Développement de nouvelles architectures de piles à combustible SOFC tout cérine pour un fonctionnement à température réduite

Development of new shaping designs for SOFC working at low temperature, based on ceria materials

• Auteur / Autrice : Laura Guesnet
• Direction : Jean-Marc Bassat, Pierre-Marie Geffroy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 04/12/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux
• 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 : Jean-Marc Bassat, Pierre-Marie Geffroy, Mario Maglione, Marlu César Steil, Gilles Taillades, Julien Vulliet, Thierry Chartier, Thierry Le Mercier, Jean-Claude Grenier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marlu César Steil, Gilles Taillades

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrodes

Cérium -- Composés

Piles à combustible à oxyde solide

Mots clés libres

Sofc - soec

Cérine dopée

Électrodes (oxygène/hydrogène)

Méthodes de mise en forme (coulage en bande/sérigraphie/infiltration)

Sofc-Soec

Doped ceria materials

Electrodes (oxygen/hydrogen)

Shaping methods (tape-Casting/screen-Printing/infiltration)

SOC

Résumé

En employant de nouvelles architectures de cellules à oxyde solide (SOC - Solid Oxide Cells), il est possible d’en réduire la température de fonctionnement. L’objectif de cette thèse a donc été d’élaborer des mises en forme innovantes afin de diminuer le nombre d’étapes nécessaires à la fabrication de la cellule, permettant aussi d’en diminuer le coût : l’élaboration d’un support poreux/dense/poreux tout coulage en bande puis infiltration de catalyseurs pour l’obtention des électrodes est le procédé retenu. Le support poreux/dense/poreux a été exclusivement préparé à base de GDC10 (Ce0,9Gd0,1O2-δ) pour éviter les problèmes de réactivité entre les différentes couches. Au cours de cette thèse, deux méthodes de mises en forme ont été utilisées successivement: pressage/sérigraphie/infiltration (1) puis coulage en bande/infiltration (2). Dans chacun des cas, les paramètres de mises en forme ont été optimisés dans le but d’obtenir les meilleures performances électrochimiques. La méthode de mise à forme (1) a déjà fait l’objet d’une partie de thèse à l’ICMCB côté oxygène, mais elle a été perfectionnée côté hydrogène : couche de collectage, nature du catalyseur (NiO, CuO, cérine dopée yttrium), taux d’infiltration. Pour diminuer le nombre de cycles nécessaires et améliorer la qualité de l’imprégnation, une nouvelle technique a été employée : l’infiltration par voie supercritique. Dans le cas de la mise en forme (2), les paramètres propres à l’élaboration de la suspension (nature des additifs, nature des billes/jarre employées) et à celle des supports poreux/dense/poreux (cycles de déliantage/frittage) ont permis d’obtenir des résistances de polarisation très proches de celles obtenues grâce à la mise en forme (1), en dépit de résistances séries encore élevées sans doute en lien avec de pollutions résiduelles carbonées. Les paramètres finalement retenus sont : un dispersant de type ester phosphorique, 90% de graphite ajouté pour réaliser les squelettes poreux, un déliantage conduit à 800°C/6h sous O2 humide, et un frittage de l’ensemble à 1450°C/3h.

When involving new solid oxide cells (SOCs) architectures, it’s possible to reduce their operating temperature. The objective of this thesis was therefore to develop innovative shaping processes in order to reduce the cell manufacturing steps number, also allowing to reduce their cost : the preparation of a porous/dense/porous support by tape-casting, then the infiltration of catalysts to obtain the electrodes was the chosen process. The porous/dense/porous support was only prepared with GDC10 (Ce0.9Gd0.1O2-δ) to avoid chemical reactivity issues between the various layers. During this thesis, two shaping methods were successively used: pressing/screen-printing/infiltration (1) then tape-casting/infiltration (2). In each case, the shaping parameters have been optimized in order to obtain the best electrochemical performances. The shaping method (1) was already part of a thesis topic at ICMCB regarding the oxygen side of the SOC, but it has been here improved regardin the hydrogen side: the collecting layer, the catalyst nature (NiO, CuO, yttrium doped ceria), infiltration rate. To reduce the number of required cycles and improve the impregnation quality, a new technique was used: the infiltration in supercritical medium. In the case of shaping (2), the specific parameters of the i) suspension preparation (additives nature, nature of the used balls/jar) and of the ii) porous/dense/ porous supports (debinding/sintering cycles) have made it possible to obtain polarization resistances very close to those obtained by shaping (1), despite slightly higher series resistances, probably in linkto some remaining carbon pollution. The parameters finally retained are: a phosphoric ester type dispersant, 90% of graphite added to shape the porous skeletons, a debinding performed at 800°C/6h under wet O2, and a whole sintering at 1450°C/3h.