Study of the influence of the dimensionality and the chemical composition of titania-based perovskite structure on the behaviour of the anode of Solid Oxide Fuel Cells

Les matériaux d’anode pour pile à combustible haute température (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) doivent répondre à un important cahier des charges. L’exigence d’une alimentation directe sous méthane (sans reformage en amont) rajoute des contraintes de fonctionnement au niveau de l’activation catalytique du gaz et le risque de formation de coke. Avec pour objectif la recherche du matériau idéal, l’influence de la dimensionnalité de la structure sur les propriétés catalytiques et électrochimiques a été étudiée. Après synthèse par voie sol-gel de type Pechini et caractérisation structurale par diffraction des rayons X, diffraction des neutrons et diffraction électronique, l’activation catalytique du méthane a été mesurée en condition de vaporeformage (CH4:H2O=10:1). Des mesures de conductivité électrique en température et sous faible pression partielle d’oxygène ont complété cette étude avant d’évaluer l’activité électrochimique en température et sous H2(97%)/H2O(3%) par spectroscopie d’impédance complexe sur cellules à électrodes symétriques ou sur cellule complète, avec ou sans imposition de courant. Parmi l’ensemble des composés testés, le meilleur candidat retenu est le membre x=0.80 de la série LaxSr1-xTiO3+d, composé lamellaire découlant d’une organisation à long ordre de l’oxygène sur-stœchiométrique présent au sein de la structure. Bien que relativement faible par rapport à certains composés 3D (de l’ordre de 10-2 S.cm-1 à 1073K sous Ar/H2(2%)), sa conductivité électrique ne s’avère pas rédhibitoire, étant compensée par une forte activité catalytique et électrochimique.SOFC anode materials working under methane have to display excellent catalytic properties for fuel oxidation without coke formation. The influence of the structure dimensionnality on catalytic and electrochemical properties was studied. After synthesis of the materials by a Pechini-type method and structural characterization by means of X-ray, neutron and electronic diffraction, the catalytic activation of samples toward methane steam reforming was pursued in slightly humidified methane (CH4:H2O=10:1). Electrical conductivity measurements were carried out in temperature and at low oxygen partial pressure. Then, the electrochemical response of these materials was evaluated by impedance spectroscopy using symmetrical and complete cell under humidified H2, under or without a current bias. Among all tested compounds, the best candidate is the x=0.80-member of the LaxSr1-xTiO3+d family, which displays a lamellar structure exhibiting long range ordered over-stoichiometric oxygen. Low electrical performance when compared to 3D compounds (about 10-2 S.cm-1 at 1073K in Ar/H2(2%)), is compensated by very high catalytic and electrochemical activity