Dissertations / Theses on the topic 'Piles à oxydes solides (SOC)'
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Marinha, Daniel. "Nouvelles électrodes à architecture contrôlée pour piles à combustible à oxydes solides fonctionnant à température intermédiaire." Grenoble INPG, 2010. http://www.theses.fr/2010INPG0110.
Full textAbstract:
L’objectif de cette thèse concerne l’élaboration et les caractérisations structurales, morphologiques et électrochimiques de cathodes à microstructure contrôlée entrant dans le domaine des piles à combustible à oxydes solides de technologie planaire. Le but est de diminuer la surtension cathodique de l’électrode en facilitant l’accès des gaz et en maximisant le nombre de sites réactionnels. Pour cela, l’optimisation de la microstructure de la cathode, le ferro-cobaltite de lanthane dopé, La0. 6Sr0. 4Co0. 2Fe0. 8O3-8 (LSCF), déposé sur cérine gadoliniée (CGO) a été effectuée. Nous avons choisi d’utiliser une méthode originale de dépôt des couches LSCF sur CGO, le procédé d’atomisation électrostatique qui permet d’obtenir des microstructures originales intéressantes pour les films cathodiques des piles à combustible à oxydes solides. La performance des couches de LSCF a été caractérisée en détail par spectroscopie d’impédance en fonction de la température et de la pression partielle d’oxygèneThe goal of this thesis regards the preparation, microstructural and electrochemical characterization of tailored cathodes for intermediate temperature solid oxide fuel cells in planar configuration. The objective is to decrease the cathode overpotential by facilitating the access of oxygen to larger surface areas, thus increasing the active cathode volume. In this sence, the microstructural optimization of a La0. 6Sr0. 4Co0. 2Fe0. 8O3-8 (LSCF) cathode, deposited onto gadolinia-doped ceria (CGO) electrolytes has been investigated. For film deposition, we have chosen to work with electrostatic spray deposition technique (ESD) which allows the preparation of original microstructures with potential interest for SOFC technologies. The performance of the LSCF films was characterized in detail by means of impedance spectroscopy measurements, as a function of temperature and oxygen partial pressure
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Sanseau, Olivier. "Elaboration et étude d'éléments pour piles à combustible à oxydes solides." Paris, ENMP, 2002. http://www.theses.fr/2002ENMP1126.
Full text
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Monaco, Federico. "Analyse de la dégradation des cellules à oxydes solides fonctionnant en mode pile à combustibles et électrolyse : évolution microstructurale et stabilité des matériaux d'électrodes." Thesis, Université Grenoble Alpes, 2020. http://www.theses.fr/2020GRALI034.
Full textAbstract:
Ce travail a été dédié à l’étude de la dégradation des piles à oxyde solide fonctionnant en mode électrolyse et pile à combustibles. Une approche intégrée couplant (i) des caractérisations électrochimiques, (ii) des analyses post-test avancées et (iii) une modélisation multi-échelle a été adoptée. Des tests de longue durée ont été menés avec des cellules standards (Ni YSZ/YSZ/GDC/LSCF) pour évaluer la dégradation des performances en fonction des conditions de fonctionnement. Des échantillons, extraits de cellules initiales et après test, ont été finement caractérisés pour déterminer les évolutions microstructurales et physico-chimiques des deux électrodes en fonctionnement. En outre, des modèles de cinétiques élémentaires ont été développés et validés expérimentalement pour l’électrode à hydrogène (cermet Ni-YSZ) et pour l’électrode à oxygène (LSCF/LSCF-GDC) avant d’être intégrés dans un modèle de cellule à l'échelle macroscopique. L'outil numérique multi-échelle a été utilisé pour étudier les mécanismes sous-jacents contrôlant les phénomènes de dégradation. Par ailleurs, leurs effets sur les performances de la cellule en fonction des conditions de fonctionnement ont été évalués et discutés grâce au modèle. Sur la base des résultats présentés dans ce travail, il a été confirmé que la dégradation des SOCs est nettement plus importante en mode électrolyse par rapport à un fonctionnement en pile à combustibles fonctionnant sous H2. Cette différence peut être attribuée d’une part, à l'effet des surtensions cathodiques sur l'instabilité du nickel dans l’électrode à hydrogène. D’autre part, il a été observé et démontré que la déstabilisation du LSCF est favorisée sous fort courant anodique à haute températureThis work was dedicated to the analysis of the degradation of solid oxide cells operated in electrolysis and fuel cell modes. A threefold methodology has been applied by coupling (i) electrochemical tests, (ii) advanced post-test analyses and (iii) multi-scale modeling. Long-term durability experiments have been carried out on standard cells (Ni-YSZ/YSZ/GDC/LSCF) to investigate the performance loss as a function of the operating conditions. Specimens, which have been extracted from the pristine and aged samples, have been characterized to evaluate the microstructural and physico-chemical evolutions occurring at the two electrodes. In parallel, detailed micro-kinetic models for the hydrogen electrode (Ni-YSZ cermet) and for the oxygen electrode (LSCF/LSCF-GDC) have been developed and experimentally validated before being integrated into a macro-scale model for the complete cell. The multi-scale numerical tool has been used to propose a better understanding of the underlying forces driving the degradation. Moreover, the impact on the cell performances has been simulated and discussed as a function of the operating conditions. Based on the results presented in this work, it has been confirmed that the degradation of SOCs is significantly larger in electrolysis mode with respect to fuel cell operation under H2. On the one hand, it has been shown that the difference in durability behavior can be ascribed to the effect of the cathodic overpotential on the nickel instability in the hydrogen electrode. On the other hand, it has been observed and demonstrated that the destabilization of the LSCF is favored by both the anodic current and the high operating temperature
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Guesnet, Laura. "Développement de nouvelles architectures de piles à combustible SOFC tout cérine pour un fonctionnement à température réduite." Thesis, Bordeaux, 2020. http://www.theses.fr/2020BORD0218.
Full textAbstract:
En employant de nouvelles architectures de cellules à oxyde solide (SOC - Solid Oxide Cells), il est possible d’en réduire la température de fonctionnement. L’objectif de cette thèse a donc été d’élaborer des mises en forme innovantes afin de diminuer le nombre d’étapes nécessaires à la fabrication de la cellule, permettant aussi d’en diminuer le coût : l’élaboration d’un support poreux/dense/poreux tout coulage en bande puis infiltration de catalyseurs pour l’obtention des électrodes est le procédé retenu. Le support poreux/dense/poreux a été exclusivement préparé à base de GDC10 (Ce0,9Gd0,1O2-δ) pour éviter les problèmes de réactivité entre les différentes couches. Au cours de cette thèse, deux méthodes de mises en forme ont été utilisées successivement: pressage/sérigraphie/infiltration (1) puis coulage en bande/infiltration (2). Dans chacun des cas, les paramètres de mises en forme ont été optimisés dans le but d’obtenir les meilleures performances électrochimiques. La méthode de mise à forme (1) a déjà fait l’objet d’une partie de thèse à l’ICMCB côté oxygène, mais elle a été perfectionnée côté hydrogène : couche de collectage, nature du catalyseur (NiO, CuO, cérine dopée yttrium), taux d’infiltration. Pour diminuer le nombre de cycles nécessaires et améliorer la qualité de l’imprégnation, une nouvelle technique a été employée : l’infiltration par voie supercritique. Dans le cas de la mise en forme (2), les paramètres propres à l’élaboration de la suspension (nature des additifs, nature des billes/jarre employées) et à celle des supports poreux/dense/poreux (cycles de déliantage/frittage) ont permis d’obtenir des résistances de polarisation très proches de celles obtenues grâce à la mise en forme (1), en dépit de résistances séries encore élevées sans doute en lien avec de pollutions résiduelles carbonées. Les paramètres finalement retenus sont : un dispersant de type ester phosphorique, 90% de graphite ajouté pour réaliser les squelettes poreux, un déliantage conduit à 800°C/6h sous O2 humide, et un frittage de l’ensemble à 1450°C/3hWhen involving new solid oxide cells (SOCs) architectures, it’s possible to reduce their operating temperature. The objective of this thesis was therefore to develop innovative shaping processes in order to reduce the cell manufacturing steps number, also allowing to reduce their cost : the preparation of a porous/dense/porous support by tape-casting, then the infiltration of catalysts to obtain the electrodes was the chosen process. The porous/dense/porous support was only prepared with GDC10 (Ce0.9Gd0.1O2-δ) to avoid chemical reactivity issues between the various layers. During this thesis, two shaping methods were successively used: pressing/screen-printing/infiltration (1) then tape-casting/infiltration (2). In each case, the shaping parameters have been optimized in order to obtain the best electrochemical performances. The shaping method (1) was already part of a thesis topic at ICMCB regarding the oxygen side of the SOC, but it has been here improved regardin the hydrogen side: the collecting layer, the catalyst nature (NiO, CuO, yttrium doped ceria), infiltration rate. To reduce the number of required cycles and improve the impregnation quality, a new technique was used: the infiltration in supercritical medium. In the case of shaping (2), the specific parameters of the i) suspension preparation (additives nature, nature of the used balls/jar) and of the ii) porous/dense/ porous supports (debinding/sintering cycles) have made it possible to obtain polarization resistances very close to those obtained by shaping (1), despite slightly higher series resistances, probably in linkto some remaining carbon pollution. The parameters finally retained are: a phosphoric ester type dispersant, 90% of graphite added to shape the porous skeletons, a debinding performed at 800°C/6h under wet O2, and a whole sintering at 1450°C/3h
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Doux, Jean-Marie. "Recherche exploratoire de nouveaux matériaux d'électrolyte pour piles à combustible et électrolyseurs à oxyde solide (SOFC et SOEC)." Thesis, Nantes, 2017. http://www.theses.fr/2017NANT4094/document.
Full textAbstract:
Ces travaux portent sur la recherche de matériaux alternatifs d’électrolyte ou d’électrodes de piles à combustible à oxyde solide. Une méthodologie basée sur la composition de l’oxyborate La26O27(BO3)8, développé à l’IMN, a permis de mettre en évidence deux matériaux prometteurs : Ba3Ti3O6(BO3)2 et K3Sb4O10(BO3). La synthèse de poudres de Ba3Ti3O6(BO3)2 et de phases substituées sur les sites du Ba ou du Ti ont été réalisés par voie solide à 950 °C. Les mesures de conductivité ont été effectuées par EIS sur des échantillons denses (compacité ≥ 90 %). Sous air, la conductivité est purement anionique et dépasse 10-4 S.cm-1 à 700 °C. Elle augmente pour les composés substitués par un élément de valence supérieure, et inversement. Sous atmosphère hydrogénée, une forte augmentation de conductivité est observée (x 200), liée à l’apparition d’une contribution électronique. Une étude couplant DRX, XPS et ATG montre que cette contribution est due à une réduction de 5 % du Ti4+ en Ti3+ et que cette réaction est réversible. Les calculs DFT ont permis de déterminer les énergies de formation et de migration des défauts dans le matériau. L’oxyborate K3Sb4O10(BO3) a été obtenu sous forme de monocristaux et de poudre. Une étude approfondie de la densification a été nécessaire afin d’obtenir des échantillons denses (compacité ≈ 90 %), en utilisant un broyage planétaire et/ou une aide au frittage. La conductivité du matériau sous air est de l’ordre de 10-3 S.cm-1 à 700 °C. Ces travaux mettent en évidence pour la première fois des niveaux de conductivité (ioniques et/ou électroniques) importants dans les oxyborates. Cette approche peut être appliquée à la recherche de matériaux alternatifs pour SOFCThis work focuses on the search for alternative electrolyte or electrodes materials for solid oxide fuel cells. A methodology based on the composition of the La26O27(BO3)8 oxyborate, developed at the IMN, revealed two promising materials: Ba3Ti3O6(BO3)2 and K3Sb4O10(BO3). Syntheses of powders of Ba3Ti3O6(BO3)2 and substituted phases on the Ba or Ti atomic site were carried out by solid state reaction at 950 °C. Conductivity measurements were carried out by electrochemical impedance spectroscopy on dense samples (relative density ≥ 90 %). Under air, the conductivity is purely anionic and exceeds 10-4 S.cm-1 at 700 °C. Conductivity increases for compounds substituted with a supervalent element, and vice versa. In a hydrogen containing atmosphere, a large increase of conductivity is observed (x 200), linked to the appearance of an electronic contribution. A study combining XRD, XPS and TGA shows that this contribution is due to the reduction of 5 % of the Ti4+ in Ti3+ and that this reaction is reversible. DFT calculations allowed to determine the formation energies and the migration barriers of the defects in the material. K3Sb4O10(BO3) oxyborate was obtained as single crystals and powder. A thorough study of the densification of the material was necessary in order to obtain dense samples (relative density ≈ 90 %), using ball milling and/or sintering aid. The conductivity of the material in air is about 10-3 S.cm-1 at 700 °C. This work highlights significant conductivity levels (ionic and/or electronic) observed for the first time in oxyborates. This approach can be applied to find alternative materials for SOFC
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Saoutieff, Elise. "Elaboration de couches de protection pour interconnecteurs de piles à combustible à oxyde solide." Phd thesis, Université de Technologie de Belfort-Montbeliard, 2010. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00606527.
Full textAbstract:
Les alliages ferritiques à base de chrome sont utilisés en tant qu'interconnecteur de pile à combustible à oxyde solide (SOFC). Ces alliages forment à haute température, sous conditions oxydantes, une double couche d'oxydes de MnCr2O4| Cr2O3. L'évaporation des espèces volatiles de chrome provenant de cette double couche d'oxydes peut entraîner l'empoisonnement de la cathode et par conséquent conduire à une dégradation des performances de la cellule SOFC. Une solution pour limiter les pertes de performances du système est d'appliquer une couche barrière contre le chrome sur l'interconnecteur. Le travail de thèse s'intéresse au développement de ces couches de protection pour un alliage ferritique commercial d'ArcelorMittal K41X. Dans un premier temps, une étude sur le comportement en corrosion de l'alliage a été réalisée. Ensuite, l'électrodéposition, de par sa simplicité et sa rapidité de mise en œuvre a permis l'identification des compositions de revêtements les plus prometteurs. Les couches formulées sont des oxydes spinelle à base de métaux de transition (Co, Mn, Cu, Ni, Fe). Enfin, les différentes compositions de couches retenues ont été déposées par in-situ et par ex-situ. En in-situ, les dépôts sont réalisés sous forme métallique, par électrodéposition (dépôt multicouches) et par pulvérisation cathodique (dépôt d'alliage). Un traitement thermique est nécessaire afin d'oxyder le dépôt métallique et de former l'oxyde spinelle jouant le rôle de couche barrière du chrome. En ex-situ la couche de protection est directement déposée sur le substrat par projection atmosphérique plasma. Les différentes couches ont été caractérisées par des analyses MEB, EDX et DRX ainsi que par des mesures de résistances spécifiques de surface ASR. Nous montrons que les couches de protection étudiées réduisent l'ASR (<50 mΩ.cm2) et inhibent la diffusion du chrome. Le travail conclut sur une étude comparative des avantages et des inconvénients des trois procédés industriels utilisés pour le dépôt d'une couche de protection.
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Briois, Pascal. "Synthèse par pulvérisation cathodique et caractérisation d'électrolytes solides en couches minces pour piles à combustible à oxydes solides (SOFC) fonctionnant à température intermédiaire." Vandoeuvre-les-Nancy, INPL, 2005. http://docnum.univ-lorraine.fr/public/INPL/2005_BRIOIS_P.pdf.
Full textAbstract:
En vue de diminuer la température de fonctionnement de 1000 à 700°C des piles à combustible à oxydes solides (SOFC), il est nécessaire de réduire l'épaisseur du conducteur ionique pour limiter sa résistance. Dans ce contexte, la pulvérisation cathodique magnétron en condition réactive autorise la synthèse de revêtements dont l'épaisseur est compatible avec celle requise (~ 5-10 µm). Après une description du dispositif expérimental et des techniques de caractérisation mise en œuvres pour l'étude, nous présenterons les résultats concernant le matériau de référence des SOFC, la zircone stabilisée à l'yttrium (YSZ). Puis, nous exposerons les mesures sur deux candidats potentiels à son remplacement : la cérine gadoliniée (GDC) et le molybdate de lanthane (LAMOX). L'ensemble des mesures pour chaque composé est en accord avec la littérature. Enfin, une étude préliminaire est menée sur la synthèse d'un électrolyte bicouche de GDC/YSZThe major problem of Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) is their operating temperature. One challenge is to decrease this temperature from 1000 to 700°C, this is the Intermediate Temperature –SOFC technology. It's very important to decrease the thickness of the ionic conductor to reduce its resistance. In this context, the reactive magnetron sputtering is a powerful technique for elaborating the coating with a compatible thickness with the application (~ 5-10 µm). After a description of the experimental device and of some specific analysis methods for this study, we present some results about the materials reference of the SOFC, the Yttria Stabilised Zirconia (YSZ). Then, we present some results about two new materials with higher ionic conductivity of oxygen than YSZ at 700°C: Gadolinia Doped Ceria (GDC) and Lanthanum Molydenum Oxide (LAMOX). At last, we present first results on the synthesis of the bilayer electrolyte coating: GDC/YSZ
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Diawara, Moussa. "Modélisation DFT des propriétés catalytiques de la Cérine utilisée comme matériaux d’interface dans les Piles à Combustible à Oxyde Solide (SOFC)." Thesis, Paris Sciences et Lettres (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019PSLEC029.
Full textAbstract:
Le développement de nouveaux matériaux pour les piles à combustible à oxyde solide (SOFCs) est un challenge afin de répondre aux enjeux actuels: abaissement de la température de fonctionnement, utilisation de métaux non précieux, flexibilité d’utilisation du carburant ou encore résistance à la dégradation. A ces fins, une double approche théorique et expérimentale est développée depuis de nombreuses années au sein de l’équipe I2E, afin de mettre au point des matériaux à base de Cérine dopée en tant que matériaux d’interface permettant d’améliorer les propriétés catalytiques des anodes des SOFC. L’approche expérimentale a été mise en œuvre pour synthétiser des nanoparticules d’oxyde de cérium pure (baguette, cube ou octaèdre) exposant respectivement les surfaces (110), (100) et (111). Les résultats obtenus ont montré que l’orientation (100) était la plus réactive, suivie de la (110), puis de la (111) la moins réactive. Sur la base de ces résultats expérimentaux, cette thèse vise à développer une approche DFT pour étudier la première étape de l’activation de l’hydrogène sur une surface pure de CeO2, à savoir pour chaque orientation cristallographique, l’adsorption de la molécule sur la surface puis sa dissociation pour former des groupes hydroxyles : géométrie et énergie d’adsorption des états moléculaires et dissociés, chemin réactionnel conduisant de l’adsorption à la dissociation et les énergies d’activation correspondantes. Ensuite des calculs seront effectués pour évaluer l’effet d’une série de dopants (yttrium, gadolinium, samarium) sur le mécanisme de l’activation de l’hydrogène et les énergies d’activation correspondantes Mots clés : SOFC, Cérine, hydrogène, DFTThe development of new materials for solid oxide fuel cells (SOFCs) is a challenge to meet current challenges: lowering operating temperature, use of non-precious metals, flexibility of fuel use or resistance to degradation. For these purposes, a dual theoretical and experimental approach has been developed for many years within the I2E team, in order to develop doped cerine-based materials as interface materials to improve the catalytic properties of SOFC. anodes. The experimental approach was implemented to synthesize nanoparticles of pure cerium oxide (rod, cube or octahedron) respectively exposing the surfaces (110), (100) and (111). The results obtained showed that the orientation (100) was the most reactive, followed by the (110), then the (111) least reactive. On the basis of these experimental results, this thesis aims at developing a DFT approach to study the first step of the activation of hydrogen on a pure CeO2 surface, ie for each crystallographic orientation, the adsorption of the molecule on the surface then its dissociation to form hydroxyl groups: geometry and adsorption energy of the molecular and dissociated states, reaction path leading from the adsorption to the dissociation and the corresponding energies of activation. Then calculations will be made to evaluate the effect of a series of dopants (yttrium, gadolinium, samarium) on the mechanism of hydrogen activation and the corresponding activation energies Key words: SOFC, Ceria, hydrogen, DFT
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Greiner, Yoan. "Nouvelles architectures tridimensionnelles pour électrodes de piles à combustible à oxydes solides (SOFC Solid Oxide Fuel Cell)." Thesis, Littoral, 2017. http://www.theses.fr/2017DUNK0496.
Full textAbstract:
Les piles à combustible sont des systèmes qui permettent de convertir directement de l'énergie chimique en énergie électrique. La structure physique d'une pile à combustible est composée d'une cathode et d'une anode poreuses séparées par un électrolyte dense. Les piles à combustible à oxydes solides (Solid Oxide Fuel Cell (SOFC))offrent une alternative intéressante pour la production d'énergie et une certaine polyvalence dans leur utilisation. Les recherches actuelles se focalisent sur l'abaissement de la température de fonctionnement de ce type de pile (500-700°C) pour augmenter leur durée de vie, diminuer les coûts de fabrication et les dégradations aux interfaces. Afin de compenser ces problèmes, la recherche tend vers des matériaux présentant de meilleures propriétés électrochimiques ou en modifiant la microstructure de la cathode pour améliorer le transfert de masse et le transfert de charge. La cathode est une couche très importante dans la pile SOFC car elle présente une résistance de la polarisation dont la réduction constitue un défi important à traiter. Dans une première partie de ce travail de thèse nous avons développé une méthode pour permettre d'améliorer les propriétés électrochimiques de cathodes de manganite de lanthane dopée au strontium (LSM). La seconde partie a été consacrée à l'élaboration et la caractérisation par spectroscopie d'impédance de demi-cellules symétriques de SOFC avec un matériau composite à base de LSM permettant d'améliorer les propriétés électrochimiques des électrodes à des températures comprises entre 600 °C - 700 °CFuel cells are systems that convert chemical energy directly into electrical energy. The physical structure of a fuel cell is composed of a porous cathode and anode separated by a dense electrolyte. Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) offer an alternative for power generation and versability in their use. Current research focuses on lowering the operating temperature of this type of fuel cell (500-700°C) to increase their life, reduce manufacturing costs and damageto the interfaces. In order to compensate these problems, research tends towards materials with better electrochemical properties or by modifying the microstructure of the cathode to improve mass transfer and charge transfer. The cathode is a very important layer in the SOFC stack because it has a polarization resistance whose reduction is a major challenge to deal with. In a first part of this thesis work we have developed a method to improve the electochemical properties of strontium doped lanthanum manganite (LSM) cathodes. The second part was devoted to the elaboration and caracterization by impedance spectroscopy of SOFC symmetric half-cells with a LSM-based composite material allowing to improve the electochemical properties of electrodes at temperatures between 600-700 °C
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Thommy, Léonard. "Développement de nouveaux matériaux d’électrodes pour convertisseurs électrochimiques à haute température : piles à combustible et électrolyseurs." Nantes, 2015. http://archive.bu.univ-nantes.fr/pollux/show.action?id=7f5a6fca-209c-49d4-b02e-4d6eef28f439.
Full textAbstract:
L’objectif de la thèse est le développement de nouveaux matériaux d’électrode négative pour piles à combustible et électrolyseurs à oxydes solide (SOFC et SOEC), présentant une bonne activité catalytique à température intermédiaire. Dans une première partie de ce travail, des composés dérivés de l'électrolyte BaIn0,3Ti0,7O3-δ,Æ Ba0. 5La0. 5Ti0. 3Mn0. 7O3-δ (BLTM) et Ba0. 5La0. 5In0. 3Ti0. 1Mn0. 6O3-δ (BLITIM) ont été développés. Des cellules symétriques Ni-BLTM/BIT07 et Ni-BLITIM/BIT07 ont été préparées par coulage en bande et co-frittées. Une résistance de polarisation (Rp) de 0,20 Ω cm2 à 700°C a été observée sous hydrogène, pour une teneur initiale de 40% en NiO. Dans une deuxième partie, une nouvelle famille de composés MIEC dérivées du matériau La0. 75Sr0. 25Cr0. 5Mn0. 5O3-δ (LSCM) par substitution de Ru dans la phase a été préparée. L’introduction de ruthénium a provoqué une amélioration de la conductivité totale des composés obtenus sous air et sous Ar/H2 5%. Les performances de La0. 75Sr0. 25Cr0. 4Mn0. 5Ru0. 1O3-δ (LSC0. 4MRu0. 1) ont été évaluées en tant qu’anode de cellule symétrique avec Ce0. 9Gd0. 1O1. 95 comme matériau d’électrolyte, et comparées à celles de La0. 75Sr0. 25Cr0. 5Mn0. 3Ni0. 2O3-δ (LSCM0. 3Ni0. 2), LSCM et LSCM imprégné avec du Ni. Des particules métalliques de Ru et Ni ont été obtenues par exsolution à la surface des matériaux LSC0. 4MRu0. 1 et LSCM0. 3Ni0. 2 et ont provoqué une amélioration de la part de la Rp liée à l’adsorption de H2. Les meilleures performances sont obtenues avec le matériau LSC0. 4MRu0. 1. La comparaison des résultats obtenus sous Ar/H2 5% et sous méthane ainsi qu’une comparaison du vieillissement des cellules a permis d’évaluer l’intérêt de l’exsolutionThe aim of this work is the development of new materials for the negative electrode of solid oxide fuel cells and electrolysers (SOFC and SOEC), showing a good electrocatalytic activity at intermediate temperatures. New BaIn0,3Ti0,7O3±δ-derived compounds Ba0. 5La0. 5Ti0. 3Mn0. 7O3 (BLTM) and Ba0. 5La0. 5In0. 3Ti0. 1Mn0. 6O3 (BLITIM) were developed in a first part of this work. Ni-BLTM/BIT07 et Ni-BLITIM/BIT07 symmetrical cells were fabricated by tape casting and co-sintering, and were optimised. A polarisation resistance (Rp) value of 0,20 Ω cm2 has been measured at 700°C under Ar/H2 (5%), for a nominal NiO-content of 40%m. In a second part of this work, new MIEC compound family derived from La0. 75Sr0. 25Cr0. 5-xMn0. 5O3-δ (LSCM) by substitution of ruthenium have been prepared. The introduction of ruthenium increased the total conductivity of the compound under both air and reducing atmosphere. The performances of La0. 75Sr0. 25Cr0. 4Mn0. 5Ru0. 1O3-δ (LSC0. 4MRu0. 1) as an anode material have been investigated in symmetrical cells with Ce0. 9Gd0. 1O1. 95 as electrolyte material, and compared to that of La0. 75Sr0. 25Cr0. 5Mn0. 3Ni0. 2O3-δ (LSCM0. 3Ni0. 2), LSCM, and LSCM impregnated with nickel. A metallic particle dispersion has been obtained at the surface of LSCM0. 3Ni0. 2 et LSC0. 4MRu0. 1 and it has been shown to improve a the part of the Rp linked to gas adsorption. The best performances have been obtained for LSC0. 4MRu0. 1. The comparison of the results obtained under Ar/H2 5% and under methane along with a comparison of the cell ageing allowed us to evaluate and discuss the interest of exsolution
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Marchand, Olivier. "Etude du procédé de projection plasma de suspensions pour l'élaboration de piles à combustible à oxyde solide." Phd thesis, Université de Technologie de Belfort-Montbeliard, 2010. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00597338.
Full textAbstract:
Augmenter la durée de vie des piles à combustible de type SOFC en abaissant leur température de fonctionnement tout en maintenant un prix de fabrication raisonnable est un des enjeux du secteur énergétique. Ces travaux de recherche entrent dans ce cadre par l'utilisation de la projection plasma de suspensions pour fabriquer des couches céramiques ou cermets finement structurées sur support métallique poreux. Dans cet objectif, la compréhension du procédé s'est avérée être une étape indispensable. A cette fin l'utilisation de la Vélocimétrie par Image de Particules spécialement adaptée aux contraintes de la projection plasma a permis une meilleure caractérisation des jets injectés mais aussi une compréhension plus poussée des phénomènes régissant le traitement des particules. Fort de ces informations, les couches composant le cœur de pile ont été élaborées : l'anode et l'électrolyte, constituée respectivement d'un cermet nickel-zircone yttriée et de zircone yttriée et enfin la cathode composée d'un conducteur mixte La2NiO4.
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Brahim, Cyrine. "Conception et performances électrochimiques de matériaux nanostructurés pour piles à combustible à oxyde solide." Phd thesis, Paris 6, 2006. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00002545.
Full textAbstract:
Une solution pour limiter les pertes ohmiques résultant de la réduction de la température de fonctionnement des SOFC consiste à élaborer des matériaux d'électrolyte sous forme de couches minces. Dans ce contexte, des couches ultraminces de YSZ et de CGO ont été synthétisées séparément ou sous la forme d'un électrolyte bicouche par dépôt de couches atomiques (ALD) et par pulvérisation cathodique magnétron en condition réactive sur des substrats conducteurs électroniques denses ou poreux. Le dépôt chimique en solution (CBD) a aussi été envisagé comme une technique de dépôt moins onéreuse pour CGO. Les films déposés ont été caractérisés par plusieurs techniques physico-chimiques (microscopie électronique à balayage, diffraction des rayons X, spectrométrie de rayons X à dispersion d'énergie), puis leurs propriétés électriques ont été étudiées par spectroscopie d'impédance. La complexité de l'étude du comportement électrique des couches minces par cette technique a été soulignée. Ces caractérisations ont permis de mettre en évidence et de comparer les principales caractéristiques de ces méthodes d'élaboration et de montrer l'influence du choix de la technique de dépôt sur le comportement électrique des couches minces. Enfin, une étude préliminaire a été menée sur l'élaboration par ALD et les caractérisations physico-chimiques et électriques de couche minces d'oxyde zirconium dopé à l'oxyde d'indium (IDZ).
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Dumaisnil, Kévin. "Élaboration et caractérisations de matériaux de cathode et d'électrolyte pour pile à combustible à oxyde solide." Thesis, Littoral, 2015. http://www.theses.fr/2015DUNK0396/document.
Full textAbstract:
L'énergie produite par des matières fossiles, pétrole et charbon, va se raréfier de manière inéluctable et couter de plus en plus cher à moyen terme. Pour pallier à la fin des matières fossiles, le développement d'énergies alternatives est indispensable. Parmi celles-ci, la production d'électricité et de chaleur à partir d'hydrogène commence à se développer grâce aux piles à combustible (PAC) depuis les très faibles puissances (des microwatts pour alimenter les capteurs) jusqu'aux fortes puissances (des Mégawatts pour l'industrie) en passant par des puissances moyennes (des kilowatts pour le résidentiel). Une PAC est constituée de 3 éléments : 2 électrodes (anode et cathode) séparées par un électrolyte. Dans cette thèse, ces 3 éléments sont constitués d'oxydes solides et la pile est appelée SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). Les piles SOFC actuellement commercialisées fonctionnent à de très hautes températures, typiquement supérieures à 800°C. L'objectif du travail a été d'élaborer des oxydes pour diminuer cette température vers 600°C ce qui permet d'utiliser de l'acier pour contenir ces piles. Pour que la pile SOFC fonctionne à cette température, il est impératif de diminuer la résistance électrique des 2 électrodes et de l'électrolyte de manière à récupérer une tension électrique continue maximale aux bornes de la pile et aussi à faire passer un courant électrique élevé dans celle-ci. La cathode, en contact avec l'oxygène de l'air, est l'élément le plus critique à optimiser. Nous avons choisi comme matériau de cathode un matériau déjà étudié, La₀.₆Sr₀.₄Co₀.₈Fe₀.₂O₃ (LSCF) et comme électrolyte Ce₀.₉Gd₀.₁O₂ (CGO) connu comme performant en dessous de 650 °C. Nous avons élaboré ces matériaux par une méthode de chimie douce, la méthode sol-gel Péchini, et caractérisé ceuxi-ci par diffraction de rayons X et microscopie électronique à balayage. Une part importante du travail a été la caractérisation électrique à l'aide de mesures d'impédance complexe dans une large gamme de fréquence (0,05 Hz à 2 MHz) et de température (300°C à 700 °C). Le meilleur résultat a été obtenu avec une cathode composite poreuse d'épaisseur 40 µm constituée à masses égales de LSCF et de CGO déposée par sérigraphie sur une céramique dense de CGO d'épaisseur 1,5 mm. De plus, un film mince dense de LSCF d'épaisseur 0,1 µm environ a été déposé par centrifugation pour améliorer l'interface entre la cathode et l'électrolyte. À 600 °C la résistance de cette cathode a été mesurée à 0,13 Ω pour 1 cm² de cathode : cette valeur est à l'état de l'art. Une étude du vieillissement de cette cathode et de l'électrolyte a été effectuée à 600 °C pendant 1000 h en continu sous air : cela s'est traduit par une augmentation de la résistance de la cathode de 32%. Ceci peut être lié à la différence de valeurs des coefficients d'expansion thermique des matériaux de cathode et d'électrolyteEnergy made from fossil fuels, oil or coal, is becoming increasingly rare and its price will increase in the near future. Developing alternative energy sources could compensate the use of fossil fuel. Particularly, an alternative form of energy is being developed through fuel cells, through the production of electricity and heat from hydrogen. Fuel cells can provide low wattage (microwatts for sensor applications), medium wattage (kilowatts for residential applications) and high wattage (megawatts for the industry). A fuel cell consists of 3 components : 2 electrodes (anode and cathode) separated by an electrolyte. In my work, I use solid pxide materials for these three elements in order to expand on the literature of Solid Oxide Fuel Cell (SOFC). Commercialized SOFCs currently operate at very high temperatures, typically above 800°C. The objective of this study was to develop oxides that could decrease the working temperature of the cell to 600°C, which would allow the use of steel to contain these fuel cells. In order to enable the SOFC to operate at this temperature, it is imperative to decrease the electrical resistances of the two electrodes and electrolyte in order to collect a continuous voltage which is maximal at the terminals of the fuel cell, and also to have a high electric current going through the fuel cell. The cathode, in contact with the oxygen present in the atmosphere, is the most critical element to be optimized. I close as a cathode material La₀.₆Sr₀.₄Co₀.₈Fe₀.₂O₃ (LSCF), which has already been studied. As electrolyte, I used Ce₀.₉Gd₀.₁O₂ (CGO) which is known to work below 650°C. I synthesized these materials through the Pechini method, a soft chemistry sol-gel method. The materials were characterized by X-ray diffraction and scanning electron microscopy. An important aspect of this work was the electrical characterization using complex impedance measurements in a wide frequency range (0,05 Hz to 2 MHz) and temperature (300°C to 700°C). The best result was obtained with a 40 µm thick, porous, composite cathode (LSCF/CGO 50/50 wt%) was deposited by screen printing on a 1,5 mm thick and dense CGO ceramic. In addition, a dense thin film of LSCF with a thickness of about 0,1 µm was spin-coated between the cathode and the electrolyte to improve the interface. At 600°C the measured resistance of the cathode was 0,13 Ω for 1 cm² : this value is similar to the results found in the state of the art. An aging study of the cathode and the electrolyte was carried out at 600 °C for 1000 h in air : the resistance of the cathode increased of 32%. This may be related to the different values of the thermal expansion coefficients of the cathode and electrolyte materials
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Benamira, Messaoud. "Conducteurs mixtes nanostructurés pour les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) : élaboration et performances de nouvelles architectures." Phd thesis, Paris 6, 2008. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00004896.
Full textAbstract:
La réduction de la température de fonctionnement des piles à combustible à oxyde solide, de 1000°C à moins de 700°C, est la meilleure solution pour en diminuer les coûts de fabrication et augmenter la durée de vie. Néanmoins, l'abaissement de la température de fonctionnement s'accompagne d'une chute ohmique au sein de l'électrolyte et une augmentation des surtensions aux électrodes entraînant une diminution des performances de la pile. Dans cette optique, notre étude est centrée sur la recherche de nouveaux matériaux et de nouvelles architectures pour les piles SOFC. Des demi-cellules cathode/électrolyte avec des couches minces interfaciales de YSZ, LSM et La2NiO4 ont été élaborées sur des substrats denses de YSZ par différentes techniques (ALD, PVD et sol-gel). Ces demi-cellules ont été caractérisées par plusieurs techniques physico-chimiques (microscopie électronique à balayage, diffraction des rayons X) ; leurs propriétés électriques ont été étudiées par spectroscopie d'impédance. Une deuxième étude a été menée sur l'élaboration par ALD et les caractérisations physico-chimiques et électriques de couche minces d'oxyde zirconium dopé à l'oxyde d'indium (IDZ) présentant un gradient de composition, permettant de passer d'une conduction ionique à une conduction électronique. La dernière partie de ce travail a été dédiée à un nouveau matériau composite d'électrolyte, GDC-carbonates, dont l'étude des propriétés électriques et de vieillissement a montré des résultats encourageants.
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Sharma, Rakesh. "Conception innovante de cathodes à base de nickelates de terres rares pour piles à combustible à oxyde électrolyte solide." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016GREAI091/document.
Full textAbstract:
Des oxydes appartenant au type structural Ruddlesden-Popper (RP) sont des matériaux de cathode prometteursdes piles à combustible à oxyde électrolyte solide (SOFC) fonctionnant à température intermédiaire (~ 500-700 °C). L’objectif de cette thèse est l’élaboration de conducteurs ioniques et électroniques, mixtes (MIEC) tels que la solution solide, La2-xPrxNiO4+δ, 0 ≤ x ≤ 2, des phases RP de formule Lan+1NinO3n+1 (n= 1, 2 and 3) et les composites associés à la cérine gadoliniée, Ce0.9Gd0.1O2-δ (CGO).Une microstructure et une architecture innovantes de ces électrodes ont été obtenues avec succès en utilisant l’atomisation électrostatique (ESD) et la sérigraphie (SP). La structure, la composition, la non-stoechiométrie en oxygène et la microstructure de ces matériaux ont été caractérisées par diffraction des rayons X, par spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie, par analyse thermogravimétrique et par microscopie électronique à balayage. Les propriétés électrochimiques et la stabilité chimique de ces électrodes à oxygène sont discutées en fonction de leur architecture et de la composition en utilisant la spectroscopie d'impédance électrochimique (SIE) et la diffraction des rayons X, respectivement. Enfin, une cellule complète SOFC intégrant la cathode LaPrNiO4+δ a été testée.Mots Clés: Pile à combustible à haute température (SOFC), Conducteur ionique et électronique mixte (MIEC), Cathode, Nickelates, Ce0.9Gd0.1O2-δ (CGO), Microstructure de type corail, Design architectural, Interfaces, Stabilité chimique, Atomisation électrostatique (ESD), Sérigraphie (SP), Spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS)Layered Ruddlesden-Popper type (RP) oxides are promising cathodes for solid oxide fuel cells operating at intermediate temperature (~500 - 700 °C).This thesis is focused on the synthesis of mixed ionic-electronic conducting materials such as pure La2-xPrxNiO4+δ, 0 ≤ x ≤ 2, higher order Lan+1NinO3n+1 (n= 1, 2 and 3) RP phases and composites adding Ce0.9Gd0.1O2-δ (CGO) component. An innovative microstructure and architecture of these electrodes were successfully prepared using electrostatic spray deposition (ESD) and screen-printing (SP) processes. These materials were evaluated through structural, compositional, oxygen non-stoichiometry and microstructural characterizations using X-ray diffraction, energy-dispersive X-ray spectroscopy, thermogravimetric analysis and scanning electron microscopy. The electrochemical properties and chemical stability of these oxygen electrodes are discussed according to the architectural design and composition using electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and X-ray diffraction, respectively. Finally, a single SOFC based on LaPrNiO4+δ cathode has been tested.Keywords: Solid Oxide Fuel cell(SOFC), Mixed Ionic and Electronic Conductor (MIEC), Cathode, Nickelates, Ce0.9Gd0.1O2-δ (CGO), Coral-type microstructure, architectural design, interfaces, chemical stability, Electrostatic Spray Deposition (ESD), Screen-Printing (SP), Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)
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Grosjean, Arnaud. "Etude et réalisation par coulage en bande et co-frittage de cellules de pile à combustible à oxydes solides." Phd thesis, École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2004. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00161495.
Full textAbstract:
L'introduction de nouveaux moyens de production d'énergie sur le marché dépend en partie de leur compétitivité. Le développement à bas coût d'un procédé de réalisation de cellules de piles à combustible à oxyde solide (SOFC), sujet de cette étude, s'inscrit dans une telle dynamique. Dans le cahier des charges défini au préalable, ont été fixés la méthode de mise en forme, -le coulage en bande-, ainsi que les matériaux, -la zircone yttriée, le nickel et le manganite de lanthane dopé au strontium-.Afin de baisser les coûts de production, et tout en prenant en compte le respect de l'environnement, le procédé développé utilise un solvant de barbotine aqueux. En utilisant le système développé lors d'une précédente étude, on obtient séparément les électrodes et l'électrolyte. L'utilisation dans la présente étude de supports de séchage hydrophiles, permet d'assembler les trois couches crues pour former une cellule élémentaire avec le maximum de continuité interfaciale. Un travail réalisé au niveau de la microstructure de l'anode, afin de symétriser les déformations de la cellule lors de sa mise en oeuvre, a permis de limiter le comportement mécanique différentiel des couches, ce qui a renforcé la tenue au frittage des cellules.
Afin d'interpréter les performances électriques faibles des cellules et leur rapide dégradation au cours du temps, des études en microscopie en transmission, sur échantillons préparés par FIB, et en spectroscopie d'impédance ont été menées. Il est apparu que deux phases isolantes apparaissaient à la cathode aux interfaces LSM/YSZ en raison d'une température de co-frittage trop élevée. De plus, on a mis en évidence une agglomération rapide des grains de nickel lors du fonctionnement, entraînant une perte locale ou globale de la percolation du réseau de nickel. Ce dernier problème a été résolu en augmentant au préalable la taille des grains d'oxyde de nickel (de 0,5 μm à 3 μm) afin de stabiliser la microstructure. Le problème de la réactivité aux interfaces LSM/YSZ a, quant à lui, été abordé de deux façons différentes; on a dans en premier lieu tenté d'abaisser la température de frittage en utilisant une nanopoudre de zircone, et dans un second lieu de remplacer la zircone par la cérine dopé du gadolinium (CGO) pour l'électrolyte. Cependant, l'utilisation d'une nanopoudre de zircone n'a pas permis d'abaisser la température de frittage en préservant la densité de l'électrolyte, et la cérine substituée à la zircone dans la barbotine de cathode a généré des instabilités mécaniques qui n'ont pas pu être résolu.
Le procédé développé permet cependant d'obtenir une excellente interface anode/électrolyte, au contraire d'autres procédés et malgré des différences de propriétés mécaniques importantes. Il apparaît donc pérenne pour l'utilisation d'autres matériaux ne présentant pas de réactivité aux interfaces.
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Rieu, Mathilde. "Préparation par voie sol-gel et caractérisation d'une cellule complète SOFC sur support métallique poreux." Toulouse 3, 2009. http://thesesups.ups-tlse.fr/640/.
Full textAbstract:
Les potentialités de la voie sol-gel sont utilisées pour mettre en forme un empilement de revêtements de matériaux actifs SOFC (anode, électrolyte, cathode) sur support métallique poreux. Cependant, l'utilisation d'un métal implique une limitation des traitements thermiques à 800°C afin de conserver ses propriétés mécaniques et de limiter sa corrosion. La densification de l'électrolyte n'étant pas possible à cette température, la démarche consiste à préparer deux demi-parties : l'anode sur le métal poreux et la cathode sur l'électrolyte, avant assemblage à l'aide d'une colle céramique. Les matériaux actifs du cœur de pile sont tous synthétisés par voie sol-gel et leurs propriétés fonctionnelles sont évaluées. Le matériau d'anode (NiO-YSZ) est déposé directement par trempage-retrait du métal support dans une barbotine composite. La demi-cellule électrolyte (YSZ) / cathode (La2NiO4+delta) est ensuite réalisée par le même procédé. Après assemblage des deux demi-parties, les premières cellules complètes SOFC sur support métallique poreux sont fabriquées. Les performances électrochimiques sont encore à améliorer mais la faisabilité d'une cellule à métal poreux support est démontrée dans le cadre de cette thèseIn this work, sol-gel route is used to shape ceramic films (anode, electrolyte, cathode) onto a porous metal support in order to prepare Metal Supported Solid Oxide Fuel Cells. However, the use of a metal forbids thermal treatments above 800°C in order to retain mechanical properties and to avoid corrosion. Electrolyte densification is not possible at such a low temperature, so the strategy is to prepare two half parts: anode onto porous metal on one part and cathode onto electrolyte on the other part, before assembling both parts with a ceramic paste. Electrodes and electrolyte materials are synthesized by sol-gel route and their physico-chemical properties are evaluated. In order to shape the anode (NiO-YSZ), the porous metal support is dipped into an optimized anode slurry composition. Half cathodic cell is separately prepared by dip-coating YSZ into a La2NiO4+delta slurry. The two half parts are then assembled in order to prepare the first metal supported solid oxide fuel cells. Electrochemical performances have to be improved but the feasibility of the metal supported cell is clearly demonstrated in this work
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Rembelski, Damien. "Développement d’une pile à combustible à oxyde solide de type monochambre fonctionnant sous mélange air/méthane." Thesis, Saint-Etienne, EMSE, 2012. http://www.theses.fr/2012EMSE0679/document.
Full textAbstract:
Cette étude est consacrée au développement d’une pile à combustible à oxyde solide (SOFC) de type monochambre. Contrairement à une pile SOFC conventionnelle, le système monochambre fonctionne dans un mélange de gaz hydrocarbure/air ce qui permet de s’affranchir des contraintes d’étanchéités. Le principe de fonctionnement est basé sur la différence d’activité catalytique entre l’anode et la cathode : l’anode doit être sélective à l’oxydation des hydrocarbures et la cathode à la réduction de l’oxygène. La configuration monochambre implique cependant de nouvelles contraintes concernant notamment la stabilité des matériaux sous mélange hydrocarbure/air à haute température.L’objectif de cette thèse est d’optimiser les performances d’une pile monochambre fonctionnant sous mélange méthane/oxygène et d’améliorer la compréhension de ce système.Les différents éléments d’une pile (électrolyte, cathode, anode) ont été caractérisés sous mélange méthane/oxygène. Quatre matériaux de cathodes (LSM, BSCF, SSC, LSCF) ont été comparés au niveau de leur activité catalytique, stabilité, conductivité électrique et résistance de polarisation. Une étude catalytique de l’anode a été réalisée afin d’identifier les réactions chimiques qui se produisent. Une étude de pile complète en géométrie électrolyte support a permis de sélectionner le matériau de cathode LSCF. Cette étude a également mis en évidence la nécessité de diminuer l’épaisseur de l’électrolyte, la géométrie anode support a donc été étudiée. La première pile anode support a présentée une anode inhomogène et un électrolyte poreux. Des travaux ont été menés afin d’homogénéiser l’anode et de diminuer la porosité de l’électrolyte. En optimisant les conditions de fonctionnement (température et rapport CH4/O2), une densité de puissance maximale de 160 mW.cm-2 a été obtenueThis study is devoted to the development of a single-chamber solid oxide fuel cell. Contrary to a conventional solid oxide fuel cell, a single chamber fuel cell works under a hydrocarbon/air mixture with no more sealing needed. The working principle of this device is based on the difference of catalytic activity between the anode and the cathode: the anode must be selective to hydrocarbon oxidation and the cathode to oxygen reduction. With single-chamber geometry, chemical stability of materials has to be taken into account under hydrocarbon/air mixture at high temperature.The goal of this work is to optimize the performances of a single-chamber cell working under methane/oxygen mixture and to improve this device comprehension.Each part of the cell (electrolyte, anode, cathode) was characterized under methane/oxygen mixture. Four cathode materials (LSM, BSCF, SSC, LSCF) were compared regarding their catalytic activity, stability, electrical conductivity and polarization resistance. The catalytic activity of the anode was studied in order to identify the chemical reactions happening. A study of electrolyte supported cells showed that LSCF material is the most suitable cathode. Furthermore, this study showed that the electrolyte was too thick; the anode supported configuration was studied. The first anode supported cell showed an inhomogeneous anode and a porous electrolyte. From that, a study of the homogeneity of the anode and the densification of the electrolyte was performed. A maximum power density of 160mW.cm-2 was obtained by optimizing the working conditions of the cells (temperature and CH4/O2 ratio)
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Rembelski, Damien. "Développement d'une pile à combustible à oxyde solide de type monochambre fonctionnant sous mélange air/méthane." Phd thesis, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00789963.
Full textAbstract:
Cette étude est consacrée au développement d'une pile à combustible à oxyde solide (SOFC) de type monochambre. Contrairement à une pile SOFC conventionnelle, le système monochambre fonctionne dans un mélange de gaz hydrocarbure/air ce qui permet de s'affranchir des contraintes d'étanchéités. Le principe de fonctionnement est basé sur la différence d'activité catalytique entre l'anode et la cathode : l'anode doit être sélective à l'oxydation des hydrocarbures et la cathode à la réduction de l'oxygène. La configuration monochambre implique cependant de nouvelles contraintes concernant notamment la stabilité des matériaux sous mélange hydrocarbure/air à haute température.L'objectif de cette thèse est d'optimiser les performances d'une pile monochambre fonctionnant sous mélange méthane/oxygène et d'améliorer la compréhension de ce système.Les différents éléments d'une pile (électrolyte, cathode, anode) ont été caractérisés sous mélange méthane/oxygène. Quatre matériaux de cathodes (LSM, BSCF, SSC, LSCF) ont été comparés au niveau de leur activité catalytique, stabilité, conductivité électrique et résistance de polarisation. Une étude catalytique de l'anode a été réalisée afin d'identifier les réactions chimiques qui se produisent. Une étude de pile complète en géométrie électrolyte support a permis de sélectionner le matériau de cathode LSCF. Cette étude a également mis en évidence la nécessité de diminuer l'épaisseur de l'électrolyte, la géométrie anode support a donc été étudiée. La première pile anode support a présentée une anode inhomogène et un électrolyte poreux. Des travaux ont été menés afin d'homogénéiser l'anode et de diminuer la porosité de l'électrolyte. En optimisant les conditions de fonctionnement (température et rapport CH4/O2), une densité de puissance maximale de 160 mW.cm-2 a été obtenue.
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Wang, Kun. "Algorithmes et méthodes pour le diagnostic ex-situ et in-situ de systèmes piles à combustible haute température de type oxyde solide." Phd thesis, Université de Franche-Comté, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01017170.
Full textAbstract:
Le projet Européen " GENIUS " ambitionne de développer les méthodologies génériques pour le diagnostic de systèmes piles à combustible à haute température de type oxyde solide (SOFC). Le travail de cette thèse s'intègre dans ce projet ; il a pour objectif la mise en oeuvre d'un outil de diagnostic en utilisant le stack comme capteur spécial pour détecter et identifierles défaillances dans les sous-systèmes du stack SOFC.Trois algorithmes de diagnostic ont été développés, se basant respectivement sur la méthode de classification k-means, la technique de décomposition du signal en ondelettes ainsi que la modélisation par réseau Bayésien. Le premier algorithme sert au diagnostic ex-situ et est appliqué pour traiter les donnés issues des essais de polarisation. Il permet de déterminer les variables de réponse significatives qui indiquent l'état de santé du stack. L'indice Silhouette a été calculé comme mesure de qualité de classification afin de trouver le nombre optimal de classes dans la base de données.La détection de défaut en temps réel peut se réaliser par le deuxième algorithme. Puisque le stack est employé en tant que capteur, son état de santé doit être vérifié préalablement. La transformée des ondelettes a été utilisée pour décomposer les signaux de tension de la pile SOFC dans le but de chercher les variables caractéristiques permettant d'indiquer l'état desanté de la pile et également assez discriminatives pour différentier les conditions d'opération normales et anormales.Afin d'identifier le défaut du système lorsqu'une condition d'opération anormale s'est détectée, les paramètres opérationnelles réelles du stack doivent être estimés. Un réseau Bayésien a donc été développé pour accomplir ce travail.Enfin, tous les algorithmes ont été validés avec les bases de données expérimentales provenant de systèmes SOFC variés, afin de tester leur généricité.
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Letilly, Marika. "Mise en forme et évaluation des performances de cellules de piles à combustible SOFC à base de Baln 0,3 TI0,7 O2,85 (BIT07)." Nantes, 2010. http://www.theses.fr/2010NANT2037.
Full textAbstract:
Cette thèse a permis de développer des matériaux d'électrodes autour de BIT07 (BaIn0,3Ti0,7O2,85□0,15), matériau d'électrolyte développé à l'IMN et de les mettre en forme dans une cellule de pile à combus- tible SOFC. Unepremière partie de cette thèse s'est intéressée àIa compatibilité chimique, mécanique et électrochimique de BIT07 avec des matériaux de cathode usuels et tout particulièrement au couple BIT07 /LSCF (La0,58Sr0,4Co0,2Fe0,8O3-8). Une optimisation de la microstructure de l'électrode a per- mis d'obtenir une résistance de polarisation de 0,07 Ω. Cm2 à 700 °C pour l'assemblage BIT07 /LSCF. Ces deux matériaux peuvent réagir pour former une solution solide complète dont les propriétés élec- triques et mécaniques varient continûment entre BIT07 et LSCF. Dans une autre partie, une demi-cellule anode/électrolyte a été réalisée par coulage en bande et co-frittage. La composition de l'anode, un cermet BIT07 /Ni et sa microstructure ont été optimisées en fonction de mesures électrochimiques (0,15 Ω. Cm2 à 700 °C). Des cellules complètes SOFC ont été obtenues par sérigraphie de· la cathode LSCF sur la demi-cellule. Une densité de puissance maximale de 266 mW. Cm-2 et une ASR de 0,81 Ω. Cm2 ont été obtenues à 700 °CThis thesis allowed to develop electrode materials around the BIT07 (BaIn0,3Ti0,7O2,85□0,15), electro- lyte material developed at the IMN and to design them on a SOFC. A first part of the thesis deals with the chemical, mechanical and electrochemical compatibilities of BIT07 with usual cathode materials and in particular BIT07 /LSCF (La0,58Sr0,4Co0,2Fe0,8O3-8). An optimisation of the electrode microstructure allows to obtain a polarisation resistance of 0. 07 Ω. Cm2 at 700 °C for the BIT07 /LSCF couple. Those two phases react together to form a complete solid solution, whose electrical and mechanical properties vary continuously between BIT07 and LSCF. In another part, a half cell anode/electrolyte has been designed by tape casting and co-firing. The anode's composition (a cermet based on BIT07 /Ni) and its microstructure have been optimised thanks to electrochemical measurements (0. 15 Ω. Cm2 at 700 °C). Complete SOFCs have been obtained by screen-printing the cathode LSCF onto the half cell. A maximum power density of 266 mW. Cm-2 and an ASR value of 0. 81 Ω. Cm2 have been achieved at 700 °C
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Udroiu, Sorina-Nicoleta. "Développement de piles à combustible de type SOFC en technologie planaire couches épaisses. Application à l'étude de dispositifs en configuration monochambre." Phd thesis, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, 2009. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00392071.
Full textAbstract:
Cette étude est dédiée au développement de piles à combustible de type SOFC en configuration monochambre. L'originalité de ce type de pile SOFC est l'absence de séparation physique entre les compartiments anodique et cathodique. Un mélange d'hydrocarbure et d'air est injecté sur l'ensemble du dispositif comportant l'électrolyte et les deux électrodes de la pile SOFC. Le principe de fonctionnement de ce type de pile repose sur la différence d'activité catalytique entre les deux électrodes. L'anode doit être sélective pour l'oxydation des hydrocarbures et la cathode pour la réduction de l'oxygène. Cette configuration originale permet de s'affranchir des problèmes d'étanchéité des configurations conventionnelles deux atmosphères, ainsi que d'éviter les contraintes sur l'épaisseur de l'électrolyte suivant la disposition des électrodes (coplanaires ou de part et d'autre de l'électrolyte). Cette configuration conduit à des dispositifs simplifiés du point de vue technologique, et donc moins coûteux.Dans cette étude, les électrodes ont été déposées en couches épaisses par la technologie de sérigraphie sur des pastilles support d'électrolyte. Au niveau matériaux, des électrolytes à base de cérine (en particulier GDC et SDC) ont été utilisés afin de diminuer la température de fonctionnement des piles de type SOFC (par rapport à celles avec un électrolyte YSZ). Des électrodes à propriétés catalytiques bien spécifiques vis à vis du mélange gazeux, ont été aussi étudiés : cermets Ni - GDC ou Ni - SDC pour l'anode, cathodes à base de LSM, BSCF ou SSC. Les poudres initiales ainsi que les couches sérigraphiées ont été caractérisées (analyse de phase, microstructure, stabilité chimique, conductivité électrique...) par diverses méthodes physico-chimiques. Différentes piles ont été élaborées et testées dans un réacteur monochambre sous des mélanges air-propane. L'influence des conditions gazeuses (débit, composition) ainsi que de la température de fonctionnement sur les performances des piles a été étudiée. Compte tenu de nos conditions de test, les performances se sont avérées relativement modestes (densité de puissance maximale de l'ordre de 12 mW.cm-2). Néanmoins, cette étude confirme la validité du concept des piles SOFC monochambres, et a aussi permis de développer un savoir-faire au niveau du laboratoire pour poursuivre les études sur cette thématique.
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Müller, Guillaume. "Conception, élaboration et caractérisation de matériaux de composition et de microstructure innovants pour les micro-piles à combustible à oxyde solide." Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00833281.
Full textAbstract:
Les micro-piles à combustible à oxyde solide (micro-SOFC) apparaissent comme des sources d'énergie miniatures attractives et constituent une réelle rupture technologique permettant une solution alternative aux accumulateurs Li-ion actuels. Dans ce contexte, ce travail concerne la synthèse, la caractérisation structurale, microstructurale et électrochimique de films minces denses et poreux de composition et de structure variées : LSCF-CGO, Ni(O)-CGO et CGO. Ces matériaux ont été intégrés comme cathode, anode et électrolyte respectivement dans un dispositif type micro-SOFC fonctionnant vers 400-600°C à partir de H2 comme carburant. L'architecture de la cellule et son procédé de synthèse diffèrent de ceux proposés dans la littérature. En effet, des gradients de porosité et de composition ont été réalisés aux électrodes de manière à limiter les phénomènes de polarisation d'activation et de concentration. De plus, le choix du procédé de synthèse, sol-gel couplé à la méthode de trempage-retrait pour la mise en forme des matériaux, a été guidé par des critères économiques et de facilité de mise en œuvre. Pour la synthèse des films minces denses d'électrolyte (CGO), une autre méthode de synthèse (ALD) a également été utilisée. Dans ce travail, nous avons étudié plus particulièrement les relations qu'il existe entre les propriétés structurale, microstructurale et électrique des films minces poreux d'électrodes, dans les conditions de synthèse et de fonctionnement in fine de la cellule. Sur la base de cette étude, la fabrication et l'évaluation des propriétés électriques de ces micro-SOFC déposées sur un support poreux de Pt/Al2O3 ont été réalisées
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Vibhu, Vaibhav. "Stabilité et vieillissement des études de nickelates base praséodyme comme cathodes pour oxyde solide piles à combustible." Thesis, Bordeaux, 2016. http://www.theses.fr/2016BORD0017/document.
Full textAbstract:
Ce travail de thèse est consacré à l’étude des nickelates La2-xPrxNiO4+δ, comme nouveaux matériauxde cathodes pour piles à combustible haute température, SOFC, et en particulier à la caractérisationde leur stabilité chimique et leur comportement en fonctionnement. En effet, du fait de leurpropriété de conduction mixte ionique et électronique, MIEC, les nickelates de structure typeK2NiF4, Ln2NiO4+δ (Ln = La, Pr, Nd), correspondant au terme n = 1 de la série de Ruddlesden-Popper (An+1MnO(3n+1)), sont des matériaux prometteurs pour des fonctionnements à températureintermédiaire, IT-SOFC (T < 800 °C). Compromis entre la stabilité chimique de La2NiO4+δ et lestrès bonnes performances électrochimiques de Pr2NiO4+δ, les phases La2-xPrxNiO4+δ, ont étésynthétisées et leurs propriétés physico-chimiques, de transport et électrochimiques ont étédéterminées. L’étude approfondie des caractéristiques des électrodes par spectroscopied’impédance en cellules symétriques a été réalisée à courant nul et sous polarisation anodique etcathodique sur des périodes d’un mois. De façon surprenante, même après la dissociation complètede Pr2NiO4+δ en PrNiO3-δ, Pr4Ni3O10+δ et Pr6O11, la résistance de polarisation ne montre pas dechangement significatif. L’étude de PrNiO3-δ et Pr4Ni3O10+δ, comme matériau de cathode pour pilesà combustible, démontre l’excellent comportement de la phase Pr4Ni3O10+δ et ceci en cellulesymétrique (Rp (Pr4Ni3O10+δ) = Rp (Pr2NiO4+δ) = 0.15 Ω.cm² à 600 ° C) et cellule complète (1.6W.cm-2 at 800 °C)This PhD work is dedicated to stability and ageing studies of Praseodymium based nickelates ascathodes for Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs). With this respect Ln2NiO4+δ (Ln=La, Pr or Nd)compounds with the K2NiF4 type structure act as alternative cathode materials for IT-SOFC due totheir mixed ionic and electronic conductivity (i.e. MIEC properties). Pr2NiO4+δ shows excellentelectrochemical properties at intermediate temperature (i.e. low polarization resistance Rp value, Rp= 0.03 Ω.cm² at 700 °C), while La2NiO4+δ exhibits higher chemical stability. So, the properties ofLa2-xPrxNiO4+δ nickelates were investigated with the aim to find best compromise between chemicalstability and electrochemical performances. After synthesis, the physical and chemical properties aswell as their transport and electrochemical properties have been determined. Measurements of thepolarization resistance of symmetrical half-cells have been carried out by impedance spectroscopy.Then, the chemical stability and the electrochemical performance of the materials have been studiedfor duration up to one month. As an interesting point, even after complete dissociation of Pr2NiO4+δinto PrNiO3-δ,Pr4Ni3O10+δ and Pr6O11, the polarization resistance does not show significant change.So finally, two new materials PrNiO3-δ and Pr4Ni3O10+δ were investigated as SOFCs cathodeshowing very promising results for Pr4Ni3O10+δ in symmetrical cell (Rp (Pr4Ni3O10+δ) = Rp(Pr2NiO4+δ) = 0.15 Ω.cm² à 600 ° C) and complete cell (1.6 W.cm-2 at 800 °C)
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Jarry, Angélique. "Optimisation et caractérisation des propriétés de transport de nouveaux électrolytes céramiques pour pile à combustible conductrice protonique et anionique dérivés de Baln0. 8Ti0. 2O2. 6-n(OH)2n(BIT02)." Nantes, 2012. http://archive.bu.univ-nantes.fr/pollux/show.action?id=df220054-12e8-467d-a71a-2976bae4ccba.
Full textAbstract:
Un des challenges actuels concernant les électrolytes de type pérovskite pour H+-SOFC est d'être à la fois un bon conducteur ionique et stable chimiquement vis-à-vis du CO2. Un compromis est trouvé en alliant une basicité modérée pour éviter la décomposition du matériau et une symétrie cristallographique élevée pour faciliter la diffusion des protons ou des anions. De nombreuses phases préparées en substituant In et Ti par Zr, Ln ou Sc dans l’électrolyte BaIn0. 8Ti0. 2O2. 6-n ont permis de dégager et d’optimiser les critères nécessaires à l’obtention des propriétés souhaitées. Ainsi, les phases BaIn0. 6Ti0. 2Ln0. 2O2. 6-n avec Ln = Yb, Lu ou Dy et BaIn1-x-yTixZryO2. 6-n avec x+y ≤ 0. 2 répondent le mieux au cahier des charges. Elles affichent des conductivités protonique et anionique prometteuses, i. E σH+400°C ~1. 5 mS. Cm-1 et σO2-700°C ~10 mS. Cm-1 et une bonne stabilité chimique dans une atmosphère contenant 3% de CO2. Bien que l’existence de corrélations entre structure et propriétés de transport soit connue, une meilleure compréhension à un niveau atomique des mécanismes de conduction est nécessaire dans le but d’améliorer les performances de l’électrolyte. Dans cette étude, nous avons quantifié et localisé les oxygène et les protons et étudié leur diffusion lors de l’hydratation de BaIn0. 6Ti0. 2Yb0. 2O2. 6-n0. 4-n(OH)2n en combinant la diffraction des électrons, des rayons-X et des neutrons, la diffusion quasi-élastique des neutrons, la RMN, l’ATG et la spectroscopie IR. Une attention particulière a été portée sur la détermination structurale ainsi que sur la compréhension du mécanisme d’hydratationA major limitation of the perovskite type H+-SOFC electrolyte performance is the actual competition between a high level of ionic conductivity and a good stability in CO2 containing atmosphere. A compromise must be found between a low basicity to avoid decomposition by reaction with CO2 and a good proton and/or O2- diffusion associated with a high crystallographic symmetry. With an optimization of those key features, we expect to obtain the best conductivity/stability couple. Such strategies were carried out on BaIn0. 8Ti0. 2O2. 6-n(OH)2n by Zr,Ln,Sc→In,Ti substitutions, leading to BaIn0. 6Ln0. 2Ti0. 2O2. 6-n(OH)2n with Ln = Yb, Lu or Dy and BaIn1-x-yTixZryO2. 6-n with x+y ≤ 0. 2 for the best candidates. They demonstrate promising protonic and anionic conductivities respectively σH+400°C ~1. 5 mS. Cm-1 and σO2-700°C ~10 mS. Cm-1 and good chemical stability under 3% CO2 atmosphere. Even though the strong correlations between perovskite crystal phase and transport properties are well known, a better fundamental understanding at an atomic scale of conduction mechanisms is necessary to enhance the likelihood of tailoring electrolyte performance. In this work, we attempt to quantify and to localize the oxygen and proton species and to study their motions upon hydration in BaIn0. 6Yb0. 2Ti0. 2O2. 6-n(OH)2n by combining thermal X-ray, electron and neutron diffractions, neutron time-of-flight scattering data, MAS NMR, TGA and IR spectroscopy. A particular attention was paid on the structural determination as well as on hydration mechanism understanding
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Bernay, Cécile. "Faisabilité de la pile à combustible à oxyde solide à température intermédiaire pour l'application véhicule : dépôt de couches atomiques d'électrolyte : modélisation et tests de cellules." Paris 6, 2002. http://www.theses.fr/2002PA066557.
Full text
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Lalanne, Cécile. "Synthèse et mise en forme de nouveaux matériaux de cathode pour piles ITSOFC : réalisation et tests de cellules." Phd thesis, Université Sciences et Technologies - Bordeaux I, 2005. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00092666.
Full textAbstract:
Le développement des piles à combustible à oxyde solide SOFC est conditionné par un abaissement de la surtension cathodique mesurée à 600-700°C. Dans cette optique, une sélection de nouveaux matériaux de cathode a été réalisée au laboratoire depuis quelques années. Ainsi, les oxydes sur-stoechiométriques en oxygène de type A2MO4+¤ (structure K2NiF4) possèdent des propriétés électrocatalytiques et de conduction de l'oxygène particulièrement intéressantes. Une étude approfondie a été menée sur les composés Nd2¤xNiO4+¤ (x = 0 et 0,05) : la réduction de l'oxygène a été caractérisée par spectroscopie d'impédance électrochimique et par voltamétrie (cellule en configuration symétrique placée sous air). Les mesures réalisées sous différentes pressions partielles d'oxygène et diverses surtensions cathodiques ont permis d'identifier les diverses contributions du mécanisme de réduction du dioxygène. L'utilisation de poudres de morphologie contrôlée (issues de différentes voies de synthèse) a conduit à réduire fortement les phénomènes de polarisation d'électrode, le transfert ionique à l'interface cathode / électrolyte restant l'étape limitante du processus. Par ailleurs, suite aux résultats particulièrement encourageants obtenus pour les cellules symétriques (faibles résistances spécifiques et surtensions cathodiques minimisées), les premiers tests en configuration de pile complète ont pu être réalisés. Après une optimisation des paramètres de mise en forme, i.e. sélection de la méthode de dépôt et du cycle thermique de frittage adapté, des densités de courant de l'ordre de 1,3 A/cm2 ont été mesurées à 0,7 V pour une température de fonctionnement de 800°C.
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Bertrand, Gregory. "Films minces de manganites de lanthane (LaxMnyO 3 + δ) sur zircone yttriée ((100)YSZ) comme modèle de demi-pile à combustible à oxydes solides (SOFC) : élaboration par LP-MOCVD et propriétés interfaciales." Dijon, 2000. http://www.theses.fr/2000DIJOS036.
Full textAbstract:
Ce travail de thèse a pour objectif la réalisation d'un système modèle de demi-pile à combustible à oxydes solides (SOFC) adapté à l'étude de la réaction de dégradation à haute température de l'interface entre la cathode et l'électrolyte, respectivement LaMnO 3 (LM) et ZrO 2 : 9. 5 mol. % y 2o 3 (YSZ). Ces matériaux sont représentatifs de ceux utilisés dans la technologie SOFC fonctionnant dans un domaine de température compris entre 850 et 1000°C. Les performances et la durée de vie des piles dépendent fortement de la réactivité entre LM et YSZ qui est fonction du rapport cationique La/Mn. Ce travail a pour but de détecter la formation de la phase inhibitrice La2 Zr2 O7 (LZ) à l'interface cathode - électrolyte, en fonction du rapport La/Mn et d'en analyser les mécanismes de formation. Notre approche se singularise par le choix du procédé de synthèse en couche mince de la cathode, par sublimation contrôlée de précurseurs métalloorganiques solides ou LP-MOCVD. La synthèse directe à 600°C et l'utilisation d'un substrat monocristallin de YSZ a permis d'élaborer un système modèle idéal pour l'étude de la réactivité de l'interface LM/(100)YSZ. Cette phase de synthèse s'appuie sur une étude fondamentale des cinétiques de sublimation des précurseurs solides de La et de Mn permettant une optimisation du procédé de dépôt. La réactivité de ces assemblages a été abordée à partir de trois séries de compositions chimiques La/Mn choisies. La microscopie Auger à balayage associée à la diffraction électronique et la diffraction des rayons X en incidence rasante ont permis à la fois de préciser la chimie et les relations cristallographiques de l'interface. Des données concernant les produits de réaction et leur localisation en fonction de La/Mn et d’analyser les mécanismes de cette formation sont présentées.
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Puig, Jean. "Développement de verres de scellement par voie sol-gel en vue de l'élaboration d'une Serial Repeat Unit (SRU) pour piles à combustibles SOFC." Toulouse 3, 2012. http://thesesups.ups-tlse.fr/2457/.
Full textAbstract:
Les verres de scellement permettent d'assurer l'étanchéité à haute température des systèmes SOFC en séparant les compartiments anodiques et cathodiques. Les scellements rigides sont soumis à différentes contraintes simultanées (thermomécaniques, chimiques, électriques,. . . ) lors des cycles thermiques d'une pile SOFC. Ces travaux ont consisté à développer des verres de scellement pour les systèmes SOFC en utilisant un procédé de synthèse en milieu liquide : la voie sol-gel. De basses températures de mise en forme et une homogénéité en composition chimique des matériaux formés ont été obtenues à l'aide de ce procédé. Les verres élaborés correspondent aux compositions chimiques BxAS (BaO- x= CaO, MgO, B2O3 -Al2O3-SiO2) avec une forte teneur en BaO afin d'avoir des coefficients d'expansion thermique compatibles avec les autres éléments de la cellule SOFC. Les caractérisations des propriétés des verres ont permis de démontrer que plusieurs matériaux élaborés avaient les propriétés requises pour une application en tant que scellement SOFC. Plusieurs tests de scellement à haute température sous atmosphère oxydante et réductrice ont mis en avant le fait que la réactivité chimique avec l'acier des interconnecteurs était un critère déterminant dans le choix de la formulation d'un verre idéal contenant du BaO. Un verre avec une composition chimique optimisé a finalement été sélectionné pour réaliser des tests électriques sur une cellule en fonctionnement. Les premiers résultats obtenus sur la cellule scellée sont prometteurs et font du verre élaboré un candidat potentiel aux futures applications SOFCGlass seals are used to ensure gas-tightness at high temperature for SOFC systems by separating the anode and cathode compartments. These rigid seals are subject to different strains simultaneously (thermomechanical, chemical, electrical,. . . ) during thermal cycles of a SOFC. This work consisted in developing glass seals for SOFC systems using a synthesis process in a liquid medium: the sol-gel process. Low temperatures shaping and homogeneity in chemical composition of materials formed were obtained using this method. The as-formed glasses correspond to the chemical compositions BxAS (BaO-x = CaO, MgO, B2O3-Al2O3-SiO2) with a high content of BaO in order to have coefficients of thermal expansion compatible with the other components of the SOFC. The characterization of the glass properties have demonstrated that several materials had developed the required properties for application as SOFC sealing. Several tests of sealing at high temperature under oxidizing and reducing atmosphere highlighted the fact that the chemical reactivity with steel interconnects was a critical criteria in selecting the ideal formulation in BaO containing glasses. A glass with optimized chemical composition was finally selected to realize electrical tests on an operational cell. The first results on the sealed cell are promising and the glass used is a potential candidate for future SOFC applications
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Belakry, Sarra. "Développement d’électrodes Innovantes pour piles à combustible réalisés sur support métallique poreux." Thesis, Littoral, 2022. http://www.theses.fr/2022DUNK0614.
Full textAbstract:
Les piles à combustible à oxyde solide à support métallique (MS-SOFC) connaissent un grand intérêt en raison de leurs avantages potentiels (faible coût, tolérance aux cycles redox et thermiques, etc.) par rapport aux piles à combustible SOFC conventionnelles. Cette thèse a pour objectif de développer une pile à combustible à oxyde solide fonctionnant aux températures intermédiaires (500 - 750°C) sur un support métallique poreux (MS-IT-SOFC). Deux supports métalliques poreux, sous forme de fibres compactées en acier 316L et FeCrAl, fournis par une entreprise locale TIBTECH, ont été étudiés afin d’évaluer leur stabilité physique, chimique et électrique et valider leur utilisation comme support pour IT-SOFC. Cette étude a permis de sélectionner le FeCrAl comme support métallique pour IT-SOFC. La réduction de la température de fonctionnement passe en partie par la diminution de la résistance de polarisation de la cathode. Cet objectif peut être atteint soit par le développement de nouveaux matériaux plus performants, soit par l’amélioration de la microstructure ou de la surface/interface entre l’électrolyte et la cathode. Cette thèse développe la dernière approche en améliorant la surface/interface entre le CGO et le LSCF. Pour cela, trois architectures de cathode ont été élaborées et caractérisées par spectroscopie d’impédance : cathode classique (LSCF poreux et épais), cathode avec un film mince LSCF à l’interface cathode-électrolyte, et cathode avec squelette CGO imprégné de LSCF. L’influence des deux dernières architectures reste remarquable dans la mesure où leur ASR est proche de 0,1 Ω.cm2 à 600°C et 0,02 Ω.cm2 à 750°C. La cellule complète MS-IT-SOFC avec une cathode simple et un électrolyte CGO a fourni 421 et 523 mW/cm2 à 700 et 750°C, respectivement. L’objectif d’une cellule à support métallique pouvant fournir 0,5 W/cm2 est donc atteint. En revanche, l’utilisation de l’électrolyte CGOCB/YSZ/CGOCB donne les densités de puissance plus faible à 154 et 219 mW/cm2 à 700 et 750°C, respectivement. Cette baisse de performance est attribuée à l’utilisation de l’oxyde YSZ qui introduit plus de pertes aux températures intermédiaires. Cependant, l’intégration d’une cathode avec squelette CGO imprégné de LSCF a permis d’augmenter ces valeurs à 242 et 342 mW/cm2, démontrant ainsi tout l’intérêt de ce type de cathode. L’ensemble de ces travaux a permis de valider notre architecture SOFC à support métallique poreux FeCrAl, et a permis de définir des orientations importantes dans le choix de l’électrolyte (matériau, épaisseur) et des électrodesMetal Supported Solid Oxide Fuel Cells (MS-SOFCs) have gained significant interest due to their potential advantages (low-cost, tolerance to redox and thermal cycling and so on) over conventional fuel cells. The main objective of this thesis was to develop an intermediate temperature (500-750°C) Solid Oxide Fuel Cell on a porous metal support (MS-IT-SOFC). Two porous metallic supports in the form of compacted fibers (316L steel and FeCrAl, supplied by the local company TIBTECH, were studied in order to evaluate their physical, chemical and electrical stability and to validate their use as support for IT-SOFCs. This study leads to the selection of FeCrAl as a metallic support for IT-SOFC. The decrease of the operating temperature is partly achieved by reducing the cathode polarization resistance. This objective can be achieved either by developing new and better performing materials, or by improving the microstructure or the electrolyte/cathode or surface/interface of known materials. This thesis develops the latter approach, by improving the surface/interface of GDC/LSCF. For this purpose, three cathode architectures have been developed and characterized by impedance spectroscopy: conventional cathode (porous and thick LSCF), cathode with a thin LSCF film at the cathode-electrolyte interface, and cathode with GDC backbone infiltrated by LSCF. The influence of the last two architectures remains remarkable as their ASR is close to 0.1 Ω.cm2 at 600°C and 0.02 Ω.cm2 at 750°C. The complete MS-IT-SOFC cell with a simple cathode and GDC electrolyte has provided 421 and 523 mW/cm2 at 700 and 750°C, respectively. Thus, the goal of a metal-supported cell that can deliver 0.5 W/cm2 is achieved. On the other hand, the use of CGOCB/YSZ/CGOCB electrolyte decreased the power densities to 154 and 219 mW/cm2 at 700 and 750°C, respectively. This decrease in performance is attributed to the use of YSZ oxide, which introduces more losses at intermediate temperatures. However, the integration of a cathode with a CGO backbone impregnated with LSCF allowed to increase these values to 242 and 342 mW/cm2, demonstrating the interest of this type of cathode. All these works allowed to validate our SOFC architecture with a porous FeCrAl metal support, and to define important orientations in the choice of the electrolyte (material, thickness) and the electrodes
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Nicollet, Clement. "Nouvelles électrodes à oxygène pour SOFC à base de nickelates Ln2NiO4+δ (Ln = La, Pr) préparées par infiltration." Thesis, Bordeaux, 2016. http://www.theses.fr/2016BORD0065/document.
Full textAbstract:
L’amélioration des performances des piles à combustible à oxyde solide(SOFC) passe en partie par l’augmentation de l’activité électrocatalytique de l’électrode àoxygène. Cet objectif peut être atteint soit en recherchant des matériaux plus performants,soit en travaillant sur la mise en forme et la microstructure d’électrodes de matériaux connus.Cette thèse développe cette dernière approche en considérant surtout la technique originalede mise en forme par infiltration appliquée aux matériaux La2NiO4+δ et Pr2NiO4+δ, connuspour leurs propriétés de conduction mixte électronique et ionique. L’optimisation desparamètres a été effectuée sur des électrodes à base de La2NiO4+δ, et a conduit à lapréparation d’électrodes performantes. L’analyse approfondie des résultats de mesuresélectrochimiques a permis de démontrer l’importance primordiale des interfacesgaz/électrode (surface spécifique) et électrode/électrolyte sur l’efficacité de l’électrode.L’étude d’électrodes à base de Pr2NiO4+δ et des phases secondaires issues de sadécomposition ont mis en lumière les propriétés électrocatalytiques remarquables de l’oxydesimple Pr6O11, conduisant à des résistances de polarisation très faibles (Rp = 0,028 Ω·cm2 à600 °C). L’intégration de ce type d’électrode dans une cellule SOFC complète a permis demesurer une densité de puissance élevée de 825 mW·cm-2 à seulement 600 °C etremarquablement stable après 800 h de fonctionnement à 600 °C et 0,5 A·cm-2Increasing the electrocatalytic activity of the oxygen electrode is a possible wayto improve SOFCs performance. It can be achieved either by searching for new materials, orby working on the shaping technique and microstructure of electrodes prepared with wellknownmaterials.This thesis developed the latest approach by applying the infiltration technique to thenickelates materials La2NiO4+δ and Pr2NiO4+δ, known for their mixed electronic and ionicconduction properties. The benefits of the infiltration method over more usual techniquessuch as screen printing was first demonstrated on La2NiO4+δ electrodes. The thoroughanalysis of electrochemical measurements highlighted the extensive role of both thegas/electrode (specific area) and the electrode/electrolyte interfaces on the efficiency of theelectrode.The study of Pr2NiO4+δ-based electrodes, and especially of the secondary phases arisingfrom its decomposition, allowed discovering the remarkable electrocatalytic properties of thesimple oxide Pr6O11, leading to very low polarization resistance values (Rp = 0.028 Ω·cm2 at600 °C). The integration of such electrodes in SOFC single cells led to power densities up to825 mW·cm-2 at only 600 °C, with a remarkable stability measured during 800 h at 600 °Cand 0.5 A·cm-2
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Tchakalov, Rossen. "Engineering and optimization of electrode/electrolyte interfaces to increase solid oxide fuel cell (SOFC) performances." Thesis, Université Paris sciences et lettres, 2021. http://www.theses.fr/2021UPSLM001.
Full textAbstract:
Dans ce travail, nous avons établi un protocole de fabrication industrielle pour réaliser des cellules de piles à combustible avec interfaces électrode/électrolyte architecturées, ou planes. Nous avons démontré que pour deux types d'échantillons, différents par les matériaux, la microstructure, le nombre de couches et l'emplacement de l'architecture, l'architecture de l'interface électrode/électrolyte entraîne une augmentation très significative des performances. Les mesures de polarisation et l'EIS sont utilisées pour étudier les performances électrochimiques des cellules, ainsi que pour comparer les cellules architecturées et les cellules planes. Nous isolons l'influence de l'architecture sur les spectres d'impédance globaux en utilisant une méthode de comparaison innovante basée sur l'étude des écarts relatifs des parties de résistance dépendantes de la fréquence. Ainsi, l'architecture a une influence favorable sur les performances électrochimiques en améliorant les capacités catalytiques des électrodes ainsi que le transfert de charges (et en particulier le transfert d'ions) dans la cellule. L'architecture induit une augmentation de 60 % de la densité de puissance maximale pour les cellules de Type I et de 75 % pour les cellules de Type IIIn this work, we have established an industrial fabrication protocol for single fuel cells with either architectured or planar electrode/electrolyte interfaces. We have demonstrated that in two types of samples, differing in materials, microstructure, number of layers, and architecture location, the architecturation of the electrode/electrolyte interface results in a highly significant performance increase. Polarization measurements and EIS are used to study the electrochemical performances of the cells, to compare the architectured and planar ones. We isolate the influence of the architecturation on global impedance spectra by using an innovative comparison method based on the study of the relative gaps of the frequency-dependent resistance parts. Thus, the architecturation has a strongly favorable influence on the electrochemical performances by enhancing the catalytic capabilities of the electrodes as well as the charge transfer (and in particular the ion transfer) within the cell. The architecturation induces a 60 % increase of the maximum power density for the Type I cells and 75% for the Type II cells
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Simone, Antonia. "Caractérisation microstructurale et électrique de couches céramiques obtenues par le dépôt électrophorétique (EPD) : Application à la zircone cubique." Phd thesis, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, 2004. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00813386.
Full textAbstract:
Le dépôt par électrophorèse, technique éclectique et prometteuse, est bien connue pour permettre la production de films déposés de haute qualité et d'épaisseur contrôlée. Au vu de ces possibilités, la technique EPD a été appliquée avec succès lors de ce présent travail de thèse de doctorat pour produire des couches à base de zircone yttriée orientées vers des applications comme électrolyte solide dans les piles à combustibles. Nous avons testé deux techniques simples, facilement transférables à la production industrielle : La sérigraphie et le dépôt par électrophorèse. Les caractéristiques microstructurales de ces couches se reflètent sur leur comportement électrique. Notamment, les couches électrophorétiques possèdent des valeurs de conductivité plus élevées et proches des valeurs théoriques. Ces valeurs couplées au fait de pouvoir développer des couches d'épaisseur faible contrôlée (de l'ordre de la dizaine de µm), démontrent combien le dépôt par électrophorèse est une réponse valide aux demandes d'amélioration des caractéristiques des couches d'électrolytique.
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Ehora, Ghislaine. "Nouveaux oxydes à valence mixte : transfert de la chimie à l'électrochimie du solide." Lille 1, 2007. https://pepite-depot.univ-lille.fr/LIBRE/Th_Num/2007/50376-2007-231.pdf.
Full textAbstract:
Cette thèse se divise en deux volets: un premier volet axé chimie du solide où nous avons exploré des systèmes ciblés Ba-Co-O(X) (X = F) autour de trois composés inédits Ba6Co6FO16, Ba5Co5FO13 et Ba2Co9O14. Les propriétés fondamentales des composés: structures à température ambiante, mise en ordre magnétique à basse température (susceptibilités et structures magnétiques), comportement thermique et électrique. . . Ont été étudiées. Les cobaltites étant considérées comme potentiellement intéressantes pour une utilisation comme matériau de cathode pour SOFC, le deuxième volet de cette thèse a pour objectif la caractérisation électrochimique de ces phases. L'étude des matériaux de cathode étant nouvelle au laboratoire, pour nous « faire la main », nous avons étudié les phases pyrochlores Bi2-xMxRu2O7-o[delta] (M = Pb, Sr) dont la solution solide au strontium est inédite. Les phases Bi2Ru2O7 et Pb2Ru2O6. 5 ayant fait l'objet de nombreuses caractérisations comme matériau de cathode pour SOFC, l'étude menée sur les solutions solides au plomb et au strontium a permis de confronter les résultats obtenus à ceux de la littérature. Enfin, la technique utilisée a été appliquée à nos composés inédits présentés en première partie. La spectroscopie d'impédance sous air et sous différentes pressions partielles d'oxygène nous a permis de mettre en évidence les différents phénomènes qui interviennent au cours de la réaction d'électrode et les bonnes performances de nos composés.
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Chnani, Moussa. "Modélisation Macroscopique de piles PEFC et SOFC pour l'étude de leur couplage." Phd thesis, Université de Franche-Comté, 2008. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00422119.
Full textAbstract:
L'ambition du projet Européen « FELICITAS » est le développement de générateurs piles à combustible performants pour les applications transport de type ferroviaire, routier lourd et maritime. Les travaux présentés concernent plus particulièrement l'évaluation d'une hybridation de sources originale où sont couplées en série une pile haute température de type oxyde solide (SOFC) alimentée en diesel et une pile basse température de type électrolyte polymère (PEFC). La SOFC participe ainsi à la fourniture de puissance électrique et contribue également au procédé de purification du combustible destiné à la PEFC en oxydant une fraction du monoxyde de carbone.Une approche de modélisation macroscopique a été développée. La complexité d'une pile à combustible réside notamment dans la prise en compte de son caractère multiphysique : elle est le siège des phénomènes électrochimique, fluidiques et thermiques. Cette difficulté a été surmontée en utilisant une analogie avec un circuit électrique équivalent pour unifier ses trois aspects, implanter et coupler ces sous-modèles dans un logiciel unique sous Matlab/Simulink™.
Un modèle de pile SOFC est proposé, appliquant le principe d'analogie électrique pour les circuits anodiques et cathodiques ainsi qu'une méthode nodale pour le comportement thermique. Le combustible considéré est un mélange d'hydrogène, d'azote, de monoxyde de carbone, de dioxyde de carbone et de vapeur d'eau, dont la composition est proche de celle obtenue à la sortie d'un reformeur. Un banc d'essai spécifique a été conçu et réalisé pour le test de petits empilements afin de valider le modèle. Deux types de conception de stack ont été étudiés : une technologie à combustion libre du gaz anodique dans le fluide et une technologie à collecteur de gaz d'échappement anodique.
Un modèle de pile PEFC isotherme a également été développé sur le même principe. La validation expérimentale a été faite sur un banc disponible au laboratoire. Une bibliothèque des éléments fluidique d'un générateur à pile à combustible a été enrichie (électrovanne, régulateur de débit, détendeur...) notamment par un modèle simplifié de compresseur d'air.
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Buvat, Gaëtan. "Réalisation et performances d’une cellule de pile à combustible SOFC avec l’électrolyte BaIn0. 3Ti0. 7O2. 85 et la forme réduite amorphe de La2Mo2O9 comme matériau d’anode." Nantes, 2014. https://archive.bu.univ-nantes.fr/pollux/show/show?id=0eb1503c-de8e-4779-9fad-d69c6f877d3e.
Full textAbstract:
Le but de ce travail était la réalisation d’une cellule de pile à combustible à oxyde solide (SOFC) utilisant la forme réduite amorphe de La2Mo2O9 et le composé BaIn0. 3Ti0. 7O2. 85 (BIT07) comme matériaux d’anode et d’électrolyte, respectivement. Les deux premiers chapitres du mémoire sont consacrés à une étude bibliographique et à une présentation des techniques expérimentales utilisées dans ce travail. Le troisième chapitre porte sur la réductibilité de La2Mo2O9 et la stabilité de la forme réduite. La cinétique de réduction est étudiée et des mesures par RPE sur les phases amorphes montrent que Mo(+VI) se réduit principalement en Mo(+III). Le quatrième chapitre traite de l’élaboration de la cellule. La réactivité chimique des matériaux La2Mo2O9 et BIT07 est étudiée, conduisant à l’utilisation d’une couche barrière à la diffusion des cations, de type cérine substituée. La réalisation de cellule est tentée sous deux configurations, une de type anode support par coulage en bande, l’autre de type électrolyte support avec dépôt d’électrodes par sérigraphie. Un trop gros écart de températures de frittage entre anode et électrolyte n'a pas permis d'obtenir une cellule avec les caractéristiques recherchées. Par contre, la seconde méthode a permis d’élaborer une cellule complète avec La0. 6Sr0. 4Co0. 2Fe0. 8O3-δ comme cathode. Finalement, le dernier chapitre porte sur la caractérisation électrochimique de cellules complètes du dernier type. La densité de puissance maximale mesurée à 700°C est de 40mW/cm² limitée en majorité par la chute ohmique imputable à l’épaisseur de l’électrolyte. Un test de vieillissement à 700°C, d’une durée de 800h, montre une perte négligeable de performanceThe main objective of this research is the elaboration of a solid oxide fuel cell (SOFC) based on the amorphous reduced form of La2Mo2O9 and the compound BaIn0. 3Ti0. 7O2. 85 (BIT07) as anode and electrolyte materials, respectively. The first two chapters of the dissertation are devoted to a bibliographic study and a presentation of the experimental techniques used in this work. In chapter 3, the reducibility of La2Mo2O9 and stability of the reduced form are presented. In particular, the reduction kinetics has been studied and EPR measurements reported on the amorphous phases are, predominantly, reduced into Mo3+. The fourth chapter is about the elaboration of a single cell. The chemical reactivity of La2Mo2O9 and BIT07 has been studied, leading to the use a buffer layer as substituted ceria. Two cell configuration are attempted, one as anode support by tape casting, the other as electrolyte support with electrodes deposited by screen-printing. The first attempt failed due to a too big gap between optimal sintering temperatures of anode and electrolyte. The second attempt succeeded in giving a full cell with La0. 6Sr0. 4Co0. 2Fe0. 8O3-δ cathode. Finally, the last chapter presents the electrochemical characterization of single cells of this last configuration, where maximal power density has been measured at 700°C to be 40mW/cm², limited by ohmic loss accountable for the electrolyte thickness. Negligible performance loss has been reported during a 800h ageing test at 700°C
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Célérier, Stéphane. "Synthèse par voie sol-gel, mise en forme et caractérisation de nouveaux matériaux d'électrolyte et d'anode pour piles à combustible SOFC : oxyapatites à charpente silicatée et Ni/oxyapatite." Toulouse 3, 2005. http://www.theses.fr/2005TOU30229.
Full textAbstract:
Le but de ces travaux est la synthèse, la caractérisation et la mise en forme de nouveaux matériaux d'électrolytes et d'anodes pour piles à combustible à oxyde solide (SOFC), fonctionnant à températures intermédiaires (700-800°C). La première partie de ce travail consiste à la synthèse de poudres La9. 33Si6O26 et La10-xSrySi6O26+z (Z = 27-3x/2 + y) à basse température par deux voies sol-gel différentes (la voie alcoxyde et la voie époxyde). Le contrôle des paramètres de synthèse (nature des précurseurs, concentration, traitement thermique,. . . ) de chaque méthode permet d'obtenir la phase oxyapatite pure à 800°C dans les deux cas (en comparaison avec 1500°C par la méthode solide-solide). La nature différente des liaisons chimiques des gels synthétisés par les différentes méthodes a été mise en évidence. Le contrôle des conditions de séchage du gel permet de synthétiser des xérogels, des aérogels et des ambigels qui présentent après calcination des microstructures très variées (taille de grains, surface spécifique, état d'agglomération). Cette microstructure contrôlée des poudres a été mise à profit pour préparer des céramiques de densité supérieure à 90 % pour un traitement thermique de 1400°C pendant 2 heures. Grâce à la grande flexibilité de la mise en forme par dip-coating, des couches d'oxyapatites La9. 33Si6O26 d'épaisseur et de densité contrôlées sont élaborées sur un substrat NiO/YSZ à partir de barbotines constituées par les poudres préalablement synthétisées. La facilité de mise en œuvre et la souplesse de la méthode sol-gel ont aussi été mises à profit pour élaborer des céramiques d'anode NiO/Apatite sans formation d'impuretés. De plus, par cette méthode, la distribution granulométrique de l'oxyde NiO dans la matrice apatite est optimale. Les caractérisations électrochimiques des céramiques d'oxyapatites ont permis de mettre en évidence l'influence de la substitution au strontium sur la conductivité ionique. L'influence de la température de frittage sur les propriétés de conduction a aussi été étudiée. Cette étude a permis d'établir une corrélation entre la microstructure et les propriétés de conduction des céramiques.
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Rotureau, David. "Développement de piles à combustible de type SOFC, conventionnelles et mono-chambres, en technologie planaire par sérigraphie." Phd thesis, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, 2005. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00009968.
Full textAbstract:
Ce travail marque le départ d'une nouvelle thématique au sein du laboratoire dans le domaine des piles à combustible à oxydes solides planaires. Fort de son expérience dans le domaine des capteurs, l'objectif a été de réaliser des prototypes avec des technologies "bas coûts" comme la sérigraphie à partir de matériaux classiques pour les piles, plutôt que de rechercher des nouveaux matériaux avec des propriétés optimales, mais qui peuvent être amoindries lors de la réalisation d'un dispositif complet. Ces matériaux sont la zircone yttriée (YSZ) pour l'électrolyte, un manganite de lanthane dopé au strontium (LSM) pour la cathode et d'un cermet à base d'oxyde de nickel et de zircone yttriée (Nio-YSZ) pour l'anode.la première partie des travaux a consisté à caractériser les propriétés physico-chimiques et électriques des matériaux choisis, sur des frittés d'abord et ensuite sur des couches sérigraphiées de YSZ, LSM ou NiO-YSZ. Ces caractérisations ont montré une bonne adaptabilité de nos matériaux pour une application pile à combustible.
La seconde partie a consisté à tester les prototypes réalisés sur l'électrolyte support, et sur anode support avec les électrodes et l'électrolyte déposé par sérigraphie. Les faibles performances obtenues sont surtout dues à la faible température de fonctionnement (800°C), à l'épaisseur de l'électrolyte support (environ 1mm)ou à la porosité des couches de YSZ par sérigraphie. Enfin, nous avons en même temps testé un dispositif original qui consiste à exposer les deux électrodes à un mélange de combustible et du comburant. Ce dispositif mono-chambre prometteur inspiré de l'expérience des capteurs potentiométriques développés au laboratoire par Nicolas Guillet (2001), permet de s'affranchir des problèmes d'étanchéité des deux compartiments gazeux. De plus, les performances obtenues ne sont que deux fois moindres par rapport à celles obtenues avec une pile conventionnelel à deux chambres gazeuses.
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Fondard, Jérémie. "Elaboration et test d’une pile à combustible IT-SOFC à support métallique poreux par l’intermédiaire de techniques de dépôt en voie sèche : projection thermique et pulvérisation cathodique magnétron." Thesis, Belfort-Montbéliard, 2015. http://www.theses.fr/2015BELF0254/document.
Full textAbstract:
L’un des enjeux relatif au déploiement des piles à combustible à oxyde solide comme système de production d’une énergie propre relève de la température de fonctionnement qui est actuellement autour de 1000°C. Abaisser cette température tout en préservant les performances afin de réduire les coûts de fabrication et d’augmenter la durée de vie des systèmes a été l’objectif dece travail de doctorat.Un coeur de pile à combustible (anode-électrolyte-cathode) élaboré avec des procédés physiques de dépôts (projection par plasma atmosphérique et pulvérisation cathodique magnétron) a été développé et optimisé sur un support métallique poreux. Les matériaux étudiés ont été un cermet en Nickel-Zircone stabilisée à l’Ytttrium (Ni-YSZ) pour l’anode, un électrolyte en YSZ avec ou sans couche de cérine gadoliniée (GDC) et les nickelates de terres rares comme cathode. La maitrise des procédés de revêtements a permis de réduire les épaisseurs de chaque couche et d’assurer la cohésion de l’ensemble des 3 couches avec des caractéristiques cristallographiques, microstructurales et de porosité adaptées. . Les performances électrochimiques ont été étudiées pour chaque élément du coeur de pile puis pour l’ensemble du système élaboré sur métal poreux. Même si les performances atteintes ne sont pas encore suffisantes, les procédés de revêtements optimisés pour recouvrir un support métallique poreux ont confirmé leur potentielEnergy production by a clean and environmental processes is a real challenge. Fuel cell technology is good candidate to answer this objective. The major problem of the Solid Oxide Fuel Cell is their high operating temperature (around 1000°C) for a massive industrialisation. Decreasing these temperature at 700°C allows a reduction of cost manufacturing and increase the lifetime, in this case the new challenge is to avoid the performances losses.During this phD work, dry surface treatment processes are employed for produce the fuel cell core. The thickness reduction of each part limit the performances decreasing generate by the modification of the temperature. The materials used is a Ni-Yttria stabilised zirconia cermet (Ni-YSZ) for the anode, YSZ with or without gadolinnia doped ceria (GDC) for electrolyte and rare earth nickelate for the cathode component. All material are a usual employed in the SOFC technology. All coating are synthesized and characterised separately. After a third generation of fuel cell is realized on ITM porous metal support produced by PLANSEE. The anode has been deposit by atmospheric plasma spray, the electrolyte and cathode have been synthesised by reactive magnetron sputtering
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Delbos, Cédric. "Contribution à la compréhension de l'injection par voie liquide de céramiques (Y. S. Z. ; Pérovskite,. . . ) ou métaux (Ni,. . . ) dans un plasma d'arc soufflé afin d'élaborer des dépôts finement structurés pour S. O. F. Cs." Limoges, 2004. http://aurore.unilim.fr/theses/nxfile/default/e9f63d07-0a8c-400d-8f58-adc4585d61e6/blobholder:0/2004LIMO0035.pdf.
Full textAbstract:
Ces travaux de recherche sont dédiés à l’élaboration, par un même et unique procédé, des différentes couches (électrolyte / anode / cathode) entrant dans la composition des piles à combustibles à oxyde solide (S. O. F. Cs : Solid Oxide Fuel Cells). L’électrolyte en zircone yttriée (Y. S. Z. : Yttria Stabilised Zirconia) doit présenter une microstructure dense (imperméable aux gaz) d’une épaisseur comprise entre 5 et 20 µm, tandis que les électrodes doivent être poreuse et plus épaisses (200-500 µm), en Ni-Y. S. Z. (anode) et LaMnO 3 (cathode). La technique choisie pour atteindre ces objectifs est le procédé de projection par plasma d’arc soufflé, à pression atmosphérique, de céramiques ou de métaux injectés par voie liquide (précurseur ou suspension de poudre micrométrique ou sub-micronique). Pour mener à bien ces travaux, une bonne compréhension des phénomènes mis en jeu (paramètres plasma, injection de liquide, pénétration du jet de liquide et traitement de la suspension dans le plasma, nature et granulométrie des poudres employées pour la réalisation des suspensions,…) est nécessaire, et des modèles simples ont été utilisés pour déterminer des ordres de grandeurs et expliquer les résultats expérimentaux. Ces travaux ont ainsi permis la réalisation d’électrolytes denses d’épaisseurs comprises entre 5 et 20 µm et d’électrodes poreuses finement structurés. De plus, les premiers résultats sur la réalisation d’assemblage de ces différentes couches (électrolyte-cathode et électrolyte-anode) sont très prometteursThe aim of this PhD work is the elaboration, by a same process, of the different constituents (electrolyte / anode / cathode) of Solid Oxyde Fuell Cells (S. O. F. Cs ). The yttria stabilised zirconia electrolyte (Y. S. Z. ) should present a dense microstructure (gas impervious) with a thickness included betwen 5 and 20 µm, whereas the electrodes shoud be porous and thicker (200-500 µm), in Ni-Y. S. Z. (anode) and LaMnO 3 (cathode). The chosen process to reach these goals is the direct current plasma jet projection, under atmospheric pressure, of ceramics or metals by liquid injection (liquid precursor or micronic or submicronic powder suspensions). To bring this work to a successful conclusion, a good understanding of the acting event (plasma parameters, liquid injection, plasma liquid jet penetration and plasma suspension treatment, kind and granulometry of the powder used for the suspension production,…) is necessary, and simple models have been used in order to determine some magnitudes and explain experimental results. These works have also allowed the elaboration of dense electrolytes with a thickness included between 5 and 20 µm and finely structured porous electrodes. Moreover, the first results on multi layered production of the fuel cell constituent (electrolyte-cathode and electrolyte-anode) are likely
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Mariño, Blanco Mariana. "Modification de la porosité de Ce0,9Gd0,1O1,95 par traitement laser : application pile SOFC monochambre." Thesis, Lyon, 2016. http://www.theses.fr/2016LYSEM035/document.
Full textAbstract:
Dans les piles à combustible SOFC (Solid Oxide Fuel cell) de type monochambre (SC-SOFC), l’anode et la cathode, séparées par un électrolyte, sont situées dans une même chambre alimentée par un mélange de combustible et d’oxygène. L’électrolyte, n’ayant alors plus le rôle d’étanchéité entre les compartiments anodique et cathodique, peut être mis en forme par sérigraphie. Cependant, il est nécessaire d’avoir une barrière pour éviter la possible diffusion de l’hydrogène produit localement à l’anode vers la cathode, ce qui peut générer une chute de la tension. L’objectif de ce travail de thèse est de créer une barrière de diffusion localisée via la densification de la surface de l'électrolyte par un traitement laser. Le matériau sélectionné pour l’électrolyte est un oxyde mixte Ce0,9Gd0,1O1,95 (CGO) qui est déposé par sérigraphie sur une anode composite NiO-CGO. Deux types de lasers impulsionnels sont utilisés : un laser UV (λ = 248 nm) et un laser IR (λ = 1064 nm). Les caractérisations microstructurales réalisées ont permis de mettre en évidence les effets du traitement laser pour certaines combinaisons fluence – nombre de tirs, montrant un grossissement de grain de l’électrolyte ou bien des surfaces densifiées mais fissurées. Des modifications structurales et chimiques sur la surface ont été évaluées ainsi que la diffusion de gaz au travers des électrolytes modifiés tout comme leur conductivité électrique. Afin de mieux comprendre l'interaction laser-matière, une modélisation thermique a également été mise en œuvre. Finalement, les performances de piles SC-SOFC ont été améliorées pour les dispositifs présentant un grossissement de grain à la surface de l'électrolyteIn single-chamber solid oxide fuel cells (SC-SOFC), anode and cathode are placed in a gas chamber where they are both exposed to a fuel/air mixture. Similarly to conventional dual-chamber SOFC, the anode and the cathode are separated by an electrolyte, but in the SC-SOFC configuration it does not play tightness role between compartments. For this reason, a porous electrolyte can be processed by screen printing. However, it is necessary to have a diffusion barrier to prevent the transportation of hydrogen produced locally at the anode to the cathode through the electrolyte that reduces fuel cell performances. This study aims to obtain directly a diffusion barrier through the surface densification of the electrolyte by a laser treatment. The material chosen for the electrolyte was cerium gadolinium oxide Ce0.9Gd0.1O1.95 (CGO) which is deposited by screen printing on a composite NiO-CGO anode. UV laser and IR laser irradiations were used at different fluences and number of pulses to modify the density of the electrolyte coating. Microstructural characterizations confirmed the modifications on the surface of the electrolyte for appropriate experimental conditions showing either grain growth or densified but cracked surfaces. Structural and chemical modifications on the surface were evaluated as well as the gas diffusion through the electrolytes and their electrical conductivity. In order to understand interaction between the laser and the material, thermal modelling was also developed. Finally, SC-SOFC performances were improved for the cells presenting grain growth at the electrolyte surface, particularly, the power density has been enhanced by a factor 2
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Cienfuegos, René Fabian. "Synthèse par voie sol-gel et mise en forme de couches épaisses de nickelates de lanthane : applications comme cathodes de piles à combustible SOFC." Toulouse 3, 2008. http://thesesups.ups-tlse.fr/233/.
Full textAbstract:
Ce travail porte sur la synthèse et la mise en forme de couches minces et épaisses de nickelates de lanthane (phases de Ruddlesden-Popper) La2-xNiO4+d (x=0, 0. 02) et La4Ni3O10. Ces matériaux à conduction mixte (MIEC) sont étudiés en vue de leur application comme cathodes de piles à combustible SOFC fonctionnant à température intermédiaire (700-800°C). Ils sont préparés sous forme de poudres par procédé sol-gel et sont incorporés ensuite dans des suspensions dont les paramètres physico-chimiques ont été optimisés en vue d'assurer leur stabilité. Par trempage-retrait du substrat, soit directement dans le sol, soit dans la suspension, suivi d'un traitement thermique, nous avons préparé des revêtements homogènes et non fissurés dont l'épaisseur est comprise entre quelques dizaines de nanomètres et plusieurs microns. Dans une seconde étape, nous avons préparé des revêtements architecturés basés sur l'empilement de couches interfaciales et de couches épaisses de nickelates de lanthane à différents taux La/Ni, afin de mettre à profit leurs caractéristiques intrinsèques (conductivité électronique et/ou ionique). Au-delà des caractérisations structurales et microstructurales conventionnelles, des tests électrochimiques ont permis de valider les performances prometteuses de ces cathodes architecturées pour une application dans le domaine des piles SOFCThis work focuses on the synthesis and elaboration of thin and thick layers of lanthanum nickelates (Ruddlesden-Popper phases) La2-xNiO4+d (x = 0, 0. 02) and La4Ni3O10. These mixed conducting materials (MIEC) are studied for their application as cathodes for solid oxide fuel cells (SOFC) operating at intermediate temperatures (700-800°C). They are prepared in the form of powders by sol-gel process and then incorporated into suspensions. In these suspensions, physico-chemical parameters have been optimized in order to ensure their stability. By dip-coating the substrate directly in the sol or in the suspension, followed by heat treatment, homogeneous and crack-free thin (100-200 nanometers) or thick (several microns) coatings respectively are prepared. In a second step, homogeneous or architectured thick multilayers were prepared, with or without interfacial thin layer. In this work, structural and microstructural characterization of the coatings are presented and discussed. Electrochemical tests of selected architectures were then used to valid performances of these promising structured cathodes
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Fontana, Sébastien. "Interconnecteurs métalliques de piles à combustible de type SOFC - Résistance à la corrosion et conductivité électrique à haute température." Phd thesis, Université de Bourgogne, 2009. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00461163.
Full textAbstract:
Les interconnecteurs représentent une pièce maîtresse des piles à combustibles à oxyde solide (SOFC) car ils sont chargés de collecter et de délivrer les électrons produits lors de la réaction électrochimique du cœur de pile. Les matériaux d'interconnecteurs doivent donc être stables sous air et sous H2/H2O. Ce travail vise à étudier l'influence d'un mince revêtement d'oxydes d'éléments réactifs (La2O3, Y2O3) réalisé par MOCVD sur le comportement à haute température (800°C) de matériaux d'interconnecteurs métalliques, tels que les alliages Crofer22APU, Haynes230 et Fe30Cr. La réalisation de tests de longue durée (7 700 et 15 400 heures) s'est avérée être riche en enseignements. Le suivi cinétique, la caractérisation des couches d'oxyde et la détermination du paramètre ASR ont permis d'établir que la présence d'oxydes de type pérovskite (LaCrO3, YCrO3), formés lors de l'oxydation, permettaient d'améliorer sensiblement la conductivité électrique des matériaux d'interconnecteurs. Sous atmosphère anodique (H2/10%H2O), même si les éléments réactifs conservent leur effet bénéfique, les cinétiques de corrosion sont plus rapides. L'augmentation de la porosité de la couche, l'amélioration de l'adhérence et la diminution de la taille des grains d'oxyde portent à croire que la diffusion anionique devient prépondérante sous vapeur d'eau. Enfin, l'effet bénéfique d'une pré-oxydation courte à 1 000°C sur le comportement des alliages revêtus et non revêtus est établi. Des expériences de marquage isotopique sous 16O2/18O2 ont démontré que cette amélioration s'explique par un changement du mécanisme de diffusion, la pré-oxydation engendrant une diminution de la contribution cationique.
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Lay, Elisa. "Nouveaux matériaux d'électrode de cellule SOFC." Phd thesis, Université Joseph Fourier (Grenoble), 2009. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00461152.
Full textAbstract:
Ce travail est consacré à l'étude des influences de deux cations, le cérium et le baryum, sur les propriétés structurales, physico-chimiques, électriques et électrochimiques de l'oxyde (La,Sr)(Cr,Mn)O3 (LSCM). L'effet de l'état d'oxydation du cérium a été déterminé en substituant les sites A de LSCM et d'un oxyde de composition proche, CexSr1-xCr0,5Mn0,5O3 (CeSCM). L'influence des propriétés de basicité du baryum a été examinée. Les matériaux sont stables en conditions de fonctionnement d'anode pour SOFC. La conductivité est de type p pour CeLSCM et CeSCM. Les composés LBCM sont des semi-conducteurs de type n pour des pressions partielles comprises entre 1 et 10-4 atm, et de type p pour des pressions plus faibles. Sous atmosphère neutre, la conductivité électrique totale augmente avec la teneur en cérium dans LSCM, et la conductivité des matériaux CeSCM est similaire à celle de CeLSCM substitué par 25% de cérium (36 S.cm-1 à 900 °C). Sous atmosphère réductrice, la conductivité des matériaux CeLSCM est de l'ordre de 1 S.cm-1. La quantité de baryum n'a pas d'influence sur la conductivité de LSBCM. La caractérisation d'électrodes ponctuelles denses a permis de montrer que les performances anodiques augmentent avec la teneur en cérium substitué au lanthane dans LSCM. La nature des processus impliqués n'est pas modifiée lorsque le strontium est substitué par le cérium, même si l'absence de lanthane pénalise le comportement anodique. Des performances intéressantes pour une application comme matériau d'anode pour SOFC ont été atteintes pour le composé La0,75Ba0,25Cr0,5Mn0,5O3. Les origines des contributions élémentaires des caractéristiques d'électrode sont discutées.
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Lay, Elisa. "Nouveaux matériaux d'électrode de cellule SOFC." Phd thesis, Grenoble 1, 2009. http://www.theses.fr/2009GRE10307.
Full textAbstract:
Ce travail est consacré à l'étude des influences de deux cations, le cérium et le baryum, sur les propriétés structurales, physico-chimiques, électriques et électrochimiques de l'oxyde (La,Sr)(Cr,Mn)O3 (LSCM). L'effet de l'état d'oxydation du cérium a été déterminé en substituant les sites A de LSCM et d'un oxyde de composition proche, CexSr1-xCr0,5Mn0,5O3 (CeSCM). L'influence des propriétés de basicité du baryum a été examinée. Les matériaux sont stables en conditions de fonctionnement d'anode pour SOFC. La conductivité est de type p pour CeLSCM et CeSCM. Les composés LBCM sont des semi-conducteurs de type n pour des pressions partielles comprises entre 1 et 10-4 atm, et de type p pour des pressions plus faibles. Sous atmosphère neutre, la conductivité électrique totale augmente avec la teneur en cérium dans LSCM, et la conductivité des matériaux CeSCM est similaire à celle de CeLSCM substitué par 25% de cérium (36 S. Cm-1 à 900 °C). Sous atmosphère réductrice, la conductivité des matériaux CeLSCM est de l'ordre de 1 S. Cm-1. La quantité de baryum n'a pas d'influence sur la conductivité de LSBCM. La caractérisation d'électrodes ponctuelles denses a permis de montrer que les performances anodiques augmentent avec la teneur en cérium substitué au lanthane dans LSCM. La nature des processus impliqués n'est pas modifiée lorsque le strontium est substitué par le cérium, même si l'absence de lanthane pénalise le comportement anodique. Des performances intéressantes pour une application comme matériau d'anode pour SOFC ont été atteintes pour le composé La0,75Ba0,25Cr0,5Mn0,5O3. Les origines des contributions élémentaires des caractéristiques d'électrode sont discutéesInfluences of two cations, cerium and baryum, have been examined on the structural, physico-chemical, electrical and electrochemical properties of LSCM (La,Sr)(Cr,Mn)O3 as an anode for SOFC. LSCM was subtituted on the A site of the perovskite (cerium on lanthanum sites, or baryum on strontium sites). The related composition CeSCM (CexSr1-xCr0. 5Mn0. 5O3) has been synthetised in order to increase Ce4+ concentration. Chemical stabilities are discussed in elaboration and operating conditions. Electrical conductivity measurements have been performed in different atmospheres. CeLSCM and CeSCM are p-type semi-conductors. LBSCM materials are n-type semi-conductors for pO2 from 1 atm to 10-4 atm, and p-type for lower pO2. Electrical conductivity for CeLSCM materials increases with cerium content. Conductivities of CeSCM materials are similar. In reducing conditions, these materials exhibit a conductivity of 1 S. Cm-1 at 900 °C, except for CeSCM 50 (0,2 S. Cm-1). Baryum content has no influence on electrical conductivity of LBSCM; it is divided by 2 compared with LSCM in air and in H2- 3% H2O, and is slighty better than LSCM in argon. Electrochemical characterizations have been performed on dense pin-shaped electrodes. Stationnary and dynamic periodic measurements were performed. Anodic performances of CeLSCM materials increase with cerium content. CeLSCM 37. 5 properties are compatible with an application as anode SOFC operating beyond 800 °C. Electrode reaction is not modified when strontium is substituted by cerium. However, lanthanum absence has a poor effect on performance. LBCM exhibits interesting performances as an anode for SOFC. Origins of electrode reactions are discussed
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Grimaud, Alexis. "Propriétés de conduction mixte O2- / H+ / e- dans quelques phases dérivées de la perovskite : application aux cathodes de piles à combustible H+-SOFC." Phd thesis, Université Sciences et Technologies - Bordeaux I, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00695911.
Full textAbstract:
La pile à combustible H+-SOFC (Protonic Conducting Solid Oxide Fuel Cell) basée surl'utilisation d'un électrolyte conducteur protonique peut représenter une alternative intéressanteà la pile SOFC qui présente actuellement le meilleur rendement. Cependant, la surtension à lacathode reste élevée et ce travail est dédié à la compréhension du mécanisme de réductionl'oxygène à cette électrode.Différents matériaux conducteurs mixtes O2- / e- de structures dérivées de la perovskite ABO3,tels que les doubles perovskites LnBaM2O5+d (Ln = Pr, Nd et Gd et M = Co et Fe) ainsi que lesphases de Ruddlesden-Popper A2MO4+d (Ln = Pr et Sr et M = Ni), ont été étudiés. Leur niveaude conductivité électronique ainsi que leur non-stoechiométrie en oxygène ont d'abord étédéterminées. Puis, à l'aide de la détermination des coefficients de diffusion de l'oxygène par laméthode de relaxation de conductivité électrique, leur conductivité ionique O2- a été estimée.Une étude électrochimique et plus spécialement la détermination des étapes limitant la réactionde réduction de l'oxygène à la cathode de pile H+-SOFC a ensuite permis de démontrer le rôledu proton dans le mécanisme de réaction pour les matériaux présentant les meilleuresperformances électrochimiques.Enfin, dans le cadre d'un projet ANR HPAC 2009 " CONDOR ", des mono-cellules de piles H+-SOFC ont été mises en forme et des densités de puissance proche de 180 mW/cm² à 0.6 V à600°C ont été obtenues.
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Ma, Yangzhou. "Modeling and development of new materials for fuel cells solid electrolyte." Thesis, Belfort-Montbéliard, 2016. http://www.theses.fr/2016BELF0286/document.
Full textAbstract:
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 poudreThe 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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Rousseau, Frédéric. "Etude des mécanismes de formation des couches d' oxyde Perovskite par procédé plasma basse pression à tuyère supersonique pour l' élaboration de la cathode des piles à combustible SOFC : modélisation et caractérisation expérimentale." Paris 6, 2005. http://www.theses.fr/2005PA066543.
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Jia, Lu. "Étude de la fabrication de piles à combustible nanostructurées SOFC par l'injection de suspensions et de solutions dans un plasma inductif." Thèse, Université de Sherbrooke, 2010. http://savoirs.usherbrooke.ca/handle/11143/1943.
Full textAbstract:
In this work, the nano-structured components of solid oxide fuel cells have been produced, using radio frequency (RF) solution or suspension plasma spraying processes. The emerging technology of suspension plasma spraying was explored to produce thin and gas tight nano-structured solid oxide fuel cells electrolytes, which in an effort to develop a cost-effective and scalable fabrication technique for high performance solid oxide fuel cells (SOFCs). Glycine-nitrate process (GNP) produced cerium oxide (CeO[subscript 2]) and gadolinium oxide (Gd[subscript 2]O[subscript 3]) nano-powders were used to prepare suspensions and then separately injected to form composite GDC electrolyte coatings. A dynamic mask system has been developed to control the heating effects of a high-temperature plasma deposition process. The experimental results of the nano-structured SOFCs GDC electrolytes production by means of a RF suspension plasma spraying process using the newly proposed mask were compared to the ones without mask. The potential of this deposition technique to improve the electrolyte coating uniformity and to reduce the coating porosity was demonstrated. SOFCs anodes require long triple phase boundary (TPB) and appropriate gas diffusion pass for the fast transport of both fuel and exhaust gases, but the area where gas diffusion passes are especially required would be different from the area suitable for electrochemical reaction in the anodes. Functionally graded anodes in both composition and porosity have been proposed to fulfill the anodic functions in adequate anodic areas. On the basis of the optimized spraying conditions and the laboratory-developed solution feeding system, NiO-GDC functionally graded nanostructure anodes were prepared using solution plasma spraying (SolPS) process. Then the microstructure and material composition of the anodes were analyzed. A graded distribution in contents of both nickel and GDC was confirmed in the coating. Field emission scanning electron microscopy (FESEM) observation exhibited a continuous variation in porosity from 35% to 9% along the direction across the coating thickness. The functionally graded anodes deposited by SolPS process may minimize the thermal expansion mismatch between SOFC components and increase the length of triple phase boundary, which should lead to the improvement of the anodic performances. The successful fabrication of the functionally graded nano-structural electrodes as well as dense electrolyte coatings represents an opportunity for the Centre de Recherche en Énergie, Plasma et Électrochimie (CREPE) to fabricate the fully integrated nano-structured SOFC using solution and suspension plasma spraying processes.
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Ricca, Chiara. "Combined theoretical and experimental study of the ionic conduction in oxide-carbonate composite materials as electrolytes for solid oxide fuel cells (SOFC)." Thesis, Paris 6, 2016. http://www.theses.fr/2016PA066623/document.
Full textAbstract:
Les composites oxyde-carbonate pourraient constituer des électrolytes pour les SOFC fonctionnant entre 400-600°C car ils attendent une conductivité de 0,1 S/cm à 600°C. Une meilleure compréhension de l'origine de leurs performances est à ce jour nécessaire. Pour y parvenir, une approche combinée théorique et expérimentale a été développée. La conductivité, mesurée à travers la SIE, a été étudiée en fonction de la phase oxyde ou carbonate et de l'atmosphère de travail. Les résultats sur les composite de CeO2 ou YSZ ont montré que seule l'interface peut expliquer des observations surprenantes. De la réactivité a été observée dans le cas des composites à base de TiO2. On a donc proposé une stratégie computationnelle qui utilise des calculs DFT périodiques: la structure du bulk de chaque phase a d'abord été étudiée afin de trouver un bon protocole computationnel, qui a été ensuite utilisé pour identifier un modèle pour la surface la plus stable des deux phases. Ces modèles de surfaces ont donc été combinés pour obtenir un modèle de l'interface oxyde-carbonate, utilisable comme structure de départ pour des calculs DFT et de DM. Cette stratégie a permis d'obtenir des informations sur structure, stabilité et propriétés électroniques des composites. YSZ-LiKCO3 a été utilisé pour mieux comprendre l'effet des interfaces sur le transport de différentes espèces, tandis que le modèle de l'interface entre TiO2 et LiKCO3 a été utilisé pour étudier la réactivité entre ces deux matériaux. Finalement, ces résultats ouvrent la voie vers une plus grande compréhension des principes de fonctionnement des SOFC basées sur les électrolytes composites oxyde-carbonateOxide-carbonate composites are promising electrolytes for LT-SOFC, thanks to their high conductivity (0.1-1 S/cm at 600°C). A deeper understanding on the origins of their improved performances is still necessary. For this purpose, a combined theoretical and experimental approach was developed. We first studied systematically the conductivity of the material, measured through EIS, as a function of different oxide or carbonate phases and of the operating atmosphere. Results on YSZ- and CeO2-based materials indicate that by only taking into account the interfaces it is possible to rationalize some surprising observations, while reactivity issues have been observed for TiO2-carbonate composites. We then proposed a computational strategy based on periodic DFT calculations: we first studied the bulk structure of each phase so as to select an adequate computational protocol, which has then been used to identify a suitable model of the most stable surface for each phase. These surface models have thus been combined to obtain a model of the oxide-carbonate interface that through static DFT and MD provides a deeper insight on the interface at the atomic level. This strategy was applied to provide information on the structure, stability and electronic properties of the interface. YSZ-LiKCO3 was used as a case study to investigate the conduction mechanisms of different species. Results showed a strong influence of the interfaces on the transport properties. The TiO2-LiKCO3 model was, instead, used to investigate the reactivity of these materials. Overall, these results pave the way toward a deeper understanding of the basic operating principles of SOFC based on these materials