Etude de surface d'électrodes Ni-cermet dans des conditions d'électrolyse à vapeur à température intermédiaire

Surface study of Ni-cermet electrodes under intermediate temperature steam electrolysis conditions

• Auteur / Autrice : Basma Mewafy
• Direction : Spyridon Zafeiratos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 05/11/2019
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques (Strasbourg ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie et Procédés pour l'Energie, l'Environnement et la Santé (Strasbourg ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Elena R. Savinova
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Spyridon Zafeiratos, Elena R. Savinova, Christian-Laurent Piccolo, Dimitrios Tsiplakides, Corinne Petit, Jean-Jacques Gallet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian-Laurent Piccolo, Dimitrios Tsiplakides

Mots clés

Mots clés contrôlés

Catalyseurs au nickel

Gadolinium

Oxydes de cérium

Électrodes métal-oxyde

Électrochimie

Eau -- Électrolyse

Mots clés libres

Électrolyse de l'eau

Nickel sur de l’oxyde de cérium dopé au gadolinium

Dégradation

Cellules d'électrolyse à oxyde solide (SOEC)

NAP-XPS

NEXAFS

Nanoparticules de cérium dopées au nickel

Water electrolysis

Nickel-doped ceria

Degradation

Solid Oxide Electrolysis Cells (SOEC)

NAP-XPS

NEXAFS

Nickel ceria nanoparticles

Résumé

Les cellules d'électrolyse à oxyde solide (SOEC) sont des dispositifs électrochimiques à haute température dans lesquels l'eau se dissocie en hydrogène et en oxygène sous un potentiel appliqué. La technologie SOEC offre un potentiel énorme pour la production future massive d’hydrogène et montre une grande dynamique pour devenir compétitive sur le plan commercial par rapport à d’autres technologies d’électrolyse (par exemple, l’électrolyse à membrane polymère ou alcaline), mieux établies mais plus coûteuses et moins efficaces. Ceci est principalement dû au fait que l'augmentation de la température de fonctionnement permet de réduire considérablement la demande en énergie électrique, ce qui permet des rendements de conversion d'énergie électrique à chimique élevés. À la baisse, les dispositifs des pays de l’Europe centrale et orientale jusqu’à présent ne sont toujours pas viables commercialement, principalement en raison de la difficulté à trouver des matériaux qui répondent aux exigences de haute performance et de durabilité aux températures de fonctionnement élevées. L'objectif général de cette thèse est de traiter les deux inconvénients majeurs qui entravent la pénétration de la technologie SOEC sur le marché de l'énergie, à savoir les taux de dégradation élevés et le coût des équipements. La dégradation de la voltage au cours du vieillissement de la cellule est l’indicateur de performance qui se traduit par une augmentation du overpotential qu’il faut appliquer à une cellule d’électrolyse afin de maintenir une production constante d’hydrogène.

Solid Oxide Electrolysis Cells (SOEC) are high temperature electrochemical devices where water dissociates to hydrogen and oxygen under an applied potential. SOEC technology has a huge potential for future mass production of hydrogen and shows great dynamics to become commercially competitive against other electrolysis technologies (e.g. alkaline or polymer membrane electrolysis), which are better established but more expensive and less efficient. This is mainly due to the fact that by increasing the operating temperature the demand in electrical energy is significantly reduced, allowing high electrical-to-chemical energy conversion efficiencies. On the downside, up to now SOECs devices are still not commercially viable mainly due to the difficulty to find materials that fulfill the high-performance and durability requirements at high operating temperatures. The general objective of this thesis is to deal with the two major drawbacks that hamper the penetration of SOEC technology in the energy market, namely high degradation rates and device cost. Voltage degradation during the ageing of the cell is the performance indicator which is translated in an increase on the overpotential that has to be applied to an electrolysis cell in order to maintain constant hydrogen production.