Recyclage par voie pyrochimique de Piles à combustibles à oxydes solides 2ème et 3ème génération // Pyrochemical recycling of 2nd and 3rd generation solid oxide fuel cells

Ce sujet de thèse s'inscrit dans le cadre du projet CLUED-O (CLean energy with sUstainable 3rd gEneration soliD Oxides cells) du projetInterreg France-Wallonie-Flandre dont l'objectif est de développer une pile à combustible à oxyde solide ou SOFC (Solid Oxide Fuel Cells) de 3ème génération à hautes performances, fonctionnant à T < 650 °C en mode pile à combustible mais également utilisable en mode électrolyse.
Les matériaux utilisés pour les différents constituants des cellules (électrodes, électrolyte, connecteurs…) contiennent des éléments stratégiques (des terres rares : Ce, La, Gd, Y… , du strontium, du cobalt, du nickel, du zirconium…) inscrits sur la liste européenne des éléments critiques, qui doivent être récupérés et valorisés lors de la fin de vie des systèmes qui les utilisent. Pour ce faire, CLUED-O engage une réflexion sur l'analyse du cycle de vie et le développement d'un procédé de recyclage des cellules dès leur conception. Ainsi l'étude d'un procédé de recyclage sera envisagé dès le début du projet sur des cellules SOFCs de 2ème génération issues de la première partie du projet conçues à partir de ½ cellules commerciales, pour en fin du projet, avoir définit les conditions de traitements optimisées qui seront transposées sur les cellules innovantes de 3ème génération conçues durant le projet.
L'objectif de ce projet de thèse est de développer un traitement pyrochimique alternatif aux traitements hydrométallurgiques actuellement envisagés, qui utiliserait les sels fondus comme milieux réactionnels. L'usage de ces derniers permettrait d'envisager un processus simplifié de traitement en diminuant le nombres d'étapes nécessaires, notamment en supprimant les traitements mécaniques et en s'assurant de trouver les sels fondus les plus efficaces possibles pour décomposer les cellules SOFCs, tout en respectant les contraintes environnementales et industrielles en ce qui concerne la nature, la quantité et la toxicité des effluents, ainsi qu'en limitant les dépenses énergétiques.
Les sels fondus ont été sélectionnés comme milieux de réaction du fait de leur très forte réactivité vis-à-vis des matériaux et de leurs propriétés physico chimiques (fort pouvoir solvatant, grande stabilité thermodynamique, conductions électrique et thermique élevées…) qui permettent une grande versatilité du procédé selon les produits finis recherchés. De plus, leur stabilité permet d'envisager leur recyclabilité après usage.
Les objectifs de cette thèse sont donc de développer un protocole robuste et adaptable selon la qualité de la matière finale recherchée, permettant de recycler les cellules SOFCs usagées en mettant en place des méthodes sélectives, propres et simples à mettre en œuvre en s'assurant :
(1) de trouver le sel fondu le plus efficace possible pour décomposer les cellules SOFCs, tout en respectant les contraintes environnementales et industrielles en ce qui concerne la nature, la quantité et la toxicité des effluents et tout en limitant les dépenses énergétiques,
(2) de comprendre les mécanismes mis en jeu pendant les différentes étapes de réactions dans les bains pour améliorer la robustesse du procédé, et en arrivant à un nombre d'étapes limité,
(3) de séparer les différents éléments chimiques par des procédés simples à mettre en œuvre, en optimisant les pourcentages de récupération ainsi que la pureté et la microstructure des oxydes récupérés, pour permettre au final, leur réutilisation soit dans la refabrication de nouvelles cellules, soit dans d'autres applications où ces éléments sont utilisés (catalyseurs, aimants permanents…).
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

This thesis subject is part of the CLUED-O project (CLean energy with sustainable 3rd generation solid Oxides cells) of the Interreg France-Wallonia-Flanders project, whose objective is to develop a high-performance 3rd generation solid oxide fuel cell (SOFC), operating at T < 650 °C in fuel cell mode but also usable in electrolysis mode.
The materials used for the various cell components (electrodes, electrolyte, connectors, etc.) contain strategic elements (rare earths: Ce, La, Gd, Y, etc., strontium, cobalt, nickel, zirconium, etc.) included in the European list of critical elements, which must be recovered and recycled at the end of the life of the systems that use them. To do this, CLUED-O is considering life cycle analysis and the development of a cell recycling process from their design stage. Thus, the study of a recycling process will be considered from the beginning of the project on 2nd generation SOFC cells from the first part of the project designed from commercial half-cells, in order to have defined at the end of the project the optimized treatment conditions that will be transposed to the innovative 3rd generation cells designed during the project.
The objective of this thesis project is to develop an alternative pyrochemical treatment to currently considered hydrometallurgical treatments, using molten salts as the reaction medium. The use of molten salts would simplify the treatment process by reducing the number of necessary steps, notably by eliminating mechanical treatments and ensuring the most efficient molten salts possible for SOFC cell decomposition, while respecting environmental and industrial constraints regarding the nature, quantity, and toxicity of effluents, as well as limiting energy costs.
Molten salts were chosen as the reaction medium due to their very high reactivity with materials and their physicochemical properties (high solvating power, high thermodynamic stability, high electrical and thermal conductivity, etc.), which allow for great versatility of the process depending on the desired end products. Furthermore, their stability allows for their recycling after use.
The objectives of this thesis are therefore to develop a robust and adaptable protocol depending on the desired final material quality, enabling the recycling of used SOFC cells through the implementation of selective, clean, and easy-to-implement methods, guaranteeing:
(1) the search for the most efficient molten salt possible for the decomposition of SOFC cells, while respecting environmental and industrial constraints concerning the nature, quantity, and toxicity of effluents and limiting energy expenditure;
(2) the study of the mechanisms involved during the various reaction stages in the baths in order to improve the robustness of the process, and by limiting the number of stages;
(3) the separation of the different chemical elements using simple-to-implement processes, optimizing recovery percentages as well as the purity and microstructure of the recovered oxides, to ultimately enable their reuse either in the remanufacturing of new cells or in other applications where these elements are used (catalysts, permanent magnets, etc.).
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Début de la thèse : 01/09/2025
WEB : http://clued-o.eu/

Programmes de l'Union Européenne de financement de la recherche (ERC, ERASMUS)

Université de Lille

104 Sciences de la Matière du Rayonnement et de l'Environnement

Le (la) doctorant(e) recruté(e) devra présenter un profil avec des compétences en chimie du solide, chimie minérale et/ou matériaux inorganiques, ainsi que des compétences en caractérisation des solides.
The recruited doctoral student must have skills in solid-state chemistry, mineral chemistry and/or inorganic materials, as well as skills in solids characterization.