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.
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.