Synthesis and shaping of new cathode materials for ITSOFC fuel cell: fabrication and test cells

Le développement des piles à combustible à oxyde solide SOFC est conditionné par un abaissement de la surtension cathodique mesurée à 600-700°C. Dans cette optique, une sélection de nouveaux matériaux de cathode a été réalisée au laboratoire depuis quelques années. Ainsi, les oxydes sur-stoechiométriques en oxygène de type A2MO4+¤ (structure K2NiF4) possèdent des propriétés électrocatalytiques et de conduction de l'oxygène particulièrement intéressantes. Une étude approfondie a été menée sur les composés Nd2¤xNiO4+¤ (x = 0 et 0,05) : la réduction de l'oxygène a été caractérisée par spectroscopie d'impédance électrochimique et par voltamétrie (cellule en configuration symétrique placée sous air). Les mesures réalisées sous différentes pressions partielles d'oxygène et diverses surtensions cathodiques ont permis d'identifier les diverses contributions du mécanisme de réduction du dioxygène. L'utilisation de poudres de morphologie contrôlée (issues de différentes voies de synthèse) a conduit à réduire fortement les phénomènes de polarisation d'électrode, le transfert ionique à l'interface cathode / électrolyte restant l'étape limitante du processus. Par ailleurs, suite aux résultats particulièrement encourageants obtenus pour les cellules symétriques (faibles résistances spécifiques et surtensions cathodiques minimisées), les premiers tests en configuration de pile complète ont pu être réalisés. Après une optimisation des paramètres de mise en forme, i.e. sélection de la méthode de dépôt et du cycle thermique de frittage adapté, des densités de courant de l'ordre de 1,3 A/cm2 ont été mesurées à 0,7 V pour une température de fonctionnement de 800°C.The development of the Solid Oxide Fuel Cells is dependent on the reduction of the cathodic overpotential measured at 600-700°C. In this way, in the last few years, we have made a selection from new cathode materials in the Institute; the oxygen over-stoichiometric oxides formulated A2MO4+δ (K2NiF4-type structure), show enhanced electrocatalytic and oxygen conduction properties. A detailed study was performed on the compositions Nd2-xNiO4+δ (x = 0 and 0.05): the oxygen reduction was characterised by impedance spectroscopy and voltametry measurements (symmetrical configuration cell under air).Electrochemical analysis carried out under different oxygen partial pressures and various cathodic overpotentials had led to identify the various contributions of the mechanism of the dioxygen reduction. Using powders with controlled morphology (coming from different synthesis ways) results in a reduction of the electrode polarisation phenomena, the limiting step of the process still remaining the interface cathode / electrolyte ionic transfer.In addition, due to these promising results (low area specific resistances and minimized cathodic overpotentials), the first tests in a complete fuel cell device were achieved. After an optimisation of the shaping parameters, i.e. selection of the suitable coatingprocess and of the sintering thermal cycle, current densities of 1,3 A/cm2, at 0,7 V have been measured at 800°C, the operating temperature