Littérature scientifique sur le sujet « Pile à électrolyte solide »

Nous avons cherche a fabriquer une pile a combustible hydrogene-oxygene, dans le but de developper un pilote de quelques kw. Ces piles a combustible sont elaborees a partir de membranes polymeres echangeuses d'ions (membranes nafion 117 commercialisees par dupont de nemours). Ce travail a consiste d'une part en la conception de differentes cellules de test pour des surfaces d'electrodes de 1 a 25 cm#2. D'autre part, nous avons cherche a fabriquer et utiliser differentes electrodes poreuses a gaz, avec le platine comme catalyseur, pour la synthese de l'ensemble composite electrode-membrane-electrode. Nous avons en outre cherche a realiser cet ensemble en utilisant la forme precurseur du polymere nafion qui est thermoplastique. Differentes techniques de fabrication d'electrodes sont detaillees dans ce rapport. Ces electrodes sont etudiees par differentes techniques d'analyse (micro-sonde de castaing et microscopies electroniques) et leurs performances sont evaluees par une caracteristique courant-tension stationnaire. Nous avons utilise la spectroscopie d'impedance pour obtenir des informations a la fois structurales et cinetiques des electrodes au cours de leur fonctionnement. Un plan d'experiences a ete developpe pour optimiser les performances de certaines electrodes. Quelques travaux concernant le transport d'eau a l'interieur de la membrane par electroosmose ont egalement ete inities

La pile a combustible h#2/o#2 e. P. S. Apparait aujourd'hui comme etant l'un des meilleurs candidats au remplacement du moteur a explosion pour la traction automobile. Ce systeme utilise la recombinaison electrochimique, non explosive, d'hydrogene et d'oxygene. C'est donc un generateur electrique propre dont le seul produit de reaction est de l'eau. Cette these presente une etude theorique de ce systeme, la synthese et la caracterisation de differents type d'electrodes, et enfin une analyse des mouvements d'eau dans l'electrolyte par differentes techniques originales

Ce travail consiste en l'etude de materiaux d'anode pour les piles a combustible haute temperature a oxyde electrolyte solide. Nous nous sommes essentiellement interesses a l'oxydation anodique de l'hydrogene a l'interface nickel/zircone stabilisee a l'oxyde d'yttrium (ni/ysz) a 964c. La caracterisation electrochimique de l'interface ni/ysz en presence d'hydrogene a permis de mettre en evidence la passivation de l'electrode de nickel avec formation de nio et d'oxydes superieurs. La courbe stationnaire potentiel-courant presente un pic de courant, traduisant la passivation, dont l'amplitude depend du rapport ph#2/ph#2o dans l'atmosphere environnante. Afin d'ameliorer les qualites de l'electrode de nickel, il a ete envisage d'inserer entre l'electrode de nickel et l'electrolyte un film constitue d'un oxyde ternaire de zircone stabilisee a l'oxyde d'yttrium et dope a la cerine (yszce). La possibilite de l'existence du couple ce(4)/ce(3) permettant d'avoir une conduction mixte (o#2#, e#), ainsi qu'une delocalisation de la reaction d'electrode associee a une diminution de la surtension anodique. L'etude electrique du systeme ternaire yszce et electrochimique de l'interface ysz/yszce/ni fut ainsi effectuee. Cette derniere a mis en evidence egalement la formation d'oxydes de nickel. Neanmoins, la caracteristique stationnaire potentiel-courant ne presente pas de pic de courant du fait de l'existence simultanee de couples ni(2)/ni et ce(4)/ce(3)

Ce travail concerne l'étude des catalyseurs adaptés à la pile à combustible alcaline alimentée par une solution liquide de borohydrure de sodium. En premier lieu, un système de référence a été mis en place afin d'en évaluer les limitations. Il a été nécessaire pour cela de fiabiliser le procédé de fabrication de l'anode afin d'obtenir des performances reproductibles. Ce système de référence a permis de mettre en évidence un problème de stabilité du combustible, qui s'hydrolyse spontanément en présence du catalyseur anodique. D'autre part, les tests de vieillissement ont montré que la diminution du potentiel de pile au cours du temps était liée aux dégradations cathodique et électrolytique. A l'anode, l'utilisation des nanoparticules d'iridium déposées sur carbone permet de limiter la réaction parasite d'hydrolyse du borohydrure de sodium et donc, d'augmenter le rendement faradique du système DBFC. Il ressort de l'étude de la réaction de réduction de l'oxygène en milieu alcalin sur différents macrocycles de métaux de transition , que la phtalocyamine de fer déposée sur un carbone Vulcan XC72, présente une excellente activité pour cette réaction. De plus ce catalyseur en pile à combustible a permis d'obtenir d'excellentes performances et une stabilité remarquable
The present work is concerned with the search of adapted catalyst for Direct Borohydride Fuel Cell. First, a reference system is developed. It was necessary for the reliability of this method of manufacturing the anode to obtain reproducible performances. This reference system has shown a problem of fuel stability, which spontaneously hydrolyzes at the anodic catalyst. On the other hand, aging tests showed that the decrease in cell potential over time was associated with damages of cathode and electrolyte. At the anode, the use of iridium nanoparticles deposited on carbon leads to a reduction of the parasitic reaction (hydrolysis of sodium borohydride) and therefore increases the faradic efficiency of the DBFC. According to the study of the oxygen reduction reaction in alkaline medium on different metallic macrocycles, it has been shown that iron phtalocyanine deposited on a carbon Vulcan XC72 has excellent activity for this reaction. Moreover, this catalyst seems very tolerant to the presence of sodium borohydride. A DBFC working with this material as cathodic catalyst has achieved excellent performances and stability

Ce travail s'inscrit dans le cadre du remplacement du platine comme catalyseur cathodique de la pile a combustible a electrolyte polymere solide. Il s'articule autour de deux axes principaux: la mise au point d'une methode d'evaluation des catalyseurs sur electrode tournante a disque et anneau. Les resultats obtenus avec quelques complexes, connus pour leur activite electrocatalytique de la reduction de l'oxygene, sont exposes. La synthese et l'evaluation electrochimique de nouveaux complexes homobinucleaires de fer, qui realisent la reduction de l'oxygene directement en eau, sont detaillees

Comprendre, contrôler et optimiser le mécanisme de la réaction de réduction de l’oxygène à la cathode, cette démarche devient une nécessité pour améliorer les dispositifs de conversion d'énergie de haute performance tels que les piles à combustible à oxyde électrolyte solide (PAC). Des films poreux à conduction mixte, ionique et électronique (MIEC) et leurs composites comprenant un conducteur ionique offrent des propriétés uniques. Cependant, la corrélation des propriétés intrinsèques des composants d'électrodes aux caractéristiques microstructurales reste une tâche difficile. Dans le cadre de cette thèse, la couche fonctionnelle de cathode de La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3−δ (LSCF) pure et du composite LSCF/Ce0.9Gd0.1O2-δ (CGO) a été élaborée par la technique d’atomisation électrostatique. Une microstructure à porosité hiérarchique a été obtenue dans un domaine nanométrique à micrométrique. Les films ont été recouverts d’un collecteur de courant (CCL), LSCF, par sérigraphie. Une étude paramétrique a été réalisée expérimentalement pour optimiser la double couche en termes de taille de particules, de composition et d'épaisseur des couches de CFL et CCL. En se basant sur ces résultats, un modèle éléments finis 3D a été développé en utilisant les paramètres microstructuraux déterminés par tomographie de FIB-SEM dans une géométrie simple, similaire à des caractéristiques colonnaires. Dans ce travail, un guide de conception du matériau d’électrode a été proposé reliant des performances électrochimiques optimisées à la microstructure et aux propriétés du massif en combinant une étude expérimentale et une étude théorique de modélisation. Une cellule complète de PAC intégrant la cathode optimisée double couche de LSCF a été testée dans des conditions réelles d'exploitation
Understanding, controlling and optimizing the mechanism of oxygen reduction reaction at the cathode need to be addressed for high performance energy conversion devices such as solid oxide fuel cells (SOFCs). Structured porous films of mixed ionic electronic conductors (MIECs) and their composites with addition of a pure ionic conductor offer unique properties. However, correlating the intrinsic properties of electrode components to microstructural features remains a challenging task. In this PhD thesis, cathode functional layers (CFL) of La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3−δ (LSCF) and LSCF/Ce0.9Gd0.1O2-δ (CGO) composite cathodes with hierarchical porosity from nano- to micro-range are fabricated by electrostatic spray deposition technique. The films were topped with LSCF as a current collecting layer (CCL) by screen printing technique. A parametric optimization study was conducted experimentally in terms of particle size, composition, and thickness of CFL and CCL layers. The experimental results were supported by a numerical 3D Finite Element Model (FEM). Microstructural parameters determined by FIB-SEM tomography were used in a simple geometry similar to experimentally observed columnar features. In this work, experimental results and modelling were combined to provide design guidelines relating optimized electrochemical performances to the microstructure and bulk material properties. A complete fuel cell with optimized cathode film was tested in real SOFC operational conditions

Une pile a combustible h#2/o#2 a electrolyte polymere solide se decompose en deux parties: le cur de pile, assemblage de la membrane et des electrodes accolees d'une part, et le dispositif de confinement et de distribution des gaz d'autre part. Cette these est consacree a cette derniere composante, la cellule, qui permet aussi la collecte du courant et l'evacuation de l'eau produite. Une recherche bibliographique permet de degager les avantages et inconvenients des systemes classiques a hydratation externe et distribution des gaz a canaux. Une etude theorique succincte explicite les causes des pertes de rendement dues a la cellule afin de les minimiser. Par ailleurs, l'introduction du parametre emport-vapeur facilite la conduite de notre systeme a hydratation interne. Enfin sont presentees les differentes realisations experimentales qui ont permis l'amelioration progressive des performances. On obtient finalement celles correspondant aux plus elevees de la litterature, mais sur une surface de 100 cm#2, avec une gestion simplifiee de l'eau et des gaz. Un montage en petit empilement de deux curs presente des performances aussi elevees pour chacune des deux piles que celles de la cellule unite

Les problèmes climatiques liés aux rejets dans l'atmosphère et l'épuisement des ressources pétrolières nécessitent une modification des pratiques énergétiques dans les années à venir. Cette modification passe par le développement de nouvelles sources d'énergie propre telle que la pile à combustible. L'éthanol représente un candidat intéressant au regard de sa grande disponibilité, de sa faible toxicité et de sa grande énergie spécifique. L'éthanol peut être directement oxydé à l'anode d'une pile à membrane échangeuse de protons (PEMFC), mais son adsorption dissociative sur les sites de platine conduit à la formation d'espèces poisons responsables de la faible activité des catalyseurs. Cette étude s'est donc portée sur la préparation de systèmes plurimétalliques à base de platine par voie colloi͏̈dale. Les techniques électrochimiques ont pu mettre en évidence une diminution de la surtension anodique de 200 mV avec des catalyseurs Pt-Sn et Pt-Sn-Ru supportés sur Vulcan XC-72. Une étude par spectroscopie infrarouge de réflexion couplée à des analyses par chromatographie des produits de réaction a permis d'affiner le mécanisme de la réaction sur les systèmes Pt et Pt-Sn. Le système le plus actif apparaît être le catalyseur Pt-Sn de composition atomique (90 :10) chargé à 60% en masse. Ces conclusions ont été confirmées lors des tests en pile à combustion directe d'éthanol avec une densité de puissance maximale de 62 mW. Cm-2 à 100ʿC. Des anodes de grande surface ont pu être préparées, montrant une bonne activité et une bonne stabilité en conditions piles à combustible
New technology solutions are required to deal with the global warming, in relation with power consumption but also with the limitations of crude oil reserves. Fuel cells are an electrochemical device that can play a significant role in this strategy. Ethanol is a promising candidate due to its availability, its low toxicity and its high specific energy. Ethanol can be directly used as an anodic fuel for proton exchange membrane fuel cells (PEMFC). However its dissociative adsorption on platinum sites leads to the formation of poisoning species responsible for the low activity of the catalysts. This study reports the preparation of platinum-based multimetallic systems by the colloidal route. Electrochemical measurements have shown a decrease of the anodic overpotential of 200 mV with Vulcan XC-72 supported Pt-Sn and Pt-Sn-Ru catalysts. Infrared reflectance spectroscopy studies in addition to chromatographic analysis of the reaction products have demonstrated that the reaction mechanism is different with Pt and Pt-Sn catalysts. The Pt-Sn catalyst with a (90:10) atomic composition and a 60 wt. % metal loading appears to be the most active system. Fuel cell experiments have reported a power density of 62 mW cm-2 at 110ʿC. Anodes with a geometric area of 25 cm2 have been prepared, exhibiting a high activity and stability in fuel cell relevant conditions

Les PEMFC apparaissent aujourd'hui économiquement viables et l'utilisation du méthanol est intéressante en tant que combustible. Son oxydation électrochimique entraîne la formation d'une espèce poison, CO adsorbé, qui réduit les performances de la pile. Des catalyseurs anodiques ont été préparés par dépôt électrochimique ou spontané de Ru à la surface de nanoparticules de Pt. L'activité maximale pour l'oxydation du méthanol est obtenue pour des dépôts électrochimiques en raison de la présence d'oxydes de ruthénium non réductibles dans les dépôts spontanés. Deux types d'espèces CO adsorbé sont observées à la surface de l'électrode, un échange peut avoir lieu. La formation d'un alliage PtRu n'est pas une condition nécessaire à une électrooxidation du méthanol efficace. Les membranes de type NafionÒ, l'électrolyte solide, sont perméables au méthanol ce qui entraîne une dépolarisation de la cathode. Un effet de la taille des particules de Pt a été observé sur les cinétiques de réduction de l'oxygène. Les petites particules sont plus tolérantes à la présence de méthanol. Un alliage Pt:Cr est plus actif que le Pt pour la réduction de l'oxygène en présence ou non de méthanol
PEMFCs appear as economically viable and methanol utilization is a promising approach. Methanol oxidation leads to a poisoning intermediate, adsorbed CO, which dramatically reduces the PEMFC's performances. Methanol oxidation electrocatalysts were prepared from Ru electrochemical or spontaneous deposition on carbon-supported Pt nanoparticles. The maximum in electrocatalytic activity for methanol oxidation is observed with electrochemical deposits because of the presence of non-reducible ruthenium oxides in the spontaneous deposit. Two CO species are observed at the electrode surface, an exchange between these two CO species may occur. The formation of a PtRu alloy is not a required condition for efficient methanol electroxidation. The solid electrolyte being permeable to methanol, the cathode is depolarised. A particle-size effect on oxygen reduction reaction kinetics with or without methanol is observed. As particle size decreases, the catalysts are more methanol tolerant. Based on particle size considerations, Pt:Cr appears to be a more active catalyst than Pt for oxygen reduction in methanol-containing electrolyte

Les performances en cyclage des batteries Na-ion sont fortement associées à la qualité de l'interface électrode/électrolyte, où se produit la dégradation de l'électrolyte. Les récents avancements dans la connaissance de cette interface, de la composition de la couche de SEI, et des mécanismes de dégradation de l’électrolyte en solvant aprotiques sont décrits dans ce chapitre et comparé aux équivalents dans les batteries Li-ion.