PEMFC moyenne température : impact des procédés de séchage des couches catalytiques sur leurs microstructure et performance

- La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC, utilisant l’hydrogène et l’air comme carburants) est une solution pertinente pour la production d’énergie électrique à faible teneur en carbone. Cependant, il est nécessaire d’améliorer davantage ses performances et sa durabilité, et de réduire son coût.
- Dans cet esprit, le projet national français PEMFC95 vise à développer et caractériser des matériaux pour PEMFC capables de fonctionner durablement à 95°C (le standard est de 80°C) et donc plus adaptés et attractifs pour les applications transport lourd (bus, camions, trains…). Il est soutenu par le Programme et Equipements Prioritaires de Recherche sur l’hydrogène décarboné (PEPR-H2).
- Le composant étudié dans cette thèse est la couche de catalyseur (CL pour Catalyst Layer) qui est un mélange de Pt/C (platine sur particules de carbone), ionomère conducteur H+ et solvants. L’optimisation de la CL en termes de distribution spatiale du Pt/C, de l’ionomère et des pores est cruciale pour améliorer les performances et la durabilité. Ceci est directement lié à la formulation de l’encre et au processus de fabrication utilisé pour produire la CL. Cependant, la relation entre les procédés et paramètres de fabrication des CL, leur structure et la distribution spatiale des composants, ainsi que la performance et la durabilité des PEMFC, reste une question ouverte. L’objectif de votre thèse de doctorat est de progresser sur ce point, en se concentrant sur l’étape de séchage mise en œuvre dans le procédé de fabrication par enduction (bar coating).
- Vous contribuerez au projet PEMFC95 grâce à vos développements scientifiques/technologiques pour comprendre l’impact du processus de séchage et de ses paramètres, sur la microstructure de la CL et faire le lien avec les performances et la durabilité de la PEMFC.
- Vous aurez des échanges et des réunions avec les partenaires du projet et avec le CNRS/IMFT (Toulouse), spécialiste des phénomènes de transport dans les milieux poreux.
- Vous serez embauché(e) par le CEA-Grenoble et travaillerez avec du personnel permanent et non permanent du laboratoire, ingénieurs et techniciens (hommes et femmes), pour discuter de vos idées, effectuer vos expériences et analyser les données. Votre directeur de thèse sera Joël Pauchet qui vous apportera sa connaissance des milieux poreux pour les PEMFC et de la modélisation des transferts, et de Christine Nayoze-Coynel pour son savoir-faire sur les CL et MEA (membrane Electrode Assembly) et leur fabrication.

Des informations complémentaires sont disponibles dans la PJ et/ou sur demande.

ClimatSunPV: Etude de composants PV intégrés au bâti aux fonctionnalités photoniques, capacité d'auto-rafraichissement et contribuant à l’atténuation des effets d’ilot de chaleur urbain

L’intégration de modules PV au bâtiment ou à d’autres applications en particulier présente différentes contraintes réduisant leur performance électrique par rapport à des installations au sol due à la modification de leurs conditions de fonctionnement. L’objectif de cette thèse serait la recherche d’une méthode de conception globale d’une façade BIPV en vue d’optimiser sa production et son impact sur le système d’intégration (bâtiment…) en palliant ses contraintes : ombrages statiques et mobiles, gradients de températures dus à l’albédo en partie basse, ensoleillement favorable surtout en période froide, surchauffe localisée… Pour cela, différentes approches seront envisagées :
1- Optimiser la gestion de température du champ PV ou l’uniformisation du champ de températures par convection forcée (par air ou par eau) : cas d’une façade (ou toiture) double peau (extraction voire récupération de chaleur en face arrière des modules PV à travers l’analyse numérique et expérimentale des chemins (écoulement d’air) de ventilation naturelle ou forcée) et cas d’une façade (ou toiture) monomur (autres méthodes de refroidissement);
2- Refroidissement passif des systèmes BIPV et PV : recherche à partir de modèles numériques et d’études expérimentales et validation de solutions technologiques passives simples (ailettes, dissipateurs thermiques, matériaux gradués, matériaux à effet photonique, entre autres).

Modélisation de la capture de particules par des mousses aqueuses

Les mousses aqueuses constituent un moyen de protection efficace contre la détonation d'engins explosifs. En effet, utilisées en recouvrement de ce type de menace, elles réduisent significativement le souffle et capturent efficacement les particules micrométriques pouvant être émises.
La modélisation de ces phénomènes dans un code multiphasique est ainsi d'importance pour pouvoir traiter une grande variété de cas complexes. Plusieurs thèses sur le sujet ont abouti à un modèle reproduisant convenablement l'atténuation du souffle mais la modélisation de la capture des particules est encore à parfaire.

Rôle du liant cimentaire et du sable sur le comportement triaxial du béton sous fortes contraintes

Dans le cadre de ses activités pour la Défense, le CEA-Gramat développe des outils de modélisation pour évaluer la vulnérabilité d’infrastructures en béton armé aux impacts et explosions. La compréhension des mécanismes de dégradation du béton a` des niveaux de chargements extrêmes est donc d’importance majeure. En collaboration avec le CEA-Gramat, ces mécanismes sont étudiés par le laboratoire Sols Solides Structures et Risques de l’Université Grenoble-Alpes grâce à la presse triaxiale de très forte capacité « GIGA », unique dans le monde académique.
Plusieurs thèses en lien avec cette presse ont permis d’aboutir à des résultats majeurs montrant que, sous fort confinement, le béton a un comportement d’empilement granulaire non cohésif où l’eau libre joue un rôle prépondérant et la forme des plus gros granulats a peu d’influence.
Le comportement du béton serait donc contrôlé par la partie la plus fine du squelette granulaire du béton, point qui n’a encore jamais fait l’objet d’études.

Analyse multi-échelle de la localisation plastique générée par choc laser

La localisation de la déformation plastique dans les enveloppes métalliques en expansion dynamique est étudiée depuis plusieurs années au CEA/DAM. En complément d'essais d'expansion par explosif, la mise en vitesse de feuilles métalliques minces par choc laser permet d'obtenir des états de traction biaxiale représentatifs du chargement dans un élément d'enveloppe. Ce type de dispositif est en cours de mise en oeuvre au CEA/DAM et génère des vitesses de déformation de l'ordre de 10000/s sur des portions de feuilles de dimensions centimétriques. L'évolution vers des configurations de taille millimétrique permettra à terme d'aller vers des régimes de taux de déformation plus élevés actuellement inexplorés. Pour ces géométries, dont l'épaisseur est faible par comparaison à la taille des grains, l'incidence de la microstructure du matériau (taille et forme des grains, texture,...) est vraisemblablement forte et une analyse du processus à cette échelle trouve toute sa pertinence.
L'objectif de la thèse est d'analyser la localisation de la déformation plastique dans une feuille métallique mince d'un matériau métallique de structure cristalline cubique centrée (BCC) sollicitée par choc laser. Le phénomène sera étudié à l'aide de simulations numériques intégrant la physique opérant à l'échelle de la microstructure: glissement plastique et couplage éventuel avec le maclage. Une approche polycristalline homogénéisée, mettant en oeuvre un modèle de plasticité isotrope intégrant une densité de dislocations moyenne, et une approche en champ complet représentant les grains, leurs orientations cristallines et les systèmes de glissement associés seront comparées.

Solutions de gestion thermique innovantes pour les packs batteries de micro mobilité : au secours de la durabilité

Les moyens de déplacement urbains se diversifient avec notamment le déploiement des engins de micro-mobilité (VAE, cargobike, trottinette, voiturette électrique). Leurs usages deviennent plus contraignants pour les chaines de tractions et notamment pour les batteries. Les batteries Li-Ion sont sensibles à la température et nécessitent une bonne régulation thermique afin de maximiser leur durée de vie. Cette contrainte est bien prise en considération dans le secteur automobile qui utilise souvent la climatisation embarquée pour refroidir ou réchauffer les batteries.

Les engins de micro mobilité embarquent bien souvent des packs batteries avec une conception mécanique très simple et peu chère avec un minimum de composants, et sans système de gestion thermique. Si ces batteries sont utilisées dans des conditions climatiques sévères ou à des régimes élevés, alors leur durée de vie peut être fortement affectée, ce qui a un impact direct sur leur impact environnemental global. Le développement de nouvelles solutions de gestion thermique adapté aux usages et au regard d'une viabilité industrielle sera donc le fil rouge de cette thèse.

Nous chercherons à atteindre les objectifs suivants :
- Investigation sur les profils types d’usage de ces moyens de mobilité (profil de courant, contraintes thermiques externes, à la charge, à la décharge, contraintes d'intégration dans le véhicule)
- Conception et mise au point de systèmes de gestion thermique innovants adaptés
- Prototypage et caractérisation de une ou plusieurs solutions techniques
- Intégration des résultats thermiques dans un modèle de vieillissement pour analyser les effets sur la durée de vie.

Cette thèse propose une approche combinant conception, simulation/modélisation, et prototypage/caractérisation. Le laboratoire dispose d'une plateforme dédiée à la fabrication de packs batterie avec des outils de prototypage rapide (impression 3D, découpe et soudure laser, atelier mécanique...) ainsi qu'une plateforme d'essais permettant des caractérisations avancées des systèmes batteries.

Mise à point d’un nouveau modèle pour l’étude d’un accident hypothétique de rupture de tube de générateur de vapeur dans un réacteur à neutrons rapides refroidi au plomb.

L’objectif de cette thèse est d’implémenter et d’évaluer un nouveau modèle d’explosion de vapeur
dans le code CEA Europlexus, afin d’étudier une hypothétique rupture de tube de générateur de
vapeur à l’intérieur de la piscine de refroidissement primaire d’un réacteur rapide refroidi au plomb.

Assimilation de données transitoires et calibration de codes de simulation à partir de séries temporelles

Dans le cadre de la simulation scientifique, certains outils (codes) de calcul sont construits comme un assemblage de modèles (physiques) couplés dans un cadre numérique. Ces modèles et la façon dont ils sont couplés utilisent des jeux de paramètres ajustés sur des résultats expérimentaux ou sur des résultats de calculs fins de type « Simulation numérique directe » (DNS) dans une démarche de remontée d’échelle. Les observables de ces codes, ainsi que les résultats expérimentaux ou les résultats des calculs fins, sont majoritairement des grandeurs temporelles. L’objectif de cette thèse est alors de mettre en place une méthodologie de fiabilisation de ces outils en ajustant leurs paramètres par assimilation de données à partir de ces séries temporelles.
Un travail sur l’ajustement de paramètres a déjà été réalisé dans notre laboratoire dans le cadre d’une thèse précédente, mais en utilisant des scalaires dérivés des résultats temporels des codes. La méthodologie développée durant cette thèse a intégré des étapes de criblage, de métamodélisation, et d’analyse de sensibilité qui pourront être repris et adaptés au nouveau format des données. Une étape préalable de transformation des séries temporelles sera à mettre au point, afin de réduire les données tout en limitant les pertes d’information. Des outils de machine learning /deep learning pourront être envisagés.
L’application de cette méthode se fera dans le cadre de la simulation des accidents graves de réacteurs nucléaires. Durant ces accidents le cœur se dégrade et du corium (magma de combustible et d’éléments de structure issus de la fusion du cœur du réacteur) se forme et peut se relocaliser et interagir avec son environnement (liquide réfrigérant, acier de la cuve, béton du radier, …). Certains codes de simulation d’accidents graves décrivent individuellement chaque étape / interaction, quand d’autres décrivent la totalité de la séquence accidentelle. Ils ont en commun d’être multiphysiques et d’avoir un nombre de modèles et de paramètres souvent grand. Ils décrivent des phénomènes physiques transitoires dans lesquels le caractère temporel est important.
La thèse se déroulera au Laboratoire de Modélisation des Accidents Graves de l’institut IRESNE au CEA Cadarache, dans une équipe au meilleur niveau national et mondial pour l’étude numérique des phénomènes liés au corium, de sa génération à sa propagation et son interaction avec l’environnement. Les techniques mises en œuvre pour l’assimilation de données ont également un important potentiel générique qui assurent des débouchés importants pour le travail proposé, dans le monde du nucléaire et ailleurs.

Etude et compréhension des mécanismes de thermo-conversion et dépolymérisation de déchets plastiques en conditions d’eau supercritique

La valorisation de déchets carbonés est un sujet d’actualité qui génère un grand intérêt dans la Economie circulaire du carbone. Des efforts substantiels ont été consacrés à renforcer les procédés durables ces dernières années. Ils reposent sur le développement des systèmes pour améliorer la circularité du carbone (recyclage de la matière et énergie).
La production mondiale de plastiques a doublé de 230 millions de tonnes en 2000 à 460 millions de tonnes en 2019. Cette production/consommation exponentielle a des conséquences importantes sur l’environnement. Malgré l'existence de méthodes de recyclage, seulement 9% de la production mondiale des plastiques est recyclé actuellement, et la quantité restante (pas valorisée) représente une véritable source de pollution [1].
Les mélanges de différents types de plastiques rendent difficile les étapes de tri, ce qui représente le principal inconvénient pour les systèmes de recyclage matière. Une application intéressante récemment rapportée dans la littérature est l’utilisation du procédé de gazéification hydrothermale pour traiter les rejets et mélanges des plastiques difficiles à trier pour produire un gaz riche en CH4 et H2 [2]. La gazéification hydrothermale (HTG) est un processus thermochimique qui utilise les conditions supercritiques de l'eau (T > 374 °C, P >221 bar), afin de convertir le carbone organique contenu dans la matière en une phase gazeuse (qui contient principalement CH4, H2, et CO2). En outre, la flexibilité du procédé permet aussi l’étude de dépolymérisation de ces déchets en conditions proche du point critique de l’eau, ce qui facilite l’obtention de molécules d’intérêt pour l’industrie chimique et leur réutilisation.
Ainsi, l’étude et compréhension des mécanismes de conversion de différents types de plastiques (et leurs mélanges) dans ce processus semble essential pour valoriser ces déchets. L’identification des voies réactionnelles est cependant toujours un verrou scientifique majeur. L’objectif de la thèse est l’étude des mécanismes réactionnels de transformation des charges modèles de plastiques et leurs mélanges en conditions d’eau supercritique. La compréhension des phénomènes pourra conduire à l’optimisation du procédé HTG (avec et sans catalyseurs) pour faciliter la production d’un gaz riche en CH4/H2 et l’obtention d’intermédiaires pour l’industrie chimique. Ce travail concerne la poursuite des recherches sur : i) l’étude de thermo-conversion et dépolymérisation des plastiques ; ii) l’étude du comportement des catalyseurs dans le milieu supercritique (activation/désactivation); iii) l’étude de la sélectivité vers la production d’un gaz contenant du CH4/H2 et d’intermédiaires.

Etude des relations ténacité - microstructure de nouveaux aciers nano-renforcés à haute performance

Les aciers ODS sont envisagés comme matériau pour les réacteurs de quatrième génération. Ils offrent une haute résistance en traction, en fluage [1-3]. Ce haut niveau de renforcement s’accompagne d’une réduction de la ductilité et de la ténacité. La mise en forme de tubes modifie la microstructure, il convient donc d’évaluer les propriétés du matériau sous sa forme finale. Les travaux de B. Rais [4] ont permis de comparer les différents essais et de développer un essai et une méthode d’analyse pour la mesure de ténacité sur tube mince.

Cette présente thèse utilisera ce nouvel essai afin d’évaluer la ténacité de diverses nuances ODS. Des microstructures variées issues de productions historiques et récentes permettront d’identifier les mécanismes, les paramètres clés pilotant la ténacité et d’identifier les paramètres microstructuraux qui pilotent la réponse du matériau. Dans ce travail on s’intéressera à des nuances ferritiques / martensitiques dont certaines sont issues d’un procédé de fabrication qui fait l’objet d’un dépôt de brevet [5-6] et pour lesquelles on observe pour la première fois des propriétés en résilience remarquables, associées à des bonnes propriétés mécaniques à chaud.

L’étude s’appuiera sur une confrontation expérience / modélisation. Ce travail de recherche appliquée permettra à l’étudiant d’acquérir des compétences solides en mécanique de la rupture et en caractérisation fine des matériaux (MEB, EBSD…). La bonne compréhension des relations propriétés mécaniques / microstructure permettra de comprendre l’origine des propriétés observées et de proposer de nouvelles optimisations sur les microstructures pour améliorer le comportement mécanique et / ou la mise en forme du matériau.

*Profil étudiant : Ingénieur ou M2 Mécanique / Matériaux
*Possibilité de faire un stage de Master / fin d'étude sur ce sujet en préalable à la thèse

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