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18 Chapitre I : Etude bibliographique d) Les plaques bipolaires : Les plaques bipolaires servent à assurer le contact électrique entre deux cellules élémentaires (anode/électrolyte/cathode) afin de réaliser des assemblages en série. L’anode d’une pile est alors en contact avec la cathode d’une autre pile. Les plaques bipolaires doivent avoir une bonne conductivité électrique (contact électrique), une conductivité ionique inexistante, une imperméabilité aux gaz et une bonne résistance chimique et mécanique à haute température. Ils sont généralement réalisés soit en métal (alliage de Chrome) soit en céramique (pérovskite). Le matériau le plus utilisé est le chromite de lanthane LaCrO3 car il présente une bonne conductivité électronique sous des atmosphères réductrices ou oxydantes. Son frittage reste cependant difficile à mettre en œuvre. Leur forme est complexe car les plateaux doivent être munis de canaux pour l’introduction des gaz. Un usinage (mécanique ou électrochimique) ou l’utilisation de moules spéciaux sont donc nécessaires après ou avant le frittage. A l’heure actuelle, leur coût de production est donc élevé. I.2.2.3 Résumé: Les avancées technologiques sur la fabrication des différents composants des SOFCs sont en plein essor. Les problèmes technologiques présents dans la fabrication des électrodes sont quasiment résolus, seul l’électrolyte continue à poser un problème de fabrication, c’est pour cela que le paragraphe suivant est dédié à une étude plus approfondie de l’électrolyte. I.2.3 L’électrolyte des SOFCs : I.2.3.1 Historique : Dès 1904, la présence de conductivité ionique dans une solution solide de ZrO2-CaO a été démontrée par Nernst-Joffe (1923) et Frenkel (1926). Schottky et Wagner (1930-1933) ont établi l’influence des défauts dans la structure cristalline sur la conductivité ionique et électrique, ce qui a permis une meilleure compréhension des mécanismes intervenant dans les phénomènes de conduction dans les solides. Ce sont Baur et Preiss qui, en 1937, ont débuté les recherches sur les piles à combustible à électrolyte solide.
Chapitre I : Etude bibliographique 19 I.2.3.2 La zircone : Tout d’abord, notons que la théorie de la conductivité ionique dans les solides est présentée en annexe 1. En ce qui concerne les électrolytes solides, le plus connu à ce jour est la zircone stabilisée par l’oxyde d’yttrium (YSZ). La zircone (ZrO2) se trouve sous sa forme quasiment pure dans la baddeleyite et est combinée à la silice dans le zircon. Elle est caractérisée par son polymorphisme. Elle se présente sous trois formes différentes qui dépendent de la température. De la température ambiante jusqu’à 1173°C, la zircone se présente sous forme monoclinique, de 1170°C à 2370°C sous forme quadratique ou tétragonale. La transformation de phase est alors similaire à une transformation martensitique et la forme quadratique peut se retrouver sous deux types de structure différents, une structure fluorine de type CaF2 légèrement déformée et une autre tétragonale primitive de type HgI2. De 2370°C à 2710°C, la zircone se présente sous sa forme cubique de type fluorine. Sous cette dernière forme, la zircone est un bon conducteur ionique. [Lombard, 1985] Cependant, la phase cubique n’est pas stable à température ambiante et le retour de la phase cubique à la phase monoclinique s'effectue avec une augmentation de volume de l'ordre de 3 à 5% à 800°C ce qui produit des fissurations [A.C. Léger, 1997], [Lombard, 1985]/, la zircone pure n'est donc pas intéressante car une des propriétés essentielles requises pour avoir un bon électrolyte est une imperméabilité aux gaz. Il faut donc stabiliser la forme cubique (à structure fluorite) à la température ambiante car sa forte concentration en lacunes d'oxygène favorise le transport ionique. La mise en solution d’oxydes divalents (MgO, CaO) ou trivalents (Y2O3, Sc2O3) crée des lacunes dans le sous-réseau d’oxygène, relaxe la structure et permet d’obtenir la phase cubique ou la phase tétragonale non transformable stabilisées à la température ambiante en fonction du pourcentage de dopant. Ces structures présentent une forte concentration en lacunes d’oxygène, ce qui permet d’avoir une bonne mobilité des ions d’oxygène à travers l’électrolyte. En effet, augmenter le nombre de lacunes d’oxygène permet de diminuer la teneur en défauts ponctuels du sous-réseau cationique, la mobilité des cations est alors faible et une forte mobilité des ions d’oxygène est favorisée. [Quéré, 1988], [Kittel, 1993], [Stevens et al, 1995], [Manning, 1997], [Sammes, 1997], [Philibert, 1985]
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