Modeling and experimental validation of high temperature steam and carbon dioxide co-electrolysis

Modélisation et validation expérimentale d'un co-électrolyseur de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone à haute température

Jérôme Aicart (1, 2)

1 LITEN - Laboratoire d'Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles et les nanomatériaux
2 LEPMI - Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-chimie des Matériaux et des Interfaces

This work investigates the high temperature co-electrolysis of H2O and CO2 in Solid OxideCells. A detailed model was developed, encompassing electrochemical, chemical, thermal andmass transfer phenomena, and introducing a macroscopic representation of the co-electrolysismechanism. This model allows predicting the performances and outlet compositions in singlecell and stack environments. An experimental validation protocol was implemented on twotypes of commercial Cathode Supported Cells, ranging from polarization curves, obtained insingle and co-electrolysis modes, to micro gas analyses. These tests aimed both at determiningthe different exchange current densities, representative of the kinetics of electrochemicalreactions, and validating the simulated cell global behavior and mechanism proposed.Comprehensive analysis of the simulations led to the identification of limiting processes andpaths for optimization, as well as to the establishment of co-electrolysis operating maps.

Cette étude porte sur la co-électrolyse de H2O et CO2 à 800°C dans une cellule à oxydessolides. Un modèle détaillé a été développé afin de rendre compte des phénomènesélectrochimiques, chimiques, thermiques et de transferts de matière, et introduisant unereprésentation macroscopique du mécanisme de co-électrolyse. Il permet d’estimer lesperformances et les compositions en sortie de cellule. Un protocole expérimental, visant àvalider les principales hypothèses de ce modèle, a été appliqué à deux types de cellulecommerciale à cathode support. À partir de courbes de polarisations, obtenues en électrolyseet en co-électrolyse, ainsi que d’analyses gaz, les densités de courant d’échange, illustrant lescinétiques électrochimiques, ont pu être estimées, et le mécanisme proposé a pu être validé.L’analyse des simulations a permis l’identification des processus limitant la co-électrolyse, laproposition de voies d’optimisation et l’établissement des cartographies de fonctionnement.

Mots clés: Coelectrolyzer; Co-electrolyzer; Modeling; Experimental validation; WGS reaction; Solid oxydes

Mots clés: Coélectrolyse; Co-électrolyse; Modélisation; Validation expérimentale; Réaction de gaz à l'eau; Oxydes solides

Domaines: Autre; Matériaux

Jérôme Aicart. Modeling and experimental validation of high temperature steam and carbon dioxide co-electrolysis. Other. Université de Grenoble, 2014. English. ⟨NNT : 2014GRENI095⟩. ⟨tel-01284476⟩