Nouvelles phases oxydes céramiques conductrices anionique et protonique pour pile à combustible

par Samuel Noirault

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux. Physicochimie du solide

Sous la direction de Yves Piffard et de Olivier Joubert.

Soutenue en 2008

à Nantes .


  • Résumé

    Au cours d’une recherche prospective d’électrolytes de piles à combustible de type SOFC et PCFC, les oxyborates Ln26O27(BO3)8 (Ln=La, Nd) et des dérivés de Ba2In2O5 obtenus par substitution cationique, ont été caractérisés. Leur réaction avec la vapeur d’eau en température a été analysée et ses effets sur les caractéristiques structurales et la conductivité ionique ont été étudiés. Les structures des phases Ln26O27(BO3)8 et Ln26O26(OH)2(BO3)8 (Ln=La, Nd) ont été déterminées par diffraction X sur monocristal. Ces oxyborates constituent un exemple inusuel de matériaux lacunaires en oxygène, de basse symétrie, ayant une bonne conductivité protonique sous air humide. L’analyse thermodynamique de l’hydratation des phases (Ba1-xLax)2In2O5+x-n1-x-n(OH)2n (0≤x<0,6) montre que leur stabilité croît quand x décroît. Sous air humide une contribution protonique à la conductivité totale est mise en évidence pour toutes les compositions. Les phases Ba2(In1-xMx)2O5 et Ba2(In1-xMx)2O4(OH)2 (M=Sc, Y) ont été préparées jusqu’à x=0,5 (M=Sc) et x=0,35 (M=Y). La miscibilité entre Ba2In2O5 et les phases BaMO3 (M=Ce, Ti et Zr) est complète et les phases Ba2(In1-xMx)2O4+2x(OH)2(1-x) sont obtenues quel que soit x. Les phases anhydres sont de bons conducteurs par ions oxydes (σ>10-2 S. Cm-1 à 700°C pour les phases Ba2(In1-xScx)2O5) et sous air humide des niveaux élevés de conductivité protonique ont été mesurés à T<400°C. Compte tenu des performances supérieures ou égales à celles des matériaux standards, l’applicabilité de ces phases comme électrolyte de pile à combustible à oxydes solides, fonctionnant sous gaz naturel, a été évaluée en examinant leur réactivité à l’égard de CO2

  • Titre traduit

    New anionic and proton conductors for ceramic oxide fuel cells


  • Résumé

    In the course of a prospective study devoted to electrolytes for SOFC and PCFC, the oxyborates Ln26O27(BO3)8 (Ln=La, Nd) and derivatives of Ba2In2O5 obtained by cationic substitution, have been characterized. Their reaction with water vapor on heating was analyzed and its effects on the structure and ionic conductivity were studied. The structure of Ln26O27(BO3)8 and Ln26O26(OH)2(BO3)8 (Ln=La, Nd) phases have been determined from single crystal data. These oxyborates are unusual examples of oxygen-deficient materials, with a structure of low symmetry, exhibiting fast proton conduction in wet air. A thermodynamic analysis of the hydration process of (Ba1-xLax)2In2O5+x-n1-x-n(OH)2n (0≤x<0. 6) phases shows that their stability increases when x decreases. Under wet air a protonic contribution to the total conductivity is evidenced for all compositions. Ba2(In1-xMx)2O5 and Ba2(In1-xMx)2O4(OH)2 (M=Sc, Y) phases were prepared up to x=0. 5 (M=Sc) and x=0. 35 (M=Y). A complete miscibility of Ba2In2O5 and BaMO3 (M = Ce, Ti et Zr) phases was observed and Ba2(In1-xMx)2O4+2x(OH)2(1-x) phases were obtained for all x values. The anhydrous phases are good oxygen ion conductors (σ>10-2 S. Cm-1 at 700°C for Ba2(In1-xScx)2O5 phases) and a high level of proton conduction was measured at T<400°C under wet air. On account of equivalent or even better performances compared to standard materials a possible use of such phases as an electrolyte for fuel cells operated under natural was evaluated by measuring their reactivity with CO2

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Informations

  • Détails : 1 vol. (174 f.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : 201 références bibliogr.

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  • Bibliothèque : Université de Nantes. Service commun de la documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2008 NANT 2053
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