Réalisation et optimisation d'électrolytes et d'anodes pour piles à combustible à oxyde solide fonctionnant à température intermédiaire

par Thibaud Delahaye

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux. Physicochimie du solide

Sous la direction de Yves Piffard et de Olivier Joubert.

Soutenue en 2006

à Nantes , dans le cadre de École doctorale chimie biologie (Nantes) , en partenariat avec Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques (autre partenaire) .

mots clés

• Piles à combustible à oxyde solide
• Pérovskites
• Gaz naturel

Résumé

Cette thèse montre la faisabilité de cellules de pile à combustible à oxyde solide, à l'échelle du laboratoire à partir de matériaux innovants. L'électrolyte développé est l'oxyde Baln0. 3Ti 0. 7O2. 85 dont la conductivité anionique atteint ~10-2 S. Cm-1 à 700°C. Ce matériau est densifiable en température (94 % à 1350°C) et montre une bonne stabilité dans les conditions de fonctionnement. Une part importante des travaux porte sur le matériau d'anode : le cermet Ni/BaIn0,3Ti0. 7O2,85 Ce composite présente une porosité contrôlée ouverte ≥40 % et une conductivité électronique à 700°C de 100 S. Cm-1 pour un faible taux volumique de nickel (18,7%). Dans le cadre du développpement d'anodes pour une utilisation directe sous gaz naturel, un traitement spécifique a permis d'obtenir des cermets résistant au dépôt de carbone. Les techniques de mise en forme par spray pyrolyse, co-pressage et co-frittage ont été utilisées pour préparer des cellules complètes. Un banc d'essais a été conçu et mis au point, permettant d'évaluer les performances de ces cellules à 700°C sous H2 et CH4.

Titre traduit

Development of electrolyte and anode materials for solid oxide fuel cells working at intermediate temperature

Résumé

This thesis shows the feasibility at the laboratory scale, of Solid Oxide Fuel Cells with the use of new materials. The new electrolyte, BaIn0. 3Ti0. 7O2. 85, exhibits an anionic mobility close to10-2 S. Cm-1at 700°C. This compound can be sintered efficiently (94% at 1350°C) and shows a good stability under operating conditions. A main part of this research is devoted to the anode material prepared as a Ni/BaIn0. 3 Ti0. 7O2. 85 cermet. This composite shows a controlled open porosity ≥ 40% and an electronic conductivity of 100 S. Cm-1 at 700°C for a Ni content of 18. 7 vol. % only. As part of the devopment of anodes working under natural gas, a specific treatment leads to stable cermets which do not suffer from carbon deposition. Complete cells have been prepared with the use of spray-pyrolysis, co-pressing and co-sintering techniques. A testing system has been designed and set up, which enabled to evaluate cell performances at 700°c under H2 et CH4.