Mesure et modélisation des grandeurs thermoradiatives des céramiques utilisées dans la conception de PAC-SOFC – THERMASOFC

Actuellement la prédiction des propriétés thermoradiatives des matériaux céramiques s'avère peu aisée, le lien intime entre leurs structures multi-échelles et ces propriétés étant mal définis. Le terme thermoradiatif fait ici référence aux échanges énergétiques via le rayonnement thermique. La seule connaissance du matériau homogène, à savoir le monocristal, ne suffit pas à prédire le comportement du même matériau rendu hétérogène par l'élaboration. Pourtant la connaissance de ces propriétés est cruciale pour dimensionner des systèmes performants travaillant à haute température (fours verriers, barrières thermiques, pots catalytiques...). Une percée technologique décisive dans l'emploi de ces matériaux passe ici par l'établissement du lien existant entre la texture des céramiques texture est ici un terme qui recouvre l'arrangement spatial des grains et pores, ainsi que leurs distributions en tailles et leurs propriétés thermoradiatives. Cette problématique générale est particulièrement manifeste dans le cas des céramiques pour Piles à Combustible (PAC) à électrolyte solide, plus connues sous le nom de SOFC (Solid Oxide Fuel Cell). En effet la texture et la forte porosité (~ 40 %) des éléments d'anode et de cathode rendent d'emblée complexe non seulement le calcul des champs de température aux interfaces mais aussi le développement de code modélisant le comportement global des PAC-SOFC. Ainsi, les travaux actuels menés principalement aux Etats-Unis montrent que la résolution du problème thermique, plus global car couplé au phénomènes de conduction thermique, peut passer par l'emploi d'approximation qui simplifient certes la mise en équation des phénomènes, mais qui négligent la texture des matériaux. Il en résulte une utilisation peu adaptée des matériaux abaissant de fait les performances des PAC-SOFC lors des cycles de production de l'électricité. - Pour lever ce verrou technologique, notre équipe propose une démarche originale, basée, au contraire, sur une connaissance texturale accrue des matériaux utilisés. L'objectif visé est de mieux cerner les paramètres microstructuraux qui pilotent la conductivité radiative et/ou les propriétés thermoradiatives, données clé pour remonter aux champs de température. La nouvelle méthodologie proposée se veut ici généraliste, car elle doit s'appliquer aux céramiques classiques qui constituent les SOFC (T = 1 000°C), mais aussi aux céramiques innovantes qui devront permettre d'abaisser leur température de travail à 700°C. Pour ce faire, nous mettrons en oeuvre une double approche basée d'une part sur la caractérisation expérimentale des propriétés thermoradiatives et d'autre part sur la modélisation numérique de ces propriétés, en intégrant les informations texturales et cristallochimiques. Un point clé de ce projet réside dans un partenariat fort avec le CIRIMAT de Toulouse qui maîtrise l'élaboration des céramiques tant sur le plan de composition chimique que sur le plan textural. Ce projet se situe ainsi à l'interface entre la communauté « matériau » et celle de la « thermique ». En ce sens il constitue un nouvel axe de recherche. Il s'inscrit de ce fait dans une synergie entre les élaborateurs qui conçoivent des matériaux conférant aux PAC-SOFC de bonnes propriétés électrochimiques et les modélisateurs qui intègrent les transferts thermiques et de masses. Notre équipe se veut ainsi multidisciplinaire, sa composition respectant l'équilibre entre expérimentateurs et numériciens. Le projet sera mené au travers de six « work packages » (WP) interconnectés. - WP1 : Caractérisation de la texture des céramiques (Tomographie X,MEB environnemental). - WP2 : Visualisation 3D des céramiques - WP3 : Caractérisation des indices optiques des matériaux homogènes associés (20 < T < 1 000° C). - WP4 : Mesure des propriétés thermoradiatives des céramiques (20 < T < 1 000°C). - WP5 : Modélisation des de ces grandeurs (Monte Carlo, Lancer de Rayon) - WP6 : Fourniture des propriétés thermoradiativ