Réactivité interfaciale des composés à base de CeO2 dans des dispositifs électrochimiques hybrides fonctionnant à haute température

Interfacial reactivity of CeO2-based materials in hybrid high temperature electrochemical devices

• Auteur / Autrice : André Grishin
• Direction : Armelle Ringuedé, Michel Cassir
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-chimie
• Date : Soutenance le 19/02/2019
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche de chimie Paris - Institut de recherche de chimie Paris
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Interfaces, Electrochimie-Energie (I2E)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure de chimie (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Christel Laberty-Robert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Caroline Pirovano
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Fabrice Mauvy, Gilles Taillades

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réactivité (chimie)

Mots clés libres

Réactivité versus orientation cristalline

Composites oxyde/carbonates fondus

Dépôt par couches atomiques

Couches minces texturées

Piles à combustible haute température

Reactivity versus crystalline orientation

Solid oxide/molten carbonate composite

Atomic layer deposition

Textured thin films

High temperature fuel cells

Résumé

Cette étude a pour objet les piles à combustible à haute température qui se différencient par la nature de l’électrolyte : oxyde solide (SOFC) et carbonates fondus (MCFC). Malgré la maturité actuelle de ces technologies, la dégradation à haute température des matériaux freine un développement à grande échelle. Nous nous sommes essentiellement penchés l’évolution des systèmes SOFC. Ce travail s’intéresse tout d’abord à l’élaboration par dépôt de couches atomiques (ALD) d’oxyde de cérium dopé à l’yttrium (connu pour ses propriétés électrocatalytiques à l’anode) et leur caractérisation électrochimique, afin de mettre en évidence l’influence de leur microstructure sur la réactivité sous atmosphère réductrice d’hydrogène. L’orientation de ces couches a montré une augmentation significative de leur réactivité. Dans un deuxième temps nous avons étudié des électrolytes composites oxyde-carbonates et, plus particulièrement, l’évolution de leur comportement électrique sous différentes conditions expérimentales se rapprochant du fonctionnement des SOFC. Nous avons pu en déduire les mécanismes régissant la conductivité ionique sous atmosphères variées et mis en évidence l’intérêt d’une couche mince entre anode et électrolyte dans une cellule unitaire. Dans les deux cas des résultats très significatifs ont été obtenus permettant d’envisager des systèmes hybrides SOFC/MCFC, incluant des couches minces fortement orientées, compétitifs par rapport aux dispositifs existants.

This study deals with high-temperature fuel cells that differ in the nature of the electrolyte: solid oxide (SOFC) and molten carbonates (MCFC). Despite the current maturity of these technologies, the high temperature degradation of materials slows down large-scale development. We mainly focused on the evolution of SOFC systems. This work investigates first the deposition of atomic layers (ALD) of cerium oxide doped with yttrium (known for its electrocatalytic properties at the anode) and their electrochemical characterization, in order to show the influence of their microstructure on the reactivity under a reducing atmosphere of hydrogen. The orientation of these layers showed a significant increase in their reactivity. In a second time we studied composite electrolytes oxide-carbonates and, more particularly, the evolution of their electrical behavior under different experimental conditions approaching the operation of the SOFC. We have been able to deduce the mechanisms governing the ionic conductivity under various atmospheres and highlighted the interest of a thin layer between anode and electrolyte in a single cell. In both cases, very significant results have been obtained allowing SOFC / MCFC hybrid systems, including highly oriented thin films, to be considered as competitors with existing devices.