Une SOFC peut être alimentée en biogaz sans reformage préliminaire du fait de sa température de fonctionnement élevée. Cependant, la présence de polluants comme le soufre peut empoisonner les électrodes. Cette thèse se concentre sur la compréhension des effets de H2S sur la structure de l'anode et les performances électriques. Spectroscopie Raman, imagerie optique et spectroscopie d'impédance ont été utilisées in situ pour évaluer la cinétique de sulfuration et les modifications morphologiques de Ni et Ni-CGO en présence de H2S à différentes températures. Les performances électriques de Ni-YSZ/YSZ/Pt ont été mesurées à 500°C à l'abandon et sous polarisation (500 mV). Un circuit électrique avec une impédance de concentration du second ordre est proposé. Les caractéristiques de l'anode avec combustibles propre et pollué sont discutées à partir des formes et des décompositions des spectres. Les corrélations entre propriétés électriques et accumulation de sulfure de nickel sont présentées. / A Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) can be fed with biogas without a preliminary reforming due to its high operating temperature. However, the biogas contains numerous pollutants like sulfur which poison the electrodes. This thesis focuses on the understanding of the H2S impacts on the anode structure and electrical performances. Raman Spectroscopy, optical imagery and Impedance Spectroscopy have been used in situ to evaluate the sulfidation kinetics and the morphological changes of Ni and Ni-CGO pellets exposed to H2S at various temperatures. The electrical performances of Ni-YSZ/YSZ/Pt cells under open circuit and 500 mV-polarizing conditions at 500°C have been measured. An electrical circuit with a second-order concentration impedance is proposed. The anode behaviors in clean and polluted fuel are discussed based on the evolutions of impedance shapes and on the fitted parameters. Correlations between the electrical properties and the build-up of nickel sulfide are presented.

Le biogaz doit être purifié pour devenir un combustible renouvelable. De nombreux traitements actuels ne sont pas satisfaisants car, pour des raisons de coûts les procédés de séparation privilégiés aboutissent souvent au rejet direct ou indirect du sulfure d'hydrogène (H2S) à l’atmosphère, c’est le cas de la séparation à l’eau sous pression. Les objectifs de la thèse portent d’abord sur l’étude et la modélisation des méthodes connues de séparation de l'hydrogène sulfuré du méthane. Les concentrations typiques varient de 200 à 5000 ppm, et la séparation devra réduire la teneur résiduelle en H2S à moins de 1 ppm. Parallèlement seront étudiées les méthodes de traitement de H2S. Une fois la (ou les) méthode(s) de séparation sélectionnée(s), des essais de validation seront effectués sur un système traitant de l’ordre de 85 Nm3/h de méthane où seront injectées des quantités de H2S variant entre 1 et 100 ppm.Cette thèse requiert des modélisations réalistes sous Aspen Plus® ou sous un code équivalent pour établir a priori des efficacités de séparation selon différentes conditions opératoires et en prenant en compte le paramètre température. L’énergie dépensée pour la séparation effective sera un des critères fort de la comparaison, de même que l’économie de matière.Une approche système est indispensable pour étudier la rétroaction de la méthode de valorisation du H2S sur la ou les méthodes séparatives. A priori c’est aussi l’outil Aspen Plus® ou équivalent qui permettra cette approche système.L’étude du procédé sera menée selon la double approche modélisation et expérimentation, pour l’étude expérimentale des méthodes séparatives, l’échelle du banc sera semi-industrielle et le banc permettra d’étudier les méthodes de séparation jusqu’à -90°C. / Biogas must be purified for becoming a renewable fuel. At now, the most part of the purification techniques are not satisfactory because they imply hydrogen sulfides (H2S) rejection to the atmosphere. One example of these methods is the treatment with high pressure water. The first objective of the thesis is modeling the conventional methods for separating H2S from methane. Typical concentrations of H2S in methane vary from 200 to 5000 pm. Separation methods must decrease the concentration of H2S in methane to less than 1 ppm. At the same time, methods for H2S treatment will be studied.Once the most appropriated separation methods will be selected, some test will be carried out on a pilot plant capable of treating 85 Nm3/h of methane, where quantities of H2S ranging from 1 and 100 ppm will be injected. These tests will allow validating the modeling of the separation process. On the basis of the obtained results, a specific test bench will be conceived and constructed for validating the selected process.The thesis work requires simulating the separation process using the software Aspen Plus® or an equivalent one. The effectiveness of different operative conditions will be tested, varying also the parameter temperature. The energy necessary for the separation will be one of the most important criteria for the comparison, as well as the mass consumption of the different fluids involved in the process.A system approach is fundamental for evaluating the backward effect of the H2S valorization method on the separation techniques. The process simulator (Aspen Plus® or equivalent) will allow the system approach.The study will involve modeling and experimental parts. The experimental part will be carried out taking advantage of a semi-industrial size test bench, allowing studying the separation methods down to -90°C.

科学研究費補助金 研究種目:基盤研究(B)(2) 課題番号:10480145 研究代表者:松田 仁樹 研究期間:1998-1999年度