Réactions aux électrodes et phénomènes d’empoisonnement

Clément Nicollet, Annie Le Gal La Salle

L’intérêt majeur des cellules oxydes à haute température étant leur versatilité en termes de conditions de fonctionnement. Aux Electrodes, les cellules peuvent être soumises à des conditions très variées et éloignées des conditions idéales de gaz réactifs purs (O₂ et H₂), qui implique des mécanismes réactionnels très complexes et peuvent également être la source de phénomènes d’empoisonnement par des contaminants extérieurs. Il est donc primordial d’étudier le comportement des cellules et matériaux dans une grande variété de conditions. Notre équipe se focalise sur trois aspects :
- L’utilisation de gaz issus de la biomasse comme combustible
- L’étude du fonctionnement des cellules dans des conditions non-idéales (air humide, atmosphère marine, etc)
- L’étude de l’effet de différents poisons sur les électrodes à air

 

Production d’électricité haute température à partir de biomasse.

Olivier Joubert, Annie Le Gal La Salle, Clément Nicollet, Eric Quarez

D’un point de vue environnemental, l’idéal est d’utiliser, pour faire fonctionner la pile à combustible, soit de l’hydrogène produit à partir d’énergies renouvelables comme l’éolien ou le solaire, soit des mélanges gazeux issus d’un traitement de déchets issus de la biomasse.
C’est ainsi qu’en lien avec la société ligérienne S3D nous avons mis au point un gazogène qui, alimenté par des déchets de bois, produit un mélange gazeux directement utilisable dans une cellule de pile à combustible optimisée (Figure 1). Toutefois, les mélanges gazeux obtenus contiennent des impuretés comme H₂S, qui conduit à une détérioration des propriétés de la cellule (Figure 2). Les recherches effectuées dans cette sous-thématique visent à élucider les mécanismes d’empoisonnement des électrodes puis à élaborer de nouveaux matériaux d’électrodes résistants aux polluants présents dans les biogaz et les syngaz courants.

Mots-clés : Empoisonnement des anodes, analyse par méthode d’impédance, anodes résistantes au soufre

Expertises :  Science des matériaux, Gazéification, Electrochimie

Références : Electricity production from lignocellulosic biomass by direct coupling of a gasifier and a nickel/yttria-stabilized zirconia-based solid oxide fuel cell: influence of the H₂S content of the syngas onto performances and aging. F. Ricoul, A. Subrenat, O. Joubert, A. Le Gal La Salle. J. Solid State Electrochem. 2018, 22, 2789-2800

Electricity production from lignocellulosic biomass by direct coupling of a gasifier and a Nickel/Yttria-stabilized Zirconia-based solid oxide fuel cell. Part 1: From gas production to direct electricity production. F. Ricoul, A. Subrenat, O. Joubert, A. Le Gal La Salle. Int. J. Hydrogen Energy 2017, 42, 21215-21225

Electrochemical Study of a SOFC with Various H₂-CO-CH₄-CO₂-N₂ Gaseous Mixtures. A. Le Gal La Salle, F. Ricoul, O. Joubert, A. Kerihuel, A. Subrenat. Fuel Cells 2017, 17, 144-150

Collaborations : S3D (Solutions Déchets et Développement Durable), Laboratoire GEPEA de l’IMT Atlantique

 

Influence de l’acidité des surface des oxydes sur la réduction de O₂

Clément Nicollet, Olivier Joubert, Annie Le Gal La Salle, Eric Quarez,

La dégradation des performances des électrodes à air au cours du temps est un des problèmes majeurs affectant la durabilité des cellules. Cette dégradation est en partie due à un empoisonnement des surfaces par des contaminants extérieurs (Cr, Si etc.). Dans ce projet, nous utilisons une méthode simple d’infiltration pour modifier la surface de matériaux d’électrodes de manière contrôlée, et ainsi en étudier l’impact de différents contaminants sur les cinétiques réactionnelles de réduction de l’oxygène.
Nous avons pu établir un lien direct entre l’acidité des surface et la cinétique de réduction de l’oxygène, ce qui permet non seulement de prédire quel éléments peuvent être de potentiels poisons pour les électrodes, mais aussi de découvrir qu’il est possible de multiplier les cinétiques de réaction par plusieurs ordres de grandeurs en utilisant des oxydes basiques.

Mots-clés : Oxydes à conduction mixte, acidité, réduction de l’oxygène, infiltration

Expertises : Electrochimie, Catalyse

Références : Acidity of surface-infiltrated binary oxides as a sensitive descriptor of oxygen exchange kinetics in mixed conducting oxides. Nicollet, C. et al. Nat. Catal. 3, 913–920 (2020)

Collaborations : Prof. Tuller, Massachusetts Institute of Technology

 

Caractérisation électrochimique de cellules SOFC ou SOEC fonctionnant sous atmosphères variées

Olivier Joubert, Annie Le Gal La Salle, Clément Nicollet, Eric Quarez

L’avantage des cellules fonctionnant à haute température est leur aptitude à fonctionner sous des mélanges gazeux divers issus de sources variées.    L’utilisation des mesures d’impédance électrochimique permet d’étudier finement les mécanismes se déroulant aux différents constituants des cellules sous mélanges gazeux variés, à la fois en mode SOFC (Figures 1A et 1B), et SOEC (Figure 2A and 2B), afin d’en déterminer les conditions optimales de fonctionnement (alimentation, densité de courant, température) en termes de rendement et de vieillissement. Le savoir-faire acquis par notre équipe dans ce domaine nous conduit à de nombreuses collaborations entre équipes académiques françaises mais aussi au sein de projets européens (ROXSOLIDCELL, MODTESTER).

Mots-clés : Spectroscopie d’impédance électrochimique, diversification des conditions d’alimentation des cellules, électrolyse haute température.

Expertises : Electrochimie

Références : Electrochemical Study of the Versatility of a Solid Cell Working both as Fuel Cell and Electrolysis Modes. E. Pichot, M. Olivon, A. Perraud, O. Joubert, A. Le Gal La Salle. Fuel Cells 2020, 20, 332-341

In situ exsolution of Ni particles on the PrBaMn₂O₅ SOFC electrode material monitored by high temperature neutron powder diffraction under hydrogen. M. Bahout, P.B. Managutti, V. Dorcet, A. Le Gal La Salle, S. Paofai and T. C. Hansen. J. Mater. Chem. A 2020, 8, 3590-3597

Influence of Surface State on the Electrochemical Performance of Nickel-Based Cermet Electrodes during Steam Electrolysis. B. Mewafy, F. Paloukis, K. M. Papazisi, St. P. Balomenou, W. Luo, D. Teschner, O. Joubert, A. Le Gal La Salle, D. K. Niakolas and S. Zafeiratos. ACS Appl. Energ. Mater. 2019, 2, 7045-7055

Collaborations : Institut des Sciences Chimiques de Rennes (ISCR), Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS)