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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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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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