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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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Conclusion et sujets émergents
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3. Applications de l’ALD pour les matériaux des SOFC et PCFC
3.1 ALD pour les matériaux des SOFC
Dans le cas des SOFC, plusieurs fonctionnalités peuvent bénéficier de l’apport de l’ALD.
HAUT DE PAGE3.1.1 Électrolytes et interfaces
Bien que les couches ultraminces d’électrolytes purs (< 500 nm), fabriquées par ALD, soient principalement destinées aux µ-SOFC, l’intérêt de l’ALD est beaucoup plus large si l’on considère les aspects réactivités aux interfaces. Les électrolytes considérés sont YSZ, l’oxyde de cérium dopé et LaGaO3.
HAUT DE PAGE3.1.1.1 Matériaux à base de zircone
L’électrolyte le plus utilisé dans les piles à combustible SOFC est le YSZ, qui conduit les ions oxyde par un mécanisme lacunaire (via les lacunes d’oxygène). La conductivité de YSZ est généralement considérée comme trop faible pour les SOFC à température intermédiaire, IT-SOFCs (< 700 °C), mais quand l’épaisseur de l’électrolyte est réduite à quelques dizaines de nanomètres, des valeurs acceptables de résistances spécifiques surfaciques (ASR pour Area Specific Resistance) sont obtenus à basse température.
La fabrication par ALD des oxydes individuels constituant le YSZ est connue depuis les années quatre-vingt-dix pour le ZrO2 ...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - GROVE (W.R.), PHIL (M.) - The London & Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science, - 21, 417-420 (1842).
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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).
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(6) - STEELE (B.C.H.), HEINZEL...
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