Elaboration et caractérisations électrochimiques de cellules SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) fonctionnant sous biogaz

Elaboration and electrochemical characterization of SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) operating on biogas

• Auteur / Autrice : Ariel Kabwaya kongoloja
• Direction : Gilles Caboche, Pascal Briois
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Inscription en doctorat le 02/09/2024
• Etablissement(s) : Dijon, Université Bourgogne Europe
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne

Mots clés

Mots clés libres

Pile à combustible

Biogaz

Catalyseur

Fuel Cell

Biogas

Catalyst

Résumé

Pour faire face aux enjeux climatiques et environnementaux, le développement de moyens de production d'énergie propre n'utilisant pas les énergies fossiles (pétrole, charbon) s'impose. La biomasse, et en particulier le biogaz (mélange de CH4 et de CO2), est amenée à jouer un rôle essentiel dans le mix énergétique de demain. Cependant, son utilisation nécessite généralement des étapes de purification préalables et de séparation du CH4 et du CO2. Les piles à combustible à oxyde solide de type SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) constituent une technologie qui présente l'intérêt de pouvoir utiliser directement le biogaz issu de systèmes de méthanisation à partir de déchets organiques industriels ou agricoles. Le projet ELECTRIVERT se positionne d'une part sur la mise en valeur de l'énergie disponible apportée par la biomasse (en particulier le biogaz), et, d'autre part, sur sa conversion en électricité par un système SOFC. En effet, les SOFCs travaillant à haute température permettent une conversion directe de l'énergie chimique du biogaz en électricité. De plus, elles présentent un certain nombre d'avantages, les SOFCs utilisent le CO2 contenu dans le biogaz pour transformer le méthane en hydrogène qui sera converti en électricité et chaleur. En second lieu, les SOFCs présentent des rendements électriques élevés avec le méthane (jusqu'à 60 %) et la chaleur utilisée sur place (chauffage, eau chaude, etc.) permet d'atteindre un rendement de 85%. Enfin, les SOFCs peuvent aisément être fabriquées en générateurs de petites tailles et très compacts avec des émissions sonores faibles facilitant leur intégration dans les maisons et les petites exploitations. Ce projet de thèse vise deux objectifs principaux : Premièrement établir un état des lieux concernant la production, la valorisation et la distribution de biogaz en Suisse et en France, et en particulier sur le territoire de coopération Interreg CH-FR. Les stratégies politiques respectives des deux pays pourront ainsi être exposées et comparées. Une synthèse du développement des filières sur ces territoires sera effectuée. Ce projet veut ainsi valoriser le biogaz issu de la méthanisation de la biomasse par une conversion électrochimique de cette énergie en électricité verte et chaleur grâce à la pile à combustible SOFC. Ensuite, optimiser les technologies de fabrication des piles à combustible haute température (type SOFC) : élaborer des cellules élémentaires de dimensions variables permettant d'aboutir à la fabrication de stacks prototype de 50 W fonctionnant sous biogaz. Des études de la catalyse du biogaz seront réalisées afin de maximiser les performances des cellules SOFC. La fabrication de stack exigera la mise au point d'interconnecteurs métalliques dont la surface sera fonctionnalisée par des couches de conduction et de protection. Deux voies seront explorées durant le projet : - Le dépôt PVD (Physical Vapour Deposition) de couches ultrafines constituées par exemple de cérium et de cobalt, - Le sprayage semi- automatisé en phase alcoolique ou aqueuse de couches fines constituées d'oxyde de cuivre et de manganèse. Les revêtements à base de spinelle Cu-Mn sans Cr présentant un coefficient de dilatation thermique en accord avec les interconnecteurs métalliques tout en ayant une très haute conductivité électrique. Les performances électrochimiques des stacks seront mesurées sur des bancs de test, l'un en France et l'autre en Suisse afin de valider les résultats et de comparer les performances obtenues en fonction de la conversion de différents biogaz issus de différents sites de production. Le principal résultat sera la fabrication d'un stack de 50 W fonctionnant au biogaz comme démonstrateur du projet. L'objectif de la thèse sera de fabriquer des cellules SOFC capable de fonctionner sous biogaz. L'UB – ICB s'appuiera sur son brevet d'élaboration de cellules élémentaires de dimension.

To face the climate and environmental challenges, the development of clean energy production means not using fossil fuels (oil, coal) is necessary. Biomass, and in particular biogas (a mixture of CH4 and CO2), is set to play an essential role in the energy mix of tomorrow. However, its use generally requires prior purification and separation of CH4 and CO2. Solid oxide fuel cells of the SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) type are a technology which has the advantage of being able to use biogas from methanisation systems directly from organic industrial or agricultural waste. The ELECTRIVERT project focuses on the exploitation of available energy from biomass (in particular biogas) and on its conversion into electricity through a SOFC system. Indeed, SOFCs working at high temperatures allow a direct conversion of the chemical energy from biogas into electricity. In addition, they have a number of advantages, SOFCs use the CO2 contained in biogas to transform methane into hydrogen which will be converted into electricity and heat. Second, SOFCs have high electrical efficiencies with methane (up to 60%) and the heat used on site (heating, hot water, etc.) allows an efficiency of 85%. Finally, SOFCs can be manufactured in small and very compact generators with low noise emissions facilitating their integration into homes and small farms. This thesis project has two main objectives: First, to establish an inventory of the production, exploitation and distribution of biogas in Switzerland and France, and in particular on the territory of Interreg CH-FR cooperation. The respective political strategies of both countries can be presented and compared. A synthesis of the development of the sectors in these territories will be carried out. This project aims to use biogas from the methanisation of biomass by an electrochemical conversion of this energy into green electricity and heat through the SOFC fuel cell. Then, optimize the technologies for manufacturing high temperature fuel cells (SOFC type): develop elementary cells of variable dimensions to produce 50 W prototype biogas stacks. Biogas catalysis studies will be conducted to maximize the performance of SOFC cells. The manufacture of stacks will require the development of metallic interconnectors whose surface will be functionalized by conduction and protection layers. Two routes will be explored during the project: - PVD (Physical Vapour Deposition) of ultra-thin layers made up for example of cerium and cobalt, - Semi-automated spraying in the alcoholic or aqueous phase of thin layers made of copper oxide and manganese. The coatings based on spinel Cu-Mn without Cr having a coefficient of thermal expansion in agreement with the metallic interconnectors while having a very high electrical conductivity. The electrochemical performance of the stacks will be measured on test benches, one in France and the other in Switzerland to validate the results and compare the performances obtained as a function of the conversion of different biogas from different production sites. The main result will be the manufacture of a 50 W biogas stack as a demonstrator for the project. The objective of this thesis will be to manufacture SOFC cells capable of operating under biogas. The UB – ICB will rely on its patent for developing size elementary cells.