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Défis technologiques >> Solutions avancées pour l’hydrogène et les piles à combustible pour la transition énergétique
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Robustesse et performances d'électrodes optimisées de cellules à oxyde solide

Département Thermique Conversion et Hydrogène (LITEN)

Laboratoire essais et systèmes

The student will have transversal competences in materials and/or mechanic of solids. Skills in modelling will be also appreciated.

01-10-2021

SL-DRT-21-0289

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 d'électrolyse (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 dont notamment l'endommagement mécanique des électrodes. Par exemple, la formation de microfissures dans l'électrode dite à hydrogène est une des sources majeures de dégradation. Les mécanismes mis en jeu ainsi que l'impact des microfissures sur les performances restent cependant mal connus à ce jour. Par une approche de modélisation multi-physique, il est proposé dans cette thèse d'établir le lien entre la baisse des performances de l'électrode à hydrogène et son endommagement mécanique. Une fois le modèle validé sur des expériences originales, une analyse de sensibilité sera conduite et des recommandations seront émises pour des électrodes optimisées. Une ou deux solutions seront retenues et fabriquées pour une validation finale.

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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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Prédiction de la durée de vie des électrolyseurs PEM par modélisation multi-physique

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

Laboratoire Modélisation multi-échelle et suivi Performance

Ecole ingénieur/master électrochimime, modélisation multi-physique

01-10-2021

SL-DRT-21-0838

pascal.schott@cea.fr

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

La diminution du coût des électrolyseurs PEM reste encore un des principaux objectifs pour atteindre une commercialisation importante de cette nouvelle technologie pour la transition énergétique (production d'hydrogène décarboné). La fabrication des assemblages membrane électrode (AME) doit également être optimisé pour atteindre des larges volumes de fabrication avec une haute qualité. Le NREL (National Renewable Energy Laboratory), optimise les matériaux et design des électrolyseurs pour augmenter la durée de vie. L'évaluation de ces améliorations est très difficile car la durée de vie de 80000 heures est peu compatible avec des campagnes de tests expérimentaux. L'utilisation de modèle multi-physique et de simulation numérique est nécessaire pour comprendre, évaluer et prédire les performances et durée de vie des électrolyseurs. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension et la prédiction de la durée de vie sur des électrolyseurs PEM. La plateforme MUSES de modélisation multiphysique et multiéchelle du CEA sera couplée à des analyses sur la base de données des essais expérimentaux du NREL. En particulier les points suivant seront adressés par simulation : ? Analyse statistique des données expérimentales du NREL pour corréler les mécanismes de dégradation au conditions opératoires ; ? Développement des modèles de dégradation de catalyseur et de la membrane, à partir de modèles existant au CEA ; ? Validation des modèles de vieillissement sur des données expérimentales dédiées ? Proposition de cycles de dégradation accélérés pour les électrolyseurs PEM La thèse sera localisée au CEA Grenoble, avec plusieurs missions de plusieurs mois au NREL, au Colarado USA, à prévoir.

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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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