Nouveaux Catalyseurs Carbonés Durables pour PEMFC

Le but du projet est de développer et de tester pour l’ORR, un matériau à base d’aérogel de graphène mésoporeux et graphitisé, présentant une structuration hiérarchique permettant un meilleur transfert de matière et des domaines graphitiques augmentant la durabilité et la conductivité du matériau final, et fonctionnalisé par des Pt-NPs.
Ces structures de graphène expansé développées à l’IRIG/SyMMES présentent des chimies de surfaces, des micro/méso/macro porosités dépendantes des méthodes de synthèses, fonctionnalisation et de séchage employées. L’objectif sera d’augmenter leur degré de graphitisation, et ensuite de déposer par voie chimique les Pt-NPs. Les propriétés électrocatalytiques de ces matériaux seront ensuite testées.
La caractérisation méso-structurale avancée par diffusion de rayonnement de ces matériaux permettra de corréler propriétés structurales et propriétés catalytiques de ces nouveaux électro-catalyseurs en système pile à combustible. Ce gain de connaissance passera par des analyses ex-situ, mais aussi operando.

Simulation HPC des propriétés mécaniques des électrodes dans les batteries Li-ion

Li-ion batteries are complex multi-physics systems in which chemical reactions, transport phenomena, and mechanical deformation are strongly coupled. The battery electrodes are composed of micrometric granular materials (the microstructure) where the lithium can insert and disinsert, a process that creates internal mechanical stress and strain in the materials and subsequent volumic changes. While it is currently observed that the coupling between electrochemical reactions and mechanical deformation at the microstructure level strongly impacts the battery performances, lifespan and safety, the origin of this impact is poorly understood. The global objective of this position is to better understand the coupling between mechanical deformations of the microstructure and the local conditions of lithium transport in the electrode. The study should lead to practical applications such as recommendation on the electrode design to increase life capability of Li-ion batteries.

Etude de la performance et du vieillissement de batterie lithium ion operando par mesures multi-instrumentée externes

Le poste proposé ici porte sur le développement et la mise en œuvre de techniques de caractérisation in-situ et operando utilisant des capteurs externes à la cellule. Le candidat sera amené à tester et mettre au point des techniques de mesures externes sur cellules Li-ion afin de mesurer les paramètres critiques. Il participera au choix des capteurs, à l’instrumentation des cellules, à leurs mises en œuvre dans différentes conditions de cyclage et à l’étude de leurs performances et vieillissement. Il participera à l’analyse des données ainsi qu’à l’étude post-mortem des cellules afin d’identifier les mécanismes de dégradation et effectuer la corrélation entre les mesures issues des capteurs et les phénomènes observés. Le présent post-doctorat s’inscrit dans un travail d’équipe composé d’électro-chimistes, de physiciens, de chimistes et d’opticiens. Il se concentrera sur l’instrumentation externe de la cellule et travaillera en étroite collaboration avec une équipe composée de plusieurs ingénieurs, chercheurs, doctorants et postdoctorant. L’objectif de ces travaux est de fournir un ensemble de données fiables sur les mécanismes de dégradation des cellules et leur monitoring afin d’alimenter les travaux qui seront réalisés dans le cadre du projet SENSIGA sur la mise en place de fonctions avancées du Batterie Management System (BMS).
Le poste est à pourvoir au sein du laboratoire d’Analyse Electrochimique et Post-Mortem du LITEN au CEA de Grenoble et se fera en collaboration avec Nicolas Guillet (LITEN/L2SA sur le site de l’INES) pour la partie de capteurs acoustiques.

Simulation des phénomènes de noyage dans les PEMFC

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 ce post-doc 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 cœurs de pile. Ils seront basés sur une approche de modélisation des écoulements diphasiques à différentes échelles, en commençant par une échelle locale au niveau d’une dent et d’un canal, pour parvenir, via une remontée d’échelle, jusqu’au niveau de la cellule complète. L’étude s’appuiera également sur de nombreux résultats expérimentaux obtenus au CEA ou dans la bibliographie.

Simulations massivement parallèles de piles à hydrogène PEM

L'objectif est d'améliorer le code TRUST-FC développé conjointement par le LITEN/DEHT/SAMA et DES/ISAS/DM2S/STMF/LGLS pour la simulation fine des piles à hydrogène PEM et de l'appliquer à des géométries réelles. Financé par le laboratoire virtuel commun AIDAS (CEA/FZJ), un premier travail a permis de construire le modèle électro-chimique et fluidique complet basé sur le code CEA TRUST, et de le comparer avec son homologue basé sur OpenFoam. Suite à cela, le candidat adaptera l'ensemble de la chaine de calcul à des maillages de taille croissante pour arriver à des maillages de plaques bipolaires complètes de plusieurs centaines de millions d'éléments. D'autre part, il introduira des modèles d'écoulements diphasiques afin d'adresser les enjeux technologiques actuels(problèmes d'assèchement ou de noyage local).
Cet ambitieux projet est activement soutenu par une collaboration étroite avec la DES et avec FZJ.

Développement de capteur optique in-situ et operando appliqué aux batteries Li-ion

Le développement des batteries Li-ion présente une forte croissance depuis une dizaine d’années. L’amélioration des performances, de la sécurité et de la durabilité, sont les axes principaux de recherche dans le domaine. Les mécanismes mis en jeux dans le fonctionnement et le vieillissement sont complexes et leur compréhension nécessite des mesures operando et in situ aux différentes échelles du nano au macroscopique. Le CEA s’est donné comme objectif, à travers un projet de recherche, de développer une sonde locale optique pour la mesure in situ et operando des paramètres physiques (température, déformations mécaniques) et chimiques (concentration locale en ion lithium) lors du fonctionnement d’une batterie Li-Ion. En intégrant une équipe pluridisciplinaire, le/la candidat(e) participera dans un premier temps au développement des sondes optiques et leurs intégrations sur des fibres optiques : à savoir la synthèse des sondes optiques et chimiques, leurs intégrations à la surface de fibres optiques et leurs caractérisations. Le/la candidat(e) participera également à la réalisation du montage optique et aux campagnes d’essais. Les capteurs développés seront intégrés à des cellules Li-ion et testés sous différentes conditions afin de tester l’efficacité du capteur développé et établir une première preuve de concept.

Purification de l’hydrogène issu d’un reformeur par un dispositif électrochimique

Ce projet vise à mettre en place un nouvel axe de recherche et développement sur les dispositifs de purification pour les reformeurs pour alimenter les piles à combustible en hydrogène. Ce travail est de première importance pour réaliser des systèmes à base de piles à combustible alimentés par différentes sources d’hydrocarbures. Utilisée en mode « power full » ou « range extender », le reformeur et son système de purification des gaz sont des éléments de la chaîne qu’il convient d’optimiser
L’objectif du projet est de proposer un dispositif électrochimique de purification du gaz issu d’un reformeur dont le principe de base s’apparente à celui d’un électrolyseur PEM. Les gaz issus du reformeur subissent une oxydation électrocatalytique sélective permettant de séparer l’hydrogène des polluants usuels et d’alimenter directement une pile à combustible.
Le projet portera principalement sur la sélection et la caractérisation des performances électrocatalytiques de catalyseurs ainsi que la réalisation de prototypes fonctionnels.
Ces développements permettront d’évaluer la pertinence économique du dispositif vis-à-vis d’autres systèmes et d’identifier les axes de recherche à développer par la suite.

Modélisation Multi-échelle des mécanismes de dégradation des polymères électrolytes dans le Piles à Combustible

Dans le cadre des études sur les phénomènes physico-chimiques intervenants dans les Piles à Combustibles, le groupe de modélisation du CEA Grenoble/LCPEM a développé un nouveau modèle multi-échelle, MEMEphys, qui décrit les phénomènes d’électrocatalyse dans les PEFC.
L’activité post-doctorale que nous proposons consistera au développement du modèle, avec la prise en compte d’une description des phénomènes de transport d’eau et de condensation. Une attention particulière sera portée aux hétérogénéités électrochimiques et aux processus de vieillissements induits par l’eau. Afin d’établir une relation entre les performances et structure et d’élucider les phénomènes de dégradation dans le MEA, le candidat devrait combiner des données expérimentales et théoriques obtenues dans nos laboratoires. D’un point de vue fondamental, ce travail nous amènera une compréhension plus profonde des mécanismes électrochimiques qui sont responsables du vieillissement des couches actives dans les Piles à Combustible à différentes échelles temporelles.

Membranes conductrices protoniques à base de réseaux interpénétrés de polymères pour piles à combustible

Ce sujet se place dans le cadre du développement des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), et a plus précisément pour objectif d’améliorer leur performance et leur durée pour un fonctionnement au-dessus de 100°C à faible humidité relative.
Les membranes perfluorosulfonées de type Nafion® constituent la référence pour la PEMFC du fait qu’elles présentent à la fois une conductivité protonique élevée à l’état hydraté ainsi qu’une bonne stabilité chimique. Néanmoins, leur conductivité protonique à une humidité relative inférieure à 70% chute, notamment au-dessus de 100°C, en raison d’une densité de groupements conducteurs trop faible. Cette caractéristique constitue une limitation majeure pour leur utilisation dans les conditions de fonctionnement propres au cahier des charges de l’application automobile. Avec ce type de polymère, l’augmentation de la densité de groupe sulfonique se traduit par une diminution de la stabilité mécanique et dimensionnelle des membranes. Or, cette stabilité est déjà faible et pose des problèmes de durée de vie. L’objectif de ce sujet est de réaliser de nouvelles structures de membrane à base de réseaux interpénétrés de polymères permettant de lever l’antagonisme entre conduction protonique et stabilité mécanique. Cette stratégie, récemment brevetée par le CEA (brevet n°08 06890), repose sur l’association de deux réseaux de polymères imbriqués l’un dans l’autre, l’un sulfoné conférant les propriétés de conduction et l’autre fluoré conférant la stabilité chimique et mécanique.
Le post-doctorant fabriquera les membranes et caractérisera leurs propriétés mécaniques, de conduction protonique, de perméabilité aux gaz. Il évaluera également leurs performances et leur durée de vie en pile à combustible.

Couplage entre les répartitions d’eau et de densité de courant dans une PEMFC en fonctionnement

L’objectif du travail est d’étudier les couplages entre les répartitions de densité de courant et d’eau dans une PEMFC , afin d’apporter une meilleure compréhension du fonctionnement de ces systèmes en fonction des paramètres de fonctionnement (température, hydratation de gaz, pression, composition du gaz). La distribution de la densité de courant sera mesurée à l’aide d’une installation commerciale fiable. Le CEA a développé une technique non intrusive basée sur la diffusion des neutrons aux petits angles (SANS) afin de quantifier la distribution de l’eau pendant le fonctionnement de la pile à combustible à l’intérieur et à l’extérieur de l’électrolyte polymère. Ces mesures seront effectuées dans les réacteurs à neutrons à haut flux, comme l’Institut Laue Langevin (ILL). Certaines expériences spécifiques d’imagerie résolution neutrons de haute et basse peuvent être également mènent en outre afin d’avoir une vue 3D complète de la répartition de l’eau.

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