Sommaire: Stabilité, réactivité et performances de conducteurs par ions oxyde de la famille LAMOX comme éléments de coeur de pile à combustible SOFC mono-chambre

Introduction générale
Chapitre I : Etude bibliographique
1. Généralités sur les piles à combustibles
1.1. Historique
1.2. Les différents types de piles
2. Piles à combustibles SOFC
2.1. Les différentes configurations de piles
2.1.1. La configuration double-chambre
2.1.2. La configuration monochambre
2.1.3. Avantages et inconvénients des piles monochambres par rapport aux double-chambres
2.2. Principes de conversion électrochimique directe ou indirecte de l’hydrocarbure
2.3. Choix de l’hydrocarbure combustible
2.4. Matériaux catalyseurs de l’oxydation de l’hydrocarbure
2.5. Risques d’explosivité des mélanges hydrocarbure:air
3. Propriétés fonctionnelles des composants de cœur d’une pile SOFC – Choix des Matériaux
3.1. Electrolyte
3.1.1. La zircone yttriée YSZ
3.1.2. Comparaison de différents conducteurs par ions oxyde
3.2. Electrodes
3.2.1. Généralités sur les électrodes composites ou conductrices mixtes ioniques/électroniques
3.2.1.1.Electrodes composites
3.2.1.2. Electrodes conductrices mixtes ioniques/électroniques (MIEC)
3.2.2. Anode
3.2.2.1.Anode composite : Cermet à base de nickel
3.2.2.2. Anode MIEC
3.2.3. Cathode
3.2.3.1.Cathode composite
3.2.3.2.Cathode MIEC
3.3. Compatibilités chimique et mécanique entre composants
4. Utilisation des matériaux LAMOX en cœur de pile à combustible SOFC monochambre – Présentation du sujet de thèse
Références bibliographiques
Chapitre II : Elaboration des matériaux et comportements sous atmosphères de piles
1. Introduction
2. Synthèse et mise en forme des matériaux
2.1. Introduction
2.2. Elaboration des poudres et caractérisation par diffraction de rayons X
2.2.1. Elaboration
2.2.1.1. Elaboration par voie solide
2.2.1.2. Elaboration par voie solide après nitration acide préalable
2.2.1.3.Elaboration de La
2.2.2. Caractérisation par diffraction de rayons X Mo 7 O 30 via La 2 Mo 2 O 9
2.2.2.1. Molybdates
a) La
b) LAMOX stabilisés par substitution sur site molybdène ou lanthane 2 Mo 2 O 9, La 7 Mo 7 O 30 et Pr 2 Mo 2 O9
2.2.2.2.Matériaux potentiels de cathode
2.3. Mise en forme de pastilles denses ou poreuse
2.3.1. Pastilles denses
2.3.2. Pastille poreuse
2.4. Réalisation d’assemblages électrolyte/électrodes par sérigraphie
2.4.1. Formulation des encres
2.4.2. Réalisation des dépôts
2.5. Bilan des matériaux élaborés avec succès
3. Etude de stabilité sous atmosphères réductrices
3.1. Introduction
3.2. Caractérisation de pastilles LAMOX sous H dilué
3.2.1. Introduction
3.2.2. Protocole expérimental
3.2.3. Evaluation de la stabilité de pastilles LAMOX sous H 2 dilué
3.2.3.1.Réduction à 608°C sous faible débit
3.2.3.2.Réduction à 608°C sous débit plus élevé
3.2.3.3. Réduction à 718°C sous faible débit 2
3.2.4. Recherche de conducteurs LAMOX mixtes ioniques/électroniques
3.3. Stabilité de poudres LAMOX et de cathode sous mélange propane:air
3.3.1. Introduction
3.3.2. Protocole expérimental
3.3.3. Stabilité des composés LAMOX
3.3.4. Stabilité des matériaux de cathode
3.4. Bilan de l’étude de stabilité des matériaux sous atmosphères réductrices
4. Tests catalytiques sous atmosphère propane:air
4.1. Introduction
4.2. Brefs rappels théoriques
4.2.1. Processus réactionnels – Confrontation des approches thermodynamique et cinétique
4.2.2. Mode d’action d’un catalyseur
4.2.3. Catalyse et piles à combustibles SOFC fonctionnant sous mélange hydrocarbure:air
4.3. Protocole expérimental
4.4. Mesures sous mélange 1,8% vol C 3 H:air sec
4.4.1. Mesures en régime stationnaire
4.4.2. Reproductibilité des mesures en régime stationnaire
4.4.3. Comparaison des mesures réalisées en régime transitoire et en régime 8 stationnaire
4.5. Mesures sous atmosphère sèche de pile monochambre 12%
vol C 3 H :air
4.5.1. Mesures réalisées au chauffage en l’absence d’échantillon : blanc réactionnel
4.5.2. Mesures réalisées sur les composés LAMOX 8
4.5.2.1. Mesures réalisées au chauffage
4.5.2.2. Comparaison de mesures réalisées au chauffage et au refroidissement (après  chauffage sous mélange 1,8% vol C3 H8  :air)
4.5.3. Mesures réalisées sur matériaux d’anode et de cathode
4.5.3.1. Matériaux d’anode
4.5.3.2. Matériaux de cathode
4.6. Caractérisation DRX des échantillons après test
4.7. Bilan des tests catalytiques sous atmosphère propane:air
5. Conclusion de l’étude de stabilité et des propriétés catalytiques des matériaux
Références bibliographiques
Chapitre III. Tests de compatibilité solide/solide
1. Introduction
2. Tests de compatibilité chimique
2.1. Introduction
2.2. Protocole expérimental
2.3. Résultats
2.3.1. Compatibilité chimique LAMOX/cathodes
2.3.2. Compatibilité chimique LAMOX/anode
2.3.3. Compatibilité chimique LAMOX/cérine et cérine/cathodes
2.4. Bilan : Choix des matériaux de cathode potentiels
3. Tests de compatibilité mécanique
3.1. Introduction
3.2. Protocole expérimentale de mise en forme et tests de pelage
3.2.1. Préparation des pastilles supports
3.2.2. Réalisation des dépôts par sérigraphie
3.2.3. Test de pelage
3.3. Résultats
3.3.1. Compatibilité mécanique LC 0,25 CF 0,2 sur LMW (pastille)
3.3.2. Compatibilité mécanique LC 0,15 F sur LMW 0,5  0,5 (pastille)
3.3.3. Compatibilité mécanique LC 0,15 F sur LMW (pastille) avec couche intermédiaire LC 0,15 F:LMW 0,5
3.3.4. Compatibilité mécanique Ce 0,9 Gd  0,1 O 1,95 sur LMW (pastille ou couche sérigraphiée)
3.3.5. Compatibilité mécanique LC 0,25 CF 0,2 ou LC 0,15 0,5
F sur CG 0,1 O/LMW (pastille)
3.3.6. Compatibilité mécanique LC 0,25 CF 0,2 sur CG 0,1 O/LMW 0,5 0,5 (couche sérigraphiée)
3.4. Caractérisation des dépôts après test par DRX
3.5. Observation des dépôts au MEB
4. Conclusion des tests de compatibilité solide/solide
Références bibliographiques
Chapitre IV : Tests de cellules à électrolyte LAMOX
1. Introduction
2. Assemblage des cellules
2.1. Protocole expérimental de mise en forme
2.1.1. Préparation des pastilles supports
2.1.2. Réalisation des dépôts par sérigraphie
2.2. Récapitulatif des cellules élaborées
3. Mesures d’impédance sur cellules symétriques
3.1. Principe de l’étude et protocole expérimental
3.1.1. Principe
3.1.2. Protocole expérimental
3.2. Traitement des données expérimentales
3.3. Résultats
3.3.1. Cellules symétriques à anode
3.3.1.1. Etude des performances électrochimiques des anodes
3.3.1.2. Evaluation de la stabilité des matériaux d’anode au cours des tests
3.3.2. Cellules symétriques à cathode
3.3.2.1. Etude des performances électrochimiques des cathodes
3.3.2.2. Evaluation de la stabilité des matériaux de cathode au cours des tests
3.4. Conclusion
4. Tests de piles
4.1. Principe des tests de piles et protocole expérimental
4.1.1. Principe
4.1.2. Protocole expérimental
4.2. Etude de la faisabilité de la réduction de l’anode sous mélange C
3 H8 :air ou H dilué
4.3. Détermination des conditions de fonctionnement optimal stable
4.3.1. Domaine thermique de stabilité de la fem
4.3.2. Evolution des performances de pile au sein du domaine thermique de stabilité, en fonction des conditions opératoires
4.3.2.1. Influence du débit de gaz
4.3.2.2. Influence de la composition du mélange de gaz et de la température
4.4. Comparaison des performances en fonction des matériaux de cathode et de la géométrie de la pile
4.4.1. Performances obtenues avec les différents types de cathode
4.4.2. Influence de la géométrie de la pile sur les performances des cellules à cathode LC 0,25 CF 0,2 /CG O
4.4.2.1. Les meilleures densités de puissance
4.4.2.2. Les meilleures résistances de cellule 0,1
4.5. Origines possibles de la dégradation des performances à haute température
4.5.1. Problèmes de dégradation mécanique des cellules sous débit de gaz élevé
4.5.2. Suspicions de perte de nickel par volatilisation sous forme de Ni(OH)
4.5.3. Problèmes de décomposition des cathodes sous atmosphère réductrice
4.5.4. Problèmes de cokage
4.5.4.1. Conditions de formation des dépôts de carbone sur pile
4.5.4.2. Comparaison des conditions de cokage observées au cours des tests de piles et  tests de cellules symétriques
4.5.5. Evaluation de l’éventualité d’une réduction de l’électrolyte
4.5.6. Conclusion de l’étude sur la chute des performances de cellules à haute température
4.6. Etude de la stabilité temporelle de la puissance débitée par la pile à anode support
4.7. Conclusion
Références bibliographiques
Conclusion générale
Perspectives
Annexes

Extrait du mémoire Stabilité, réactivité et performances de conducteurs par ions oxyde de la famille LAMOX comme éléments de coeur de pile à combustible SOFC mono-chambre

INTRODUCTION GENERAL
A l’issue de la révolution industrielle, le XXe siècle a été marqué par une expansion sans précédent de la consommation énergétique mondiale, qui tend à se poursuivre du fait de la croissance démographique et du développement des pays émergents. Dans la situation actuelle, face aux pénuries annoncées de combustibles fossiles (pétrole, charbon, gaz naturel) et à la pollution atmosphérique induites par leur utilisation, les piles à combustibles suscitent beaucoup d’intérêt en raison principalement de leurs rendements énergétiques élevés et de leur faibles émissions de gaz polluants. Ces systèmes, dont le coût reste encore relativement élevé, sont capables de produire de l’électricité et de la chaleur, en ne dégageant que de l’eau comme déchet lorsqu’ils sont utilisés à partir de dihydrogène et de dioxygène, et ce, avec un rendement bien supérieur à celui des moteurs à combustion interne pour lesquels la conversion de l’énergie chimique en énergie électrique nécessite un intermédiaire mécanique.
Toutefois, en l’état d’avancement des recherches, il est encore difficile de prédire quelles seront les modes de production énergétique les plus appropriés écologiquement et économiquement, et plusieurs voies de recherche sont à l’étude, afin de s’inscrire dans une démarche de développement durable. L’utilisation du dihydrogène comme combustible est séduisante en raison de son faible impact environnemental par rapport aux sources d’énergie fossiles. Elle a d’ailleurs déjà été considérée par les constructeurs automobiles pour les moteurs à combustion interne [1]. Il existe cependant des contraintes de production, de transport et de stockage, inhérentes à l’utilisation de ce gaz très inflammable et difficile à comprimer. Ainsi, à l’heure actuelle, en dépit de l’existence de technologies permettant la production de dihydrogène par électrolyse de l’eau sans émission de gaz à effet de serre (photovoltaïques, hydroélectriques, nucléaires), l’alternative la plus viable économiquement resterait de produire le dihydrogène in-situ, par réactions de reformage [2]. Cette opération est réalisée à partir du gaz naturel ou autre hydrocarbure, en  association à des dispositifs de capture à l’étude, permettant de réduire le dégagement de CO inhérent à ce mode de production de dihydrogène. Les recherches actuelles sur la capture du CO semblent toutefois assez prometteuses [2]. D’autres révèlent en outre que le reformage du biogaz ou de biocarburants pourra vraisemblablement être utilisé [3].

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