In this thesis different materials have been developed to use them in electrochemical cells. The electrochemical cells studied can be divided into two material big groups: solids oxides and acid salts materials. In the first group, materials to use them in electrodes for fuel cells an electrolyzer based on oxygen ion conductor electrolytes were optimized. Pertaining to this group, the influence of doping the Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-d perovskite with 3% of Y, Zr and Sc in B position (ABO3-d) was checked. That optimization could reduce the polarization resistance of electrodes and improve the stability with time. Additionally, the limiting mechanisms in the oxygen reduction reaction were determined, and the influence of CO2 containing atmospheres was checked. La2NiO4+d;, pertaining to the Ruddlesden-Popper serie, is a mixed conductor of electron and oxygen ions. This compound was doped in La position (with Nd and Pr) and in Ni position (with Co). The dopants introduced were able to produce structural change and improve the cell performance, reducing in more than one order of magnitude the La1.5Pr0.5Ni0.8Co0.2O4+d; polarization resistance respect to the reference material (La2NiO4+d). In addition, the properties of an electrode based on the pure electronic conductor, La0.8Sr0.2MnO3-d; (LSM), were optimized. The triple phase boundary was enlarged by the addition of a second phase with ionic conductivity. That strategy made possible to reduce the electrode polarization resistance. In order to improve the oxygen reduction reaction, the addition of different catalysts by infiltration was studied. The different infiltrated oxides changed the electrochemistry properties, being the praseodymium oxide the catalyst which made possible a reduction in two orders of magnitude the electrode polarization resistance respects to the composite without infiltration. Furthermore, the efficiency of the cell working in fuel cell and electrolyzer mode was improved. Concerning the materials selected to use as electrodes on proton conductor electrolytes, the efficiency of electrodes based on LSM was optimized by using a second phase with protonic conductivity (La5.5WO12-d) and varying the sintering temperature of the electrode. Finally, the catalytic activity of the cell was boosted by infiltrating samaria doped ceria nanoparticles, achieving higher power densities for the fuel cell. The materials pertaining to the Ruddlesden-Popper series and studied for ionic conductor electrolytes were also used for cathodes in proton conductor fuel cells. After checking the compatibility with the electrolyte material, the influence of different electrode sintering temperatures and air containing atmospheres (dry, H2O y D2O) on the cathode performance was studied. Finally, the electrochemical cells based on acid salts (CsH2PO4) were designed and optimized. In that way, different cell configurations were studied, enabling to obtain thin and dense electrolytes and active electrodes for the hydrogen reduction/oxidation reactions. The thickness of the electrolyte was reduced by using steel and nickel porous supports. Furthermore, an epoxy resin type was added to the electrolyte material to enhance the mechanical properties. The electrodes configuration was modified from pure electronic conductors to composite electrodes. Moreover, copper was selected as an alternative of the expensive platinum working at high operation pressures. The cells developed were able to work with high pressures and with high content of water steam in fuel cell and electrolyzer modes. / En la presente tesis doctoral se han desarrollado materiales para su uso en celdas electroquímicas. Las celdas electroquímicas estudiadas, se podrían separar en dos grandes grupos: materiales de óxido sólido y sales ácidas. En el primer grupo, se optimizaron materiales para su uso como electrodos en pilas de combustible y electrolizadores, basados en electrolitos con conducción puramente iónica. Dentro de este grupo, se comprobó la influencia de dopar la perovskita Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-d, con un 3% de Y, Zr y Sc en la posición B (ABO3-d). Esta optimización llevó a la reducción de la resistencia de polarización así como a una mejora de la estabilidad con el tiempo. Así mismo, se determinaron los mecanismos limitantes en la reacción de reducción de oxígeno, y se comprobó la influencia de la presencia de CO2 en condiciones de operación. El La2NiO4+d perteneciente a la serie de Ruddlesden-Popper, es un conductor mixto de iones oxígeno y electrones. Éste, fue dopado tanto en la posición del La (con Nd y Pr) como en la posición del Ni (con Co). Los dopantes introducidos además de producir cambios estructurales, provocaron mejoras en el rendimiento de la celda, reduciendo para alguno de ellos, como el La1.5Pr0.5Ni0.8Co0.2O4+d, en casi un orden de magnitud la resistencia de polarización del electrodo de referencia (La2NiO4+d). De la misma manera, se optimizaron las propiedades del electrodo basado en el conductor electrónico puro La0.8Sr0.2MnO3-d (LSM). La adición de una segunda fase, con conductividad iónica, permitió aumentar los puntos triples (TPB) en los que la reacción de reducción de oxígeno tiene lugar y reducir la resistencia de polarización. Con el fin de mejorar la reacción de reducción de oxígeno, se estudió la adición de nanocatalizadores mediante la técnica de infiltración. Los diferentes óxidos infiltrados produjeron el cambio de las propiedades electroquímicas del electrodo, siendo el óxido de praseodimio el catalizador que consiguió disminuir en dos órdenes de magnitud la resistencia de polarización del composite no infiltrado. De la misma manera, la mejora de la eficiencia del electrodo infiltrado con Pr, mejoró los resultados de la celda electroquímica trabajando como pila (mayores densidades de potencia) y como electrolizador (menores voltajes). En lo que respecta a los materiales seleccionados para su uso como electrodos en electrolitos con conductividad protónica, se optimizó la eficiencia del cátodo basado en LSM, mediante el uso de una segunda fase conductora protónica (La5.5WO12-d) y variando la temperatura de sinterización del electrodo. Finalmente, se mejoró la actividad catalítica mediante la infiltración de nanopartículas de ceria dopada con samario, produciendo mayores densidades de corriente de la pila de combustible. Los materiales pertenecientes a la serie de Ruddlesden-Popper y usados para cátodos en pilas iónicas, fueron empleados también para cátodos en pilas protónicas. Después de comprobar que el material electrolítico (LWO) era compatible con los compuestos de la serie de Ruddlesden-Popper, se estudió la influencia de la temperatura de sinterización de los electrodos en el rendimiento, así como de la composición de la atmosfera de aire (seca, H2O y D2O). Finalmente, se diseñó y optimizó las celdas electroquímicas basadas en sales ácidas (CsH2PO4). En este sentido, se estudiaron diferentes configuraciones de celda, que permitieran obtener un electrolito denso con el menor espesor posible y unos electrodos activos a la reacción de reducción/oxidación de hidrógeno. Se consiguió reducir el espesor del electrolito soportando la celda en discos de acero y níquel porosos. Se añadió una resina tipo epoxi al material electrolítico para aumentar sus propiedades mecánicas. De la misma manera, se cambió la configuración de los electrodos pasando por conductores electrónicos puros a electrodos compuestos por conductores / En la present tesis doctoral es van desenvolupar materials per al seu ús en cel·les electroquímiques. Les cel·les electroquímiques estudiades poden ser dividides en dos grans grups: materials d'òxid sòlid i sals àcides. En el primer grup, es van optimitzar materials per al seu ús com a elèctrodes en piles de combustible i electrolitzadors, basats en electròlits amb conducció purament iònica. Dins d'este grup, es va comprovar la influència de dopar la perovskita Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-d amb un 3% de Y, Zr i Sc en la posició B (ABO3-d;). Esta optimització va portar a la reducció de la resistència de polarització així com a una millora de l'estabilitat amb el temps. Així mateix, es van determinar els mecanismes limitants en la reacció de reducció d'oxigen, i es va comprovar la influència de la presència de CO2 en condicions d'operació. El La2NiO4+d pertanyent a la sèrie de Ruddlesden-Popper, és un conductor mixt d'ions oxigen i electrons. Este, va ser dopat tant en la posició del La (amb Nd i Pr) com en la posició del Ni (amb Co). Els dopants introduïts a més de produir canvis estructurals, van provocar millores en el rendiment de la cel·la, reduint per a algun d'ells, com el La1.5Pr0.5Ni0.8Co0.2O4+d, en quasi un ordre de magnitud la resistència de polarització de l'elèctrode de referència (La2NiO4+d). De la mateixa manera, es van optimitzar les propietats de l'elèctrode basat en el conductor electrònic pur La0.8Sr0.2MnO3-d (LSM). L'addició d'una segona fase, amb conductivitat iònica, va permetre augmentar els punts triples (TPB), en els que la reacció de reducció d'oxigen té lloc, i reduir la resistència de polarització. A fi de millorar la reacció de reducció d'oxigen, es va estudiar l'adició de nanocatalitzadors per mitjà de la tècnica d'infiltració. Els diferents òxids infiltrats van produir el canvi de les propietats electroquímiques de l'elèctrode, sent l'òxid de praseodimi el catalitzador que va aconseguir disminuir en dos ordres de magnitud la resistència de polarització del composite no infiltrat. De la mateixa manera, la millora de l'eficiència de l'elèctrode infiltrat amb Pr, va millorar els resultats de la cel·la electroquímica treballant com a pila (majors densitats de potència) i com a electrolitzador (menors voltatges). Pel que fa als materials seleccionats per al seu ús com a elèctrodes en electròlits amb conductivitat protònica, es va optimitzar l'eficiència del càtode basat en LSM, per mitjà de l'ús d'una segona fase conductora protònica (La5.5WO12-d;) i variant la temperatura de sinterització de l'elèctrode. Finalment, es va millorar l'activitat catalítica mitjançant la infiltració de nanopartícules de ceria dopada amb samari, produint majors densitats de corrent de la pila de combustible. Els materials pertanyents a la sèrie de Ruddlesden-Popper i usats per a càtodes en piles iòniques, van ser empleats també per a càtodes en piles protòniques. Després de comprovar que el material electrolític (LWO) era compatible amb els compostos de la sèrie de Ruddlesden-Popper, es va estudiar la influència de la temperatura de sinterització dels elèctrodes en el rendiment, així com de la composició de l'atmosfera d'aire (seca, H2O i D2O). Finalment, es van dissenyar i optimitzar les cel·les electroquímiques basades en sals àcides (CsH2PO4). En este sentit, es van estudiar diferents configuracions de cel·la, que permeteren obtindre un electròlit dens amb el menor espessor possible i uns elèctrodes actius a la reacció de reducció/oxidació d'hidrogen. Es va aconseguir reduir l'espessor de l'electròlit suportant la cel·la en discos d'acer i níquel porosos. Es va afegir una resina tipus epoxi al material electrolític per a augmentar les seues propietats mecàniques. De la mateixa manera, es va canviar la configuració dels elèctrodes passant per conductors electrònics purs a elèctrodes compostos per conductors protònics / Navarrete Algaba, L. (2017). New electrochemical cells for energy conversion and storage [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/78458 / TESIS

Un outil de diagnostic in situ pour l'étude des électrolyseurs à oxyde solide, fondé sur la spectroscopie d'impédance électrochimique, a été mis en place à travers une analyse systématique de l'influence de plusieurs paramètres (densité de courant, température, composition et débit des gaz) sur les performances et le comportement d'une monocellule commerciale dans une configuration à 2 électrodes. Les principaux phénomènes régissant le fonctionnement de la cellule ont été identifiés. Une analyse de son comportement après apparition et évolution dans le temps d'une dégradation prématurée, suite à une modification sur le banc d'essai, a été réalisée. Un mécanisme expliquant l'origine et les conséquences de cette dégradation prématurée a été proposé. Une étude sur l'influence de l'épaisseur d'une des deux électrodes de la cellule a par ailleurs permis de distinguer deux des phénomènes principaux liés à la diffusion de H2O à l'électrode Ni-YSZ. Enfin, l'étude du comportement de la cellule après dégradation par conduction électronique de l'électrolyte YSZ a mis en évidence la formation de porosités entrainant notamment des délaminations à l'interface YSZ/YDC. Un état de dégradation plus avancé que pour les tests précédents a été observé pour les couches YDC et Ni-YSZ. Ce phénomène se manifeste par un déplacement en fréquence de l'ensemble du diagramme d'impédance mesuré vers les plus basses fréquences, formant une boucle négative. Rp finit par disparaitre, le courant circulant alors majoritairement via la conduction électronique de l'électrolyte YSZ. / An in situ diagnosis tool, based on electrochemical impedance spectroscopy, for the study of solid oxide electrolyzer cells was established through the analysis of the influence of several parameters (current density, temperature, gas composition and gas flow rate) on the performances and the behavior of a commercial single cell studied in a two-electrode configuration. The main phenomena governing the cell were identified. An analysis of its behavior after appearance and evolution with time of a premature degradation was carried out. A mechanism explaining the origin and the consequences of such degradation was suggested. Furthermore, studying the influence of the cathode thickness allowed distinguishing two of the main phenomena associated to H2O diffusion at the Ni-YSZ electrode. In addition, a study of the cell behavior after degradation by electronic conduction of the YSZ electrolyte showed formation of numerous porosities leading to delaminations at the YSZ/YDC interface. This phenomenon was characterized by a shift of the overall impedance diagram to the lowest frequencies, with appearance of a negative loop which finally leads to the disappearance of Rp as the current circulates mostly via electronic conduction of the YSZ electrolyte.

Hydrogen has the potential to become an important energy carrier in the future with many areas of applications, as a clean fuel for transportation, heating, power generation in places where electricity use is not fit, etc. Already today hydrogen plays a key role in numerous industries such as petroleum refineries and chemical industries. There are different production methods for hydrogen. Today, natural gas reforming is the most commonly used. With the growing importance of green production paths, hydrogen production by electrolysis is expected to grow. Two main electrolyzer technologies are used today; alkaline and polymer electrolyte membrane electrolyzer. High-temperature electrolyzers are also interesting techniques, where solid oxide is under development and molten carbonate electrolyzers is researched. In this thesis, a comparative life cycle analysis was performed on the alkaline and molten carbonate electrolyzer. Due to inaccurate inventory data for the molten carbonate electrolyzer, those results are excluded from the published thesis. The environmental performance of the alkaline electrolyzer technology was compared to that of the solid oxide and the polymer electrolyte membrane electrolyzers. The system boundaries were set as cradle to gate. Thereby, the life cycle steps included in the study are raw material extraction, electrolyzer manufacturing, hydrogen production, and transports in between these steps. The functional unit was chosen as 100 kg produced hydrogen gas. The results show that the polymer electrolyte membrane electrolyzer has the lowest environmental impact out of the compared technologies. It is also determined that the lifetime and the current density of the electrolyzers have significant impact on their environmental performance. Moreover, it is established that electricity for hydrogen production has the highest environmental impact out of the electrolyzers life cycle steps. Therefore, it is important to make sure that the electricity used for hydrogen production derives from renewable sources. / Vätgas har potential att spela en viktig roll som energibärare i framtiden med många användningsområden, såsom ett rent bränsle för transporter, uppvärmning, kraftförsörjning där elproduktion inte är lämpligt, med mera. Redan idag är vätgas ett viktigt inslag i flera industrier, där ibland raffinaderier och kemiska industrier. Det finns flera metoder för att producera vätgas, där reformering av naturgas är den största produktionsmetoden idag. I framtiden spås vätgasproduktion med elektrolys bli allt viktigare, då hållbara produktionsprocesser prioriteras allt mer. Idag används främst två elektrolysörtekniker, alkalisk och polymerelektrolyt. Utöver dessa är högtemperaturelektrolysörer också intressanta tekniker, där fastoxidelektrolysören är under utveckling och smältkarbonatelektrolysören är på forskningsstadium. I det här examensarbetet har en jämförande livscykelanalys utförts på alkalisk- och smältkarbonatelektrolysören. På grund av felaktiga indata för smältkarbonatelektrolysören har dessa resultat uteslutits från den publika rapporten. Miljöpåverkan från den alkaliska elektrolysören har sedan jämförts med miljöpåverkan från fastoxid- och polymerelektrolytelektrolysörerna. Systemgränserna sattes till vagga till grind. De livscykelsteg som inkluderats i studien är därmed råmaterialutvinning, elektrolysörtillverkning, vätgasproduktion och transporter mellan dessa steg. Den funktionella enheten valdes till 100 kg producerad vätgas.  Resultaten visar att polymerelektrolytteknologin har den lägsta miljöpåverkan utav de tekniker som jämförts. Resultaten påvisar också att livstiden och strömtätheten för de olika teknikerna har signifikant påverkan på teknikernas miljöpåverkan. Dessutom fastslås att elektriciteten för vätgasproduktion har högst miljöpåverkan utav de studerade livscykelstegen. Därför är det viktigt att elektriciteten som används för vätgasproduktionen kommer ifrån förnybara källor.

Ce travail de thèse est consacré à l’étude des nickelates La2-xPrxNiO4+δ, comme nouveaux matériauxde cathodes pour piles à combustible haute température, SOFC, et en particulier à la caractérisationde leur stabilité chimique et leur comportement en fonctionnement. En effet, du fait de leurpropriété de conduction mixte ionique et électronique, MIEC, les nickelates de structure typeK2NiF4, Ln2NiO4+δ (Ln = La, Pr, Nd), correspondant au terme n = 1 de la série de Ruddlesden-Popper (An+1MnO(3n+1)), sont des matériaux prometteurs pour des fonctionnements à températureintermédiaire, IT-SOFC (T < 800 °C). Compromis entre la stabilité chimique de La2NiO4+δ et lestrès bonnes performances électrochimiques de Pr2NiO4+δ, les phases La2-xPrxNiO4+δ, ont étésynthétisées et leurs propriétés physico-chimiques, de transport et électrochimiques ont étédéterminées. L’étude approfondie des caractéristiques des électrodes par spectroscopied’impédance en cellules symétriques a été réalisée à courant nul et sous polarisation anodique etcathodique sur des périodes d’un mois. De façon surprenante, même après la dissociation complètede Pr2NiO4+δ en PrNiO3-δ, Pr4Ni3O10+δ et Pr6O11, la résistance de polarisation ne montre pas dechangement significatif. L’étude de PrNiO3-δ et Pr4Ni3O10+δ, comme matériau de cathode pour pilesà combustible, démontre l’excellent comportement de la phase Pr4Ni3O10+δ et ceci en cellulesymétrique (Rp (Pr4Ni3O10+δ) = Rp (Pr2NiO4+δ) = 0.15 Ω.cm² à 600 ° C) et cellule complète (1.6W.cm-2 at 800 °C). / This PhD work is dedicated to stability and ageing studies of Praseodymium based nickelates ascathodes for Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs). With this respect Ln2NiO4+δ (Ln=La, Pr or Nd)compounds with the K2NiF4 type structure act as alternative cathode materials for IT-SOFC due totheir mixed ionic and electronic conductivity (i.e. MIEC properties). Pr2NiO4+δ shows excellentelectrochemical properties at intermediate temperature (i.e. low polarization resistance Rp value, Rp= 0.03 Ω.cm² at 700 °C), while La2NiO4+δ exhibits higher chemical stability. So, the properties ofLa2-xPrxNiO4+δ nickelates were investigated with the aim to find best compromise between chemicalstability and electrochemical performances. After synthesis, the physical and chemical properties aswell as their transport and electrochemical properties have been determined. Measurements of thepolarization resistance of symmetrical half-cells have been carried out by impedance spectroscopy.Then, the chemical stability and the electrochemical performance of the materials have been studiedfor duration up to one month. As an interesting point, even after complete dissociation of Pr2NiO4+δinto PrNiO3-δ,Pr4Ni3O10+δ and Pr6O11, the polarization resistance does not show significant change.So finally, two new materials PrNiO3-δ and Pr4Ni3O10+δ were investigated as SOFCs cathodeshowing very promising results for Pr4Ni3O10+δ in symmetrical cell (Rp (Pr4Ni3O10+δ) = Rp(Pr2NiO4+δ) = 0.15 Ω.cm² à 600 ° C) and complete cell (1.6 W.cm-2 at 800 °C).