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Défis technologiques >> Solutions avancées pour l’hydrogène et les piles à combustible pour la transition énergétique
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Etude de la structure et des performances des électrodes de pile à combustible en relation avec le processus de fabrication grâce à l'imagerie et à la diffusion de neutrons et de rayons X

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

Laboratoire Composants Pemfc

Matériaux, Electrochimie, Physique.

01-10-2020

SL-DRT-20-0365

arnaud.morin@cea.fr

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

Les véhicules automobiles à zéro émission utilisant l'hydrogène comme carburant et alimentés par une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sont maintenant disponibles dans le commerce. Cependant, la commercialisation à grande échelle des véhicules à pile à combustible PEM nécessite des progrès en termes de performances, de coût et de durabilité, pour lesquels l'électrode est le composant le plus limitant. Elle est constituée d'un mélange aléatoire de nanoparticules à base de platine dans un réseau de polymères conducteurs de protons. L'électrode est obtenue à partir d'une suspension, appelée encre, après évaporation des solvants. Actuellement, la recherche et le développement pour améliorer les performances de l'électrode et réduire les coûts de fabrication reposent sur un approche de type essais/erreurs. L'objectif de ce projet est d'accroître les connaissances sur les relations entre la composition de l'encre, la structure, les propriétés et les performances des électrodes. L'évolution de l'encre au cours du processus de séchage et de l'électrode ainsi obtenue sera caractérisée par la diffusion de neutrons et de rayons X, en tant qu'outils complémentaires permettant de mieux comprendre l'organisation du matériau catalytique et du polymère. En corrélant ces résultats avec les mesures électrochimiques, structurelles et d'imagerie d'Operando, nous visons à rationaliser la conception des électrodes. Ce projet implique des partenaires possédant toutes les compétences complémentaires nécessaires à cette étude présentant un intérêt tout particulier pour le partenaire industriel TOYOTA, qui est le leader dans la recherche, le développement et la production de voitures à piles à combustible.

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Optimization of the Ni-YSZ Fuel Electrode for a Better Stability of Solid Oxide Cell

Département Thermique Biomasse et Hydrogène (LITEN)

Laboratoire Production d'Hydrogène

Master 2 en matériaux et/ou électrochimie. Des compétences en modélisation seront appréciées.

01-10-2020

SL-DRT-20-0602

karine.couturier@cea.fr

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

Les cellules à oxydes solides (?SOCs' pour ?Solid Oxide Cells') sont des convertisseurs électrochimiques fonctionnant à hautes températures qui peuvent transformer un gaz en électricité en mode pile à combustibles (SOFC) ou inversement en électrolyse (SOEC). Ces systèmes ont récemment attiré une attention croissante grâce à une grande flexibilité d'utilisation et des rendements énergétiques très importants. Ces avantages permettent d'envisager diverses applications technologiques qui pourraient offrir des solutions innovantes pour une transition vers un marché de l'énergie renouvelable. Néanmoins, la durabilité des cellules à oxydes solides reste à ce jour insuffisante pour envisager un déploiement industriel à grande échelle. Parmi les différents phénomènes de dégradation, l'évolution microstructurale de l'électrode à hydrogène, classiquement composée d'un cermet de Nickel et de Zircone Stabilisée à l'Yttrium (Ni-YSZ), est reconnue comme étant un mécanisme majeur contribuant au vieillissement de la cellule. La thèse s'inscrit dans cette problématique et vise à étudier les mécanismes de dégradation du cermet Ni-YSZ. Pour atteindre cet objectif, une approche intégrée couplant (i) tests électrochimiques, (ii) modélisation et (iii) caractérisations microstructurales avancées sera mise en ?uvre. Une fois le mécanisme précisément compris, des solutions seront proposées en termes d'optimisation des microstructures et des matériaux.

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Mécanismes de dégradation de l'électrode à oxygène en Ferro-cobaltite de Lanthane dopée au Strontium pour cellules à oxydes solides

Département Thermique Biomasse et Hydrogène (LITEN)

Laboratoire Production d'Hydrogène

Master 2 en matériaux et/ou électrochimie. Des compétences en modélisation seront appréciées.

01-10-2020

SL-DRT-20-0622

bertrand.morel@cea.fr

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

Les cellules à oxydes solides (?SOCs' pour ?Solid Oxide Cells') sont des convertisseurs électrochimiques fonctionnant à hautes températures qui peuvent transformer un gaz en électricité en mode pile à combustibles (SOFC) ou inversement en électrolyse (SOEC). Ces systèmes ont récemment attiré un attention croissante grâce à une grande flexibilité d'utilisation et des rendements énergétiques très importants. Ces avantages permettent d'envisager diverses applications technologiques qui pourraient offrir des solutions innovantes pour une transition vers un marché de l'énergie renouvelable. Néanmoins, la durabilité des cellules à oxydes solides reste à ce jour insuffisante pour un déploiement industriel à grande échelle. Parmi les différents phénomènes de dégradation, la déstabilisation du matériau d'électrode à oxygène, classiquement composé d'une Ferro-Cobaltite de Lanthane dopée au Strontium (LSCF), contribue significativement au vieillissement de la cellule. Dans ce contexte, le travail de thèse consistera à étudier les mécanismes contrôlant la démixtion du matériau d'électrode à oxygène associée à des phénomènes de diffusion des éléments chimiques. Pour ce faire, une approche expérimentale et de modélisation sera adoptée. Des tests électrochimiques de longues durées seront réalisés et les électrodes vieillies seront caractérisées par fluorescence et diffraction des rayons X synchrotrons à l'échelle nanométrique. Les données acquises seront introduites dans une modélisation multi-échelle pour analyser les résultats. Des recommandations sur les matériaux et les conditions de mises en forme seront finalement proposées en vue d'améliorer la durée de vie des cellules.

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Simulation des défauts de fabrication des cellules des piles à combustible PEMFC

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

Laboratoire Modélisation multi-échelle et suivi Performance

Master 2 informatique, physique

01-10-2020

SL-DRT-20-0799

pascal.schott@cea.fr

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

La diminution du coût des piles PEMFC reste encore un des principaux objectifs pour atteindre une commercialisation importante de cette nouvelle technologie pour la transition énergétique. La fabrication des assemblages membrane électrode (AME) doit également être optimisé pour atteindre des larges volumes de fabrication avec une haute qualité. Des outils de diagnostics en ligne développés par le NREL (National Renewable Energy Laboratory), permettent d'évaluer la qualité de la fabrication des électrodes. Ces méthodes permettent de détecter les défauts et irrégularités dans les électrodes fabriquées par des méthodes de type R2R (Roll-to-Roll). Néanmoins, ces méthodes ne permettent pas de comprendre l'impact de ces défauts et irrégularités sur la durée de vie des AME. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension et la prédiction de la durée de vie sur des AME comportant des défauts ou des irrégularités, comme par exemple des trous ou des zones d'amincissement dans la membrane. La plateforme MUSES de modélisation multiphysique et multiéchelle du CEA sera couplée à des analyses statistiques sur la base de données des essais expérimentaux du NREL. En particulier les points suivant seront adressés par simulation : ? Impact des défauts (trous dans la membrane, dégradation du catalyseur, distribution non uniforme du catalyseur), sur les performances ; ? Impact des défauts sur la durée de vie ; ? Prédiction de la probabilité de défauts à partir d'une analyse de sensibilité des modèles et de la base expérimentale La thèse sera localisée au CEA Grenoble, avec plusieurs missions de plusieurs mois au NREL, au Colarado USA, à prévoir.

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Développement d'un simulateur d'électrolyseur alcalin à membrane polymère échangeuse d'anions.

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

Laboratoire Modélisation multi-échelle et suivi Performance

Master 2 modélisation et simulation numérique

01-10-2020

SL-DRT-20-0801

gserre@cea.fr

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

Les systèmes alcalins à membrane polymère échangeuse d'anions (AEM) connaissent un intérêt croissant car ils ont les avantages cumulés des systèmes alcalins et des systèmes PEM (à membrane échangeuse de protons) sans leurs inconvénients : pas besoin de platine comme catalyseur, électrolyte polymère au lieu de diaphragme, pas besoin de solution KOH, pas de problème induit par l'acidité. Ces systèmes nécessitent cependant un effort de recherche significatif avant d'atteindre la maturité industrielle. Pour aborder cette thématique des systèmes alcalins AEM, on se propose de développer un simulateur de fonctionnement normal et dégradé des électrolyseurs alcalins. Cet outil sera le réceptacle de tous les modèles physico-chimiques disponibles et à venir pour cette technologie. En pratique, le labo dispose déjà d'un code multiphysique sous Matlab/Simulink pour les électrolyseurs PEM. Il faudra adapter ce code aux électrolyseurs AEM en changeant les modèles physico-chimiques de performance (fonctionnement normal) et en ajoutant ceux pour la dégradation. Cela nécessitera d'analyser les modèles existants dans la littérature et de développer ceux qui n'existent pas ou sont insuffisants en se basant sur des résultats d'expériences qui auront lieu dans le même temps dans un laboratoire voisin. Cette thèse visera à développer le code d'abord pour qu'il soit capable de simuler les performances dans différentes conditions opératoires puis qu'il puisse simuler la dégradation de ces performances au cours du temps en fonction des paramètres influençant différents types de dégradation (membrane?). Le candidat devra avoir des compétences en modélisation et simulation numérique, ainsi qu'en physico-chimie et savoir échanger avec les personnes qui feront les essais servant à développer/valider de nouveaux modèles.

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Nouvelles stratégies de fonctionnement et d'architectures pour l'optimisation des performances des systèmes PEMFC

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

Laboratoire Système Pemfc

Electrochimie, Genie des Procédés,Génie électrique

01-10-2020

SL-DRT-20-0820

fabrice.micoud@cea.fr

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

L'augmentation des performances électrochmiques et de la durée de vie des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est considérée comme un enjeu majeur pour le déploiement à grande échelle de cette technologie. Ce sujet de thèse a pour objectif de développer, de réaliser, d'étudier en détail les possibilités et les améliorations permises par de nouvelles architectures et modes de fonctionnement de systèmes PEMFC. Il s'agira de quantifier les gains en termes de pilotage, de puissance/rendement électrique et de durabilité sur banc de test (fonctionnement « modèle contrôlé ») et sur banc système. La finalité de ces travaux est : i) de consolider nos connaissances des mécanismes et des cinétiques de dégradations au sein des PEMFC ; ii) de valider expérimentalement en laboratoire nos innovations en termes d'architectures système en les alliant avec un contrôle-commande et un système de monitoring robustes et iii) d'améliorer les performances électrochimiques et d'avoir la meilleure gestion pour atteindre le rendement optimal du système pile.

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Compréhension des phénomènes de noyage dans les PEMFC à mini-canaux

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

Laboratoire Système Pemfc

Génie des procédés, mécanique des fluides, électrochimie

01-10-2020

SL-DRT-20-0847

jean-philippe.poirot@cea.fr

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

La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est aujourd'hui considérée comme une solution pertinente pour une production d'énergie électrique décarbonée, aussi bien pour des applications transport que stationnaire. La gestion des fluides à l'intérieur de ces piles a un impact important sur leur performance et leur durabilité. Les phénomènes de noyage dus à l'accumulation d'eau liquide sont bien connus pour nuire au fonctionnement des piles, provoquant des chutes de performance et des dégradations pouvant être irréversibles. Avec l'utilisation de canaux de plus en plus fins dans des piles toujours plus compactes, ces phénomènes deviennent de plus en plus fréquents. L'objectif de cette thèse est de progresser dans la compréhension du noyage dans les PEMFC. Les travaux consisteront à analyser le lien entre les conditions de fonctionnement, le design des canaux et les matériaux utilisés dans les c?urs de pile. Ils s'appuieront d'une part sur de nombreux résultats expérimentaux, dont certains incluent des images de neutronographie, et d'autre part sur des modèles multi-physiques à différentes échelles. Ceci permettra de coupler une approche locale, à l'échelle d'une fraction de la longueur d'un canal, et une approche globale à l'échelle de la cellule complète.

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Simulation mécanique des assemblages PEMFC

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

Laboratoire Composants Pemfc

master2 ou ingénieur

01-09-2020

SL-DRT-20-0882

jean-francois.blachot@cea.fr

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

Le but de la thèse sera de participer au développement de "la simulation mécanique dans les empilements de Piles à Combustible", thématique récente qui suscite un fort intérêt dans le laboratoire. En effet, les recherches de ces dernières années se sont principalement intéressées au développement de composants d'une part plus robustes: catalyseurs plus stables et membranes renforcées par exemple, et d'autre part plus fins pour lesquels le contrôle de l'assemblage devient critique. Les premières études faites à l'aide du logiciel COMSOL Multiphysics, facilitant le lien avec les aspects multiphysiques, confirment la pertinence du développement de cette thématique. Le doctorant devra s'impliquer dans cette démarche, allant de la simulation fine de matériaux ayant des comportements non linéaires complexes à l'utilisation des méthodes d'homogénéisation pour passer des simulations locales à l'échelle d'un empilement de plusieurs cellules élémentaires (stack). Le candidat devra aussi être capable de maitriser les mesures expérimentales nécessaires à la validation de ces calculs.

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