Nouveaux matériaux d’anode et cellules architecturées pour électrolyseur à haute température

Innovative anode materials and architectured cells for high temperature steam electrolysis operation

• Auteur / Autrice : Tiphaine Ogier
• Direction : Fabrice Mauvy, Jean-Marc Bassat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 10/12/2012
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac)
• Jury : Président / Présidente : Mario Maglione
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Mauvy, Jean-Marc Bassat, Alan M. Atkinson, Annie Le Gal La Salle, Jean-Claude Grenier, Annabelle Brisse, Olivier Bucheli, Julie Mougin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alan M. Atkinson, Annie Le Gal La Salle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydes

Piles à combustible à hydrogène

Anodes

Eau -- Électrolyse

Électrodes à oxygène

Mots clés libres

Production d’hydrogène

Electrode à oxygène

Electrolyse de l’eau à haute température

Matériaux d’anode

Oxydes nickelates

Hydrogen production

Oxygen electrode

High temperature steam electrolysis

Anode materials

Nickelates oxides

Résumé

Afin d’améliorer les performances électrochimiques de cellules d’électrolyse de la vapeur d’eau à haute température (EVHT), de nouveaux matériaux d’électrode à oxygène de typeLn2NiO4+δ (Ln = La, Pr ou Nd), Pr4Ni3O10±δ et La0,6Sr0,4Fe0,8Co0,2O3-δ ont été étudiés. Ces composés ont été sélectionnés pour leurs propriétés de conduction mixte électronique et ionique. Après la caractérisation de leurs propriétés physico-chimiques, les matériaux ont été mis en forme au sein de demi-cellules symétriques, en intercalant une couche d’interface fine à base de cérine entre l’électrode et l’électrolyte de zircone yttriée. Cette architecture contribue à la diminution de la résistance de polarisation de l’électrode (RP <0,1 Ω.cm2 à 800°C) et de la surtension anodique. Un modèle électrochimique a été développé afin de décrire et d’analyser les courbes de polarisation expérimentales.L’électrode présentant les plus faibles surtensions, Pr2NiO4+δ, a été sélectionnée et caractérisée au sein de cellules complètes à cermet support. En fonctionnement EVHT à800°C, une densité de courant élevée a été obtenue, de l’ordre de i = -0,9 A.cm-2 pour une tension de cellule de 1,3V et un taux de conversion d’environ 60%.

In order to improve the electrochemical performances of cells for high temperature steam electrolysis (HTSE), innovative oxygen electrode materials have been studied. The compounds Ln2NiO4+δ (Ln = La, Pr or Nd), Pr4Ni3O10±δ and La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3-δ have been selected for their mixed electronic and ionic conductivity. First, their physical and chemical properties have been investigated. Then, the electrodes were shaped on symmetrical half cells,adding a thin ceria-based interlayer between the electrode and the yttria doped zirconia-based electrolyte. These architectured cells lead to low polarization resistances (RP< 0.1 Ω.cm2 at 800°C) as well as reduced anodic over potentials . An electrochemical model has been developed in order to describe and analyze the experimental polarization curves.The electrode with the lower overpotential, i.e. Pr2NiO4+δ, has been selected and characterized into complete cermet-supported cells. Under HTSE operation, at 800°C, a high current density was measured, close to i = -0.9 A.cm-2 for a cell voltage equals to 1.3 V, the conversion rate being about 60%.