Densification par Spark Plasma Sintering (SPS) de matériaux d'électrolytes, difficilement densifiables, pour piles à combustible

Use of Spark Plasma Sintering (SPS) for the densification of “hard-to-densify” SOFC's electrolytes

¹ Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des Solides (UMR 8580 CNRS), École Centrale Paris, Grande voie des vignes, 92295 Châtenay-Malabry Cedex, France
² CIRIMAT (UMR 5085 CNRS/UPS/INPT) et Plateforme Nationale de Frittage, Flash du CNRS, PNF2 MHT, 118 route de Narbonne, Université Paul-Sabatier, 31062 Toulouse Cedex 9, France

Reçu : 19 Juillet 2007
Accepté : 20 Juillet 2007

Résumé

Des matériaux tels que les apatites à base d'oxydes de lanthane et de silicium ou des pérovskites conductrices protoniques, potentiellement utilisables au sein de piles à combustible, présentent une grande résistance au frittage. Celle-ci limite d'autant plus leur utilisation au sein de piles à combustible, surtout s'ils doivent être employés comme électrolytes. Plusieurs stratégies peuvent être envisagées pour remédier à ce problème parmi lesquelles l'emploi de nouvelles méthodes de frittage ou le choix d'une méthode de synthèse efficace (permettant par exemple de diminuer la taille des grains ou de limiter celle des agrégats souvent rédhibitoires au moment du frittage). Nous présentons ici les résultats de frittage par Spark Plasma Sintering (appelé par la suite SPS) en les comparants à ceux obtenus par frittage conventionnel haute température. Les matériaux étudiés ont des compositions dérivées des phases LaSi₆O₂₆ et BaZrYO pour lesquelles des problèmes de frittage ont été rencontrés. Nous insisterons sur les particularités des matériaux obtenus par SPS en termes de structure et microstructure et des conséquences sur les propriétés de transport anionique.

Abstract

Materials, such as lanthanum silicate oxy-apatites or protonic conductors which exhibit the perovskite-like structure, can be potentially used for Solid Oxide Fuel Cell (SOFC). However, they present a well-known strong aversion against densification. This drawback all the more limits their use within SOFC especially if they must be employed as electrolytes. Several options can then be proposed to solve this difficulty, among which the use of powerful sintering techniques combined with an efficient synthesis method (which allow decreasing grain size and/or preventing aggregates' growth). In this work, we present the results of densification by SPS process and compare them to those obtained by conventional high temperature sintering. The studied materials are derived from LaSi₆O₂₆ and BaZr_0.90Y_0.10O_2.95 materials for which problems of densification have been encountered. Peculiarities in terms of structure and microstructure will be particularly highlighted since they are likely to have an effect on anionic transport properties.