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FR3161913A1 - Manufacturing process for a porous nano-architectural ceramic for electrolysis cell electrode - Google Patents

Manufacturing process for a porous nano-architectural ceramic for electrolysis cell electrode

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Publication number
FR3161913A1
FR3161913A1 FR2404737A FR2404737A FR3161913A1 FR 3161913 A1 FR3161913 A1 FR 3161913A1 FR 2404737 A FR2404737 A FR 2404737A FR 2404737 A FR2404737 A FR 2404737A FR 3161913 A1 FR3161913 A1 FR 3161913A1
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FR
France
Prior art keywords
porous
ceramic
electrode
nanoarchitectural
printing
Prior art date
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Pending
Application number
FR2404737A
Other languages
French (fr)
Inventor
Blandine CASTAY
Elisa Grindler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Publication of FR3161913A1 publication Critical patent/FR3161913A1/en
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Abstract

Procédé de fabrication d’une céramique nanoarchitecturée poreuse (200) pour électrode de cellule d’électrolyseur (100), notamment pour électrode de cellule d’électrolyseur à haute température (également connue selon l’acronyme EHT), le procédé comprenant les étapes suivantes de : fourniture d’une résine comprenant un photoréactif polymérique, un solvant, par exemple un solvant organique, et une charge comportant au moins un précurseur minéral de la céramique, impression 3D de la résine selon un motif prédéterminé de sorte à former un squelette nanoarchitecturé poreux (300), par exemple sous forme de nid d’abeilles ou sous forme tétrakaidécahédrale, etfrittage du squelette nanoarchitecturé poreux (300) de sorte à obtenir une céramique nanoarchitecturée poreuse (200). Figure 4 A process for manufacturing a porous nano-architectural ceramic (200) for an electrolyzer cell electrode (100), in particular for a high-temperature electrolyzer cell electrode (also known as an EHT), the process comprising the following steps: provision of a resin comprising a polymeric photoreagent, a solvent, for example an organic solvent, and a filler including at least one mineral precursor of the ceramic; 3D printing of the resin according to a predetermined pattern to form a porous nano-architectural skeleton (300), for example in the form of a honeycomb or in the form of a tetrakaidecahedral skeleton; and sintering of the porous nano-architectural skeleton (300) to obtain a porous nano-architectural ceramic (200). Figure 4

Description

Procédé de fabrication d’une céramique nanoarchitecturée poreuse pour électrode de cellule d’électrolyseurManufacturing process for a porous nano-architectural ceramic for electrolysis cell electrode Domaine technique de l’inventionTechnical field of the invention

L’invention se rapporte au domaine de la production d’hydrogène par électrolyse de la vapeur d’eau.The invention relates to the field of hydrogen production by electrolysis of water vapor.

L’invention concerne en particulier un procédé de fabrication d’une céramique nanoarchitecturée poreuse pour constituer une électrode de cellule d’électrolyseur.The invention relates in particular to a method for manufacturing a porous nano-architectural ceramic to constitute an electrode for an electrolyzer cell.

Selon un second aspect, l’invention propose également un procédé de production d’une cellule d’électrolyseur.According to a second aspect, the invention also proposes a method for producing an electrolyzer cell.

Selon un troisième aspect, l’invention concerne une céramique nanoarchitecturée poreuse obtenue par la mise en œuvre du procédé de fabrication.According to a third aspect, the invention relates to a porous nano-architectural ceramic obtained by implementing the manufacturing process.

Etat de la techniqueState of the art

Dans le contexte énergétique actuel où les réserves d’énergies fossiles se raréfient, où la consommation énergétique est toujours en hausse et que le besoin en technologies propres, durables et sans émission de gaz à effet de serre est de plus en plus urgent, l’hydrogène apparait comme un vecteur énergétique capable de concurrencer directement l’électricité et la chaleur. Toutefois, l’hydrogène étant rare dans la nature, il est nécessaire de mettre en place des solutions technologiques pour le produire en masse, avec un coût concurrentiel.In the current energy context, where fossil fuel reserves are dwindling, energy consumption is constantly rising, and the need for clean, sustainable, and greenhouse gas-free technologies is becoming increasingly urgent, hydrogen is emerging as an energy carrier capable of directly competing with electricity and heat. However, since hydrogen is rare in nature, it is necessary to implement technological solutions to produce it on a large scale at a competitive cost.

Une possibilité parmi d’autres s’appuie sur l’électrolyse de la vapeur d’eau à haute température (également connu par l’acronyme EHT). Le procédé consiste à dissocier la molécule d’eau en hydrogène et en oxygène à des températures élevées. Il est pour cela nécessaire de fournir de la chaleur dont l’origine peut être trouvée dans le nucléaire ou dans le domaine du renouvelable (géothermie ou solaire). Un autre verrou technologique consiste à mettre au point un électrolyseur et notamment une cellule électrochimique d’électrolyseur capable de résister aux températures de fonctionnement pouvant atteindre 900°C, et présentant une très bonne stabilité en milieu oxydant et réducteur. La cellule électrochimique d’électrolyseur comprend trois couches céramiques : une électrode à dioxygène, un électrolyte et une électrode à dihydrogène où a lieu l’hydrolyse de l’eau en dihydrogène et qui comprend une céramique composite ou céramique-métal (également dénommée cermet).One possibility, among others, relies on high-temperature steam electrolysis (also known as HTE). The process involves splitting the water molecule into hydrogen and oxygen at high temperatures. This requires a heat source, which can be found in nuclear power or renewable energy sources (geothermal or solar). Another technological challenge lies in developing an electrolyzer, and in particular an electrochemical cell, capable of withstanding operating temperatures of up to 900°C and exhibiting excellent stability in oxidizing and reducing environments. The electrochemical cell comprises three ceramic layers: an oxygen electrode, an electrolyte, and a hydrogen electrode where the hydrolysis of water into hydrogen takes place. This hydrogen electrode is made of a composite ceramic or metal-ceramic (also called cermet).

L’électrolyte se compose d’un matériau présentant une étanchéité aux gaz (densité supérieure à 95 %, porosité ouverte nulle), une bonne conductivité ionique (supérieure à 10-2 S.cm-1 à la température de fonctionnement), un coefficient de dilatation proche de celui des électrodes (l’objectif visé étant de limiter les contraintes mécaniques), une inertie chimique vis-à-vis des matériaux d’électrodes, une stabilité en milieu oxydant et réducteur, et enfin une stabilité mécanique en condition de fonctionnement.The electrolyte consists of a material exhibiting gas tightness (density greater than 95%, zero open porosity), good ionic conductivity (greater than 10-2 S.cm-1 at operating temperature), a coefficient of expansion close to that of the electrodes (the objective being to limit mechanical stresses), chemical inertness with respect to electrode materials, stability in oxidizing and reducing environments, and finally mechanical stability under operating conditions.

Concernant les électrodes, le matériau retenu doit présenter une conductivité électronique importante (supérieure à 100 S/cm) avec, si possible, une part de conductivité ionique destinée à limiter les pertes ohmiques et à délocaliser la réaction électrochimique dans le volume de l’électrode. Ces électrodes se caractérisent par leur grande porosité, qui est une propriété indispensable à la diffusion de la vapeur d’eau, mais aussi à l’évacuation de l’hydrogène à la cathode et l’évacuation de l’oxygène à l’anode. Cette porosité devra être optimisée pour éviter des surpressions locales tendant à délaminer les couches constituant les électrodes. Plus spécifiquement, l’électrode à hydrogène nécessite à la fois des propriétés catalytiques indispensables à la réduction de l’eau et une capacité à demeurer stable en milieu réducteur. Quant à l’électrode à oxygène, elle présente des propriétés catalytiques pour l’oxydation des ions O2 -tout en demeurant stable en milieu oxydant.Regarding the electrodes, the chosen material must exhibit high electronic conductivity (greater than 100 S/cm) with, if possible, a degree of ionic conductivity to limit ohmic losses and delocalize the electrochemical reaction within the electrode volume. These electrodes are characterized by their high porosity, a property essential for the diffusion of water vapor, as well as for the removal of hydrogen at the cathode and oxygen at the anode. This porosity must be optimized to avoid local overpressures that tend to delaminate the electrode layers. More specifically, the hydrogen electrode requires both catalytic properties essential for water reduction and the ability to remain stable in a reducing environment. As for the oxygen electrode, it possesses catalytic properties for the oxidation of O2- ions while remaining stable in an oxidizing environment.

Avec l’objectif de développer un procédé viable sur le plan économique, il importe que l’ensemble des matériaux constitutifs des cellules électrochimiques soit disponible en grande quantité et à faible coût.With the aim of developing an economically viable process, it is important that all the materials constituting the electrochemical cells be available in large quantities and at low cost.

Objet de l’inventionObject of the invention

Aussi un des buts de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication de matériau pour électrode de la cellule électrochimique qui répond au moins à l’une des problématiques précitées.One of the aims of the present invention is to propose a manufacturing process for electrode material of the electrochemical cell which addresses at least one of the aforementioned problems.

A cet effet, la présente invention propose un procédé de fabrication d’une céramique nanoarchitecturée poreuse pour électrode de cellule d’électrolyseur, notamment pour électrode de cellule d’électrolyseur à haute température, le procédé comprenant les étapes suivantes de :

  1. fourniture d’une résine comprenant un photoréactif polymérique, un solvant, et une charge comportant au moins un précurseur minéral de la céramique,
  2. impression 3D de la résine selon un motif prédéterminé de sorte à former un squelette nanoarchitecturé poreux, et
  3. frittage du squelette nanoarchitecturé poreux de sorte à obtenir une céramique nanoarchitecturée poreuse.
To this end, the present invention proposes a method for manufacturing a porous nano-architectural ceramic for an electrolyzer cell electrode, in particular for a high-temperature electrolyzer cell electrode, the method comprising the following steps:
  1. supply of a resin comprising a polymeric photoreagent, a solvent, and a filler comprising at least one mineral precursor of the ceramic,
  2. 3D printing of the resin according to a predetermined pattern to form a porous nano-architectural skeleton, and
  3. sintering of the porous nano-architectural skeleton to obtain a porous nano-architectural ceramic.

La résine est notamment une résine dont la rhéologie est de type rhéofluidifiante. Le solvant est par exemple un solvant organique. Le précurseur minéral est notamment du YSZ, du nickel /cérine, du nickel/zircone, d’autres dérivés du nickel, ou des titanates pour une électrode à dihydrogène, ou un dérivé de lanthane de structure pérovskite, tel que du LSM, LSC, LSCF ou de nickelate de type Nd2NiO4pour une électrode à dioxygène. Le squelette nanoarchitecturé poreux est par exemple sous forme de nid d’abeilles ou sous forme tétrakaidécahédrale. La céramique nanoarchitecturée poreuse est notamment un oxyde céramique, un cermet, ou une céramique de structure pérovskite.The resin is typically a shear-thinning resin. The solvent is, for example, an organic solvent. The mineral precursor is typically YSZ, nickel/cerine, nickel/zirconia, other nickel derivatives, or titanates for a dihydrogen electrode, or a perovskite lanthanum derivative, such as LSM, LSC, LSCF, or an Nd₂NiO₄ nickelate for a dioxygen electrode. The porous nanostructured backbone is, for example , honeycomb-shaped or tetrakaidecahedral. The porous nanostructured ceramic is typically a ceramic oxide, a cermet, or a perovskite-structured ceramic.

Ladite céramique nanoarchitecturée poreuse ainsi fabriquée peut être utilisée comme électrode dans la cellule d’electrolyseur ce qui permet avantageuement une consommation de quantité de matériaux réduite par comparaison à des électrodes conventionnelles, tout en boostant leurs propriétés. En effet, le fait d’utiliser une impression 3D permet de structurer les couches de façon à réaliser une architecture de matériau optimale à l’echelle nanométrique, permettant de réduire l’épaisseur des couches et/ou la quantité de matière première en élaborant des squelettes plus ou moins poreux avec une résistance mécanique équivalente à celles des céramiques classiques. Le squelette nanoarchitecturé poreux peut être élaboré et optimisé en imprimant par exemple sous forme de nid d’abeille ou sous forme tétrakaidécahédrale (se référer à laFIG. 1). Il présente une porosité accrue favorisant le passage de la vapeur d’eau tout en optimisant le nombre de point triples, conduisant à des électrodes et des cellules aux propriétés optimales.This porous nano-architectural ceramic, thus fabricated, can be used as an electrode in the electrolyzer cell. This advantageously reduces material consumption compared to conventional electrodes, while simultaneously boosting their properties. Indeed, using 3D printing allows for the structuring of layers to create an optimal material architecture at the nanoscale, enabling a reduction in layer thickness and/or the amount of raw material required by developing more or less porous skeletons with mechanical strength equivalent to that of conventional ceramics. The porous nano-architectural skeleton can be developed and optimized by printing, for example, in a honeycomb or tetrakaidecahedral form (see the FIG. 1 ). It features increased porosity promoting the passage of water vapor while optimizing the number of triple points, leading to electrodes and cells with optimal properties.

Par l’acronyme YSZ on entend dans le présent document de l’oxyde de zirconium stabilisé à l’oxyde d’yttrium ou la zircone yttriée.The acronym YSZ in this document refers to yttrium oxide stabilized zirconium oxide or yttrium zirconia.

Par l’acronyme LSCF on entend dans le présent document de la ferrocobaltite de lanthane dopée au strontium La(1-x)SrxCo(1-y)FeyO3 , le LSM est de la manganite de lanthane dopé au strontium, de type La1-xSrxMnO3, et le LSCo est de la cobaltite de lanthane.The acronym LSCF, as used in this document, refers to strontium-doped lanthanum ferrocobaltite.(1-x)SrxCo(1-y)FeyO3 LSM is strontium-doped lanthanum manganite of the La1-xSrxMnO3 type, and LSCo is lanthanum cobaltite.

Le frittage permet avantageusement de densifier et de stabiliser le matériau. Selon une possibilité, l’étape c) de frittage est réalisée à une température comprise entre 900 et 1600°C.Sintering offers an advantageous way to densify and stabilize the material. In one scenario, step c) of sintering is carried out at a temperature between 900 and 1600°C.

Selon une disposition, la durée de l’étape de frittage est comprise entre 1 à quelques heures, notamment entre 1 et 6 heures et par exemple 2 heures.According to one provision, the duration of the sintering stage is between 1 and a few hours, in particular between 1 and 6 hours and for example 2 hours.

Selon une possibilité, le polymère photoréactif est choisi parmi des résines à base d'acrylate, telle que Polymethylmethacrylate (PMMA), et un solvant organique est de type acétone.According to one possibility, the photoreactive polymer is chosen from acrylate-based resins, such as Polymethylmethacrylate (PMMA), and an organic solvent is of the acetone type.

Selon une possibilité, les squelettes nanoarchitecturés poreux obtenus à l’étape b) peuvent ensuite être imprégnés ou dopés par d’autres matériaux de sorte à améliorer leurs propriétés physicochimiques.According to one possibility, the porous nanoarchitecturally designed skeletons obtained in step b) can then be impregnated or doped with other materials in order to improve their physicochemical properties.

Selon une disposition l’étape b) d’impression 3D est suivie d’une étape b’) de pré-frittage, par exemple à une température comprise entre 500°C et 800°C, notamment pendant une durée comprise entre 1 et quelques heures, en particulier environ une heure, de sorte à permettre l’élimination du photoréactif polymérique et par exemple du solvant organique résiduel. L’étape b’) de pré-frittage permet notamment la pyrolyse desdits matériaux organiques entrainant leur élimination en laissant peu de résidus.According to one provision, step b) of 3D printing is followed by step b') of pre-sintering, for example at a temperature between 500°C and 800°C, for a duration of between one and several hours, in particular about one hour, so as to allow the elimination of the polymeric photoreagent and, for example, residual organic solvent. Step b') of pre-sintering allows, in particular, the pyrolysis of said organic materials, resulting in their elimination with minimal residue.

Selon une possibilité, la résine fournie à l’étape a) comprend en outre un précurseur métallique, mélangé au précurseur minéral, tel que du NiO, du sel de nitrate dans le cas d’un précurseur minéral en YSZ, ou bien la résine fournie à l’étape a) comprend un précurseur minéral dopé par le précurseur métallique, tel que des nanoparticules enrobées ( ou « core shell nanoparticles » dans la terminologie anglo-saxonne) les nanoparticules étant en matériau précurseur minéral de la céramique et l’enrobage en précurseur métallique. Cette possibilité conduit à la formation d’un cermet ou d’une céramique-métal qui peut être utilisé dans la fabrication d’une électrode à dihydrogène.In one possibility, the resin supplied in step a) further comprises a metallic precursor, mixed with the mineral precursor, such as NiO or nitrate salt in the case of a YSZ mineral precursor, or the resin supplied in step a) comprises a mineral precursor doped with the metallic precursor, such as coated nanoparticles (or "core shell nanoparticles" in Anglo-Saxon terminology), the nanoparticles being made of the mineral precursor material of the ceramic and the coating of the metallic precursor. This possibility leads to the formation of a cermet or a metal-ceramic that can be used in the fabrication of a dihydrogen electrode.

Selon une possibilité, la résine fournie à l’étape a) comprend en outre un précurseur métallique, mélangé au précurseur minéral, tel qu’un nitrate de La,Sr,Fe,Co ou un autre matériau oxyde de type « nickelates » lorsque le précurseur minéral est en oxyde de cérine, ou bien la résine fournie à l’étape a) comprend un précurseur minéral dopé par le précurseur métallique. Cette possibilité conduit à la formation d’un matériau qui peut être utilisé dans la fabrication d’une électrode à dioxygène.In one possibility, the resin supplied in step a) further comprises a metallic precursor, mixed with the mineral precursor, such as a La,Sr,Fe,Co nitrate or another nickelate-type oxide material when the mineral precursor is cerium oxide, or the resin supplied in step a) comprises a mineral precursor doped with the metallic precursor. This possibility leads to the formation of a material that can be used in the manufacture of a dioxygen electrode.

Selon une disposition l’étape a) comprend la fourniture d’une résine dont la composition évolue au fur et à mesure de l’impression 3D de sorte à obtenir un gradient de composition de la céramique nanoarchitecturée poreuse. Il est ainsi possible de faire évoluer la concentration en précurseur métallique (ou en ledit autre matériau) dans la résine, et/ou le précurseur minéral de la céramique dans la résine de sorte à permettre un ou plusieurs gradients de composition et optimiser la céramique nanoarchitecturée poreuse en vue de son application. Il est alors possible de fabriquer des couches tampons permettant la gestion des différents coefficients de dilatation entre les différents matériaux constitutifs utilisés par exemple entre le matériau de l’électrolyte support et celui d’une électrode.According to one provision, step a) includes the supply of a resin whose composition evolves during the 3D printing process to obtain a compositional gradient for the porous nano-architectural ceramic. This allows for adjustments to the concentration of the metallic precursor (or other material) in the resin, and/or the mineral precursor of the ceramic in the resin, to create one or more compositional gradients and optimize the porous nano-architectural ceramic for its intended application. It is then possible to fabricate buffer layers to manage the different coefficients of thermal expansion between the various constituent materials used, for example, between the support electrolyte material and that of an electrode.

Selon une disposition, le procédé comprend avant l’étape c) une étape d’imprégnation i) du squelette nanoarchitecturé poreux par une solution d’imprégnation comprenant au moins le précurseur métallique, notamment par immersion du squelette nanoarchitecturé poreux dans une solution d’imprégnation, telle qu’une solution d’imprégnation comprenant du sel de nitrate dans l’eau et au moins un agent mouillant notamment destiné à réduire la tension de surface du squelette nanoarchitecturé poreux et assurer une bonne infiltration, par exemple une base silicone). Cette étape d’imprégnation i) consiste en une autre voie pour moduler la composition de la céramique nanoarchitecturée poreuse finale afin d’améliorer ses propriétés.According to one provision, the process includes, prior to step c), an impregnation step i) of the porous nanoarchitectural skeleton with an impregnation solution comprising at least the metallic precursor, in particular by immersing the porous nanoarchitectural skeleton in an impregnation solution, such as an impregnation solution comprising nitrate salt in water and at least one wetting agent, in particular intended to reduce the surface tension of the porous nanoarchitectural skeleton and ensure good infiltration (for example, a silicone base). This impregnation step i) constitutes another means of modulating the composition of the final porous nanoarchitectural ceramic in order to improve its properties.

Selon une possibilité, l’étape d’imprégnation i) est réalisée sous vide, pendant plusieurs heures, par exemple entre 1 et 12h.According to one possibility, the impregnation step i) is carried out under vacuum, for several hours, for example between 1 and 12 hours.

Selon une disposition l’étape d’imprégnation i) est réalisée à température ambiante.According to one provision, the impregnation step i) is carried out at room temperature.

Selon une variante, l’étape d’imprégnation i) est réalisée à chaud. Typiquement, la température pourra être comprise entre 20 et 50°C.According to one variant, the impregnation step i) is carried out hot. Typically, the temperature can be between 20 and 50°C.

Selon une possibilité, au moins un paramètre d’impression 3D de l’étape b) est modifié au cours de l’impression de sorte à faire varier le motif prédéterminé, de manière à modifier la porosité du squelette nanoarchitecturé poreux.According to one possibility, at least one 3D printing parameter from step b) is modified during printing so as to vary the predetermined pattern, in order to modify the porosity of the porous nanoarchitectural skeleton.

La variation dudit au moins un paramètre d’impression 3D peut avoir une incidence sur la forme et/ou sur la taille des alvéoles du squelette nanoarchitecturé poreux.Varying at least one of these 3D printing parameters can affect the shape and/or size of the cells in the porous nano-architectural skeleton.

Selon une disposition, au moins un paramètre d’impression 3D de l’étape b) est modifié graduellement au cours de l’impression de sorte à faire varier graduellement le motif prédéterminé.According to one provision, at least one 3D printing parameter in step b) is gradually changed during printing so as to gradually vary the predetermined pattern.

Selon une variante, au moins un paramètre d’impression 3D de l’étape b) est modifié par paliers au cours de l’impression de sorte à faire varier le motif prédéterminé par paliers.According to one variant, at least one 3D printing parameter in step b) is changed in steps during printing so as to vary the predetermined pattern in steps.

Ceci constitue un nouveau levier dans la constitution de l’électrode, ou de la cellule, selon les besoins variés en porosité dans les différentes couches constitutives.This constitutes a new lever in the constitution of the electrode, or of the cell, according to the varied porosity requirements in the different constituent layers.

Selon un deuxième aspect, l’invention propose un procédé de production d’une structure de cellule d’électrolyseur, notamment de cellule d’électrolyseur à haute température, le procédé comprenant les étapes suivantes :According to a second aspect, the invention proposes a method for producing an electrolyzer cell structure, in particular a high-temperature electrolyzer cell, the method comprising the following steps:

l) fourniture d’un électrolyte support,(l) supply of a supporting electrolyte,

m) fabrication d’une électrode à dihydrogène telle que précédemment décrite sur une première face de l’électrolyte support, etm) fabrication of a dihydrogen electrode as previously described on a first face of the supporting electrolyte, and

n) fabrication d’une électrode à dioxygène telle que précédemment décrite sur une deuxième face opposée à la première face de l’électrolyte support.n) fabrication of a dioxygen electrode as previously described on a second face opposite the first face of the supporting electrolyte.

Selon un mode de réalisation particulier, l’électrolyte support fourni à l’étape l) comprend majoritairement du, ou est constitué de, YSZ et le procédé comprend, avant la fabrication d’une électrode à dihydrogène selon l’étape m), une étape de formation f) d’une première couche intermédiaire comprenant une étape d’impression 3D, la couche intermédiaire comprenant un gradient de concentration en YSZ ou CGO décroissant et un gradient de concentration en NiO croissant en s’éloignant de l’électrolyte support, jusqu’à l’obtention de la composition du squelette nanoarchitecturé poreux pour l’électrode à dihydrogène.According to a particular embodiment, the supporting electrolyte supplied in step l) comprises mainly, or is composed of, YSZ and the process includes, before the fabrication of a dihydrogen electrode according to step m), a formation step f) of a first intermediate layer comprising a 3D printing step, the intermediate layer comprising a decreasing concentration gradient in YSZ or CGO and an increasing concentration gradient in NiO away from the supporting electrolyte, until the composition of the porous nanoarchitectural skeleton for the dihydrogen electrode is obtained.

Selon une autre mode de réalisation particulier, le procédé comprend avant la fabrication d’une électrode à dioxygène selon l’étape n), une étape de formation f’) d’une deuxième couche intermédiaire comprenant une étape d’impression 3D, la deuxième couche intermédiaire comprenant un gradient de concentration en oxyde de gadolinium CGO (i.e. une cérine dopée) décroissant et un gradient de concentration en dérivé de lanthane de structure pérovskite, notamment en LSCF, en LSM, en LSC, ou en nickelate de type Nd2NiO4, qui est croissant en s’éloignant de l’électrolyte support, jusqu’à l’obtention de la composition du squelette nanoarchitecturé poreux pour l’électrode à dioxygène.According to another particular embodiment, the process includes, prior to the fabrication of a dioxygen electrode according to step n), a step of formation f') of a second intermediate layer comprising a 3D printing step, the second intermediate layer comprising a decreasing concentration gradient of gadolinium oxide CGO (i.e. a doped cerine) and a concentration gradient of lanthanum derivative of perovskite structure, in particular in LSCF, in LSM, in LSC, or in nickelate of type Nd 2 NiO 4 , which is increasing away from the supporting electrolyte, until the composition of the porous nanoarchitectural skeleton for the dioxygen electrode is obtained.

Selon un troisième aspect, l’invention propose une céramique nanoarchitecturée poreuse pour électrode de cellule d’électrolyseur, obtenue par le procédé précédemment décrit, laquelle comprend un rapport entre le volume de pore sur le volume de matériau compris entre 30 et 70%. Il est entendu que ladite céramique est en un dérivé de lanthane de structure pérovskite pour une électrode à dioxygène et ladite céramique est en une céramique-métal (ou cermet) pour une électrode à dihydrogène.According to a third aspect, the invention provides a porous nano-architectural ceramic for an electrolyzer cell electrode, obtained by the process described above, which comprises a pore volume to material volume ratio of between 30 and 70%. It is understood that said ceramic is a perovskite-structured lanthanum derivative for a dioxygen electrode and said ceramic is a metal-ceramic (or cermet) for a dihydrogen electrode.

Description sommaire des dessinsBrief description of the drawings

D’autres caractéristiques et avantages apparaitront à la lecture de la description détaillée ci-après, d’un exemple de mise en œuvre non limitatif, faite en référence aux figures annexées dans lesquelles :Other features and advantages will become apparent upon reading the detailed description below, of a non-exhaustive example of implementation, made with reference to the attached figures in which:

FIG. 1représente une vue schématique illustrant une cellule d’électrolyseur conventionnelle de l’art antérieur. FIG. 1 represents a schematic view illustrating a conventional electrolyzer cell of the prior art.

FIG. 2représente une vue schématique illustrant les différentes possibilités de céramique nanoarchitecturée poreuse obtenues par impression 3D selon un mode de réalisation de l’invention. FIG. 2 represents a schematic view illustrating the different possibilities of porous nanoarchitectural ceramic obtained by 3D printing according to an embodiment of the invention.

FIG. 3représente une vue schématique du procédé de fabrication d’une céramique nanoarchitecturée poreuse selon un premier mode de réalisation de l’invention. FIG. 3 represents a schematic view of the manufacturing process of a porous nano-architectural ceramic according to a first embodiment of the invention.

FIG. 4représente une vue schématique du procédé de fabrication d’une céramique nanoarchitecturée poreuse selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. FIG. 4 represents a schematic view of the manufacturing process of a porous nano-architectural ceramic according to a second embodiment of the invention.

FIG. 5représente une vue schématique du procédé de fabrication d’une céramique nanoarchitecturée poreuse selon un troisième mode de réalisation de l’invention. FIG. 5 represents a schematic view of the manufacturing process of a porous nano-architectural ceramic according to a third embodiment of the invention.

FIG. 6représente une vue schématique d’une cellule électrochimique d’un électrolyseur obtenue par le procédé de fabrication d’une céramique nanoarchitecturée poreuse selon un mode de réalisation l’invention. FIG. 6 represents a schematic view of an electrochemical cell of an electrolyzer obtained by the manufacturing process of a porous nanoarchitectural ceramic according to an embodiment of the invention.

Description détailléeDetailed description

Sur les figures et dans la suite de la description, les mêmes références représentent les éléments identiques ou similaires. De plus, les différents éléments ne sont pas représentés à l’échelle de manière à privilégier la clarté des figures. Par ailleurs, les différents modes de réalisation et variantes ne sont pas exclusifs les uns des autres et peuvent être combinés entre eux.In the figures and throughout the description, the same reference numerals represent identical or similar elements. Furthermore, the various elements are not drawn to scale to ensure clarity. Moreover, the different embodiments and variants are not mutually exclusive and can be combined.

A défaut de stipulation contraire, le terme « sensiblement » signifie, dans le présent document, « exactement ou à 10% ou à 10° près ».Unless otherwise stipulated, the term "substantially" means, in this document, "exactly or to within 10% or to within 10°".

Sur laFIG. 1est illustré un exemple d’une cellule électrochimique conventionnelle 1 pour électrolyseur à haute température. Deux interconnecteurs métalliques (a) sont présents de part et d’autre de la cellule 1 pour réaliser les contacts électriques. La cellule électrochimique 1 est constituée de céramique, et comprend un électrolyte repéré (b), une électrode (d) à dioxygène repérée (d) et une électrode à dihydrogène repérée (c) de part et d’autre de l’électrolyte (b).On the FIG. 1 An example of a conventional electrochemical cell 1 for a high-temperature electrolyzer is illustrated. Two metallic interconnectors (a) are present on either side of the cell 1 to make electrical contacts. The electrochemical cell 1 is made of ceramic and comprises an electrolyte labeled (b), a dioxygen electrode (d) labeled (d), and a dihydrogen electrode labeled (c) on either side of the electrolyte (b).

Comme illustré à laFIG. 2, la présente invention propose une méthode de fabrication améliorée desdites céramiques, notamment celles constituant les électrodes 3,4, par impression 3D. Cette technique permet en effet d’utiliser des motifs d’impression prédéterminés conduisant à une structure nanoarchitecturée, permettant d’augmenter la porosité de la céramique, de diminuer la quantité de matière nécessaire, tout en procurant les mêmes propriétés de résistance mécaniques et au cyclage thermique que des céramiques conventionnelles. Il est ainsi possible de choisir parmi un grand nombre d’architecture, tel que des structures cellulaires stochastiques A de type à cellule fermée B ou à cellule ouverte C, ou bien des structures cellulaires non stochastiques D comprenant un réseau bidimensionnel E ou tridimensionnel F de sorte à obtenir la céramique nanoarchitecturée poreuse 200 aux propriétés souhaitées.As illustrated in the FIG. 2 The present invention proposes an improved method for manufacturing said ceramics, particularly those constituting electrodes 3 and 4, by 3D printing. This technique makes it possible to use predetermined printing patterns leading to a nanostructured design, thereby increasing the porosity of the ceramic, reducing the amount of material required, while providing the same mechanical resistance and thermal cycling properties as conventional ceramics. It is thus possible to choose from a large number of architectures, such as stochastic cellular structures A of the closed-cell type B or open-cell type C, or non-stochastic cellular structures D comprising a two-dimensional network E or three-dimensional network F, in order to obtain the porous nanostructured ceramic 200 with the desired properties.

Par « impression 3D, on entend une méthode d’impression tridimensionnelle par fabrication additive en passes successives, chaque passe comprenant le dépôt d’une couche de résine, la résine déposée adhérant à la résine d’au moins une couche précédemment déposée, le dépôt de résine au niveau de chaque couche étant contrôlé à chaque passe d’une manière telle que l’empilement de résine déposé durant lesdites passes successives constitue le squelette nanoarchitecturé poreux 300.By “3D printing, we mean a three-dimensional printing method by additive manufacturing in successive passes, each pass comprising the deposition of a layer of resin, the deposited resin adhering to the resin of at least one previously deposited layer, the resin deposit at the level of each layer being controlled at each pass in such a way that the stacking of resin deposited during said successive passes constitutes the porous nanoarchitectural skeleton 300.

LaFIG. 3illustre un mode de mise en œuvre du procédé en vue de fabriquer une électrode à dihydrogène 3 en NiO-YSZ. Il comprend une étape a) de fourniture d’une résine comprenant un mélange d’au moins un polymère photoréactif (par exemple une résine à base d'acrylate telle que le PolyMéthylMéthAcrylate également connu sous l’acronyme PMMA), dissout dans un solvant organique (par exemple de l’acétone), un précurseur minéral de YSZ comprenant une poudre d’un mélange de ZrO2et Y2O3et d’un précurseur métallique NiO. La résine est ensuite imprimée par un dispositif d’impression 3D, par exemple selon un motif en forme de nid d’abeille pour former un squelette nanoarchitecturé poreux 300 (étape b). Un traitement thermique de pré-frittage également connu sous la terminologie ‘déliantage’ est appliqué à une température d’environ 700-800°C de sorte à obtenir la dégradation du solvant poreux et du polymère photoréactif pour ne laisser que les matériaux inorganiques dans le squelette nanoarchitecturé 300 (étape b’). Une étape de frittage à une température d’environ 1400°C (étape c) est ensuite appliquée de sorte à obtenir une céramique-métal (ou cermet) nanoarchitecturée poreuse 200.There FIG. 3 This illustrates an implementation of the process for manufacturing a NiO-YSZ dihydrogen electrode. It includes a step (a) of supplying a resin comprising a mixture of at least one photoreactive polymer (e.g., an acrylate-based resin such as Polymethyl Methacrylate, also known as PMMA), dissolved in an organic solvent (e.g., acetone), a mineral precursor of YSZ comprising a powder of a mixture of ZrO₂ and Y₂O₃ , and a metallic precursor, NiO . The resin is then printed by a 3D printing device, for example, in a honeycomb pattern to form a porous nanoarchitectural skeleton (step (b)). A pre-sintering heat treatment, also known as 'debinding', is applied at a temperature of approximately 700-800°C to degrade the porous solvent and the photoreactive polymer, leaving only the inorganic materials in the nanostructured skeleton 300 (step b'). A sintering step at a temperature of approximately 1400°C (step c) is then applied to obtain a porous nanostructured metal-ceramic (or cermet) 200.

Le deuxième mode de réalisation illustré à laFIG. 4, diffère du précédent en ce que le précurseur minéral de la céramique utilisé dans la résine est directement dopé par le précurseur métallique, par exemple sous la forme de nanoparticules de ZrO2et Y2O3enrobées de NiO. L’impression 3D de la résine et l’application du traitement thermique du frittage à environ 1400°C conduit à une céramique-métal nanoarchitecturée poreuse 200, présentant les mêmes propriétés que celles obtenues précédemment.The second embodiment illustrated in the FIG. 4 This differs from the previous one in that the mineral precursor of the ceramic used in the resin is directly doped with the metallic precursor, for example in the form of ZrO₂ and Y₂O₃ nanoparticles coated with NiO. 3D printing of the resin and application of the sintering heat treatment at approximately 1400°C results in a porous nano-architectural metal-ceramic with the same properties as those obtained previously.

Un troisième mode de réalisation est illustré à laFIG. 5. Dans ce mode de mise en œuvre, la résine imprimée à l’étape b) est dépourvue de charge de précurseur métallique. Le squelette nanoarchitecturé 300 ainsi obtenu est imprégné d’une solution aqueuse de sel de nitrate sous vide pendant 1 à 12h à température ambiante. L’étape de frittage conduit ensuite à une céramique nanoarchitecturée poreuse 200 aux propriétés similaires à celles obtenues précédemment.A third embodiment is illustrated in the FIG. 5 In this implementation, the resin printed in step b) is free of metallic precursor filler. The resulting nanostructured skeleton 300 is impregnated with an aqueous nitrate salt solution under vacuum for 1 to 12 hours at room temperature. The sintering step then yields a porous nanostructured ceramic 200 with properties similar to those obtained previously.

Ces trois modes de mise en œuvre permettent trois voies d’accès différentes à une même céramique nanoarchitecturée poreuse 200. Ils permettent ainsi différentes voies d’accès à la céramique visée, ce qui élargit les possibilités quant aux matériaux précurseurs qui peuvent être utilisés.These three implementation methods allow three different access routes to the same porous nanoarchitectural ceramic 200. They thus allow different access routes to the targeted ceramic, which expands the possibilities regarding the precursor materials that can be used.

Selon un mode de mise en œuvre particulier illustré à laFIG. 6, l’invention est déclinée à la fabrication de la cellule d’électrolyseur 100 d’un électrolyseur. A cet effet, le procédé comprend la fourniture d’un électrolyte support 2 en céramique dense de YSZ (étape l). Cet électrolyte support 2, est utilisé comme support pour la fabrication des électrodes 3,4. Une résine comprenant une poudre de ZrO2et Y2O3et d’oxyde métallique NiO est déposée par impression 3D sur une première face de l’électrolyte support 2 (étape m). Les paramètres de l’impression 3D évoluent au fur et à mesure de l’impression de sorte à augmenter la porosité de la céramique en s’éloignant de l’électrolyte support 2 afin d’atteindre la porosité souhaitée pour l’électrode à dihydrogène 5. De même, les concentrations des réactifs de la résine fournie au dispositif d’impression 3D évolue au cours de l’impression de sorte à former un gradient de composition allant d’une teneur en yttrite de 8 % molaire à 3% molaire en s’éloignant de l’électrolyte support 2 pour atteindre la composition visée pour constituer une électrode à dihydrogène 3. Ceci permet de former une première couche intermédiaire 5 avec un gradient croissant de porosité et un gradient croissant dans la teneur de NiO jusqu’à atteindre en douceur les paramètres souhaités pour la céramique-métal nanoarchitecturée de l’électrode à dihydrogène 5 (étape f). Cette première couche intermédiaire 5 joue le rôle de couche tampon permettant d’encaisser la différence de coefficient de dilatation thermique dans la structure, lors des changements de température, notamment pendant les étapes de frittage, de refroidissement et lors du fonctionnement de la cellule d’électrolyseur 100, ce qui limite les risques de délamination. La première couche intermédiaire 5 permet également d’encaisser les différences dimensionnelles ou changement de motif d’impression dans la nanoarchitecture 200, qui sont mises en place pour assurer le changement de porosité et qui sont susceptibles de fragiliser la cohésion des trois couches de la cellule d’électrolyseur 100. Un traitement de frittage à 1400°C est ensuite réalisé de sorte à obtenir le cermet 200 visé.According to a particular implementation method illustrated in theFIG. 6The invention is adapted to the manufacture of the electrolyzer cell 100 of an electrolyzer. To this end, the process includes the supply of a support electrolyte 2 made of dense YSZ ceramic (step 1). This support electrolyte 2 is used as a support for the manufacture of electrodes 3 and 4. A resin comprising a ZrO powder2and Y2O3and NiO metal oxide is deposited by 3D printing onto one face of the support electrolyte 2 (step m). The 3D printing parameters change during the printing process to increase the porosity of the ceramic as one moves away from the support electrolyte 2, in order to achieve the desired porosity for the dihydrogen electrode 5. Similarly, the concentrations of the reagents in the resin supplied to the 3D printing device change during the printing process to create a compositional gradient from a yttrite content of 8 mol% to 3 mol% as one moves away from the support electrolyte 2, ultimately reaching the target composition for the dihydrogen electrode. 3. This allows the formation of a first intermediate layer 5 with an increasing porosity gradient and an increasing gradient in NiO content until the desired parameters for the nano-architectural metal-ceramic of the dihydrogen electrode are smoothly reached. 5 (step f). This first intermediate layer 5 acts as a buffer layer, absorbing the difference in the coefficient of thermal expansion within the structure during temperature changes, particularly during the sintering and cooling stages, and during the operation of the electrolyzer cell 100, thus limiting the risk of delamination. The first intermediate layer 5 also accommodates dimensional variations or changes in the printing pattern within the nanoarchitecture 200, which are implemented to ensure changes in porosity and which could weaken the cohesion of the three layers of the electrolyzer cell 100. A sintering treatment at 1400°C is then carried out to obtain the desired cermet 200.

Réciproquement, une deuxième couche intermédiaire 6 est formée sur la deuxième face opposée à la première face de l’électrolyte support 2 (étape f’) afin d’adapter la différence de dilatation thermique entre le matériau de l’électrolyte support 2 et celui d’une fine couche barrière 6 en CGO (oxyde de cérine CeO2 substitué par de l’oxyde de gadolinium Gd2O3) prévue pour éviter la réaction entre le matériau pour l’électrode à dioxygène 4 en LSCF et celui de l’électrolyte support 2. Ainsi, la deuxième couche intermédiaire 6 est formée pour comprendre un gradient de concentration entre le YSZ et le CGO et éviter la délamination entre les couches de la cellule d’électrolyseur 100.Conversely, a second intermediate layer 6 is formed on the second face opposite the first face of the support electrolyte 2 (step f') in order to adapt the difference in thermal expansion between the material of the support electrolyte 2 and that of a thin barrier layer 6 in CGO (cerine oxide CeO2 substituted by gadolinium oxide Gd2O3 ) intended to prevent the reaction between the material for the dioxygen electrode 4 in LSCF and that of the support electrolyte 2. Thus, the second intermediate layer 6 is formed to understand a concentration gradient between the YSZ and the CGO and to prevent delamination between the layers of the electrolyzer cell 100.

Ainsi, la présente invention permet d’obtenir des céramiques nanoarchitecturées poreuses 200 diminuant le coût des matières premières tout en laissant une grande latitude pour affiner les paramètres de composition, de porosité et des propriétés mécaniques selon les besoins visés pour les électrodes 3,4 de cellules d’électrolyseurs 100.Thus, the present invention makes it possible to obtain porous nanoarchitecturate ceramics 200 reducing the cost of raw materials while leaving a great deal of latitude to refine the parameters of composition, porosity and mechanical properties according to the needs targeted for the electrodes 3,4 of electrolyzer cells 100.

Claims (10)

Procédé de fabrication d’une céramique nanoarchitecturée poreuse (200) pour constituer une électrode de cellule d’électrolyseur (100), le procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes :
  1. fourniture d’une résine comprenant un photoréactif polymérique, un solvant, et une charge comportant au moins un précurseur minéral de la céramique,
  2. impression 3D de la résine selon un motif prédéterminé de sorte à former un squelette nanoarchitecturé poreux (300), et
  3. frittage du squelette nanoarchitecturé poreux (300) de sorte à obtenir une céramique nanoarchitecturée poreuse (200).
A process for manufacturing a porous nano-architectural ceramic (200) to constitute an electrode for an electrolyzer cell (100), the manufacturing process comprising the following steps:
  1. supply of a resin comprising a polymeric photoreagent, a solvent, and a filler comprising at least one mineral precursor of the ceramic,
  2. 3D printing of the resin according to a predetermined pattern to form a porous nano-architectural skeleton (300), and
  3. sintering of the porous nanoarchitectural skeleton (300) so as to obtain a porous nanoarchitectural ceramic (200).
Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel l’étape b) d’impression 3D est suivie d’une étape b’) de pré-frittage réalisée de sorte à permettre l’élimination du photoréactif polymérique.Manufacturing method according to claim 1, wherein step b) of 3D printing is followed by a step b') of pre-sintering carried out so as to allow the removal of the polymeric photoreactive. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la résine fournie à l’étape a) comprend en outre un précurseur métallique, le précurseur métallique étant mélangé au précurseur minéral, ou le précurseur minéral étant dopé par le précurseur métallique.A manufacturing process according to claim 1 or 2, wherein the resin supplied in step a) further comprises a metallic precursor, the metallic precursor being mixed with the mineral precursor, or the mineral precursor being doped with the metallic precursor. Procédé de fabrication selon la revendication 3, dans lequel l’étape a) comprend la fourniture d’une résine dont la composition évolue au fur et à mesure de l’impression 3D de sorte à obtenir un gradient de composition de la céramique nanoarchitecturée poreuse (200).Manufacturing method according to claim 3, wherein step a) includes the supply of a resin whose composition evolves as the 3D printing progresses so as to obtain a composition gradient of the porous nanoarchitectural ceramic (200). Procédé de fabrication selon la revendication 3, lequel comprend, préalablement à l’étape c), une étape d’imprégnation i) du squelette nanoarchitecturé poreux par une solution d’imprégnation comprenant le précurseur métallique.Manufacturing process according to claim 3, which includes, prior to step c), an impregnation step i) of the porous nanoarchitectural skeleton with an impregnation solution comprising the metallic precursor. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel durant l’étape b), au moins un paramètre d’impression 3D est modifié d’une manière permettant de faire varier le motif prédéterminé afin de modifier la porosité du squelette nanoarchitecturé poreux (300).Manufacturing method according to any one of claims 1 to 5, wherein during step b), at least one 3D printing parameter is modified in such a way as to vary the predetermined pattern in order to modify the porosity of the porous nanoarchitectural skeleton (300). Procédé de production d’une structure de cellule d’électrolyseur (100), comprenant les étapes suivantes :
l) fourniture d’un électrolyte support (2),
m) fabrication d’une électrode à dihydrogène (3) en mettant en œuvre le procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 sur une première face de l’électrolyte support (2), et
n) fabrication d’une électrode à dioxygène (4) en mettant en œuvre le procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 sur une deuxième face de l’électrolyte support (2), opposée à la première face.
A method for producing an electrolyzer cell structure (100), comprising the following steps:
(l) supply of a supporting electrolyte (2),
(m) manufacturing a dihydrogen electrode (3) by implementing the manufacturing process according to any one of claims 1 to 6 on a first face of the supporting electrolyte (2), and
n) manufacturing of a dioxygen electrode (4) by implementing the manufacturing process according to any one of claims 1 to 6 on a second face of the supporting electrolyte (2), opposite to the first face.
Procédé de production selon la revendication 7, dans lequel l’électrolyte support (2) fourni à l’étape l) comprend majoritairement, ou est constitué, de YSZ, et dans lequel le procédé de production comprend, préalablement à l’étape m), une étape f) de formation d’une première couche intermédiaire (5) comprenant une étape d’impression 3D telle que la première couche intermédiaire (5) comprend un gradient de concentration en YSZ ou en CGO décroissant et un gradient de concentration en NiO croissant en s’éloignant de l’électrolyte support (2), jusqu’à l’obtention d’une composition souhaitée du squelette nanoarchitecturé poreux (300) pour l’électrode à dihydrogène (3).A production method according to claim 7, wherein the supporting electrolyte (2) supplied in step l) comprises predominantly, or is composed of, YSZ, and wherein the production method comprises, prior to step m), a step f) of forming a first intermediate layer (5) comprising a 3D printing step such that the first intermediate layer (5) comprises a decreasing concentration gradient of YSZ or CGO and an increasing concentration gradient of NiO away from the supporting electrolyte (2), until a desired composition of the porous nanoarchitectural skeleton (300) for the dihydrogen electrode is obtained. (3). Procédé de production selon la revendication 7 ou 8, comprenant, préalablement à l’étape n), une étape f’) de formation d’une deuxième couche intermédiaire (6) comprenant une étape d’impression 3D telle que la deuxième couche intermédiaire (6) comprend un gradient de concentration en CGO décroissant et un gradient de concentration en dérivé de lanthane de structure pérovskite croissant en s’éloignant de l’électrolyte support (2), jusqu’à l’obtention de la composition du squelette nanoarchitecturé poreux (300) pour l’électrode à dioxygène (4).A production method according to claim 7 or 8, comprising, prior to step n), a step f') of forming a second intermediate layer (6) comprising a 3D printing step such that the second intermediate layer (6) comprises a decreasing concentration gradient of CGO and a concentration gradient of a perovskite-structured lanthanum derivative increasing with respect to the supporting electrolyte (2), until the composition of the porous nanoarchitectural skeleton (300) for the dioxygen electrode is obtained. (4). Céramique nanoarchitecturée poreuse (200) pour électrode de cellule d’électrolyseur (100) fabriquée la mise en œuvre du procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendication 1 à 6, dans laquelle le rapport entre le volume des pores et le volume de matériau est compris entre 30% et 70%.Porous nanoarchitectural ceramic (200) for electrolyzer cell electrode (100) manufactured by implementing the manufacturing process according to any one of claims 1 to 6, wherein the ratio between the volume of pores and the volume of material is between 30% and 70%.
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