Mise en forme des céramiques pour la fabrication de cellules

Olivier Joubert, Annie Le Gal La Salle

Disposer de matériaux prometteurs n’est pas une condition suffisante pour pouvoir fabriquer des cellules performantes. La mise en forme de ces matériaux pour fabriquer des cellules peut avoir des impacts important sur l’efficacité des systèmes. Notre équipe se concentre sur trois aspects de la mise en forme des matériaux pour la fabrication de cellules :
- La fabrication de cellules sur métal support poreux
- L’utilisation du « Cold Sintering » pour diminuer les températures nécessaires à la mise en forme des cellules
- L’implémentation du recyclage de cellules et la fabrication de nouvelles cellules à partir de matériaux recyclés

 

Cellule à oxydes solides métal supportées

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

Fonctionnant à des températures comprises entre 400 et 600°C, les cellules céramiques à conduction protonique sont particulièrement prometteuses. En effet, la consommation ou la production d’eau à l’électrode à air rend ces systèmes flexibles et intéressants. ST2E est fortement impliqué dans le projet ANR franco-Allemand ARCADE dont l'objectif est le développement de cellules céramiques à conduction protonique bas coût, à support métallique et de taille industrielle (100 cm²) pour la production d’hydrogène vert. Quantitativement, l’objectif du projet est d’atteindre des performances de -450mW/cm² à 1,5V et 600°C en mode électrolyse. Le projet rassemble trois laboratoires français du CNRS (ICGM-AIME, FEMTO-St et IMN) et deux centres de recherché allemands (EIFER et DLR) ainsi que deux industriels (Ceraco en Allemagne et Air Liquide en France).
Il s'agit pour l'IMN de développer et caractériser de nouveaux matériaux céramiques et de co-coordiner le projet.

Mots-clés : Electrolyse, céramiques, métal support

Expertises :  Chimie du solide, électrochimie, coordination de projets

Références : Projet ANR ARCADE

Collaborations : Rémi Costa (DLR), Julian Dailly (EIFER), Gilles Taillades (ICGM), Pascal Briois (FEMTO-St)

 

Mise en forme de cellules complètes et nouveaux procédés de frittage

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

Notre équipe maîtrise les différentes techniques de mise en forme des céramiques : sérigraphie, coulage en bande, … et de nombreuses cellules complètes ont été réalisées au laboratoire (Figure 1).
Toutefois, la préparation d’électrolytes denses, indispensables au bon fonctionnement des cellules, est parfois difficile, et nécessite dans certains cas des températures de frittage extrêmement élevées. De plus les matériaux ainsi obtenus présentent parfois une résistance de joints de grains importante qui pénalise la conductivité totale du matériau. Des procédés originaux, comme le frittage sous pression, à basse température et en présence de solvant (Figure 2), sont donc mis en œuvre dans l’équipe et ont conduit à des résultats très encourageants.

Mots-clés : Mise en forme de cellules complètes, Frittage sous pression à basse température (CSP)

Expertises : Science des matériaux, Mise en forme des céramiques, Electrochimie

Références : Application of the cold sintering process to the electrolyte material BaCe_0.8Zr_0.1Y_0.1O₃-delta. K. Thabet, E. Quarez, O. Joubert, A. Le Gal La Salle. J. Eur. Ceram. Soc. 2020, 40, 3445-3452

High Performance Dense Proton Ceramic Electrolyte Material Obtained by Cold Sintering Process. K. Thabet, A. Le Gal La Salle, E. Quarez, O. Joubert. ECS Trans. 2019, 91, 983-996

Influence of the autocombustion synthesis conditions and the calcination temperature on the microstructure and electrochemical properties of BaCe_0.8Zr_0.1Y_0.1O₃-delta electrolyte material. K. Thabet, M. Devisse, E. Quarez, O. Joubert, Le Gal A. La Salle. Solid State Ion. 2018, 325, 48-56

 

Recyclage des matériaux d'électrolyseurs ou de piles à combustible à haute température usagés et valorisation des déchets

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

Avec l'engouement actuel pour l'électrolyse à haute température (SOEC) ainsi que pour la pile SOFC, il faut déjà penser au futur des systèmes en fin de vie. Pour 1 système de 1MW, c'est 500kg de déchets qui seront ainsi générés. Cela pose les problèmes suivants : le recyclage des matériaux contenus dans le cœur de l'électrolyseur et la valorisation de ces déchets. Ces deux axes sont développés dans l’équipe ST2E.
Nous travaillons sur le recyclage des oxydes et du nickel (qui représente près de 50% du poids total d'une cellule). Des études sont menées dans la cadre de la thèse de Gudaysew Yenesew pour séparer les matériaux céramiques et pour produire des cellules en utilisant les matériaux recyclés et étudier l'impact de leur utilisation sur les performances électrochimiques.

Mots-clés : Electrolyse, céramiques, recyclage

Expertises : Chimie des matériaux, électrochimie