Développement de membranes céramiques à architecture optimisée pour l'oxycombustion

Development of ceramic membrane with optimised design for oxycombustion process

• Auteur / Autrice : Mickaël Reichmann
• Direction : Thierry Chartier, Pierre-Marie Geffroy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux Céramiques et Traitements de Surface
• Date : Soutenance le 05/12/2014
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science des Procédés Céramiques et de Traitements de Surface (1998-2011)
• Jury : Président / Présidente : Michel Cassir
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Henri Blond, Nicolas Richet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marc Bassat, Olivier Joubert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Membranes (technologie)

Traitements de surface

Structure

Pérovskites

Matériaux céramiques

Mots clés libres

Oxycombustion

Membrane céramique

Structure pérovskite

Surface d'échange

Semi-perméabilité à l'oxygène

Oxyfuel

Ceramic membrane

Perovskite structure

Exchange surface

Oxygen semi-permeation

Résumé

L’étude de matériaux conducteur mixtes (ionique et électronique) connait un intérêt croissant depuis plusieurs années dans le domaine de l’énergie, principalement lié au développement des électrodes pour les piles à combustible de type SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) ou des réacteurs catalytiques membranaires (CMR) pour le réformage du méthane de synthèse ou pour le procédé d’oxycombustion. Dans ce dernier cas, la réalisation de membranes conductrices mixtes de structure pérovskite du type La1-xAxFe1-yByO3- permet la séparation de l’oxygène de l’air à haute température (900°C) avec une sélectivité quasiment infinie sans circuit électrique extérieur. Les mécanismes limitant le transport de l’oxygène à travers la membrane ont été étudiés à l’aide d’un dispositif de caractérisation original composé d’électrodes, permettant la mesure du potentiel électrochimique de l’oxygène à la surface de la membrane. L’influence de la substitution du cation en site A puis en site B sur les propriétés de semi-perméabilité à l’oxygène a été étudiée au sein des matériaux pérovskites La0,5A0,5Fe0,7B0,3O3-(A = Ca, Sr, Ba et B = Al, Co, Cu, Ga, Mg, Mn, Ni, Sn, Ti, Zn). Les résultats obtenus avec cette technique originale nous ont permis de mieux cerner les mécanismes limitant le transport d’oxygène à travers la membrane. L’influence de la microstructure de la membrane sur les propriétés de semi-perméabilité à l’oxygène a également été étudiée et un modèle d’évolution des propriétés de semi-perméabilité en fonction de la microstructure a été proposé. Cette compréhension des mécanismes de transport nous a permis d’orienter les recherches vers l’élaboration de nouvelles architectures de membranes.

Since few years, the study of mixed conducting materials (ionic and electronic) knows an increasing interest in the energy area, especially with the development of electrodes for Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) or Catalytic Membrane Reactors (CMR) for the methane reforming in synthesis gas or for oxyfuel process. In this latter case, the mixed conductor membrane with La1-xAxFe1-yByO3- perovskite structure allows the separation of oxygen from air at high temperature (900°C) with a quasi-infinite selectivity without outside electric circuit, with an interesting economical cost. The oxygen transport mechanisms through the membrane are studied thanks to an original electrodes system composed of a zirconia point micro-electrode and a metallic reference electrode. This system allows the measurement of the oxygen electrochemical potential at the membrane surface. The influence of cation substitution in A-site then B-site in La0.5A0.5Fe0.7B0.3O3-(A = Ca, Sr, Ba and B = Al, Co, Cu, Ga, Mg, Mn, Ni, Sn, Ti, Zn) perovskite materials has been studied. The results obtained by this original system led us to a better understanding and a identification of the rate determining step of oxygen transport mechanism through the membrane. The influence of the microstructure on oxygen semi-permeation has been studied and an evolution model of semi-permeation properties with microstructure has been shown. The understanding of oxygen transport mechanisms led to the development and the elaboration of news architectures of membranes.