Thèse en cours

Elaboration d'une pile à combustible à oxyde solide basse température

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Auteur / Autrice : Ikram El-otmani
Direction : Rose-Noëlle VannierPascal Briois
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : Chimie des materiaux - UCCS
Date : Inscription en doctorat le 01/06/2024
Etablissement(s) : Centrale Lille Institut
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UCCS - Unité de Catalyse et Chimie du Solide
Equipe de recherche : MISSP

Résumé

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Parmi les différents types de pile à combustible qui existent, les piles à combustible à oxyde solide présentent l'avantage de pouvoir fonctionner avec des combustibles variés. Leur principe de fonctionnement repose sur une céramique purement conductrice par ions oxyde, le plus souvent de la zircone stabilisée à l'yttrium, qui sépare deux atmosphères : l'une contenant de l'air comme comburant, l'autre un combustible, de l'hydrogène ou un hydrocarbure. Pour atteindre des niveaux de conductivités suffisants, ces dispositifs fonctionnent en général à des températures supérieures à 700°C. L'objectif du projet FLEXISOC dans lequel s'intègre cette thèse [1] est de mettre au point une cellule complète à la fois robuste et flexible vis-à-vis du combustible, et fonctionnant à relativement basse température (600°C). Les travaux menés à l'UCCS et à FEMTO-ST permettent d'envisager un abaissement des températures de fonctionnement autour de 600°C en utilisant des électrolytes fins de cérine stabilisée grâce à l'ajout d'une couche barrière qui bloque la conduction électronique de la cérine. Ils s'inspirent des travaux de Wachsman [2] qui décrit la possibilité d'abaisser ces températures de fonctionnement à 350°C en utilisant des électrolytes bi-couches constituées d'un électrolyte à base d'oxydes de bismuth et d'erbium (ESB), associé à une couche protectrice de cérine dopée au gadolinium (GDC). Une puissance de 2 W.cm-2 est ainsi obtenue à 650°C et l'optimisation des matériaux en termes d'épaisseur et de composition laisse espérer une puissance de 3,5 W.cm-2 à 700°C qui est largement supérieure à l'état de l'art actuel [3]. L'objectif de cette thèse est l'élaboration d'une cellule innovante avec un électrolyte bi-couche ESB/GDC ou ESB/YSZ. Les travaux porteront essentiellement sur l'élaboration de l'électrolyte et l'optimisation de matériaux d'électrode à air. Il sera fait appel principalement à deux techniques de dépôts : le spin coating à l'UCCS et la pulvérisation cathodique magnétron à FEMTO-ST. Les performances des cellules seront caractérisées par spectroscopie d'impédance, des tests de performances en cellule complète seront également réalisés. [1] https://www.pepr-hydrogene.fr/projets/flexisoc/ [2] Lowering the Temperature of Solid Oxide Fuel Cells, E.D. Wachsman, K.T. Lee, Science 334 (2011) 935 [3] Low-temperature solid-oxide fuel cells, E.D. Wachsman, T. Ishihara, J.A. Kilner, MRS Bulletin 39 (2014) 773