Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
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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Nanostructuring by thin layers of different interfacial areas in high temperature fuel cells, in particular solid oxide (SOFCs), is a key aspect for improving the performance and lifetime of these devices for energy generation. Atomic layer deposition (ALD) is among the most efficient techniques for processing very high quality, homogeneous, dense and conformant thin films. This review shows the advances and the potential of ALD, mainly in SOFC systems, but also for molten carbonate fuel cells (MCFCs) and proton conductor solid oxide fuel cells (PCFCs).
Auteur(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 :
-
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)
-
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
KEYWORDS
fuel cell | atomic layer deposition | high temperature fuel cell | SOFC | MCFC | PCFC
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
Applications de l’ALD pour les matériaux des SOFC et PCFC
En anglais
2. Couches minces dans les dispositifs SOFC, PCFC et MCFC
2.1 Caractéristiques générales
Les températures de fonctionnement des SOFC sont typiquement de 800 à 1 000 °C. Ces températures élevées sont nécessaires pour atteindre une conductivité suffisante pour l’électrolyte YSZ ainsi qu’une bonne performance des électrodes.
Ceci est probablement le problème majeur limitant la compétitivité de cette technologie et qui a poussé une grande partie de la recherche actuelle sur les SOFC à réduire les températures de fonctionnement, des températures usuelles proches de 1 000 °C à des températures plus basses de l’ordre de 300 à 600 °C.
La réduction de la température de fonctionnement a permis le remplacement progressif des plaques d’interconnexion en chromite de lanthane (matériau céramique très délicat à usiner), par des aciers inoxydables. Cependant, à des températures plus faibles, la conductivité ionique diminue et les cinétiques des réactions au niveau des électrodes sont plus faibles. Afin de s’affranchir de ces limitations, différentes stratégies ont été employées. Il s’agit tout d’abord de maîtriser les propriétés de l’électrolyte, soit par la synthèse de nouveaux matériaux avec une conductivité ionique plus élevée dans une plage de températures plus faibles (500 à 650 °C), soit en réduisant l’épaisseur de l’électrolyte usuel, YSZ, grâce à de nouvelles architectures impliquant des couches minces. Cette dernière solution offre un triple avantage : en plus de la diminution de la résistance de l’électrolyte, le film mince permet un transfert plus rapide des ions entre les électrodes grâce à la diminution de la longueur de diffusion et pourrait également permettre un meilleur contrôle des contraintes interfaciales. Il s’agit, en parallèle, d’améliorer la cinétique de la réaction au niveau des électrodes au moyen de catalyseurs efficaces à des températures plus faibles.
Des couches minces de haute qualité avec une épaisseur allant de quelques microns à quelques nm offrent de nombreuses possibilités, de la faible résistance des couches minces électrolytiques (utiles dans les micro-SOFC) à la catalyse (oxydation de l’hydrogène et du combustible), en passant par les films interfaciaux (barrière de diffusion ou électronique, couches de liaison...
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Couches minces dans les dispositifs SOFC, PCFC et MCFC
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GROVE (W.R.), PHIL (M.) - The London & Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science, - 21, 417-420 (1842).
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(3) - STEVENS (P.), NOVEL-CATTIN (F.), HAMMOU (A.), LAMY (C.), CASSIR (M.) - Piles à combustibles. - Techniques de l’ingénieur [D3340] (2000).
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(4) - CASSIR (M.), JONES (D.), LAIR (V.), RINGUEDÉ (A.) - Part III, Chapter 20 in ‹ Handbook of Membrane Reactors ›. - Woodhead Publishing Limited (Ed.A. Basile), 553-605 (2013).
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(5) - WILLIAMS (M.C.), STARKEY (J.P.), SURDOVAL (W.A.), WILSON (L.C.) - Solid oxide fuel cell technology development in the US. - Solid State Ionics, 177(19-25): p. 2039-2044 (2006).
-
(6) - STEELE (B.C.H.),...
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