A la recherche de nouveaux matériaux d’électrolyte et de cathode pour SOFC : weberite et cobaltite

In search of new electrolyte and cathode materials for SOFC : weberite and cobaltite

• Auteur / Autrice : Nicolas Preux
• Direction : Rose-Noëlle Vannier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Molécules et Matière Condensée
• Date : Soutenance le 12/05/2010
• Etablissement(s) : Lille 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux

Cathodes

Électrolytes solides

Conduction ionique

Conduction protonique

Électrochimie

Piles à combustible à oxyde solide

Mots clés libres

Weberites

Résumé

Avec pour objectif la recherche de nouveaux matériaux pour piles à combustible à oxyde solide, ce travail s’est orienté sur l’étude de nouveaux électrolytes, d’une part, et la caractérisation de nouveaux matériaux de cathode d’autre part. La première partie porte sur la caractérisation des phases de structure weberite, dérivées de La3TaO7. Une solution solide La3-xSrxTaO7-x/2 est mise en évidence pour 0≤x≤0,15. La substitution partielle du lanthane par le strontium permet d’augmenter la conductivité de La3TaO7 d’un facteur 1000. Les performances des matériaux obtenus restent, cependant, en-dessous de celle de la zircone stabilisée à l’yttrium. En outre, ces phases présentent des propriétés de conduction protonique, qui pourraient s’avérer intéressantes pour une utilisation comme membrane pour la séparation de l’hydrogène dans des procédés tels que le reformage des hydrocarbures. En parallèle, nous nous sommes aussi intéressés à la synthèse et la caractérisation de nouveaux matériaux de cathode à base de cobalt: Ba2Co9O14-d, Ca3Co2O6, YBaCo2O5+d, YBaCo4O7+d, et Ca3Co4O9-d en mettant l’accent sur l’influence des lacunes oxygénées et de la dimensionnalité de la structure. Les mesures électrochimiques ont été effectuées, et les meilleures performances sont obtenues pour les composés Ba2Co9O14-d, et Ca3Co4O9-d.

With the aim to research new materials for Solid Oxid Fuel Cells, this work is focused on the study of new electrolyte materials, on one hand, and on the characterisation of new cathode materials, on the other hand. The first part concerns the characterisation of weberite structure derived from La3TaO7. A solid solution is evidenced for 0≤x≤0.15. The conductivity of La3TaO7 is increased by a factor of 1000 by partial substitution of lanthanum with strontium. However, the performances of materials remain under those of yttria stabilised zirconia. In addition, these phases display protonic conduction, which would be attractive for use as membrane for the hydrogen separation in hydrocarbon reforming. In parallel, new cathode materials were characterised. Cobaltites with different structural dimensionality were studied: Ba2Co9O14-d, Ca3Co2O6, YBaCo2O5+d, YBaCo4O7+d, and Ca3Co4O9-d. Several electrochemical measurements were carried out and best results were obtained for Ba2Co9O14-d, and Ca3Co4O9-d