Les analyses post-test SOEC montrent une diffusion améliorée des cations Zr et/ou Sr à travers les couches d'électrolyte, un délaminage et une redistribution du Ni près de l'électrolyte, entraînant un taux de dégradation plus élevé par rapport aux conditions des piles à combustible à oxyde solide (SOFC). Échantillon avec l'aimable autorisation de M. Cantoni, EPFL, Lausanne, Suisse.
Matériaux énergétiques

Protection de notre planète

L'avenir des piles à combustible

Le changement climatique, la sécurité énergétique et la protection de notre environnement sont des défis communs auxquels sont confrontées toutes les nations. Afin de pouvoir protéger notre planète à l'avenir, nous avons besoin d'alternatives à la technologie de carburants que nous utilisons actuellement. Ces alternatives peuvent potentiellement réduire nos besoins en pétrole ainsi que la quantité d'émissions nocives et de gaz à effet de serre libérés dans l'atmosphère. Les piles à combustibles seraient donc une alternative idéale en remplacement des moteurs à combustion interne.  

Le défi de l'analyse de structures multi-échelles

Le transport et le stockage de l'hydrogène constituent, par exemple, un obstacle de taille à une utilisation généralisée dans les systèmes à carburant. Plusieurs défis doivent être surmontés avant que ces piles à combustible ne soient largement adoptées sur les marchés de consommation. La structure complexe, multi-couches et multi-matériaux des piles à combustible pose un autre problème majeur. En effet, il s'avère difficile de mener des investigations approfondies sur leur microstructure, à moins de posséder les outils adaptés.

À l'instar de la technologie actuelle de piles à combustible, le comportement des alternatives de nouvelle génération sera déterminé par leurs propriétés physiques et chimiques à travers différentes échelles de longueur. Vous aurez besoin d'une imagerie à haute résolution et d'une analyse chimique précise, de l'échelle nanométrique jusqu'à l'échelle micrométrique. Cependant, pour vraiment comprendre ce qui fait fonctionner (ou non) une pile à combustible, il faut observer les évolutions microstructurales in situ sans endommager la pile.

La solution : la microscopie corrélative et connectée

La microscopie corrélative haute résolution est nécessaire pour relever ce défi multi-échelles. Il faut également des techniques d'exploitation non destructives qui permettent d'étudier le fonctionnement d'une pile à combustible en temps réel. Vous pourrez ainsi obtenir des informations essentielles sur la microstructure, les modes de défaillance et les effets de tout défaut présent. 

ZEISS propose des solutions corrélatives à ce problème multi-échelles et multi-dimensionnel : une gamme complète et connectée d'outils adaptés pour analyser les matériaux des piles à combustible à différentes échelles de longueur en 2D, 3D et 4D.  

Votre prochaine étape

Découvrez la gamme de microscopes pour l'analyse des piles à combustible ainsi que les méthodes d'imagerie non destructive et en haute résolution permettant d'obtenir des informations essentielles tout en préservant l'intégrité de l'échantillon. 

Images de l'application

  • Composants d'anode segmentés de pile à combustible à oxyde solide et limite de point triple.

    Composants d'anode segmentés de pile à combustible à oxyde solide et limite de point triple. Image réalisée avec Xradia 810 Ultra (largeur d'échantillon de 39 µm).

  • Image d'une pile à combustible à oxyde solide (SOFC) capturée à l'aide du microscope à rayons X XRM Xradia 810 Ultra.

    Image d'une pile à combustible à oxyde solide (SOFC) capturée à l'aide du microscope à rayons X XRM Xradia 810 Ultra. Trois couches de la SOFC sont visibles : La cathode poreuse au sommet en manganite de lanthane dopé au strontium (LSM). Le réseau LSM a été marqué en couleur en fonction de son épaisseur locale. Bleu signifie fin, rouge épais. Le centre de l'échantillon est l'électrolyte composé de zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium (YSZ). Ici, les vides présents dans la YSZ sont visibles. Un vide est marqué orange car il se connecte également au réseau de pores dans la partie inférieure de la cellule. L'anode en bas est un composite poreux de nickel et YSZ. La YSZ est bleue, le nickel est rouge. Rendu généré avec ORS Visual SI Advanced.

  • Image de la surface d'une couche microporeuse d'une pile à combustible à électrolyte polymère sans revêtement capturée sur GeminiSEM à 2 kV avec le détecteur Inlens SE.

    Image de la surface d'une couche microporeuse d'une pile à combustible à électrolyte polymère sans revêtement capturée sur GeminiSEM à 2 kV avec le détecteur Inlens SE. Les nanoparticules de carbone individuelles sont agglomérées avec un liant pour former la structure hautement poreuse, tandis que des nanoparticules de platine isolées d'un diamètre <10 nm peuvent être vues dans certaines régions.

  • Les analyses post-test SOEC montrent une diffusion améliorée des cations Zr et/ou Sr à travers les couches d'électrolyte

    Les analyses post-test SOEC montrent une diffusion améliorée des cations Zr et/ou Sr à travers les couches d'électrolyte, un délaminage et une redistribution du Ni près de l'électrolyte, entraînant un taux de dégradation plus élevé par rapport aux conditions des piles à combustible à oxyde solide (SOFC). La capacité 3D FIB-SEM/EDS permet de mesurer des propriétés métriques et topologiques et dirige les simulations d'éléments discrets pour, d'abord, quantifier l'étendue des changements microstructuraux et, ensuite, quantifier avec précision l'effet néfaste sur les performances de la cellule. Ensemble de données acquis à l'aide de ZEISS Crossbeam & Atlas 5.

  • Rendu 3D d'un assemblage d'électrodes à membrane de pile à combustible à électrolyte polymère.

    Rendu 3D d'un assemblage d'électrodes à membrane de pile à combustible à électrolyte polymère. Les fibres de la couche de diffusion de gaz sont représentées en vert et magenta, les couches microporeuses en bleu, les couches de catalyseur en jaune vif et l'électrolyte en jaune foncé. Image capturée sur Xradia Versa.

Tomographie 3D d'une pile à combustible à oxyde solide

Fabriquée en matériau composite résistant à la chaleur, le nickel-cérine dopée au samarium.
Image acquise avec ZEISS Crossbeam.


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Téléchargements

  • ZEISS Atlas 5

    Characterization of Solid Oxide Electrolysis Cells by Advanced FIB-SEM Tomography

    1 MB
  • ZEISS Xradia 810 Ultra

    Characterizing Solid Oxide Fuel Cell Microstructures in 3D

    1 MB