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Défis technologiques >> Solutions avancées pour l’hydrogène et les piles à combustible pour la transition énergétique
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Hydrogénation de Liquid Organic Hydrogen Carrier par réduction électrochimique

Département des Technologies des NanoMatériaux (LITEN)

Laboratoire des technologies de valorisation des procédés et des matériaux pour les EnR

chimie/electrochimie

01-10-2021

SL-DRT-21-0471

vincent.faucheux@cea.fr

Solutions avancées pour l?hydrogène et les piles à combustible pour la transition énergétique (.pdf)

L'hydrogène est attendu comme le vecteur énergétique de demain du fait de la versatilité de ses moyens de production et d'utilisation. Néanmoins, son stockage reste aujourd'hui un défi technologique et scientifique majeur. Une alternative à la compression ou la liquéfaction de l'H2 - procédés énergivores et couteux - consiste à stocker et transporter l'hydrogène à pression atmosphérique et à température ambiante (via des infrastructures existantes) au moyen de molécules organiques liquides LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier). Ces molécules peuvent subir des cycles réversibles d'hydrogénation/déshydrogénation en présence d'un catalyseur. Cette technologie permet donc d'acheminer l'hydrogène de son site de production (via l'électrolyse) vers son site d'utilisation grâce à l'utilisation de ces molécules liquides. Un frein au déploiement commercial de cette technologie réside dans l'efficacité énergétique de l'ensemble du processus et du coût des réacteurs d'hydrogénation/déshydrogénation. En effet, les réactions d'hydrogénation/déshydrogénation sont fortement exothermique/endothermique et nécessitent d'une part des températures relativement élevées et d'autre part des catalyseurs efficaces souvent à base de platinoïdes. Par ailleurs, l'étape d'hydrogénation nécessite au préalable de générer de l'H2 par électrolyse. La mise en place d'une hydrogénation directe de molécules LOHC à température et pression ambiante par électroréduction, permettrait de minimiser les besoins énergétiques liés à cette étape d'hydrogénation, et ouvrirait le champ d'application de cette technologie LOHC.

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Analyse prédictive, synthèse et validation de catalyseurs non nobles pour une décomposition efficiente de NH3 à plus basse température

Département des Technologies des NanoMatériaux (LITEN)

Laboratoire des technologies de valorisation des procédés et des matériaux pour les EnR

chimie fondamentale/materiau

01-10-2021

SL-DRT-21-0523

jerome.delmas@cea.fr

Solutions avancées pour l?hydrogène et les piles à combustible pour la transition énergétique (.pdf)

L'hydrogène est attendu comme le vecteur énergétique de demain du fait de la versatilité de ses moyens de production et d'utilisation. Néanmoins, les solutions actuelles de stockage (hyperbare, H2 liquide, ?) présentent toutes certains inconvénients (coût, besoin en énergie, pertes par diffusion ou ébullition). Dans ce contexte, différentes alternatives existent parmi laquelle l'ammoniac. L'ammoniac présente des atouts indéniables pour le stockage d'H2 avec des densités énergétiques volumiques (108 kg H2/m3 NH3 à 20°C-8,6bar) et massiques (17.8%wt H2) élevées et des infrastructures existantes pour sa distribution. Par ailleurs son utilisation soit sous forme de NH3 soit sous forme d'H2 après décomposition permet d'envisager l'ammoniac pour de multiples applications. Sa décomposition est endothermique et une température élevée (> 700°C) est nécessaire pour assurer sa décomposition avec des cinétiques élevées. Cette température implique un vieillissement accéléré des catalyseurs et a un impact fort sur la tenue mécanique des réacteurs dans le temps. Développer des catalyseurs permettant la décomposition efficace (cinétique, coût) de NH3 à plus basse température, sur la base d'une approche théorique et expérimentale, permettrait de participer au développement de technologies NH3.

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Préparation, caractérisation et modélisation de fibres carbonées par électrofilage comme GDL pour pile à combustible PEM

Département de l'Electricité et de l'Hydrogène pour les Transports (LITEN)

Laboratoire Composants Pemfc

Bac +4/5 (Matériaux, Electrochimie, Simulation numérique)

01-09-2021

SL-DRT-21-0892

frederic.fouda-onana@cea.fr

Solutions avancées pour l?hydrogène et les piles à combustible pour la transition énergétique (.pdf)

La fabrication de couche carbonée poreuse par électrofilage permet de faire varier plusieurs propriétés(épaisseur de la couche, diamètre des fibres). L'impact des propriétés microstructurales de ces couches affectera les écoulements (gaz et d'eau liquide). La gestion de ces flux diphasiques est l'un des points essentiels pour améliorer les performances électrochimiques des piles à combustible. Il a été montré qu'au moins 50 % des pertes de transport de gaz dans une pile à combustible sont attribuées à la couche de diffusion (GDL en anglais), et elles se manifestent majoritairement à forte densité de courant (de 3 à 4 A/cm²)quand l'apport des gaz aux sites actifs devient le phénomène limitant. L'amélioration des phénomènes de transport dans ces couches apporterait un gain très important sur les performances des piles à combustible et c'est la raison pour laquelle une meilleure compréhension du lien entre les propriétés locales des GDL et leurs performances en pile est de première importance. Le sujet de thèse repose sur deux piliers : 1- Réalisation et caractérisation du support carboné fibreux par électrofilage ayant des propriétés macroscopiques différentes (MEB, Conductivité électrique, Diffusion thermique et gaz). 2- Utilisation des modèles existants sous (Matlab/Simulink) ou "Réseau de pores" (PNM) pour relier les propriétés locales (structure, mouillabilité) aux propriétés effectives de transport (électrique, fluidique mono et diphasique). Puis dans un second temps, intégrer ces propriétés effectives de la GDL dans des modèles de performances de piles à combustible.

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Compréhension des mécanismes de dégradation des cellules à oxyde solide par une approche multi-échelle couplant calculs ab-initio et modèles de cinétiques électrochimiques

Département Thermique Conversion et Hydrogène (LITEN)

Laboratoire essais et systèmes

Compétences en mécanique quantique et calculs DFT. Connaissances en physique de la matière condensée et électrochimie des solides seront appréciées.

01-11-2021

SL-DRT-21-1078

maxime.hubert@cea.fr

Solutions avancées pour l?hydrogène et les piles à combustible pour la transition énergétique (.pdf)

Les cellules à oxyde solide (SOCs) sont des convertisseurs électrochimiques fonctionnant à hautes températures qui peuvent être utilisés pour produire soit de l'électricité en mode pile à combustibles (SOFC) ou de l'hydrogène en mode électrolyseur (SOEC). Grâce à un large éventail de cas d'application, cette technologie est susceptible d'offrir de nombreuses solutions innovantes pour assurer la transition vers l'utilisation massive d'énergies renouvelables. Néanmoins, la durée de vie de cette technologie reste à ce jour insuffisante pour envisager son dépoilement industriel. En effet, la durabilité des SOCs est limitée par de nombreux phénomènes physiques se déroulant principalement aux électrodes. Cependant, les mécanismes sous-jacents entrainant cette dégradation restent mal compris à ce jour et dépendent de phénomènes multi-physiques complexes impliquant différentes échelles. Dans la cadre de cette thèse, il est proposé de mettre en ?uvre une modélisation multi physique et multi échelle pour mieux comprendre et élucider le fonctionnement et la dégradation des électrodes SOCs. Pour ce faire, des modèles ab-initio seront développés et ensuite couplés à des modèles électrochimiques déjà disponibles à l'échelle des électrodes. Les simulations permettront de mieux analyser les mécanismes de dégradation et proposer des solutions innovantes pour augmenter la durée de vie des SOCs.

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