La3TaO7 derivatives with Weberite structure type: Possible electrolytes for solid oxide fuel cells and high temperature electrolysers

In this study, with the aim to enhance the ionic conduction of known structures by defect chemistry, the La2O3-Ta2O5 system was considered with a focus on the La3TaO7 phase whose structure is of Weberite type. In order to predict possible preferential substitution sites and substitution elements, atomistic simulation was used as a first approach. A solid solution La3−xSrxTaO7−x/2 was confirmed by X-ray diffraction and Raman spectroscopy; it extends for a substitution ratio up to x = 0.15. Whereas La3TaO7 is a poor oxide ion conductor (σ700 °C = 2 × 10−5S.cm−1), at 700 °C, its ionic conductivity is increased by more than one order of magnitude when 3.3% molar strontium is introduced in the structure (σ700 °C = 2 × 10−4S.cm−1)

Comparison between ultrathin films of YSZ deposited at the solid oxide fuel cell cathode/electrolyte interface by atomic layer deposition, dip-coating or sputtering

The effect of an 80 nm YSZ interfacial layer, deposited onto a YSZ pellet by different techniques (dip-coating, sputtering and atomic layer deposition) at the SOFC cathode/electrolyte interface to allow a maximum adhesion of the thick cathode layer, was thoroughly analysed. The LSM cathode was deposited on the solid electrolyte by painting and sintered in air at 1200°C for 2 h. The morphological and structural analyses of the samples were performed by scanning electron microscopy and X-ray diffraction; their electrical properties were examined between 390 and 700°C by electrochemical impedance spectroscopy. The impedance responses showed three different contributions. The highfrequency arc is attributed to the YSZ electrolyte. The electrode processes associated with the medium- and low frequency arcs were discussed. The electrochemical performance was influenced by the microstructure at the electrode/electrolyte interface

Conducteurs mixtes nanostructurés pour les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) : élaboration et performances de nouvelles architectures

The reduction of the working temperature of solid oxide fuel cells, from around 1000°C to less that 700°C, is one of the best ways to decrease the fabrication costs and to increase significantly their lifetime. Nevertheless, lower operating temperature causes an increase in the electrode and electrolyte resistances; thus, the overall power output of the cell decreases. Our study is focused on the search of new materials and new architectures for SOFC. Half-cell of cathode/electrolyte with interfacial thin layers of YSZ, LSM and La2NiO4 were developed on YSZ dense substrates by different techniques (ALD, PVD and dip-coating). Several techniques were used to characterize the physico-chemical properties of these half-cells (scanning electron microscopy, X-ray diffraction); their electrical properties were studied by impedance spectroscopy. Another study was carried out on the ALD elaboration and the physico-chemical and electrical characterizations of thin layers of India-doped zirconia (IDZ) with a composition gradient, allowing to pass from an ionic conductor to an electronic one. The last part of this work was dedicated to a new GDC-carbonate electrolyte; the study of its electrical properties and ageing shows particularly promising results.La réduction de la température de fonctionnement des piles à combustible à oxyde solide, de 1000°C à moins de 700°C, est la meilleure solution pour en diminuer les coûts de fabrication et augmenter la durée de vie. Néanmoins, l'abaissement de la température de fonctionnement s'accompagne d'une chute ohmique au sein de l'électrolyte et une augmentation des surtensions aux électrodes entraînant une diminution des performances de la pile. Dans cette optique, notre étude est centrée sur la recherche de nouveaux matériaux et de nouvelles architectures pour les piles SOFC. Des demi-cellules cathode/électrolyte avec des couches minces interfaciales de YSZ, LSM et La2NiO4 ont été élaborées sur des substrats denses de YSZ par différentes techniques (ALD, PVD et sol-gel). Ces demi-cellules ont été caractérisées par plusieurs techniques physico-chimiques (microscopie électronique à balayage, diffraction des rayons X) ; leurs propriétés électriques ont été étudiées par spectroscopie d'impédance. Une deuxième étude a été menée sur l'élaboration par ALD et les caractérisations physico-chimiques et électriques de couche minces d'oxyde zirconium dopé à l'oxyde d'indium (IDZ) présentant un gradient de composition, permettant de passer d'une conduction ionique à une conduction électronique. La dernière partie de ce travail a été dédiée à un nouveau matériau composite d'électrolyte, GDC-carbonates, dont l'étude des propriétés électriques et de vieillissement a montré des résultats encourageants

Conducteurs mixtes nanostructurés pour les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) (élaboration et performances de nouvelles architectures)

La réduction de la température de fonctionnement des piles à combustible à oxyde solide, de 1000C à moins de 700C, est la meilleure solution pour en diminuer les coûts de fabrication et augmenter la durée de vie. Néanmoins, l abaissement de la température de fonctionnement s accompagne d une chute ohmique au sein de l électrolyte et une augmentation des surtensions aux électrodes entrainant une diminution des performances de la pile. Dans cette optique, notre étude est centrée sur la recherche de nouveaux matériaux et de nouvelles architectures pour les piles SOFC. Des demi-cellules cathode/électrolyte avec des couches minces interfaciales de YSZ, LSM et La2NiO4 ont été élaborées sur des substrats denses de YSZ par différentes techniques (ALD, PVD et sol-gel). Ces demi-cellules ont été caractérisées par plusieurs techniques physico-chimiques (microscopie électronique à balayage, diffraction des rayons X) ; leurs propriétés électriques ont été étudiées par spectroscopie d impédance. Une deuxième étude a été menée sur l élaboration par ALD et les caractérisations physico-chimiques et électriques de couche minces d oxyde zirconium dopé à l oxyde d indium (IDZ) présentant un gradient de composition, permettant de passer d une conduction ionique à une conduction électronique. La dernière partie de ce travail a été dédiée à un nouveau matériau composite d électrolyte, GDC-carbonates, dont l étude des propriétés électriques et de vieillissement a montré des résultats encourageants.PARIS-BIUSJ-Thèses (751052125) / SudocPARIS-BIUSJ-Physique recherche (751052113) / SudocSudocFranceF

Enhancing oxygen reduction reaction of YSZ/La₂NiO_4+δ using an ultrathin La₂NiO_4+δ interfacial layer

In this work, La2NiO4+δ is used as cathode material for Intermediate temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFC). Scanning electron microscopy, X-ray diffraction, and electrochemical impedance spectroscopy are used to investigate the effect of the presence of an ultrathin La2NiO4+δ layer (80 nm) deposited by dip-coating or sputtering at the interface YSZ/La2NiO4+δ. The thick porous cathode layer of La2NiO4+δ is deposited by screen-printing, and sintered at 1000 °C for 2 h or 1200 °C for 20 min in order to study the effect of sintering temperature on the electrochemical properties. The results show that the electrochemical performances of the cathode are influenced by the deposition technique. The best electrochemical properties are obtained with the use of the nano film interface layer deposited by sputtering. The introduction of ultrathin interface with nano grained between the cathode and electrolyte is a promising technique to reduce polarization resistance associated with oxygen reduction reaction (ORR) on the cathode

Enhancing oxygen reduction reaction of YSZ/La₂NiO_4+δ using an ultrathin La₂NiO_4+δ interfacial layer

In this work, La2NiO4+δ is used as cathode material for Intermediate temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFC). Scanning electron microscopy, X-ray diffraction, and electrochemical impedance spectroscopy are used to investigate the effect of the presence of an ultrathin La2NiO4+δ layer (80 nm) deposited by dip-coating or sputtering at the interface YSZ/La2NiO4+δ. The thick porous cathode layer of La2NiO4+δ is deposited by screen-printing, and sintered at 1000 °C for 2 h or 1200 °C for 20 min in order to study the effect of sintering temperature on the electrochemical properties. The results show that the electrochemical performances of the cathode are influenced by the deposition technique. The best electrochemical properties are obtained with the use of the nano film interface layer deposited by sputtering. The introduction of ultrathin interface with nano grained between the cathode and electrolyte is a promising technique to reduce polarization resistance associated with oxygen reduction reaction (ORR) on the cathode