Pile à combustible à céramique conductrice protonique : élaboration et caractérisations physico-chimiques et électrochimiques des matériaux et optimisation de la mise en forme par le procédé de densification à basse température CSP

Protonic conducting ceramic fuel cell : elaboration and physico-chemical and electrochemical characterizations of materials and optimization of shaping by the low temperature CSP densification process

• Auteur / Autrice : Kawther Thabet
• Direction : Annie Le Gal La Salle, Olivier Joubert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 23/02/2021
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Florent Boucher
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cristina Iojoiu, Pierre-Marie Geffroy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Catherine Elissalde, Julian Dailly

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie d'impédance

Matériaux céramiques

Piles à combustible

Mots clés libres

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Résumé

Cette étude présente l’élaboration de matériaux constituant les piles à combustible à céramiques conductrice protonique (PCFC) opérant dans le domaine de température 400-700°C. L’électrolyte est BaCe0.8Zr0.1Y0.1O3-δ (BCZY), l'anode est le cermet Ni-BCZY et la cathode est Pr2NiO4+δ. Des poudres pures de ces composés ont été synthétisées par auto combustion selon le procédé glycine-nitrate et leur microstructure a été caractérisée finement. La spectroscopie d'impédances complexes a permis d'obtenir la résistance de chaque contribution. La technique de densification à basse température (CSP) a été appliquée pour la première fois au composé réfractaire BCZY et a permis d'obtenir 95% de compacité à 1200°C et une conductivité de 4.10-2 S.cm-1 à 700°C, supérieure à celle de BCZY obtenue sans CSP à 1400°C. Cette amélioration a été reliée aux aspects microstructuraux. Des cellules symétriques anodiques et cathodiques ont été mise en forme par co-pressage co-frittage en utilisant la technique CSP et par sérigraphie. La microstructure des électrodes a été optimisée afin d’obtenir les meilleures résistances de polarisation: 0,003 Ω.cm² pour l'anode et 0,068 Ω.cm² pour la cathode à 700°C.

This work presents the development of materials constituting Protonic Ceramic Fuel Cell (PCFC) operating in the temperature range 400-700°C. The electrolyte is BaCe0.8Zr0.1Y0.1O3-δ (BCZY), the anode is a cermet Ni-BCZY and the cathode is Pr2NiO4+δ. Pure powders of these compounds have been synthesized by self-combustion according to the glycine-nitrate process and their microstructure has been finely characterized. Electrochemical impedance spectroscopy allows to obtain the resistance of each contribution. The low temperature densification process CSP (Cold Sintering Process) was successfully applied to the refractory BCZY compound allowing 95% of relative density at 1200°C and a conductivity level of 4.10-2 S.cm-1 at 700°C, higher than that of the same material without CSP and sintered at 1400°C. It has been shown that this improvement is mainly due to microstructural aspects. Symmetrical anode and cathode cells were realized by co-pressing co-sintering method using the CSP and also screen printing techniques. The microstructure of the electrodes has been optimized to obtain the best polarization resistances: 0.003 Ω.cm² for anode and 0.068 Ω.cm² for cathode at 700°C.