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RÉSUMÉ
La nanostructuration par couches minces de différentes zones interfaciales des piles à combustible à haute température, notamment celles à oxyde solide (SOFC), est primordiale pour améliorer les performances et la durée de vie de ces dispositifs de génération d’énergie. Le dépôt par couches atomiques (ALD) est une technique de choix pour la mise en œuvre de films minces de très grande qualité, homogènes, denses et conformes. Cet article montre les avancées et le potentiel de l’ALD essentiellement pour les systèmes SOFC, mais aussi pour les piles à combustibles à carbonates fondus (MCFC) et à oxyde solide conducteur de protons (PCFC).
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Lire l’articleAuteur(s)
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Michel CASSIR : Professeur - Chimie ParisTech, PSL Research University, CNRS, Institut de Recherche de Chimie Paris (IRCP), F-75005 Paris, France
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Dorra DALLEL : Post-doctorante - Chimie ParisTech, PSL Research University, CNRS, Institut de Recherche de Chimie Paris (IRCP), F-75005 Paris, France
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Arturo MELENDEZ-CEBALLOS : Doctorant - Chimie ParisTech, PSL Research University, CNRS, Institut de Recherche de Chimie Paris (IRCP), F-75005 Paris, France
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Marie-Hélène CHAVANNE : Ingénieur d’Études - Chimie ParisTech, PSL Research University, CNRS, Institut de Recherche de Chimie Paris (IRCP), F-75005 Paris, France
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Armelle RINGUEDE : Chargée de recherche - Chimie ParisTech, PSL Research University, CNRS, Institut de Recherche de Chimie Paris (IRCP), F-75005 Paris, France
INTRODUCTION
Les couches minces fonctionnalisées (électrolytes ultraminces, barrière de diffusion, barrière électronique, catalyseurs, etc.) ont un rôle prépondérant dans les nouvelles générations de piles à combustible, notamment celles dites à haute température (SOFC, MCFC, PCFC…). Parmi les techniques de dépôt, le dépôt par couches atomiques (ALD) est particulièrement approprié pour augmenter les performances des générateurs électrochimiques mentionnés. Son efficacité est mise en évidence dans les applications SOFC depuis moins de vingt ans. L’ALD apparaît incontournable pour des systèmes micro-SOFC où l’intégration de couches minces est l’aspect névralgique. Cependant, l’ALD acquiert aussi une position de premier plan dans les systèmes de plus grande dimension pour la production stationnaire d’énergie électrique et thermique, où cette technique se positionne plutôt au niveau de couches interfaciales responsables des hautes performances. Le rôle de l’ALD pour élaborer des couches protectrices de la corrosion d’électrodes ou de plaques d’interconnexion est aussi introduit dans le cas des cathodes des MCFC. L’intérêt de l’ALD est potentiellement fort dans les PCFC et les électrolyseurs à haute température.
Domaine : Génération électrochimique d’énergie
Degré de diffusion de la technologie : Émergence et Croissance
Technologies impliquées : Piles à combustible à haute température
Domaines d’application : Énergie propre
Principaux acteurs français :
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Pôles de compétitivité : Grenoble Alpes Métropole, PHYRENEES, Pôle Véhicule du futur, TENNERDIS, etc.
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Centres de compétence : Toutes les informations peuvent être trouvées sur les sites de l’Association Française pour l’Hydrogène ( http://www.afhypac.org ) et le GDR HYSPAC ( http://www.gdr-hyspac.cnrs)
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Industriels : Dassault, Air liquide, EDF, GDF, HELION, Axane, Paxitech, MCPHY Energy, etc.
Autres acteurs dans le monde : FCE (Fuel Cell Energy), Delphi, Bloom Energy (États-Unis), Solidpower (Italie), POSCO (Corée du Sud), Mitsubishi Heavy Industries et Toshiba (Japon), BMW (Allemagne), etc.
Contact : [email protected]
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MOTS-CLÉS
pile à combustible dépôt par couches atomiques pile à combustible à haute température SOFC MCFC PCFC
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4. Conclusion et sujets émergents
L’ALD devient un outil extraordinaire et évolutif pour la fonctionnalisation des matériaux et des interfaces dans de nombreux domaines et, plus récemment, dans les dispositifs d’énergie où de nombreuses extensions deviennent possibles. Les cathodes MIEC et les anodes pour les dispositifs de SOFC sont confrontées à des défis importants en raison de la complexité de la fabrication avec trois ou plusieurs précurseurs. Néanmoins, certaines études sont prometteuses et de nouvelles perspectives sont envisagées. Des catalyseurs épitaxiés pour l’oxydation directe du méthane dans les deux piles SOFC et MCFC pourraient devenir un sujet stratégique dans l’avenir proche. Dans un domaine similaire, les nouveaux matériaux d’électrolyte à base de cérates pour les PCFC pourraient être fabriqués par ALD augmentant la réactivité de ce dispositif, qui fonctionne à des températures inférieures à 500 °C. Dans le cas des MCFC, la protection des plaques bipolaires, de la cathode et de l’anode pourrait être améliorée contre la corrosion par des films homogènes et denses fabriqués par ALD ; ce domaine est assez vaste et les efforts de recherche sont prévisibles. Un autre sujet traite de la fabrication de couches fonctionnelles catalytiques ou de couches absorbantes de soufre à l’anode des MCFC . Les couches minces peuvent également jouer des rôles importants dans les piles à combustible hybrides à carbone direct (HDCFC), qui sont des systèmes combinant les caractéristiques d’un système SOFC avec un réservoir rempli de carbonates fondus en augmentant le transport du combustible de carbone dans le compartiment anodique ...
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BIBLIOGRAPHIE
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(6) - STEELE (B.C.H.), HEINZEL...
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