Synthesis by reactive magnetron sputtering and characterization of protonic conductor electrolytes for PCFC fuel cells
Synthèse par pulvérisation cathodique et caractérisation d'électrolytes conducteurs protoniques pour les piles à combustible de type PCFC
Résumé
The recent trends in solid oxide fuel cells consist in exploiting the proton conduction through the use of perovskite structure oxides, more efficient at intermediate temperature than O2- conducting oxides. A second way of improvement of the cell performances consists in decreasing the electrolyte thickness in the range 5-10 μm in order to minimise its resistance. In this context, physical vapour deposition processes present a particular interest. In this work, we studied the feasibility of strontium or barium cerates or zirconates (BaCe1-xYxO3-a, BaZr1-xYxO3-a and SrZr1-xYxO3-a), known as the most promising proton conductor materials, by reactive magnetron co sputtering. After a description of the reactor used for the synthesis, we present the main relations between the deposition parameters and the chemical composition of the coatings. Those as deposited coatings are amorphous and their crystallisation is studied either by synthesis at high temperature or after ex situ annealing treatments. Finally, the conduction properties of the coatings of targeted composition are studied using electrochemical impedance spectroscopy and are compared to those of bulk pellets of same composition.
Les tendances récentes en matière de piles à combustible à oxydes solides visent à exploiter la conduction du proton par l'utilisation d'électrolytes de structure de type pérovskite, plus performants à température modérée que les électrolytes conducteurs de l'ion oxyde. Une seconde voie d'amélioration des performances des piles consiste à diminuer l'épaisseur de l'électrolyte aux alentours de 5-10 μm pour minimiser sa résistance. Dans ce contexte, les procédés de dépôt physique trouvent un intérêt majeur. Dans ce travail, nous nous sommes attachés à étudier la faisabilité de couches denses de cérates ou de zirconates de baryum ou de strontium (BaCe1-xYxO3-a, BaZr1-xYxO3-a et SrZr1-xYxO3-a), les électrolytes conducteurs protoniques les plus aptes à répondre aux besoins de l'application, par co-pulvérisation de cibles métalliques en présence d'une atmosphère réactive d'argon-oxygène. Après une description du dispositif expérimental utilisé pour la synthèse des couches, nous étudierons plus particulièrement l'influence des paramètres de dépôt sur la composition des revêtements. Les films bruts d'élaboration étant amorphes, leur cristallisation est étudiée lors de synthèses en température ou au cours de recuits ex-situ. Enfin, les propriétés de conduction ionique des couches de composition visée sont étudiées par spectroscopie d'impédance électrochimique et comparées à celle des matériaux massifs correspondant.
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