Structuration de générateurs thermoélectriques sur échangeur de type radiateur par électrodéposition

Thermoelectric generators structuring for radiator like exchanger by electroplating

• Auteur / Autrice : Mathieu Maas
• Direction : Clotilde Boulanger, Sébastien Diliberto
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 02/12/2015
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : SESAMES - Ecole Doctorale Lorraine de Chimie et Physique Moléculaires
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : François Montaigne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cédric de Vaulx
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Franck Gascoin, Marie-Christine Record

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chalcogénures

Électrochimie

Générateurs thermoélectriques

Mots clés libres

Générateurs thermoélectriques

Électrodéposition

Chalcogénures de bismuth

Films épais

Thermoelectric generators

Electrodeplating

Bismuth chalcogenide

Thick films

Résumé

Face à la raréfaction des énergies fossiles, l’industrie automobile se trouve dans l’obligation de réduire la consommation des véhicules. L’une des idées est de récupérer l’énergie perdue sous forme d’échauffements grâce à la thermoélectricité. L’objectif de ces travaux est l’implantation d’un module thermoélectrique au niveau du radiateur afin d’en récupérer la chaleur dans le cadre d’un projet de recherche financé par Valéo Systèmes Thermiques et l’ADEME. La conception des radiateurs nécessite des épaisseurs supérieures à la centaine de micromètres de matériaux thermoélectriques afin d’en optimiser l’espace disponible. L’électrodéposition est apparue comme la technologie la plus adaptée car elle permet de déposer les matériaux directement sur l’ailette. Cette étude est consacrée aux dépôts électrochimiques de chalcogénures de bismuth (Bi2Te3 et Bi0,5Sb1,5Te3), matériaux les plus performants aux températures de fonctionnement de l’échangeur thermique. La première partie de ces travaux concerne la faisabilité de l’obtention de films d’épaisseurs supérieures à 100 µm et leurs caractérisations : stœchiométrie, structures et propriétés thermoélectriques. L’utilisation originale d’une anode soluble permet l’obtention de films de Bi2Te3 de près de 400 µm. Pour le composé ternaire, la synthèse consiste en une succession de couches de composés différents (Bi0,25Sb0,75-Te0), avant de procéder à leur interdiffusion via un traitement thermique. La dernière partie concerne la réalisation d’un module thermoélectrique. Les multiples étapes de lithographie et de synthèses électrochimiques ont été étudiées afin d’obtenir un module adapté aux échangeurs thermiques. Les caractérisations préliminaires de leurs propriétés montrent des résistances élevées et plusieurs voies d’améliorations sont proposées

In order to face the rarefaction of fossil fuels, the automotive industry has to find new ways to reduce their vehicle consumption. One of the possible ideas is to recover the energy that is lost as heating by using thermoelectricity. The aim of this work is to set-up thermoelectric generators into the radiator in order to recover this lost heat in a frame of research project financially supported by Valéo Systèmes Thermiques and ADEME. The radiator design requires thermoelectric materials thicknesses up to hundred micrometers in order to optimize the available space. Electroplating seems to be the best way to synthesize those materials directly onto the radiator fins. This study focuses on the electroplating of the best thermoelectric materials adapted to the operating temperatures of the heat exchanger: bismuth chalcogenides (Bi2Te3 and Bi0,5Sb1,5Te3). Firstly, a study has been carried out in order to synthesize thick layers above 100 µm of those two materials. Stoichiometry and thermoelectric properties were also determined. The original use of a soluble anode permitted to obtain 400 µm thick Bi2Te3 films. For the ternary compound, the synthesis consisting in a succession of thin layers of Bi0,25Sb0,75 and Te0, before their interdiffusion by annealing, is also presented. Finally, the last part covers the study carried out on the realization of the thermoelectric generators. The multiple stages of lithography and electrochemical syntheses were studied in order to obtain a module adapted to the heat exchanger. The first characterizations evidence high internal resistances and different ways to improve them are also presented