Couches minces dans les dispositifs SOFC, PCFC et MCFC
ALD pour les piles à combustible à haute température

2.1 Caractéristiques générales

Les températures de fonctionnement des SOFC sont typiquement de 800 à 1 000 °C. Ces températures élevées sont nécessaires pour atteindre une conductivité suffisante pour l’électrolyte YSZ ainsi qu’une bonne performance des électrodes.

Ceci est probablement le problème majeur limitant la compétitivité de cette technologie et qui a poussé une grande partie de la recherche actuelle sur les SOFC à réduire les températures de fonctionnement, des températures usuelles proches de 1 000 °C à des températures plus basses de l’ordre de 300 à 600 °C.

La réduction de la température de fonctionnement a permis le remplacement progressif des plaques d’interconnexion en chromite de lanthane (matériau céramique très délicat à usiner), par des aciers inoxydables. Cependant, à des températures plus faibles, la conductivité ionique diminue et les cinétiques des réactions au niveau des électrodes sont plus faibles. Afin de s’affranchir de ces limitations, différentes stratégies ont été employées. Il s’agit tout d’abord de maîtriser les propriétés de l’électrolyte, soit par la synthèse de nouveaux matériaux avec une conductivité ionique plus élevée dans une plage de températures plus faibles (500 à 650 °C), soit en réduisant l’épaisseur de l’électrolyte usuel, YSZ, grâce à de nouvelles architectures impliquant des couches minces. Cette dernière solution offre un triple avantage : en plus de la diminution de la résistance de l’électrolyte, le film mince permet un transfert plus rapide des ions entre les électrodes grâce à la diminution de la longueur de diffusion et pourrait également permettre un meilleur contrôle des contraintes interfaciales. Il s’agit, en parallèle, d’améliorer la cinétique de la réaction au niveau des électrodes au moyen de catalyseurs efficaces à des températures plus faibles.

Des couches minces de haute qualité avec une épaisseur allant de quelques microns à quelques nm offrent de nombreuses possibilités, de la faible résistance des couches minces électrolytiques (utiles dans les micro-SOFC) à la catalyse (oxydation de l’hydrogène et du combustible), en passant par les films interfaciaux (barrière de diffusion ou électronique, couches de liaison...