2020 BRASSOA – Brassage par écoulement entrainés par Ondes Acoustiques
L’utilisation d’ultrasons pour contrôler les écoulements et le mélange dans des alliages métalliques en cours de solidification permettrait la fabrication de lingots de meilleure qualité et donc des coûts de production et de consommation de matières premières moindres.Parmi les nombreuses technologies de motorisations existantes pour répondre aux exigences de mobilité durable, les piles à combustible basses températures (PEMFC, AEMFC) sont des convertisseurs électrochimiques particulièrement adaptées au besoin de clients qui recherchent une grande autonomie, une charge rapide et des émissions réduites de gaz à effet de serre. Idéalement utilisées dans des applications de transport lourd (camions, trains), l’adoption de cette technologie à grande échelle est entravée par son coût, ses faibles rendements et sa durabilité encore éloignée des 20 000 heures requis. Ces obstacles majeurs sont fortement reliés à la réaction de réduction de l’oxygène à la cathode (ORR) qui a une cinétique lente et donc nécessite une masse de catalyseur à base de métaux nobles plus importante qu’à l’anode. La faible solubilité de O2, l’hydrophobicité de cathode pour évacuer l’eau produite et la dissolution du catalyseur sont à l’origine de la durée de vie réduite de ces piles.
Parmi les nombreuses technologies de motorisations existantes pour répondre aux exigences de mobilité durable, les piles à combustible basses températures (PEMFC, AEMFC) sont des convertisseurs électrochimiques particulièrement adaptées au besoin de clients qui recherchent une grande autonomie, une charge rapide et des émissions réduites de gaz à effet de serre. Idéalement utilisées dans des applications de transport lourd (camions, trains), l’adoption de cette technologie à grande échelle est entravée par son coût, ses faibles rendements et sa durabilité encore éloignée des 20 000 heures requis. Ces obstacles majeurs sont fortement reliés à la réaction de réduction de l’oxygène à la cathode (ORR) qui a une cinétique lente et donc nécessite une masse de catalyseur à base de métaux nobles plus importante qu’à l’anode. La faible solubilité de O2, l’hydrophobicité de cathode pour évacuer l’eau produite et la dissolution du catalyseur sont à l’origine de la durée de vie réduite de ces piles.
Les travaux de 3 thèses dirigées par l’équipe du LMFA, porteur de ce projet, ont montré dans des démonstrateurs en eau, l’intérêt d’écoulements générés par ultrasons (acoustic streaming), l’amélioration du transfert de masse sous l’influence de ces écoulements par des techniques électrochimiques et leur potentialité pour le contrôle d’instabilités de convection naturelle.
Le portage de cette technique dans des fours industriels nécessite l’intégration de nouvelles contraintes inhérentes à la nature du fluide et à la température de travail importante. Une source acoustique haute fréquence, couplée à un guide d’onde adapté permettant de transmettre les ondes acoustiques jusqu’au sein d’un bain de silicium en fusion a été breveté. L’écoulement optimal dépend fortement de la géométrie du creuset et de la convection déjà présente dans le bain. La chaîne technologique à maîtriser est donc constituée de 3 maillons (transducteurs, guide d’ondes et écoulement) afin d’implanter l’acoustic streaming comme méthode de contrôle et de mélange dans des fours industriels.
Pour relever ces challenges, le projet s’appuie sur la collaboration de 4 laboratoires (LMFA, LVA, LGEF, FCS (Coventry)) qui aboutiront à la mise en œuvre de solutions et à des essais sur les bancs prototypes de nos partenaires industriels. Les fours de solidification en silicium photovoltaïque du CEA INES (Chambéry) pourront être utilisés en continuité des travaux déjà engagés.
Notre expertise permettra de dimensionner chaque maillon de la chaine technologique afin de répondre à un besoin dans des secteurs industriels à forte valeur ajoutée, soumis à une forte concurrence et soucieux de leur impact environnemental.
Porteur de projet
Sophie MIRALLES Laboratoire LMFA
Durée : 3 ans Financements : 171,6 k€ en partenariat avec Coventry University, Pr. Alban Pothérat CEA INES, Mickael Albaric
Les laboratoires collaborateurs
LVA
LVA
LGEF
LGEF
LMFA
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