Intégration de matériaux oxydes innovants dans une cellule IT-SOFC

Integration of innovative oxide materials in an IT-SOFC

• Auteur / Autrice : Anne Morandi
• Direction : Jean-Marc Bassat, Olivier Joubert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 04/04/2013
• 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) - Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux / ICMCB
• Jury : Président / Présidente : Mario Maglione
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nikolaos Bonanos, Jan Van Herle, Qingxi Fu, Mathieu Marrony, Loïc Antoine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nikolaos Bonanos, Jan Van Herle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie d'impédance

Impression sérigraphique

Composés inorganiques

Piles à combustible à oxyde solide

Mots clés libres

IT-SOFC

Ln2NiO4+d

Ln2NiO4+d

Coulage en bande

Vacuum slip casting

Sérigraphie

Test de cellules

Spectroscopie d’impédance complexe

IT-SOFC

Ln2NiO4+d

Ln2NiO4+d

Tape casting

Vacuum slip casting

Screen printing

Cell testing

Electrochemical impedance spectroscopy

Résumé

Cette thèse vise à évaluer le potentiel d'un nouveau couple cathode / électrolyte pour une application en IT-SOFC (700°C), par le biais de l’élaboration et du test de cellules à anode support de configuration planaire. Les matériaux concernés sont l'électrolyte BaIn0.3Ti0.7O2.85 (BIT07), de structure perovskite, et les nickelates de terres rares Ln2-xNiO4+ (LnN, Ln = La, Nd, Pr) en tant que cathodes ; ces matériaux ont montré des propriétés prometteuses dans des travaux préliminaires effectués à l'IMN et l'ICMCB. La première partie de cette thèse porte sur la mise en place d'un protocole d'élaboration de cellules complètes utilisant des techniques bas coûts et industrialisables (cellules de taille 3 x 3 cm2) : l’anode Ni / BIT07 a été élaborée par coulage en bande, l'électrolyte BIT07 par vacuum slip casting et les cathodes par sérigraphie. Les mesures électrochimiques réalisées sur une première génération de cellules ont mis en évidence la nécessité d'ajouter une couche barrière de GDC entre les cathodes LnN et l'électrolyte BIT07. Les meilleures performances ont été obtenues pour une cellule BIT07 / Ni | BIT07 | GDC | PrN, avec une densité de puissance à 700°C et 0.7 V de 176 mW cm-2 pour une faible résistance de polarisation de 0. 29 Ω cm2. La principale limitation des performances a été identifiée comme étant la résistance interne du banc de test, donnant lieu à des valeurs de résistances séries anormalement élevées. Cette cellule a été opérée avec succès durant plus de 500 heures sous courant, avec néanmoins une vitesse de dégradation extrapolée élevée de l’ordre de 27% / kh.

This thesis aimed at assessing the potential of a novel cathode / electrolyte couple for IT-SOFC applications (700°C), through the elaboration and testing of planar anode-supported cells. The materials involved were the perovskite-structured BaIn0.3Ti0.7O2.85 (BIT07) electrolyte and the rare earth nickelate Ln2-xNiO4+ (LnN, Ln = La, Nd, Pr) cathodes, both materials having shown promising properties in preliminary work done at the IMN and the ICMCB. The first part of this thesis concerned the implementation of a cell elaboration protocol using low-cost and scalable shaping techniques (cell size 3 x 3 cm2); namely, the Ni / BIT07 anodes were elaborated by tape casting, the BIT07 electrolyte by vacuum slip casting and the cathodes by screen printing. Comparison of electrochemical results for a first and second generation of cells highlighted the usefulness of adding a GDC buffer layer in between the LnN cathodes and the BIT07 electrolyte. The best performance has been obtained for a cell BIT07 / Ni | BIT07 | GDC | PrN, with a power density at 700°C and 0.7 V of 176 mW cm-2 for a competitive polarisation resistance of 0.29 Ω cm2. The main limitation of the performance has been determined to be related to the internal resistance of the test setup, giving anomalously high series resistances. This cell has been successfully operated beyond 500 hours under current, although with a fairly high extrapolated degradation rate of 27% / kh.