Développement d'une modélisation du serrage d'une pile à combustible à hydrogène

THESE CIFRE SAFRAN POWER UNITS / INSTITUT CLÉMENT ADER (INSA TOULOUSE)

Offre détaillée : https://ica.cnrs.fr/wp-content/uploads/2025/03/Offre-de-these-CIFRE-Safran-PU-ICA-Serrage-des-PEMFC.pdf

Dans le cadre des enjeux de la transition écologique, l'industrie de la mobilité connaît une évolution vers l'électrification, touchant le transport routier, ferroviaire, naval et aérien. Cette dernière catégorie, le transport aérien, présente des défis technologiques complexes en raison des fortes contraintes physiques et environnementales imposées aux aéronefs, telles que les contraintes de masse, de volume, les conditions de température, de pression, de vibrations, etc. Pour répondre à ces défis, la transition vers de nouveaux combustibles à faible émission de carbone, comme l'hydrogène, est une piste privilégiée. Dans ce contexte, le développement de la technologie des piles à combustible alimentées par de l'hydrogène est crucial pour faciliter cette nouvelle orientation énergétique.

Une pile à combustible à hydrogène est composée d'un empilement de cellules élémentaires. Cette architecture permet de convertir l'énergie chimique en énergie électrique et thermique. Aux extrémités, deux plaques terminales viennent entourer cette stratification d’éléments. Cet ensemble est serré par plusieurs fixations (vis/écrou ou des tirants) soumises à diverses sollicitations thermomécaniques. Parmi les composants d’une cellule, il est possible d’identifier différents composants : deux plaques bipolaires métalliques permettant de diffuser le flux d’hydrogène et de refroidir l’empilement via des micro-canaux, l’assemblage membrane-électrode permettant la conduction protonique, et des joints pour garantir l’étanchéité. La performance d'une pile à combustible dépend des matériaux utilisés, pour favoriser la réaction électrochimique, mais aussi du niveau d'étanchéité à installer entre les plaques bipolaires et de la qualité du contact entre les composants. La mise en contact et l’étanchéité est assurée par la compression des cellules induite par le serrage des fixations de la pile. Pour assurer la performance et la sécurité en fonctionnement, il est alors nécessaire de maîtriser et d’optimiser ce serrage. Il doit permettre des réactions chimiques maximales sans endommager les différentes couches de l’empilement.

Deux problématiques liées au serrage des liaisons mécaniques émergent alors. Premièrement, le dimensionnement du niveau de précontrainte à introduire lors du serrage de l’assemblage vissé ainsi que sa mise en œuvre sont à considérer. Les conséquences d’un sous-serrage ou d’un sur-serrage sur le fonctionnement de la pile doivent être maîtrisées. Un sur-serrage provoque un chargement de compression important dans la pile susceptible de provoquer des déformations et des endommagements mécaniques de ses composants. A l’inverse, un sous-serrage n'assure pas un bon contact entre les composants. Il crée une résistance de contact entre les couches et provoque des fuites de gaz. Dans les deux cas, des pertes ohmiques et des pertes de transport de matière sont observées, ce qui affecte également l’efficacité de la pile.

Ainsi, ces travaux de thèse sont orientés vers une maîtrise du serrage de la pile à combustible afin de répondre aux enjeux de performance, durabilité et étanchéité. Ces travaux scientifiques devront s’appuyer sur plusieurs stratégies d’études complémentaires qui permettront de comprendre les interactions des différents composants de la pile.

(i) Une modélisation numérique d’un stack complet avec prise en compte du système de serrage. Pour se faire, un modèle élément finis d'évolution quasi-statique à l'échelle de quelques plaques sera développé et confronté à des études expérimentales pour valider et quantifier sa capacité à prédire le comportement de la pile sous chargement mécanique et thermique. Dans un second temps, un modèle réduit sera mis au point pour la modélisation d'un empilement plus complet des composants constitutifs de la pile à combustible, dans des temps compatibles avec le développement industriel. Une caractérisation expérimentale multi-physique des composants et interfaces de contact pour alimenter une loi de comportement rhéologique thermo-mécanique de raideur équivalente, valider le modèle réduit et définir précisément les domaines où il sera prédictif.

(ii) L’établissement des critères d’étanchéité sur le stack à travers le développement d’un modèle numérique permettant de décrire l’étanchéité du stack au cours d’une mission type (mise en chauffe, démarrage, production électrique). Ces critères seront dépendants de la géométrie de la nervure d’étanchéité et du type de joint.

L’Institut Clément Ader (ICA) est un laboratoire de recherche qui s’attache à l’étude des structures, des systèmes et des procédés mécaniques. Nos secteurs d’activités s’inscrivent dans ceux des industries mécaniques avec une attention particulière accordée aux projets des domaines de l’aéronautique, de l’espace, du transport et de l’énergie. Nos travaux portent généralement sur la modélisation du comportement, l’instrumentation et l’étude de la durabilité des structures ou produits considérés. Une part importante de nos recherches porte sur les matériaux composites, lesquels prennent aujourd’hui une place importante dans les structures. L'ICA est associé à plusieurs tutelles : Université Toulouse-III-Paul Sabatier, INSA Toulouse, ISAE-SUPAÉRO, IMT Mines d'Albi, CNRS.

Safran Power Units, filiale de Safran Helicopter Engines, est spécialisée dans la conception et la production de groupes de puissance auxiliaire et de systèmes de démarrage pour l’aéronautique civile et militaire, de turboréacteurs pour missiles et engins cibles

Master 2 ou diplôme d'ingénieur en génie mécanique.

Étudiant(e) actuellement en 5e année ou jeune diplômé(e). Compétences en analyse et modélisation numérique, éléments finis, caractérisation expérimentale.