Microstructure and durability of praseodymium-doped lanthanum nickelate for solid oxide cells - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Microstructure and durability of praseodymium-doped lanthanum nickelate for solid oxide cells

Microstructure et durabilité de nickélate de lanthane dopé au praséodyme pour cellules à oxydes solides

Résumé

Coupling fuel cell and electrolysis technologies provide an attractive solution to absorb the fluctuations induced by the deployement of the intermittent renewable energy sources. In this frame, the technology based on the "Solid Oxide Cells" (SOCs) appears as a promising solution as the same device can be alternatively used in both the electrolysis and fuel cell modes. The SOCs are based on an oxide ceramic electrolyte operating at a high temperature (800-1000 °C) allowing to reach very good efficiency. Hovewer, their durability is still insufficient to envisage their economic deployment. An important issue limiting the SOCs lifetime is the chemical and mechanical destabilizations of the oxygen electrode, as well as its chemical reactivity with the electrolyte upon operation. Moreover, the high operating temperature of SOCs leads to severe constraints on materials assembling and on fabrication processes.The objectives of this PhD thesis are to better understand the role of microstructure and the reaction mechanisms of oxygen electrode in SOCs operating in intermediate temperature (650-800 °C) and to investigate the aging in electrolysis and fuel cell modes through an integrated approach coupling electrochemical and physicochemical characterizations with modeling. In this work, architecturally designed LaPrNiO4+δ, referred to as LPNO, oxygen electrode has been prepared on Ce0.9Gd0.1O2-δ electrolyte by taking advantage of the complementary properties of La2NiO4+δ and Pr2NiO4+δ extremes, i.e. larger chemical stability of La2NiO4+δ and larger electrochemical activity of Pr2NiO4+δ. The performances of SOCs are not only due to the intrinsic properties of materials but also to the association of functional structured materials and the properties of their interfaces. In this frame, novel architectures based on an active functional layer (AFL) fabricated by electrostatic spray deposition (ESD) and topped by an optimized current collecting layer (CCL) deposited by screen-printing (SP) have been optimized aiming to decrease the operating temperature in order to improve the performances and the lifetime. A unique coral-like nanostructured AFL with large porosity and good adhesion on the electrolyte has been proved to be of great importance in the oxygen electrode reactions. The electrode performance and durability in symmetrical SOCs and in a complete electrolysis cell have been investigated in detail in thermal aging and in galvanostatic mode. These data have been thoroughly discussed in relationships with structural and microstructural evolution of LPNO oxygen electrode thanks to post-mortem characterizations using scanning electron microscopy, 3D reconstruction by focused ion beam-SEM, laboratory X-ray diffraction and synchrotron X-ray µ-diffraction and µ-fluorescence.
Dans le cadre du déploiement des énergies renouvelables par nature intermittentes, le couplage des technologies de piles à combustibles et d'électrolyseurs offre une solution innovante pour absorber les pics de production ou de consommation électrique. Dans ce cadre, la technologie basée sur des "cellules à oxydes solides" (SOCs) apparaît comme une solution attractive permettant de remplir les deux fonctions avec le même objet. Ces convertisseurs électrochimiques spécifiques sont constitués d'un électrolyte céramique oxyde fonctionnant à haute température (800 – 1000 °C) permettant d’atteindre des rendements très importants. Néanmoins, la durabilité des SOCs reste à ce jour insuffisante. Dans ce cadre, un des verrous technologiques important est la déstabilisation chimique et mécanique de l'électrode à oxygène ainsi que sa réactivité chimique avec l’électrolyte en fonctionnement. De plus, la température de fonctionnement élevée des SOFC entraîne des contraintes sévères sur l'assemblage des matériaux et sur les processus de fabrication.Les objectifs de cette thèse sont de mieux comprendre les mécanismes réactionels et le rôle de la microstructure des électrodes à oxygène dans les cellules à oxydes solides fonctionnant à température intermédiaire (650 - 750 °C) et d'étudier le vieillissement à travers une approche couplant caractérisations électrochimiques, physico-chimiques et de modélisation. Dans ce travail, l’électrode à oxygène architecturée LaPrNiO4+δ, nommée LPNO, a été déposée sur l'électrolyte Ce0.9Gd0.1O2-δ en vue de tirer parti des propriétés complémentaires des phases extrêmes, à savoir La2NiO4+δ de plus grande stabilité chimique et Pr2NiO4+δ, de plus grande activité électrochimique. Par ailleurs, les performances des SOCs dépendent non seulement des propriétés intrinsèques des matériaux mais aussi de l'association des matériaux fonctionnels et des propriétés de leurs interfaces. Par conséquent, de nouvelles architectures d’électrodes, à base d’une couche fonctionnelle active (AFL) fabriquée par atomisation électrostatique (ESD) et surmontée d'une couche de collecteur de courant optimisée (CCL) déposée par sérigraphie (SP), ont été optimisées pour diminuer la température de fonctionnement afin d'améliorer les performances et la durée de vie des cellules. Une couche fonctionnelle active nanostructurée avec une microstructure unique de type corail présentant une grande porosité et une bonne adhérence sur l'électrolyte s'est avérée d'une grande importance dans les réactions des électrodes à oxygène. Les performances et la durabilité des électrodes dans les SOC symétriques et dans une cellule d'électrolyse complète ont été étudiées en détail en vieillissement thermique et en mode galvanostatique. Ces données ont été discutées en relation avec l'évolution structurale et microstructurale de l'électrode à oxygène LPNO grâce à des caractérisations post-mortem utilisant la microscopie électronique à balayage, la reconstruction 3D par faisceau d'ions focalisés MEB, la diffraction des rayons X en laboratoire et la -diffraction et µ-fluorescence par rayonnement X synchrotron.
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Dates et versions

tel-02894862 , version 1 (09-07-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02894862 , version 1

Citer

Nur Istiqomah Khamidy. Microstructure and durability of praseodymium-doped lanthanum nickelate for solid oxide cells. Mechanics of materials [physics.class-ph]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2020. English. ⟨NNT : 2020GRALI020⟩. ⟨tel-02894862⟩
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