Stabilité, réactivité et performances de conducteurs par ions oxyde de la famille LAMOX comme éléments de cœur de pile à combustible SOFC mono-chambre

Stability, reactivity and performances of LAMOX oxide ions conductors as component of single chamber solid oxide fuel cell

• Auteur / Autrice : Julien Jacquens
• Direction : Philippe Lacorre, Jean-Paul Viricelle, Gwenaël Corbel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Le Mans
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des oxydes et fluorures (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université du Maine. UFR de sciences exactes et naturelles (Le Mans)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Catalyseurs

Électrolytes

Piles à combustible à oxyde solide

Mots clés libres

Configuration mono-chambre

La2mo2o9

Lamox

Electrodes conductrices mixtes

Catalyseur d'oxydation

Résumé

Les composés de la famille LAMOX, dérivés de La2Mo2O9, sont de bons conducteurs ioniques par ions oxyde sous air mais peuvent être réduits sous atmosphère pauvre en oxygène. Mes travaux ont consisté à démontrer la faisabilité de leur utilisation en tant qu’électrolyte de pile à combustible à oxydes solides (SOFC) en configuration monochambre (moins réductrice). La première partie des résultats traite de la stabilité et des propriétés catalytiques des matériaux LAMOX et d’électrodes sous atmosphère propane:air (proche des conditions de pile monochambre). La stabilité des poudres LAMOX a été démontrée après 72h à 600°C. La2Mo2O9 (LM) peut en outre présenter une activité catalytique oxydative intéressante en vue d’une utilisation sous forme de cermet Ni:LM. Sous atmosphère plus pauvre en oxygène (dihydrogène dilué), des mesures électriques ont montré que la réduction des composés LAMOX semble être optimisable afin de réaliser des électrodes conductrices mixtes ioniques/électroniques (MIEC). Une deuxième partie traite de la compatibilité des interfaces électrolyte/électrodes. Des tests de compatibilité, chimique et mécanique, nous ont conduit à privilégier l’utilisation de nouveaux matériaux de cathode, La0,85Ca0,15FeO3-δ et La0,75Ca0,25Co0,8Fe0,2O3-δ/Ce0,9Gd0,1O1,95 qui n’avaient jamais été testés en conditions réelles de pile. L’anode Ni:La2Mo1,5W0,5O9 (LMW0,5) quant à elle n’a pas présenté de problèmes d’incompatibilité avec l’électrolyte LMW0,5. Enfin, dans une troisième partie, des tests de piles montrent que l’utilisation de cet électrolyte semble possible en conditions réelles de pile monochambre à 600°C. Les performances de piles obtenues sont toutefois inférieures de deux ordres de grandeur à celles de la littérature, en raison de la faiblesse de l’activité électrochimique des cathodes pour la réduction du dioxygène, vérifiée par tests de cellules symétriques. La teneur en nickel de l’anode et ses dimensions se sont par ailleurs avérées déterminantes pour l’orientation du choix des conditions opératoires et la stabilité des performances de pile.

The compounds of the LAMOX family, based on La2Mo2O9, are pure fast oxide ionic conductors in air. However, they could be reduced in atmosphere with low oxygen partial pressure. The aim of this work has been to probe the feasibility of their use as electrolyte of Solid Oxide Fuel Cell, with inglechamber geometry (less reducing). The first part of results is dedicated to the stability and catalytical properties of LAMOX compounds and electrode materials under propane:air mixture (similar to single chamber conditions). The stability of LAMOX powder has been probed after 72h at 600°C. Moreover La2Mo2O9 (LM) seems to be a good oxidation catalyst, which might be useful as anode composite Ni:LM. Under more reducing atmosphere (diluted hydrogen), electrical measurements have shown that the reduction of LAMOX compounds could be optimised in order to form mixed ionic/electronic conducting anodes. In the second part, interest is given to solid/solid compatibility between different components. Chemical and mechanical compatibility tests have guided our choice on two new cathode materials, La0. 85Ca0. 15FeO3-δ and La0. 75Ca0. 25Co0. 8Fe0. 2O3-δ/Ce0. 9Gd0. 1O1. 95 which had never been tested in real operating conditions of fuel cell. Concerning the anode Ni:La2Mo1. 5W0. 5O9 (LMW0,5), no problem of incompatibility has been observed with the electrolyte LMW0. 5. Finally, in a third part, fuel cell tests have shown that the use of this electrolyte seems to be possible under propane:air mixture at 600°C. However, the power of cell is lower with two levels of magnitude to that reported in litterature, because of poor electrochemical activity of the cathodes for oxygen reduction, checked by symmetric cell measurements. The nickel content of the anode and its dimensions have also proved crucial for the choice of operating conditions and the stability of fuel cell performances.