laboratoires académiques
Des attendus scientifiques
Le projet FLEXISOC travaille sur la flexibilité vis-à-vis du combustible des piles à membrane céramique à conduction anionique (SOFC). Il vise à leur permettre d’accepter des combustibles variés autres que l’hydrogène, comme par exemple le biogaz, le syngaz ou le bioéthanol. Les travaux seront déclinés à l’échelle des matériaux, puis des cellules, des stacks, et jusqu'aux systèmes complets. L’ambition est d’atteindre au niveau système un rendement électrique supérieur à 45% du Pouvoir Calorifique Inférieur, et un rendement thermique supérieur à 25% du PCI. Au niveau des stacks une durée de vie de plus de 30 000 heures est attendue.
Impacts environnementaux
Diminution des émissions de gaz à effet de serre dans la cogénération et la mobilité lourde
Développement de compétences
Formation de 6 doctorants et 6 post-doctorants
Réalisations 2022
En 2022, les travaux ont porté sur la sélection des combustibles cibles et sur l’identification de nouveaux matériaux capables d’activer les réactions de reformage interne tout en présentant une bonne tolérance aux poisons de catalyseur tels que CO, suies ou H2S.
Les combustibles suivants ont été choisis :
- Les syngaz, obtenus à partir de déchets ligno-cellulosiques, et essentiellement composés de mélanges combustibles CO/H2 (de teneur totale excédant rarement 40%) ,
- Le bioéthanol,
- Le biogaz, provenant essentiellement de décharges ou de méthaniseurs, par dégradation anaérobie (en absence totale d’oxygène). On étudiera des teneurs en méthane comprises entre 50 et 80%, en CO2 entre 15 et 25%, et en CH4 jusqu’à 98%. Les composés parasites du biogaz étant H2S et NH3, les dispositifs mis au point dans le projet devront également tolérer de faibles concentrations de ces polluants.
Un travail important a été réalisé sur les matériaux, s'appuyant sur les travaux déjà réalisés et publiés, et mettant en évidence les propriétés catalytiques de matériaux comme CeNi1OY ou Ni3Mg2AlOY vis-à-vis de l’éthanol. Les nouveaux matériaux sont en cours de synthèse et de caractérisation, et la fabrication de cellules symétriques envisagée.
Les combustibles suivants ont été choisis :
- Les syngaz, obtenus à partir de déchets ligno-cellulosiques, et essentiellement composés de mélanges combustibles CO/H2 (de teneur totale excédant rarement 40%) ,
- Le bioéthanol,
- Le biogaz, provenant essentiellement de décharges ou de méthaniseurs, par dégradation anaérobie (en absence totale d’oxygène). On étudiera des teneurs en méthane comprises entre 50 et 80%, en CO2 entre 15 et 25%, et en CH4 jusqu’à 98%. Les composés parasites du biogaz étant H2S et NH3, les dispositifs mis au point dans le projet devront également tolérer de faibles concentrations de ces polluants.
Un travail important a été réalisé sur les matériaux, s'appuyant sur les travaux déjà réalisés et publiés, et mettant en évidence les propriétés catalytiques de matériaux comme CeNi1OY ou Ni3Mg2AlOY vis-à-vis de l’éthanol. Les nouveaux matériaux sont en cours de synthèse et de caractérisation, et la fabrication de cellules symétriques envisagée.
Réalisations 2023
L’année 2023 a permis de préciser la composition des syngaz qui vont servir à la mise au point des matériaux et des cellules du projet. Le choix s’est porté sur un mélange CH4/CO2 (ratio 1:1). Plusieurs catalyseurs ont été étudiés, et finalement deux familles de catalyseurs les plus prometteurs ont été retenues. Leur synthèse à grande échelle a été initiée. Des premiers essais électrochimiques réalisées dans des conditions bien plus draconiennes que celles d’un fonctionnement normal en pile ont montré une vitesse de dépôt de carbone de 2,4 mgcarbon/gcat /h avec des catalyseurs base Ni.
En parallèle, des électrolytes bi-couches et des électrodes à air ont été préparés. Les bancs de tests de plusieurs laboratoires ont été mis à niveau pour permettre la réalisation de tests sous différents syngaz.
