Un modèle physique multiéchelle pour l’analyse de l’électrolyse de l’eau dans des électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEMWE) : des données ab-initio vers les observables macroscopiques

Physical multiscale modeling of PEM water electrolyzer : from ab initio data to macroscale observables

• Auteur / Autrice : Luiz Fernando Lopes Oliveira
• Direction : Christian Jallut, Alejandro Antonio Franco
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 22/02/2013
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Automatique et de Génie des Procédés (Lyon)
• Jury : Président / Présidente : Yann Bultel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Jallut, Alejandro Antonio Franco, David Loffreda, Mathieu Morcrette
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yann Bultel, Wolfgang Bessler

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydes des métaux de transition

Analyse multiéchelle

Électrolyseurs

Mots clés libres

Energie d’hydrogène

Électrolyse de l’eau

Modèle multiéchelle

Calculs DFT

Oxyde des métaux de transition

Systèmes électrochimiques

Hydrogen energy

PEM water electrolysis

Multiscale modeling

Transition metal oxides

DFT calculations

Electrochemical systems

Résumé

La filière énergétique de l'hydrogène se réfère à la possibilité d'utilisation de H2 pour transporter et produire de l'énergie. Il existe différentes méthodes pour fabriquer H2, parmi elles, l'électrolyse de l'eau. Parmi les dispositifs existants utilisés pour la production d'hydrogène par électrolyse de l'eau, les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEMWE) ont été très étudiés durant ces dernières années. L'objectif principal de cette thèse est de fournir un modèle multi échelle pour l'analyse du fonctionnement des PEMWE. Pour atteindre cet objectif, nous utilisons différentes techniques théoriques et numériques, en raison des différentes échelles qui doivent être traités. Cette thèse comporte deux axes principaux: le premier consiste en l'élaboration d'un modèle multi échelle transitoire pour décrire le fonctionnement d'un PEMWE. Ce modèle comprend une description détaillée des mécanismes chimiques élémentaires et des cinétiques associées au niveau des électrodes, une description du comportement de l'interface catalyseur-électrolyte à l'échelle nanométrique et une description microstructurale du transport des espèces chimiques et des charges au long des assemblages membrane électrodes (AME). Nous présentons une étude d'impact des différents matériaux catalytiques sur les performances des PEMWE et une étude de la sensibilité aux conditions de fonctionnement à partir des simulations numériques et les résultats sont discutés en comparaison avec les données expérimentales. Le deuxième axe est consacré à l'étude détaillée des phénomènes à l'échelle atomique. Dans ce but, nous avons réalisé des calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) pour fournir une description détaillée de l'adsorption de l'eau sur IrO2 et RuO2, deux des catalyseurs les plus utilisés dans un PEMWE

Hydrogen energy refers to the possibility of using H2 to transport and produce energy. There are different methods to fabricate H2, among them, water electrolysis. Regarding the existing devices used for the production of hydrogen from water electrolysis, the so-called polymer electrolyte membrane water electrolyzers (PEMWE) have gained attention in the last years. The main objective of this thesis is to provide a multiscale model for the analysis of PEMWE operation. To achieve such goal, we use different theoretical and numerical techniques, due to the several scales that should be treated. This thesis has two main axes. The first one consists of the development of a multiscale transient model describing the operation of a PEMWE single cell. This model includes a detailed description of the elementary electrode kinetics, a description of the behavior of the nanoscale catalyst-electrolyte interface, and a microstructural description of the transport of chemical species and charges at the microscale along the whole membrane electrodes assembly (MEA). We present an impact study of different catalyst materials on the performance of the PEMWE and a sensitivity study to the operation conditions, both evaluated from numerical simulations and with results discussed in comparison with available experimental data. The second axis is devoted to the consideration of the reaction kinetics phenomena at the atomistic scale in more details. For this, we have performed density functional theory (DFT) calculations to provide a detailed description of the adsorption of water on IrO2 and RuO2, two of the most used catalyst materials in PEMWE