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Modéliser et caractériser le fonctionnement des piles à combustible pour prédire leur durée de vie

Modélisation/caractérisation

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Publié le 6 octobre 2016

Prévoir la durée de vie des piles à combustible en fonction de leurs conditions opératoires ou des matériaux qui les composent, est une donnée essentielle pour les industriels. Il s’agit aussi d’un sujet de recherche majeur, car l’enjeu est toujours de proposer des composants, des catalyseurs, des membranes, optimisés, moins chers et garantissant une durée de vie des piles à combustible la plus élevée possible.

Pour prendre en compte ces enjeux, la modélisation appliquée aux piles à combustible, batteries, et électrolyseurs basse température a été véritablement structurée au sein du CEA-Liten en 2013. L’activité a toutefois démarré bien auparavant, dès 2000. Mais en 2013, la volonté du CEA a été de rassembler toutes les expertises en modélisation réparties entre plusieurs laboratoires, travaillant à plusieurs échelles (matériaux, catalyseurs, cellule, fonctionnement global du système). L’objectif était ainsi de disposer d’une force de frappe plus importante, d’apporter une cohérence et que chaque échelle de modélisation puisse se fixer des objectifs communs. L’un des axes majeurs de recherche du département aujourd’hui – amélioration des performances et augmentation de la durabilité– suppose en effet d’agir aussi bien au niveau des matériaux que du système, et impose de rassembler toutes les données fournies par les équipes des laboratoires.

Toutes les échelles de modélisation, du matériau au système, sont ainsi prises en compte. Ce lien de cohérence et d’intégration établi entre ces différentes échelles est absolument nécessaire à l’établissement de bonnes prévisions et à la compréhension fine des différents phénomènes physico-chimiques. Les spécialités réunies dans le département sont diverses : contrôle-commande des composants, gestion d’énergie et optimisation, transport fluidique, transferts thermiques, électrochimie, etc. Deux logiciels sont également utilisés et font appel à des ressources de développement internes spécifiques. Le lien permanent des équipes avec la partie expérimentale est en outre essentiel dans l’atteinte des objectifs de recherche : la modélisation part de l’interprétation des données expérimentales, ce qui requiert un lien étroit avec les spécialistes des expérimentations, et les résultats des simulations peuvent donner lieu à la définition d’expérimentations complémentaires permettant de consolider notre interprétation des phénomènes physiques mis en jeu.

La capitalisation des connaissances organisée entre chaque maillon de cette chaîne garantit la pertinence des applications fournies aux clients. À ce titre, le département entretient des coopérations avec des industriels majeurs du secteur, des acteurs académiques, ainsi que des instituts de recherche européens ou américains. L’un de ses axes de différenciation est précisément sa capacité à prendre en compte toute la chaîne, des matériaux de base du catalyseur jusqu’au système, et de privilégier une approche bottom-up, c’est-à-dire la modélisation des phénomènes physiques aux échelles fines  (nanométriques/micrométriques) et faire des remontées d’échelle de certains mécanismes, en particulier de dégradations, aux échelle de la cellule et du système, dans le but de réduire le coût et d’améliorer la durée de vie des piles à combustible. Ses résultats obtenus sont ainsi tout à fait significatifs sur la pile à combustible basse température, avec un positionnement reconnu au niveau européen. Parmi les axes de développement, des ruptures possibles obtenues grâce à de nouveaux matériaux ou des catalyseurs très innovants sont aussi envisagées en recherche amont, et pourraient être étudiées par la simulation.

Le département s’appuie sur cette connaissance intégrée du fonctionnement des piles à combustible pour proposer aux industriels une activité de suivi et d’analyse de la performance et des usages des systèmes électrogènes de véhicules, sur les flottes existantes ou prototypes, et en conditions réelles d’usage. Elle s’exerce par exemple sur l’optimisation de la consommation en fonction du trajet réalisé, ou la régulation des vitesses sur un trajet donné pour minorer les consommations d’un véhicule électrique. Le Liten est ainsi impliqué dans le suivi des performances et des usages des véhicules électriques à hydrogène dans le cadre du programme HyWay coordonné par le pôle de compétitivité Tenerrdis, et du consortium Mobilité hydrogène France.

AVANTAGES :
Une expertise sur toute la chaine de valeur, des matériaux de base au système complet

  • L’expertise des équipes associe les trois caractéristiques suivantes :. Caractérisation expérimentale, compréhension, modélisation et simulation des phénomènes physico-chimiques mis en jeu dans les générateurs électrochimiques, des phénomènes élémentaires de l’échelle nanométrique jusqu’au système complet.
  • Compréhension des applications et adaptation des moyens mis en œuvre (expérimentation, modélisation), des échelles de modèles physiques et des méthodes de simulation numérique aux problèmes posés par les industriels ou les acteurs académiques.
  • Analyse et conception des différents composants d’un système pile et de son système de contrôle-commande pour l’optimisation de sa performance et de sa durabilité.
  • Modélisation des phénomènes physiques : collaboration étroite et constante avec les expérimentations pour améliorer l’interprétation des données expérimentales, mise en équations des phénomènes physiques et validation des modèles.
  • Couplage multi-échelle : prise en compte de manière couplée des effets de phénomènes physiques très locaux sur le fonctionnement du système et remontée d’échelle aux échelles supérieures jusqu’à la mise en place de lois de dégradations pour le pilotage des systèmes, afin d’optimiser performance et durabilité.
  • Utilisation de la simulation pour optimiser le dimensionnement des systèmes, des composants et de leur pilotage.
PROJETS
  • PumaMind : Projet européen dont le CEA est coordinateur, portant sur la modélisation et la simulation multiéchelle avec prise en compte de phénomènes de dégradation. Méthodologie de remontée d’échelle, des échelles ab-initio aux modèles continus.
  • Impact : Projet européen pour lequel le département du CEA-Liten a établi un mécanistique de dissolution/redéposition du catalyseur platine (mécanisme d’Ostwald).
  • Second-Act : projet européen pour lequel le CEA-Liten a mis au point un couplage des mécanismes de dégradations réversibles et irréversibles à différentes échelles. Impact sur les hétérogénéités locales, à l’échelle de la cellule et du stack.
  • Impala : Projet européen pour lequel le département du CEA-Liten, en collaboration avec le CNRS/IMFT (Toulouse), améliore les modélisations réseaux de pores des GDL (injection, condensation, structures 3D réelles, validation expérimentale).
REPÈRES
  • Une douzaine de chercheurs
  • Sélection de publications :
- C. Robin, M. Gerard, A.A. Franco et P. Schott, Multi-scale coupling between two dynamical models for PEMFC aging prediction, International Journal of Hydrogen Energy, 38, 4675-4688, (2013).

- M. El Hannach, T. Soboleva, K. Malek, A.A. Franco, M.Prat et J. Pauchet, S. Holdcroft, Characterization of pore network structure in catalyst layers of polymer electrolyte fuel cells, J. Power Sources, 247, 322 (2014).

- A. Barre, F Suard, M. Gerard, M. Montaru et al., Statistical analysis for understanding and predicting battery degradations in real life electric vehicle use, Journal of Power Sources, 245:846-856 (2014).

- M. Chandesris, V. Medeau, N. Guillet, S. Chelghoum, D. Thoby & F. Fouda-Onana, Membrane degradation in PEM water electrolyzer: numerical modeling and experimental evidence of the influence of temperature and current density, International Journal of Hydrogen Energy, 40, 1353-1366, (2015).

- C. Robin, M. Gerard, J. d'Arbigny, P. Schott, L. Jabbour et Y. Bultel, Development and experimental validation of a PEM fuel cell 2D-model to study heterogeneities effects along large-area cell surface, International Journal of Hydrogen Energy, 40, 10211-10230, (2015).

- B. Straubhaar, J. Pauchet & M. Prat, Water transport in gas diffusion layer of a polymer electrolyte fuel cell in the presence of a temperature gradient. Phase change, International Journal of Hydrogen Energy, 40 (35), 11668-11675, (2015).

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REPERES

  • L’expertise des équipes associe les trois caractéristiques suivantes :
    •  Caractérisation expérimentale, compréhension, modélisation et simulation des phénomènes physico-chimiques mis en jeu dans les générateurs électrochimiques, des phénomènes élémentaires de l’échelle nanométrique jusqu’au système complet.
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