Study of the effect of pressure on electrolysis of H2O and co-electrolysis of H2O and CO2 at high temperature

Étude de l'effet de la pression sur l'électrolyse de H2O et la co-électrolyse de H2O et CO2 à haute température

Lucile Bernadet (1)

1 ICMCB - Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux

This thesis work investigates the behavior of a solid oxide cell operating under pressure in high temperature steam electrolysis and co-electrolysis mode (H2O and CO2). The experimental study of single cell associated with the development of multi-physical models have been set up. The experiments, carried out using an original test bench developed by the CEA-Grenoble on two types of cells between 1 and 10 bar and 700 to 800 °C, allowed to identify in both operating modes that the pressure has a positive or negative effect on performance depending on the cell operating point (current, voltage). In addition, gas analyzes performed in co-electrolysis led to detect in situ CH4 production under pressure. These pressure effects were simulated by models calibrated at atmospheric pressure. Simulations analysis helped identify the pressure dependent mechanisms and propose operating conditions thanks to the establishment of operating maps.

Ces travaux de thèse portent sur l’étude du comportement sous pression d’une cellule à oxydes solides fonctionnant à haute température en mode électrolyse de H2O et en mode co-électrolyse de H2O et CO2. Une étude expérimentale sur mono-cellule associée au développement de modèles multi-physiques a été mise en place. Les essais, réalisés à partir d’une installation unique présente au CEA-Grenoble, sur deux types de cellules entre 1 et 10 bar et de 700 à 800 °C, ont permis d’identifier dans les deux modes de fonctionnement, que la pression a un effet positif ou négatif sur les performances selon le point de fonctionnement (courant, tension) de la cellule. De plus, des analyses de gaz conduites en mode co-électrolyse ont permis de détecter une production de CH4 in-situ sous pression. Ces effets de la pression ont été correctement simulés par les modèles calibrés à pression atmosphérique. L’analyse des simulations a ensuite permis l’identification des mécanismes impactés par la pression et la proposition de conditions opératoires de fonctionnement grâce à l’établissement de cartographies de fonctionnement.

Mots clés: Electrolysis; Pressure; Experiments; Models; Methane; Co-electrolysis

Mots clés: Méthane; Co-électrolyse; Électrolyse; Pression; Essais expérimentaux; Simulations

Domaines: Matériaux

Lucile Bernadet. Étude de l'effet de la pression sur l'électrolyse de H2O et la co-électrolyse de H2O et CO2 à haute température. Matériaux. Université de Bordeaux, 2016. Français. ⟨NNT : 2016BORD0312⟩. ⟨tel-01674502⟩