Synthèse et caractérisation de revêtements de silicates de lanthane de structure apatite élaborés par projection plasma dédiés aux piles à combustibles IT-SOFCs

Synthesis and characterization of apatite-type lanthanum silicate (ATLS) deposited by atmospheric plasma spraying as a novel electrolyte at intermediate temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFCs)

• Auteur / Autrice : Wei Gao
• Direction : Hanlin Liao
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Besançon en cotutelle avec Belfort-Montbéliard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dépôts physiques

Projection au plasma

Apatite

Conduction ionique

Électrolytes

Piles à combustible à oxyde solide

Résumé

Dans le domaine de la production d'énergie électrique, le développement des piles à combustible à oxyde solide (SOFC) est limité en raison de leurs températures de fonctionnement élevées. Deux solutions sont généralement envisagées pour l'abaissement de la température: diminuer l'épaisseur de l'électrolyte actuel (YSZ) et/ou utiliser de nouveaux matériaux. La deuxième solution paraît la plus exploitable car la température dite "interme��diaire", comprise entre 500 et 800°C (IT-SOFC), ne peut être atteinte qu'avec de nouveaux matériaux. Parmi les nombreuses céramiques susceptibles d'être employées pour cette application, les apatites sont des candidats très prometteurs à l'heure actuelle. L'objectif de cette thèse est la synthèse et la caractérisation de couches d'électrolytes à structure apatite de type La10(SiO4)6O3 dédiées aux SOFC fonctionnant à température intermédiaire (IT-SOFC). Dans un premier temps, ce travail consiste à synthétiser des poudres de La10(SiO4)6O3 par voie solide. L'accent est particulièrement mis sur l'optimisation des protocoles de mise en oeuvre. Le contrôle des paramètres de synthèse (nature des réactifs, co-broyage, température et durée du traitement thermique, etc. ) permet d'obtenir la phase apatite pour une température de traitement comprise entre 1350 °C et 1650 °C. Des poudres de microstructure contrôlée ont été mises à profit pour préparer des dépôts de densité supérieure à 90 %. La variation des conditions de projection par plasma atmosphérique (APS) permet de déposer des revêtements denses qui présentent, après traitement thermique à 1000 °C pendant 4 heures, des microstructures très variées. L'influence des paramètres de projection sur la microstructure des dépôts a été étudiée. Les effets de la porosité sur le réponse éléctrique ont été également abordés. Un état de l'art des recherches déjà effectuées sur les propriétés de conduction ionique des dépôts d'apatites a été dressé. L'amélioration de la conductivité ionique est basée sur la maîtrise des propriétés des revêtements élaborés. Ainsi, plusieurs séries d'échantillons à stoechiométrie contrôlée ont été synthétisées et caractérisées. Cette étude a notamment permis d'établir une corrélation entre la microstructure et les propriétés de conduction de cette céramique.

In the field of electrical power generation, the development of solid oxide fuel cells (SOFCs) is limited because of their high operationg temperatures. Twi solutions are generally considered to decrease the temperature: reducing the thickness of the conventional yttria-stabilised zirconia (YSZ) electrolyte and/or using the new materials. The second option seems the most exploitable because novel apatite-type silicates are attracting considerable interest as a new family of oxide-ion conductors with potential use in intermediate temperature between 500 and 800 °C. Among the many silicate ceramics that could be used for this application, lanthanum silicates are very promising candidates at the moment. The objective of this thesis is the synthesis and characterization of apatite-type lanthanum silicate (ATLS) as a novel electrotype dedicated to SOFC at intermediate temperature (IT-SOFC). In a first step, this work is to synthesize La10(SiO4)6O3 powders via a solid-state reaction. Particular emphasis is placed on optimizing executive protocols. The control of synthesis parameters (nature reagents, co-grinding, sintering temperatures and residence times, etc. ) can get the apatite phase in a sintering temperature between 1350 °c and 1650 °C. The calcined powders were used to prepare density coatings greater than 90 %. La10(SiO4)6O3 coatings were thermally deposited by conventional atmospheric plasma spraying (APS). The influence of projection parameters on the microstructure of coatings has been studied. The effects of porosity on the electrical properties were also discussed. Improving the ionic conductivity is based on controlling the properties of developed coatings. For example, several sets of samples to be controlled stoichiometry have been synthesized and characterized. This study has enabled us to establish a correlation between the microstructure and conduction properties of the ceramics.