Modeling and development of new materials for fuel cells solid electrolyte

par Yangzhou Ma

Thèse de doctorat en Matériaux

Sous la direction de Nour-Eddine Fenineche et de Omar El-Kedim.

Soutenue le 26-03-2016

à Belfort-Montbéliard , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; Dijon ; Belfort) , en partenariat avec IRTES. LERMPS (laboratoire) , Laboratoire Mécatronique - Méthodes- Modèles et Métiers / IRTES - M3M (laboratoire) , Université de technologie de Belfort-Montbéliard (Etablissement de préparation) , FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) (laboratoire) et de Institut Fuel Cell Lab (Belfort) (laboratoire) .

Le président du jury était Salim-Mourad Cherif.

Le jury était composé de Hanlin Liao.

Les rapporteurs étaient Ghislaine Bertrand, Sofiane Guessasma.

  • Titre traduit

    Développement et modélisation de nouveaux matériaux pour piles à combustibles à électrolyte solide


  • Résumé

    Les piles à combustibles à électrolyte solide de type SOFC permettent de transformer directement l’énergie de la réaction chimique de formation de l’eau à partir de l’hydrogène et de l’oxygène, en énergie électrique. De nos jours, les apatites de type silicates de terres rares présentent beaucoup d’intérêt comme électrolyte solide en raison de leurs propriétés de transport élevées avec une forte conductivité ionique et une faible énergie d'activation. Ils peuvent fonctionner de manière stable à une température intermédiaire sur une large plage de pression partielle d'oxygène en maintenant d'excellentes performances. Ils sont ainsi considérés comme de bons candidats pour les électrolytes de piles de type IT-SOFC. Parmi cette série de conducteurs, le type La-Si-O possède une conductivité plus élevée et leur performance serait modifiée par différents éléments dopants.L'objectif de cette thèse est d'étudier les effets des éléments de substitution / dopage ainsi que les méthodes de synthèse sur les propriétés structurales ainsi que sur la conductivité des apatites de type silicates de lanthane. Dans cette étude, nous utilisons une double approche: une approche de simulation et une approche expérimentale pour optimiser la pureté et les performances des matériaux d'électrolyte.Dans l'approche de simulation, le calcul basé sur la DFT (Théorie de la fonctionnelle de la densité) a été réalisée en vue d’étudier l'effet des positions de dopage: dopant Sr à La position de La et dopant Ge à la position de Si. Les résultats obtenus par le calcul concernant la conductivité ionique confirment ceux obtenus par l’expérience.Avec l’approche expérimentale, nous présentons la synthèse et la caractérisation de La10Si6O27 (LSO) dopé par Sr et élaboré par des procédés sol-gel. Les résultats montrent que la conductivité ionique est activé thermiquement et que les valeurs se situent entre 4,5 × 10-2 et 1 x 10-6 S·cm-1 à 873 K et dépend des conditions d’élaboration et de la composition de la poudre.


  • Résumé

    The Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) defined by its ceramic and oxide electrolyte, is an electrochemical energy conversion device that produces electricity directly from the chemical reaction of fuel. Nowadays, apatite type rare earths silicates and germaniums attract many interests as the solid electrolyte due to the superior transport properties with high ionic conductivity and low activation energy. They can operate stably at intermediate temperature over a wide oxygen partial pressure range and maintain excellent performances, being considered as a candidate for IT-SOFC electrolytes. Among this series of conductors, the La-Si-O type has a higher conductivity and the performance would be modified by different doping elements.The objective of this thesis is to study the effects of element substitution/doping and synthesis methods on the structural and conductivity properties of apatite type lanthanum silicates. In this study, we use a double approach: a simulation approach and an experimental approach to optimize the electrolyte materials purity and performance.Using simulation approach, a first principle calculation based on DFT (Density Functional Theory) was carried out to investigate the effect on doping positions: Sr dopant at La position and Ge dopant at Si position. The calculation results give a connection to the ionic conductivity obtained by experiments.With experimental approach, we present the synthesis and characterization of Sr-doped La10Si6O27 (LSO) prepared through an optimized water-based sol-gel process. The results show that the ionic conductivity is thermally activated and values lies between 4.5×10-2 and 1×10-6 Scm-1 at 873 K as a function of the composition and powder preparation conditions.


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