Matériau de type apatite pour pile à combustible : élaboration, caractérisations électrique et structurale, mise en forme

Apatite type material for fuel cell : elaboration, electric and structural characterizations, shaped

• Auteur / Autrice : Guillaume Lévêque
• Direction : Philippe Thomas, Isabelle Julien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux céramiques et traitements de surface
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Limoges
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Poudres céramiques

Oxydation

Projection au plasma

Impédance mécanique

Apatite

Piles à combustible à oxyde solide

Mots clés libres

Coulage en bande

Synthèse par voie solide

Résumé

Ce travail porte sur l’élaboration, la caractérisation structurale, la mise en forme et la mesure les propriétés de conduction ionique des oxyapatites de formulation La9,33±x(SiO4)6O2±1,5x pour des applications potentielles en tant qu’électrolyte dans les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) en vue de remplacer la zircone yttriée (YSZ) utilisée jusque là. Une étude physico-chimique et thermique de formation du réactif La2O2CO3 a d’abord été menée afin de maîtriser la synthèse ultérieure par voie solide de poudres d’apatites pures et de stoechiométrie variable (0 < x < 0,34). La caractérisation structurale des poudres synthétisées mais aussi de poudres pures a été réalisée. Des céramiques denses (supérieure à 99% de la densité théorique) ont été obtenues par frittage naturel après compression isostatique des poudres. La mesure de leurs propriétés électriques a permis de confirmer la nette augmentation des valeurs de conductivité ionique avec l’excès d’atomes d’oxygène au sein de la structure apatite. Cependant, les valeurs de conductivités obtenues restent insuffisantes pour une application en tant qu’électrolyte mais restent encourageantes car les grains d’apatite présentent des valeurs de conductivité de 2,55. 10-2 S/cm à 700°C supérieures à celle de YSZ. Des études de mise en forme par coulage en bande ont permis d’obtenir des matériaux massifs de haute densité (supérieure à 99% de la densité théorique). Une étude exploratoire par projection plasma de suspensions des réactifs a démontré la possibilité d’élaborer directement des couches de matériaux d’apatite.

This work is devoted to elaboration, structural study, shaping and ionic conductivity properties of oxyapatites of general formula La9. 33±x(SiO4)6O2±1. 5x for potential applications as electrolyte in Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs). The physic, chemical and thermal behavior of La2O2CO3 reagent was first studied in order to further synthesize pure apatite powders with variable stoichiometry (0 < x < 0. 34) using a solid state route. The structural study of synthesized and referenced powders were performed. Dense ceramics (more than 99% of the theoretical value) were obtained by using natural sintering, after isostatic pressing. Their electrical properties confirmed the clear increase of the ionic conductivity values with the oxygen atoms excess in the apatite structure. The obtained values remain insufficient for the electrolyte application but remain promising because the apatite grains present values of 2. 55. 10-2 S/cm at 700°C. Shaping studies by tape casting allowed obtaining high density pellets (more than 99% of the theoretical value). An exploratory study by suspension plasma spraying brought to light the possibility to synthesize directly from the reactives layers of apatite materials.