Matériaux pour l'Énergie
Présentation
Les recherches menées sur le plateau Matériaux pour l’Energie portent sur la recherche et la caractérisation de nouveaux matériaux pour pile à combustible à oxyde solide (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) et électrolyseurs à haute température (Solid Oxide Electrolysis Cells, SOEC). Ces dispositifs présentent de très bons rendements, mais leurs températures de fonctionnement restent élevées, en général supérieures à 700°C. Un des objectifs est d’abaisser ces températures de fonctionnement. Cela passe par la recherche et la caractérisation de nouveaux matériaux d’électrolyte et d’électrode. Ces dispositifs, alimentés d’un côté par de l’air et de l’autre par de l’hydrogène, doivent être étanches. La recherche de verres de scellement est également un point fort des activités.
Pour ce faire, le plateau dispose de plusieurs salles dont un laboratoire destiné à la synthèse, un laboratoire à l’élaboration de céramiques et un laboratoire destiné aux mesures électrochimiques (en température, sous atmosphère). Une visite virtuelle de ces salles est accessible sur le site du projet Comasys, pilier 3 (https://comasys.univ-lille.fr/).
Le plateau technique situé dans le bâtiment de l’Institut Chevreul est accessible à l’ensemble des chercheurs du laboratoire et propose également des prestations ou des collaborations avec des laboratoires académiques ou industriels.
Le principe de fonctionnement d’une pile à combustible repose sur une céramique conductrice par ions oxyde qui doit être la plus fine possible, sur les faces de laquelle sont déposées des matériaux d’électrode qui doivent être poreux pour permettre la diffusion de l’oxygène d’un côté et celle de l’hydrogène de l’autre. En mode pile, sous l’effet de la différence de potentiel chimique entre un milieu riche en oxygène (l’air) et un milieu pauvre en oxygène (l’hydrogène), l’oxygène migre naturellement du milieu riche vers le milieu pauvre. Les molécules de dioxygène sont dissociées en ions oxyde à la cathode qui migrent vers l’anode pour réagir avec le dihydrogène pour former de l’eau et produire de l’électricité. Inversement, en mode électrolyse, l’application d’un courant électrique permet la dissociation de l’eau en dihydrogène et en ions oxyde qui migrent vers l’anode pour former du dioxygène. Alors que l’électrolyte doit être purement conducteur par ions oxyde, dense et le plus fin possible, les matériaux d’électrode doivent être conducteurs ioniques et électroniques et poreux pour permettre la diffusion des gaz jusqu’au lieu de la réaction.
L’étude plus poussée des matériaux d’électrode est réalisée par spectroscopie d’impédance. L’analyse des spectres d’impédance mesurés sous air ou sous différentes pressions partielles d’oxygène permet de comprendre les étapes limitantes dans la réaction de réduction de l’oxygène et apporte des pistes d’amélioration des performances des matériaux.
Équipements
Le plateau Matériaux pour l’Energie est équipé d’un dispositif de frittage SPS (Spark Plasma Sintering). Par passage d’un courant électrique de haute intensité au travers d’un moule en graphite, ce dispositif permet la densification rapide de céramiques, en quelques minutes contre plusieurs heures par frittage conventionnel, permettant une croissance des grains limitée (consolidation de poudre nanométriques, densification de poudre de composés réfractaires, oxydes, carbures, nitrures, borures, …). Sur des temps de traitement courts le processus est capable de produire des composants à haute résistance et faible porosité.
Caractéristiques de l’appareil :
Température maximale : 2200°C
Force maximale : 60 kN
Rampe de chauffage jusqu’à 2000°C/min
Atmosphère réactionnelle : vide primaire, vide secondaire, pression partielle d’argon ou d’azote.
Localisation
Institut Chevreul, Cité Scientifique, Villeneuve d’Ascq
Contacts
Les équipements du plateau :
Synthèses | balances (Sartorius, Kern440-45), plaques chauffantes (VWR VMS-C7, IKA RH Digital, Fisher Brand, Velp Scientifica), bain ultrasons |
Synthèse, frittage | fours (Nabertherm 1750°C, Nabertherm 1100°C, 2 Nabertherm 1200°C), Spark Plasma Sintering (Suga Co Ltd – Sugaseisakusho kk) |
Mise en forme | presse uni axiale (Specac), presse isostatique 1800 bar (NovaSwiss), polisseuse (Struers tegramin-20), scie diamantée (Mecatome T180), broyeur planétaire (Fritsch), tricylindre (Exakt), roller mixer (Stuart SRT9D), sérigraphieuse (Dek 248), spin coater (Polos), évaporateur d’or, étuve (Venti-Line) |
Caractérisations propriétés de transport | banc d’échange isotopique |
Caractérisations électrochimiques | 2 bancs de test (Fiaxell), 2 générateurs d’hydrogène (Parker MDS Industrie), 2 Solartron 1255, 2 Solartron 1260, Solartron 1280, booster Solartron 20A, Biologic SP150, Biologic SP300, Booster Biologic 10A |
Analyses | micro-GC (Agilent) |