Matériaux nanostructurés à base d'hydrures métalliques pour le stockage d'hydrogène dédiés aux véhicules électriques équipés de pile à combustible.

Nanostructured materials based on metallic hydrides for hydrogen storage dedicated to Fuel Cell Electrical Vehicles

• Auteur / Autrice : Mohamed Amine Lahlou-Nabil
• Direction : Nour-Eddine Fenineche, Ioana Popa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 08/12/2021
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de technologie de Belfort-Montbéliard (1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Omar El-Kedim
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nour-Eddine Fenineche, Ioana Popa, Chokri Khaldi, Mohamed Bououdina, Youcef Bouhadda, Joan Josep Sunyol, Gilles Caboche
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Chokri Khaldi, Mohamed Bououdina

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stockage

Hydrogène

Matériaux nanostructurés

Mots clés libres

Nanostructures

Stockage d'hydrogène

Hydrures métalliques

Calculs DFT

Méthodes sol gel

Nanostructures

Hydrogen storage

Metal hydrides

DFT calculations

Sol gel methods

Résumé

Le développement de l'hydrogène comme vecteur énergétique du 21ème siècle dépend fortement des performances de stockage. Aujourd'hui, plusieurs solutions sont envisagées pour stocker l'hydrogène. Chaque solution présente des avantages et des inconvénients selon certains critères : la masse, la capacité de stockage, la sécurité, la cinétique de la charge/décharge, etc. Pour les systèmes embarqués, un mode de stockage approprié est basé sur l'utilisation de matériaux solides, dont certains peuvent absorber l'hydrogène d'une manière réversible sous certaines conditions de température et de pression, pour former des hydrures. Ce mode est prometteur car les densités d'hydrogène stocké sous cette forme peuvent atteindre des valeurs supérieures à celles de l'hydrogène liquide. En plus de leurs propriétés de stockage, ces composés ont la capacité de convertir l'énergie chimique en chaleur en offrant une large gamme d'applications dans le domaine des pompes à chaleur. Pour rendre attractive cette technique de stockage, nous devons innover sur certains points, qui freinent le développement des matériaux comme l’amélioration de la capacité de stockage, les techniques d’élaboration, etc. Une bonne connaissance des paramètres structuraux de l'hydrure est requise pour une bonne gestion de l'énergie échangée entre les piles à combustible et un réservoir d'hydrure pour une application de véhicule. Les principaux objectifs de cette thèse sont les suivants : Le développement de nouveaux hydrures métalliques pour les réservoirs d'hydrogène. Pour cela, l'étude et le développement de nouveaux matériaux pour le stockage de l'hydrogène peuvent se faire à un niveau fondamental en utilisant une simulation basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). L’analyse de la stabilité des systèmes étudiés (ZrV2-H et LaCrO3-H) est faite en utilisant l’approximation de gradient généralisée (GGA). D'un point de vue expérimental, l’élaboration des composé s Mg-Al et LaCr1-xMnxO3 est faite par atomisation ainsi que par la technique sol-gel. La caractérisation de ces matériaux est réalisée en utilisant plusieurs techniques: analyse thermogravimétrique, microscopie électronique à balayage, la diffraction des rayons X combinée avec la méthode de Rietveld pour vérifier la réalisation de la structure et ensuite étudier la sorption et la désorption de l’hydrogène.

The development of hydrogen as an energy vector for the 21st century is highly dependent on storage performance. Today, several solutions are being considered for storing hydrogen. Each solution has advantages and disadvantages according to certain criteria: mass, storage capacity, safety, charge / discharge kinetics, etc. For embedded systems, a suitable storage method is based on the use of solid materials, some of which can absorb hydrogen in a reversible manner under certain temperature and pressure conditions, to form hydrides. This mode is promising because the densities of hydrogen stored in this form can reach values higher than those of liquid hydrogen. In addition to their storage properties, these compounds have the ability to convert chemical energy into heat, offering a wide range of applications in the field of heat pumps. To make this storage technique attractive, we must innovate on certain points, which slow down the development of materials such as improving storage capacity, production techniques, etc. A good knowledge of the structural parameters of the hydride is required for a good management of the energy exchanged between the fuel cells and a hydride tank for a vehicle application. The main objectives of this thesis are: The development of new metal hydrides for hydrogen tanks. For this, the study and development of new materials for hydrogen storage can be done at a fundamental level using a simulation based on density functional theory (DFT). The analysis of the stability of the studied systems (ZrV2-H and LaCrO3-H) is made using the generalized gradient approximation (GGA). From an experimental point of view, the elaboration of Mg-Al and LaCr1-xMnxO3 compounds is made by atomization as well as by the sol-gel technique. The characterization of these materials is carried out using several techniques: thermogravimetric analysis, scanning electron microscopy, X-ray diffraction combined with the Rietveld method to verify the realization of the structure and then study the sorption and desorption of hydrogen