Offre de thèse : - Mateis

Offre de thèse :
Modélisation multi-échelle de la réactivité des plaques bipolaires revêtues pour
application pile à combustible à membrane polymère :
-Prédiction du vieillissement en service des stacksDepuis plusieurs années, une collaboration entre le CEA LITEN (Grenoble) et le laboratoire
MATEIS de l’INSA de Lyon au travers de différents projets a mis en évidence les potentialités d’une
plaque bipolaire (PB) en acier inoxydable revêtu d’un matériau conducteur et résistant à la corrosion
permettant le fonctionnement optimal de piles à combustible à membrane polymère (PEMFC).
Dans la continuité de ces travaux, le consortium se propose d’étudier la dégradation des
performances de la pile, causée par le relâchement d’espèces ioniques dans le circuit. Ces espèces
chimiques peuvent effectivement induire la pollution et la détérioration des membranes. Dans ce
contexte, le projet de thèse présenté ci-dessous a pour objectif d’établir un modèle numérique, intégrant
les cinétiques de dissolution des plaques bipolaires métalliques et leurs impacts sur les membranes. In
fine, le modèle devrait contribuer à prédire la durée de vie des piles.
Description du sujet de thèse :
Un paramètre majeur de la durabilité des PEMFCs est le vieillissement des membranes polymères.
En effet, ce phénomène conduit à la détérioration des performances de la pile et surtout peut entrainer
une défaillance irréversible et critique dans le cas du percement d’une membrane. Or, bien que cette
détérioration soit connue, les mécanismes précis engendrant celle-ci restent encore indéterminés. Ainsi,
à partir d’une approche sur la durabilité des matériaux de l’ensemble PB/membrane, cette thèse propose
d’identifier et de quantifier les facteurs de détérioration en se basant sur une démarche originale reliant
la caractérisation de la surface des plaques BP et une modélisation multi-échelles.
Parmi ces facteurs de dégradation de la membrane, la contamination des membranes par des
cations métalliques issus de la corrosion des PBs semble déterminante. En effet, des retours
d’expériences ont montré que sur des PBs en acier revêtu, des produits de corrosion étaient observés
localement. Ces observations suggèrent des phénomènes de couplages galvaniques entrainant la
dissolution locale de la PB et, par voies de conséquence, le relâchement d’ions métalliques dans le milieu
pile. La cinétique de dissolution et la quantité de métal réellement passé en solution restent, encore
indéterminées. Il convient de noter que l’évaluation de cette cinétique est particulièrement complexe
dans la mesure où les conditions physicochimiques sont hétérogènes au sein de la pile et impactent
directement la thermodynamique et la cinétique des réactions de corrosion.
Le premier objectif de cette thèse est de pouvoir accéder aux flux de cations métalliques émis
localement par la PB en fonction des conditions physicochimiques. Dans ce but, une démarche
expérimentale reposant sur des analyses électrochimiques et physicochimiques sera mise en œuvre
pour quantifier les cinétiques locales de corrosion. Cette approche analytique doit conduire au
développement d’un modèle numérique permettant la modélisation mécanistique 0D de la dégradation
de la plaque et des flux de cations émis en fonction des conditions physicochimiques.
Le second objectif de cette thèse est de modéliser à l’échelle de la pile cette contamination, son
impact sur la détérioration de la membrane et le vieillissement de la pile. Pour atteindre cet objectif, le
candidat devra adapter un modèle multi-échelle numérique développé au CEA lors de précédentes
thèses. Le modèle actuel permet, à l’échelle de la cellule, de déterminer les conditions locales
(température, humidité, courant, …) à l’intérieur de la pile en fonction des conditions de fonctionnement.
Le modèle mécanistique de corrosion précédemment développé devra donc être intégré à ce modèle
afin de déterminer localement les flux de cations métalliques. En parallèle, un modèle semi-empirique
de dégradation de la membrane induit par la présence des ions métalliques sera mis en œuvre à l’échelle
de la cellule pour déterminer la dégradation locale de la membrane ainsi que l’impact global sur les pertes
de performance de la pile.
La finalité de cette thèse est le développement d’un outil numérique complet permettant de mieux
appréhender la contamination cationique dans le phénomène de dégradation des membranes et de
prédire le vieillissement des piles.
Profil des candidats :
Le (la) candidat(e) possèdera une formation avec une forte coloration électrochimie (master ou école
d'ingénieur). Il ou elle possèdera idéalement des compétences en caractérisations physicochimiques et
en modélisation numérique avec, si possible, des connaissances en matériau.
Financement : Public/Région – ARC Energie
Lieu de travail : Lyon/Grenoble - France
Spécialité : Chimie – Génie chimique – Electrochimie - Chimie des matériaux - Sciences pour
l'ingénieur
Contact : Dr. Benoît Ter-Ovanessian ([email protected]) or Dr. Marion Chandesris
([email protected])
Laboratoires :
MATEriaux : Ingénierie et Science
UMR CNRS 5510
Equipe Corrosion et Ingénierie des Surfaces
Bat L. de Vinci, 21 Avenue Jean Capelle, 69621 Villeurbanne cedex, France
Secrétariat : Tel. +33(0)4 72 43 83 78 Fax : +33 (0)4 72 43 87 15
Encadrement : Prof. Bernard Normand ([email protected]),
Dr. Benoît Ter-Ovanessian ([email protected])
MATEIS est un laboratoire de Science des Matériaux à l’intersection de champs disciplinaires,
principalement en chimie, physique et mécanique. Le laboratoire MATEIS étudie les trois classes de
matériaux (métaux, céramiques, polymères) et leurs composites en intégrant les caractéristiques en
volume, en surface et les interfaces. L’équipe CorrIS (Corrosion et Ingénierie de Surface) focalise ses
activités de recherche sur les propriétés surfaciques des matériaux, plus particulièrement sur la réactivité
des surfaces et interfaces, les propriétés physicochimiques des surfaces et sur l’optimisation de cellesci. Elle développe des méthodologies expérimentales lui permettant : - de caractériser les surfaces et
leurs comportements, - de proposer des solutions matériaux (traitements de surface, revêtements
architecturés, par exemple).
CEA-LITEN
17, rue des Martyrs, 38054 Grenoble
Encadrement : Dr. Marion Chandesris ([email protected]) & Dr Guillaume Serre
([email protected])
Au sein du LITEN/DEHT, le laboratoire modélisation et monitoring (L2M) a développé au cours des 10
dernières années une approche de modélisation multi-échelle et multi-physique dédiée à l’étude des
systèmes électrochimiques (batteries, piles à combustibles, électrolyseurs), que cela soit en termes de
performance ou de durabilité. Les phénomènes thermiques, électrochimiques ou de transport sont
modélisés à différentes échelles, selon les phénomènes étudiés. Le couplage de mécanismes de
dégradation locaux avec la description globale du système étudié permet d’analyser l’impact des
conditions locales sur la dégradation et/ou les performances globales. Un des objectifs de l’équipe est
également de toujours réaliser ces développements en s’appuyant sur des données expérimentales afin
de s’assurer de la validité des modèles.