Recyclage des électrolyseurs ou des piles à combustible à oxydes solides fonctionnant à haute température et valorisation des déchets

Recycling of high temperature solid oxide electrolyzers or fuel cells and recovery of waste materials

• Auteur / Autrice : Gudaysew Tsegaye Yenesew
• Direction : Olivier Joubert, Annie Le Gal La Salle, Éric Quarez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Nantes Université
• 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 : Aurélie Rolle
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Marc Bassat, Armelle Ringuedé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piles électriques -- Recyclage

Lixiviation

Électrolyseurs

Piles à combustible

Mots clés libres

Oxydes solides

Séparation de phase

Solid oxides

Phase separation

Résumé

La décarbonation de la production d'hydrogène est l'enjeu majeur actuel pour réduire les émissions de CO₂ dans les transports et les bâtiments autonomes équipés d'une pile à combustible et l'industrie. L'hydrogène vert peut être produit par le procédé d'électrolyse, en utilisant de l'électricité décarbonée. L'électrolyseur et les piles à combustible à oxydes solides (SOEC et SOFC) fonctionnant à haute température et basés sur des matériaux céramiques ont des rendements électriques les plus élevés parmi les convertisseurs électrochimiques. Cependant, l'adoption massive attendue de ces systèmes se heurte au défi du recyclage et de la réutilisation des déchets de matériaux céramiques.Dans ce travail, nous proposons des stratégies efficaces concernant le recyclage des électrodes et de l'électrolyte : YₓZr₁₋ₓO₂, NiO et La₁₋ₓSrₓCoO₃. Un processus en plusieurs étapes impliquant le concassage et le broyage, la lixiviation assistée par acide et la précipitation des constituants a été réalisé.Après le recyclage, les matériaux récupérés ont été soigneusement caractérisés en termes de propriétés structurales et morphologiques, de conductivité et de pureté chimique. Ce procédé de recyclage rentable et directement applicable au niveau industriel pourrait ouvrir de nouvelles perspectives pour l'utilisation de ces matériaux récupérés dans le retraitement des SOEC/SOFC. Le potentiel économique et environnemental est évalué, soulignant les avantages significatifs du recyclage par rapport à l'utilisation de ressources minérales primaires.

Decarbonizing hydrogen production is the actual major issue to reduce CO₂ emissions in transport, autonomous buildings equipped with a fuel cell and industries. Green hydrogen can be produced by the electrolysis process, using decarbonized electricity. High temperature solid oxide electrolysis (SOEC) and Fuel Cell (SOFC) based on ceramic materials have the highest electrical efficiency among electrochemical converters. However, the expected massive adoption of these systems faces the challenge of recycling and reuse ceramic materials waste. In this work, we propose effective strategies concerning electrodes and electrolyte recycling: YₓZr₁₋ₓO₂, NiO et La₁₋ₓSrₓCoO₃. A multi-step process involving crushing and grinding, acid-assisted leaching and precipitation of the constituents was performed. After recycling, the recovered materials were carefully characterized in terms of structural and morphological properties, conductivity and chemical purity. This cost-effective recycling process that can be directly applied at the industrial level could open new perspectives for the use of these recovered materials in SOEC/SOFC reprocessing. The economic and environmental potential is evaluated, highlighting the significant advantages of recycling over using the primary product.