Fabrication and study of the electrochemical behavior in a reducing atmosphere of thin films based on ceria for their interaction in solid oxide electrochemical devices
Fabrication et étude du comportement électrochimique en atmosphère réductrice de couches minces à base de cérine en vue de leur interaction dans des dispositifs électrochimiques à oxyde solide
Résumé
The decrease in the operating temperature of SOFC towards 600-750°C is an inescapable imperative to increase their lifetime and allow the use of less expensive interconnects. Nevertheless, this leads to an increment of the ohmic drop of the electrolyte and overvoltages at the electrodes and, therefore, the decline of the electrochemical performance of the stack. Different solutions can be explored: replacing the usual electrolyte, decreasing its resistance by reducing its thickness (<5 µm) and, in any event, improving reactions at interfaces by adding functional thin films. On the one hand, this study analyzes different approaches for the development of thin layers of pure or doped CeO2, whose role is proven, in particular at the level of the anode oxidation: deposit by atomic layer deposition, ALD, and chemical bath deposition, CBD. On the other hand, the use of a new composite material (ceria-doped gadolinium and Li2CO3-K2CO3 in a molten state) is analyzed as SOFC electrolyte. Finally, the electrochemical properties of these composite electrolytes, combined with thin layers of ceria and doped ceria prepared by ALD, are analyzed mostly in anodic conditions. The overall goal is to explore the role of thin layers and new promising electrolytes, primarily in the SOFC anode conditions.
L'abaissement de la température de fonctionnement des SOFC vers 600-750°C est un impératif incontournable pour en augmenter la durée de vie et permettre l'utilisation d'interconnecteurs moins onéreux. Cependant, ceci s'accompagne d'une incrémentation de la chute ohmique de l'électrolyte et des surtensions aux électrodes et, par conséquent, la diminution des performances électrochimiques de la pile. Différentes solutions sont à explorer : substituer l'électrolyte, diminuer la résistance de l'électrolyte usuel en réduisant son épaisseur (<5 µm) et, de toute façon, en améliorant les réactions aux interfaces par adjonction de couches minces fonctionnelles. D'une part, cette étude analyse différentes approches d'élaboration de couches minces de CeO2 et de cérine dopée, dont le rôle est avéré, notamment au niveau de l'oxydation à l'anode : le dépôt par couches atomiques, ALD (Atomic Layer Deposition), et le dépôt chimique en solution CBD (Chemical Bath Deposition) ont été explorés. D'autre part, l'exploitation d'un nouveau matériau composite (cérine dopée au gadolinium et Li2CO3-K2CO3 à l'état fondu) est analysée en tant que matériau d'électrolyte pour les SOFC. Finalement, les propriétés électrochimiques de ces électrolytes, combinés à des couches minces de cérine et de cérine dopée préparées par ALD, sont étudiées en particulier en conditions anodiques. Le but global est d'explorer le rôle des couches minces et de nouveaux électrolytes prometteurs, essentiellement dans les conditions anodiques des SOFC.
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Matériaux
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