Pile à combustible à céramique protonique : élaboration et caractérisation. Étude de l'électrolyte BaZr0.8Z0.2O3-d par spectroscopie d'impédance électrochimique

Protonic ceramic fuel cell : elaboration and characterization. Investigation of the BaZr0.8Y0.2O3-d electrolyte by electrochemical impedance spectroscopy

• Auteur / Autrice : Mélanie Francois
• Direction : Gilles Caboche, Frédéric Demoisson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie - Physique
• Date : Soutenance le 15/12/2021
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-....)
• Jury : Président / Présidente : Sandrine Garrault-Gauffinet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maria-Paola Carpanese, Sandrine Ricote, Pascal Lenormand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Taillades, Antonio Barbucci

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eau -- Électrolyse

Hydrogène

Électrochimie

Ressources de production d'énergie

Synthèse hydrothermale

Mots clés libres

Pile à combustible à céramique protonique

BaZr0.8Y0.2O3-D

Spectroscopie d'impédance électrochimique

Conductivité

Synthèse hydrothermale

Protonic ceramic fuel cell

BaZr0.8Y0.2O3-D

Electrochemical impedance spectroscopy

Conductivity

Hydrothermal synthesis

Résumé

L'un des défis mondiaux actuels consiste à développer des techniques nouvelles, propres et efficaces pour la production d'énergie. L'utilisation de cellules électrochimiques combinées à l'hydrogène est l'une des solutions. Ces cellules permettent de convertir l'excès d'énergie produit par les moyens conventionnels en hydrogène par électrolyse de l’eau. L'hydrogène peut être stocké et transformé en électricité au besoin par les cellules en mode pile à combustible. Parmi les différentes cellules électrochimiques, les cellules à céramiques protoniques attirent grandement l'attention en raison de leur efficacité élevée à température intermédiaire (400 – 600 °C). De plus, ces systèmes offrent l'avantage de ne pas diluer l’hydrogène produit en mode électrolyse. Ce travail de thèse porte sur le mode pile à combustible des cellules à céramique protonique (PCFC). Le matériau conducteur protonique, BaZr0.8Y0.2O3-δ, a été élaboré par le procédé de synthèse hydrothermal à basse température (400 °C) sous une pression de 300 bars. Deux variantes du procédé ont été utilisées : un système batch et un système continu. En plus de présenter une plus grande productivité (6 g.h-1), le procédé en continu permet l’élaboration d’un matériau de meilleure qualité aussi bien en terme de stabilité et que de conductivité (évaluée par spectroscopie d’impédance électrochimique). Des cellules complètes PCFC ont également été réalisés lors de ce travail. La partie anodique, composée de Ni et BaZr0.8Y0.2O3-δ, a été élaborée par coulage en bande. L’électrolyte (BaZr0.8Y0.2O3-δ) par pulvérisation cathodique réactive. Enfin, la cathode, un composite BaZr0.8Y0.2O3-δ-Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ, a été déposé par pulvérisation au moyen d’un aérographe. Ce procédé de fabrication permet la production de cellules électrochimiques présentant un électrolyte fin (5 µm) et de microstructure colonnaire, ce qui permet d’abaisser la résistance ohmique à 7 Ω .cm-2 à 525 °C.

One of the current global challenges is to find novel, clean and efficient techniques for the energy production. The use of electrochemical cells and hydrogen is one of the solutions. These cells convert the excess energy produced by conventional systems into hydrogen by steam electrolysis. The hydrogen can be stored and transformed into electricity when needed in the fuel cell mode. Among the different electrochemical cells, protonic ceramic electrochemical cells have attracted much attention due to their high efficiency at intermediate temperature (400 – 600 °C). In addition, these systems offer the advantage of not diluting the fuel in electrolysis mode. This thesis work focuses on the electricity production, i.e., on the protonic ceramic fuel cell (PCFC). The protonic conductor material BaZr0.8Y0.2O3-δ was produced at low temperature (400 °C) under a pressure of 300 bar by hydrothermal synthesis. Two variants of the process were evaluated: a batch and a continuous system. In addition to exhibit greater productivity (6 g.h-1), the continuous process allows the elaboration of a better quality material in terms of stability and conductivity (evaluated by electrochemical impedance spectroscopy). PCFCs were also produced during this work. The anode, composed of Ni and BaZr0.8Y0.2O3-δ, was elaborated by tape casting. The electrolyte (BaZr0.8Y0.2O3-δ) by reactive DC sputtering. Finally, the cathode, a BaZr0.8Y0.2O3-δ-Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ ceramic composite, was deposited by spray using an airbrush. This manufacturing process allows the production of an electrochemical cell with a fine electrolyte (5 µm) and a columnar microstructure allowing the ohmic resistance to be lowered to 7 Ω.cm-2 at 525 °C.