Conception, élaboration et caractérisation de matériaux de composition et de microstructure innovants pour les micro-piles à combustible à oxyde solide

Design, development and characterization of materials with innovatives composition and microstructure for micro-solid oxide fuel cell (Micro-SOFC)

• Auteur / Autrice : Guillaume Muller
• Direction : Christel Laberty-Robert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et Chimie des Matériaux
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sol-gel, Procédé

Couches minces

Piles à électrolyte solide

Résumé

Les micro-piles à combustible à oxyde solide (micro-SOFC) apparaissent comme des sources d’énergie miniatures attractives et constituent une réelle rupture technologique permettant une solution alternative aux accumulateurs Li-ion actuels. Dans ce contexte, ce travail concerne la synthèse, la caractérisation structurale, microstructurale et électrochimique de films minces denses et poreux de composition et de structure variées : LSCF-CGO, Ni(O)-CGO et CGO. Ces matériaux ont été intégrés comme cathode, anode et électrolyte respectivement dans un dispositif type micro-SOFC fonctionnant vers 400-600°C à partir de H2 comme carburant. L’architecture de la cellule et son procédé de synthèse diffèrent de ceux proposés dans la littérature. En effet, des gradients de porosité et de composition ont été réalisés aux électrodes de manière à limiter les phénomènes de polarisation d’activation et de concentration. De plus, le choix du procédé de synthèse, sol-gel couplé à la méthode de trempage-retrait pour la mise en forme des matériaux, a été guidé par des critères économiques et de facilité de mise en œuvre. Pour la synthèse des films minces denses d’électrolyte (CGO), une autre méthode de synthèse (ALD) a également été utilisée. Dans ce travail, nous avons étudié plus particulièrement les relations qu’il existe entre les propriétés structurale, microstructurale et électrique des films minces poreux d’électrodes, dans les conditions de synthèse et de fonctionnement in fine de la cellule. Sur la base de cette étude, la fabrication et l’évaluation des propriétés électriques de ces micro-SOFC déposées sur un support poreux de Pt/Al2O3 ont été réalisées

The micro-solid oxide fuel cells (micro-SOFC) appear as attractive miniature sources of energy and are a technological breaking for an alternative to current Li-ion batteries. This work deals with the synthesis, the structural characterization, microstructural and electrochemical of dense and porous thin film exhibiting various composition and structure: LSCF-CGO, Ni(O)-CGO and CGO. These materials have been incorporated as cathode, anode and electrolyte respectively in a device type micro-SOFC operating at 400-600°C with H2 as fuel. The architecture of the cell and the synthesis approach differ from those proposed in the literature. In fact, porosity and composition gradients have been included to the electrodes to limit activation and concentration polarizations. Moreover, the choice of the method of synthesis, sol-gel method coupled with dip-coating to deposit materials was guided by economic criteria and ease implementation. For the synthesis of dense electrolyte thin films (CGO), another synthesis method (ALD) was also explored. In this work, we studied the relationships between structural, microstructural and electrical properties of porous thin film electrodes under the conditions of synthesis and of testing. Based on this study, the fabrication and evaluation of micro-SOFC cells properties deposited on a porous Pt/Al2O3 support have been performed