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SOFC basse température à base d’oxyde de bismuth – BIBELOTS

Pile à combustile à oxyde solide basse température à base de bismuth

Développement de nouvelles cathodes composites compatibles avec des électrolytes bi-couche oxyde de bismuth/cérine (ESB/GDC) pour réduire la température de fonctionnement de piles à combustible à oxyde solide (SOFC).

enjeux et objectifs

L’hydrogène devient un vecteur énergétique bas carbone de plus en plus crédible; les piles à combustible, des dispositifs convertissant l’énergie chimique d’un carburant en électricité, apparaissent comme des composants essentiels de la grille de distribution électrique de demain. Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) possèdent plusieurs avantages ; un haut rendement en cogénération électricité/chaleur et l’absence de métaux noble dans les électrodes. La zircone stabilisé (YSZ), l’électrolyte le plus couramment utilisé, ne permet pas d’obtenir une densité de puissance importance en dessous de 700 °C, ce qui a influencé les efforts de recherche vers les systèmes haute température. Toutefois, l’ingénierie des SOFC haute température souffre des contraintes sur les matériaux imposés par le domaine de température. Il a récemment été montré que l’utilisation d’électrolyte bi-couche composés de cérine stabilisée (GDC) et d’oxyde de bismuth stabilisé (ESB) permet d’envisager d’abaisser les températures de fonctionnement jusqu’à 350 °C, mais il n’existe pas encore de cathode pouvant tirer profit de ce nouvel électrolyte. Le but de notre projet est donc de chercher de nouveaux matériaux et de nouvelles techniques de fabrication d’électrodes compatible avec ces électrolytes innovants. <br />Plus précisément, nous nous focalisons sur la conception de cathodes composites à partir de matériaux aux propriétés prometteuses mais qui sont généralement ignorés par les études sur les SOFC hautes température pour des raisons de stabilité chimique ou mécanique.

La baisse importante de la température de fonctionnement nous permet d’étudier des oxydes présentant un comportement métalliques tels que les supraconducteurs haute Tc ou encore SrFeO3-delta. La conduction ionique est apportée par des structures dérivant de delta-Bi2O3 telles qu’ESB, DWSB ou la famille des BiMeVOX, qui ne sont pas utilisables à haute température du fait de leur réactivité et de leur bas point de liquéfaction. Enfin, les propriétés de dissociation catalytique de l’oxygène de phases telles que LnBaCo4O7+delta et LnFe2O4+delta, capable d’insérer de façon réversible de l’oxygène au sein de leur structure à des températures plus basses que 400 °C, sont testées. En étudiant les combinaisons des différentes paires de matériaux, nous espérons arriver à une compréhension fine des paramètres limitant les performances des cathodes à basse température.
Afin de remplir nos objectifs, nous réalisons un important travail de caractérisation de la stabilité des différentes phases prises en compte dans cette étude. En se basant sur l’évaluation de leur propriété de transport nous développons une approche rationnelle de la conception d’électrode dédiées aux applications basse température. Les performances des électrodes sont évaluées par spectroscopie d’impédance complexe sur cellule symétrique. La compréhension des mécanismes limitant nous aidera à optimiser les compositions les plus prometteuses. Le but final sera de tester ces électrodes en cellule complètes afin de démontrer le potentiel des SOFC basse température construites autour des électrolytes bicouche GDC/ESB.

Optimisation d’une série d’électrodes composites Bi1.5Er0.5O3/La1-xSrxMnO3+d en ajustant la composition en strontium. Bien que cela puisse paraître paradoxal, l’augmentation de la concentration en strontium permet de limiter la ségrégation en surface de SrO ce qui permet une augmentation de la quantité de sites manganèse présent en surface.

Lors de la synthèse des composés Bi14MO24 (M = Mo, W), nous avons découvert que la stœchiométrie de ces phases est probablement différente de celle reportée dans la littérature, plus proche de Bi12MO21.

Le succès des dépôts de couches minces et denses de Bi1.5Er0.5O3 sur des substrats épais de cérine (GDC) permet d’envisager la préparation de demi-cellule avec un électrolyte bi-couche fin et la réalisation des premiers tests en cellules complètes.

Mise au point de protocole de synthèse nouveaux (voie citrate) pour certaines compositions (notamment pour les conducteurs ioniques à base d’oxyde de bismuth). La petite taille de grain obtenue par ces procédés basse température permet d’espérer une accroche des électrodes à température réduite.

- Approfondissement de la compréhension des mécanismes réactionnels des électrodes LSM/ESB.

- Identification de combinaisons originales de matériaux pouvant être utilisé comme cathode pour les piles à combustible basse température.

- Évaluation des performances en cellule complète

Pajot, M.; Duffort, V.; Capoen, E.; Mamede, A.-S.; Vannier, R.-N. Influence of the Strontium Content on the Performance of La1-xSrxMnO3/Bi1.5Er0.5O3 Composite Electrodes for Low Temperature Solid Oxide Fuel Cells. J. Power Sources 2020, 450, 227649. doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.227649.

Alors que l’hydrogène devient un vecteur énergétique bas carbone de plus en plus crédible; les piles à combustible, des dispositifs convertissant l’énergie chimique d’un carburant en électricité, apparaissent comme des composants essentiels de la grille de distribution électrique de demain. Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) utilisant des électrolytes conducteurs pas ions oxydes possèdent plusieurs avantages ; un haut rendement en cogénération électricité/chaleur et l’absence de métaux noble dans les électrodes. La zircone stabilisé (YSZ), l’électrolyte le plus couramment utilisé, ne permet pas d’obtenir une densité de puissance importance en dessous de 700 °C, ce qui a influencé les efforts de recherche vers les systèmes haute température. Toutefois, l’ingénierie des SOFC haute température est extrêmement difficile à cause des contraintes sur les matériaux imposés par le domaine de température. Il a récemment été montré que l’utilisation d’électrolyte bi-couche composés de cérine stabilisée (GDC) et d’oxyde de bismuth stabilisé (ESB) permet d’envisager d’abaisser les températures de fonctionnement jusqu’à 350 °C, mais il n’existe pas encore de cathode pouvant tirer profit de ce nouvel électrolyte. Le but de notre projet est donc de chercher de nouveaux matériaux et de nouvelles techniques de fabrication d’électrodes compatible avec ces électrolytes innovants.
Plus précisément, nous nous focaliserons sur la conception de cathodes, en contact avec la couche d’oxyde de bismuth. Notre angle d’attaque sera la réalisation de cathodes composites à partir de matériaux aux propriétés prometteuses mais qui sont généralement ignorés par les études sur les SOFC hautes température pour des raisons de stabilité chimique ou mécanique. La baisse importante de la température de fonctionnement nous permettra d’étudier des oxydes présentant un comportement métalliques tels que les supraconducteurs haute Tc ou encore SrFeO3-delta. La conduction ionique sera apportée par des structures dérivant de delta-Bi2O3 telles qu’ESB, DWSB ou la famille des BiMeVOX, qui ne sont pas utilisables à haute température du fait de leur réactivité et de leur bas point de liquéfaction. Enfin, les propriétés de dissociation catalytique de l’oxygène de phases telles que LnBaCo4O7+delta et LnFe2O4+delta, capable d’insérer de façon réversible de l’oxygène au sein de leur structure à des températures plus basses que 400 °C, seront testées. En étudiant les combinaisons des différentes paires de matériaux, nous espérons arriver à une compréhension fine des paramètres limitant les performances des cathodes à basse température.
Afin de remplir nos objectifs, nous réaliseront un important travail de caractérisation de la stabilité des différentes phases prises en compte dans cette étude. En se basant sur l’évaluation de leur propriété de transport nous développeront une approche rationnelle de la conception d’électrode dédiées aux applications basse température. Les performances des électrodes seront évaluées par spectroscopie d’impédance complexe sur cellule symétrique. La compréhension des mécanismes limitant nous aidera à optimiser les compositions les plus prometteuses. Le but final sera de tester ces électrodes en cellule complètes afin de démontrer le potentiel des SOFC basse température construites autour des électrolytes bicouche GDC/ESB.

Coordination du projet

Victor Duffort (Unité de Catalyse et de Chimie du Solide)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

UCCS Unité de Catalyse et de Chimie du Solide

Aide de l'ANR 217 728 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2019 - 48 Mois

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