Mise en forme de revêtements sol-gel pour piles à combustible et électrolyseurs haute température

Sol-Gel process to prepare thin films for solid oxide fuel cells and high temperature electrolyzens

• Auteur / Autrice : Emilie Courtin
• Direction : Nathalie Poirot, Philippe Boy, Christel Laberty-Robert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 18/10/2011
• Etablissement(s) : Tours
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Santé, sciences, technologies (Tours)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire d'Electrodynamique des Matériaux Avancés
• Jury : Président / Présidente : Philippe Thomas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julie Mougin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean Marc Bassat, Jean Marie Nedelec

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrolytes

Électrolyseurs

Piles à combustible à oxyde solide

Sol-gel, Procédé

Mots clés libres

Electrolyseurs à haute température

Résumé

Cette thèse présente l’élaboration, par voie « sol-gel », d’électrolyte YSZ et d’électrode LSCF pour piles à combustibles et électrolyseurs haute température. Il s’agit de diminuer la température de fonctionnement de ces systèmes tout en conservant des performances suffisantes. Pour cela, l’épaisseur de l’électrolyte est diminuée (~ 10 μm) et la microstructure de l’électrode est contrôlée, grâce à l’utilisation du procédé « sol-gel ». Des sols chargés sont synthétisés à partir de solutions « sol-gel » dans lesquelles une poudre est dispersée. Cette voie permet un bon contrôle de la taille et de la stoechiométrie des particules en solution. Les sols chargés ont une viscosité suffisamment élevée pour déposer, par trempage-retrait, des films homogènes dans une large gamme d’épaisseur (5-20 μm) sur différents supports. Pour mettre en oeuvre les électrolytes denses, deux voies sont développées : une voie en milieu alcoolique et une voie en milieu aqueux, particulièrement intéressante d’un point de vue environnemental. L’influence du traitement thermique, du support, de la composition des sols et de leur stabilité sur la microstructure des couches est étudiée. On veut obtenir des films les plus denses possibles, sans porosité ouverte. Des sols chargés de LSCF sont également synthétisés à partir d’un liant préparé par voie « polymère » et de poudre issue de ce même liant, cristallisée dans la phase pérovskite pure. L’influence de la composition du sol sur la qualité des films est étudiée. Les performances des films déposés dans cette étude ont été mesurées en cellule complète afin d’évaluer leurs propriétés aussi bien en fonctionnement SOFC qu’en fonctionnement EHT.

This thesis describes the fabrication of thin films with controlled thickness and microstructure to synthesize YSZ electrolytes and LSCF electrodes using the sol-gel process, in order to decrease the working temperature of solid oxide fuel cells and electrolyzers. Composite sols are synthesized from powder dispersed in sol-gel solutions. This technique allows a good control of particles size and stoichiometric. The composite sols viscosity is tuned to process homogeneous films with thickness ranging from 5 to 20 μm on various supports. To fabricate dense electrolytes, two syntheses are developed: the first one in alcoholic media, the other one in aqueous media, which makes this process environment-friendly. The influence of the sintering treatment, the nature of support, the sol composition and stability on the film microstructure is studied to obtain dense films. LSCF composite sols are also prepared from a binder synthesized via the polymeric route in which a powder prepared from this same binder is dispersed, after calcination at 1000°C to obtain the pure perovskite structure. The sol composition is changed for synthesizing films with a good homogeneity. The films performances are measured in a full cell in order to evaluate their electrochemical performances in fuel cell and in electrolyzer cell.