Interfaces et durabilité d'électrodes avancées pour l'énergie : IT-SOFC et SOEC

Interfaces and durability of advanced electrodes for energy : SOFC and SOEC

• Auteur / Autrice : Jaroslaw Sar
• Direction : Elisabeth Djurado, Maria Amélia Martins Almeida
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 04/11/2014
• Etablissement(s) : Grenoble en cotutelle avec Instituto superior técnico (Lisbonne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (Grenoble ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Joubert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Annabelle Brisse
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rose-Noëlle Vannier, Jean-Paul Viricelle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie d'impédance

Électrochimie

Mots clés libres

PAC

EHT

Durabilité

CGO-LSCF

ESD

Spectroscopie d'impédance

Caractérisations mécaniques

SOFC

SOEC

Durability

CGO-LSCF

ESD

Impedance spectroscopy

Résumé

Interfaces et durabilité des électrodes de pointe pour l'énergie (PAC et EHT)L'objectif de cette thèse concerne l'élaboration, par atomisation électrostatique, d'une électrode à oxygène à architecture innovante, basée sur un composite Ce0.9Gd0.1O1.95 (CGO) - La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF) possédant un gradient de composition ou une composition homogène. Cette électrode a été déposée sur un substrat de zircone yttriée (YSZ = 8 % mol. Y2O3-ZrO2) sur laquelle, a été intercalée au préalable une couche barrière mince et dense de CGO. Cette électrode possède une microstructure innovante, à porosité élevée permettant d'obtenir une grande surface active qui devrait conduire à l'amélioration des performances électrochimiques. Le comportement électrique de l'électrode a été étudié par spectroscopie d'impédance en fonction de la température et sous air. Une description microstructurale détaillée a été effectuée à l'aide d'un modèle de reconstruction 3D obtenu par -MEB équipé d'une sonde ionique focalisée et par nanotomographie X. Ces propriétés microstructurales ont été reliées aux propriétés électriques. Les propriétés mécaniques et tribologiques de cette électrode composite ont été déterminées par des tests du scotch et ultra-microindentation. Finalement, des tests de durabilité ont été effectués sur une électrode de grande taille possédant une surface active de 45 cm2 jusqu'à 800 h à environ 770°C, dans une cellule complète de configurations PAC et fonctionnant respectivement sous H2 et un mélange H2/H2O.

Interfaces and durability of advanced electrodes for energy (IT-SOFC and SOEC)The objective of this PhD thesis is to fabricate advanced oxygen electrode based on Ce0.9Gd0.1O1.95 (CGO) and La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF) with graded and homogeneous composition onto yttria-stabilized zirconia (YSZ = 8 mol. % Y2O3-doped ZrO2) electrolyte using electrostatic spray deposition. A thin and dense layer of CGO was inserted between LSCF and YSZ to serve as a barrier diffusion layer. The novel microstructure with high porosity and large surface area is expected to improve the electrochemical performances. The electrical behavior of the electrode was investigated by impedance spectroscopy versus temperature in air. A detailed microstructural description was performed by 3D reconstructed model from FIB-SEM and X-ray nanotomography and related to electrical properties. The mechanical analysis was performed by scratch and ultramicroindentation tests. Finally, durability tests were performed on the electrode with 45 cm2 oxygen active area, up to 800 h at around 770°C, in full cell SOFC and SOEC configurations operating respectively in H2 and H2/ H2O mixture.