Élaboration d'une pile à combustible à oxyde solide basse température à électrolyte bicouche

Elaboration of a low temperature solid oxide fuel cell with a bilayer electrolyte

• Auteur / Autrice : Soukaina Mountadir
• Direction : Rose-Noëlle Vannier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 12/07/2023
• Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UCCS - Unité de Catalyse et Chimie du Solide - Unité de Catalyse et Chimie du Solide - UMR 8181 / UCCS
• Jury : Président / Présidente : Florence Ansart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rose-Noëlle Vannier, Annie Le Gal La Salle, Gilles Caboche, Pascal Briois, Victor Duffort
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Annie Le Gal La Salle, Gilles Caboche

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux

Cathodes

Erbium

Bismuth -- Composés

Piles à combustible à oxyde solide

Électrolytes solides

Mots clés libres

Électrolyte bicouche

Pile à combustible à oxyde solide

Oxyde de bismuth

Cathode composite

Bilayer electrolyte

Solid oxide fuel cell

Bismuth oxide

Composite cathode

Résumé

Les propriétés de conduction de la zircone stabilisée à l’yttrium (YSZ) imposent des températures de fonctionnement supérieures ou égales à 700 °C pour les piles à combustible à oxyde solide (SOFC, Solid Oxyde Fuel Cell en anglais). De très bonnes performances ayant été reportées dans la littérature sur les cellules à électrolytes bicouches à base de cérine dopée au gadolinium (GDC) et d’oxyde de bismuth partiellement substitué à l’erbium, dans cette étude, nous avons repris ce concept dans l’objectif d’élaborer une cellule complète. Dans un premier temps, les conditions de dépôt d'une couche mince (< 5 µm) d’oxyde de bismuth de composition Er0.5Bi1.5O3 (ESB) sur un substrat dense de (GDC) ont été optimisées. L’enduction par centrifugation (Spin Coating en anglais) a été retenue comme technique de dépôt. La composition d’une encre à base d’éthanol a été optimisée et permis l’obtention de couches denses, sans fissure, d’épaisseur contrôlée de quelques microns. Un composite La0.6Sr0.4MnO3/ Er0.5Bi1.5O3 (La0,6/ESB) a été retenu comme matériau de cathode. Après optimisation de ses conditions de dépôt par sérigraphie et caractérisation par spectroscopie d’impédance sur des cellules symétriques constituées d’un électrolyte d’ESB, des cellules complètes ont été préparées par dépôt d’une couche dense d'ESB sur des demi-cellules supportées par une anode avec GDC comme électrolyte, d’une part, et une anode avec YSZ comme électrolyte, d’autre part. Si la fragilité des cellules à base de cérine n’a pas permis de mesurer leurs performances, l’étude confirme des performances accrues pour la cellule Ni-YSZ|YSZ|ESB|ESB-La0,6|La0,6 comparée à la même cellule sans couche ESB

The conduction properties of yttrium-stabilized zirconia (YSZ) require operating temperatures of 700°C or higher for solid oxide fuel cells (SOFC). Very good performances were reported in the literature on bilayer electrolyte cells based on gadolinium-doped ceria (GDC) and bismuth oxide partially substituted with erbium. In this study, we considered this concept in order to develop a full cell. First, the conditions for the deposition of a thin layer (< 5 µm) of bismuth oxide of Er0.5Bi1.5O3 composition (ESB) on a dense substrate of (GDC) were optimised. Spin coating was chosen as the deposition technique. The composition of an ethanol-based ink was optimised and allowed to obtain dense layers, without crack, with a controlled thickness of a few microns. A La0.6Sr0.4MnO3/ Er0.5Bi1.5O3 (La0.6/ESB) composite was selected as cathode material. After optimisation of its deposition conditions by screen printing and characterisation by impedance spectroscopy on symmetrical cells made of an ESB electrolyte, full cells were prepared by deposition of a dense layer of ESB on half-cells supported by an anode with GDC as electrolyte, on the one hand, and an anode with YSZ as electrolyte, on the other hand. While the fragility of the ceria-based cells did not allow their performance to be measured, the study confirmed increased performances for the Ni-YSZ|YSZ|ESB|ESB-La0.6|La0.6 cell compared to the same cell without ESB layer