Développement de GDLs innovants fabriqués par le procédé de fabrication additif SLM pour l'amélioration des performances énergétiques des électrolyseurs PEMWE

Contexte  :

Dans un contexte de dérèglement climatique de notre planète, réduire drastiquement la dépendance aux combustibles fossiles et développer des systèmes permettant d’exploiter des sources d'énergie propres et renouvelables comme l'hydrogène vert est primordial. Face à cette problématique, une solution prometteuse consiste à promouvoir le développement des piles à combustibles échangeuse de protons PEMWE [Wei2023]. La PEMWE est un dispositif de production de l'hydrogène par électrolyse de l'eau qui présente le double avantage de ne pas émettre de gaz à effet de serre et de pouvoir tirer profit d’une source d'électricité d‘origine renouvelable (éolien, solaire ou autre). La partie utile de la pile où s'effectue l'électrolyse est appelée le stack lequel est organisé en cellules individuelles. Chaque cellule est elle-même composée de plusieurs couches dont les principaux éléments inclus la couche de catalyse (CL), la couche de diffusion de gaz (GDL) et les plaques bipolaires (BPP). Le GDL est un organe crucial d’une PEMWE dont dépend ses performances énergétiques. Son rôle est doublement primordial car il permet de diffuser à travers sa microstructure poreuse la chaleur et les gaz réactifs vers la membrane solide et de lui assurer un support mécanique.

Objectifs  :

Le sujet de thèse proposé s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre l’Ecole Nationale d’Ingénieurs de Sfax (ENIS), l’Unité Mécanique de Lille (UML) et le Laboratoire des Technologies Innovantes (LTI) visant à développer de nouveaux GDLs à forme optimisée permettant de répondre aux besoins de réduction des coûts et d’amélioration des performances énergétiques et de la durabilité des GDLs pour PEMWEs. Des travaux précurseurs ont mis en avant le potentiel de la fabrication additive métal et plus particulièrement des procédés de fusion sur lit de poudre (EBM,SLM,DMLS) au développement d’éléments métalliques pour PEMWE à forme optimisée [Baroutaji2024]. Ainsi, Mo et al. [Mo2016] ont conçu, par technologie EBM, un GDL à base de titane menant à une amélioration des performances de l'électrolyse de 8%, prouvant ainsi la viabilité du concept. L’objectif principal de la thèse consiste à tirer profit de la technologie SLM pour proposer des nouveaux concepts de GDLs à microstructure poreuse optimisée permettant d’accroître leurs propriétés de transport et leur durabilité, et ainsi d’améliorer les performances énergétiques et l’efficacité de la PEMWE. Il s’agira par ailleurs de proposer une méthodologie numérique d’aide à la décision permettant de guider l’utilisateur dans ses choix de matériaux, de paramétrage d’impression et de structure poreuse des GDLs.

Missions :

Les missions du stagiaire s’appuient sur le tryptique simulation numérique - fabrication additive et caractérisation expérimentale. Après une étape préalable de bibliographie, le-la candidat(e) retenu(e) sera amené(e) à développer sous le logiciel Fluent un modèle numérique de PEMWE tenant compte de la microstructure poreuse de la GDL. Puis, la personne recrutée sera amenée à prendre en main une machine SLM dont dispose le LTI. Le travail à réaliser consistera alors à caractériser par des moyens expérimentaux (machine de traction, imagerie MEB), l’influence de plusieurs paramètres du procédé (vitesse et puissance laser, granulométrie de la poudre, taille du cordon . . .) sur la résistance mécanique et la qualité (état de surface, porosité, . . .) des GDLs imprimées. Deux types d’acier seront testés, l’acier 316L à des fins de comparaison avec la littérature et l’acier inoxydable 17-4PH très largement utilisé dans le monde industriel. La dernière étape de la thèse consistera à tirer profit du travail numérique et expérimental réalisé pour proposer des nouveaux concepts de structure poreuse de GDLs permettant d’optimiser leurs propriétés de transport et leur durabilité, et d’améliorer ainsi les performances énergétiques de la PEMWE. In fine, un banc de test sera mis en place par le-la candidat(e) retenue(e) afin d’évaluer en milieu acide reproduisant l’environnement de la pile les caractéristiques électriques des structures innovantes les plus prometteuses .

Laboratoire des Technologies Innovantes

Équipe Modélisation Mécanique et Phénomènes de Transferts (MIM)

Le-la candidat-e doit être déjà ou prochainement diplômé d’une formation de master 2 ou de dernière année d’école d’ingénieurs en mécanique et ou matériaux. Il ou elle avoir des compétences confirmées en caractérisation expérimentale (essais de traction/flexion, imagerie MEB) et avoir déjà une première expérience avec un logiciel de simulation multiphysique comme Ansys-Fluent. Une première expérience en impression 3D SLS ou SLM serait également un plus. Un niveau B2 minimum est exigé en anglais.