Développement d'un simulateur d'électrolyse alcalin avec membrane polymère échangeuse d'anions

Development of an alkaline electrolyzer simulaton with anion exchange polymer membrane

• Auteur / Autrice : Ronit Kumar Panda
• Direction : Yann Bultel, Guillaume Serre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, énergétique, procédés
• Date : Soutenance le 10/06/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Antoine Bonnefont
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Gaël Maranzana, Pierre Millet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrolyse

Simulation par ordinateur

Eau -- Électrolyse

Modèles mathématiques

Mots clés libres

Simulation

Alkaline electrolyzer

Anion exchange polymer membrane

Simulation numérique

Matlab / Simulink

Overpotential

Alkaline electrolyzer

Anion exchange polymer membrane

Simulation

Numerical simulation

Matlab / Simulink

Overpotential

Résumé

Cette thèse décrit la modélisation des performances AEMWE (chap 1) et ses dégradations (chap 2). Les modèles sont développés dans le code MePHYSTO développé au CEA dans la plateforme Matlab/Simulink. Le modèle de performance a été développé grâce aux caractérisations électrochimiques réalisées au CEA au cours du projet. Les phénomènes électrochimiques essentiels sont bien capturés, notamment l'effet de concentration en KOH et l'effet de couverture de bulles, et les courbes de polarisation sont correctement simulées.Concernant les dégradations, ces travaux s'appuient sur les résultats expérimentaux obtenus au CEA au cours du projet. Les résultats expérimentaux ont apporté plusieurs idées : les dégradations comportent à la fois des parties réversibles et irréversibles qui évoluent différemment. En effet, les dégradations réversibles augmentent avec le temps tandis que les parties irréversibles diminuent. Nous avons supposé que la partie réversible provenait de la présence des bulles dans l'anode qui la dénoie partiellement. Concernant la partie irréversible, plusieurs phénomènes interviennent. Nous avons quantifié les différentes contributions de ces dégradations grâce au modèle électrochimique que nous avons développé et aux courbes de polarisation fournies. Dans un premier temps, la dégradation du catalyseur est quantifiée via l'estimation du facteur de rugosité au début des courbes de polarisation. Dans un deuxième temps, l’évolution de la surtension d’échange d’ions entre l'électrolyte et le ionomère est quantifiée en ajustant le modèle à l’aide des courbes de polarisation. Ensuite, les dégradations associées au transport de masse sont analysées en détail. Nous avons supposé qu'elles sont induites par la perte de mouillabilité qui augmente la présence des bulles à l'anode et réduit ainsi les performances. Ceci est cohérent avec l’augmentation des dégradations réversibles que nous associons à la présence des bulles. L'évolution de l'angle de contact du PTL qui caractérise cette perte de mouillabilité est calculée selon une approche originale. Nous développons une méthode basée sur des simulations de l'écoulement dans la géométrie réelle du PTL à l'aide d'images tomographiques 3D et du code GeoDict. Les propriétés d'écoulement (perméabilité et pression capillaire) et l'angle de contact sont extraits de ces simulations et sont utilisés dans le code MePHYSTO pour calculer les performances à différents moments du vieillissement avec une bonne précision.

This report describes the modelling AEMWE performances (chap 1) and degradations (chap 2). The models are developed in the MePHYSTO code developed at CEA in the Matlab/Simulink platform. The performance model has been developed thanks to the electrochemical characterization performed at CEA during the project. The essential electrochemical phenomena are captured including KOH concentration effect and bubble coverage effect and the IV curves are correctly simulated.Regarding the degradation, the work is based on the experimental results obtained at CEA during the project. The experimental results provided several ideas: the degradations include both reversible and irreversible parts that evolve differently. Indeed, the reversible degradations increases with time while irreversible parts decreases. We assumed the reversible part comes from the anode bubble coverage. Regarding the irreversible part, several phenomena are involved. We quantified the different contributions of these degradations thanks to the electrochemical model we developed, and the IV curves provided. First, the catalyst degradation is quantified via the estimation of the roughness factor at the beginning of the IV curves. Secondly, the ion-exchange over-potential evolution is quantified by fitting the model using the IV curves. Then, the degradations associated to the mass transport are analyzed in detail. We assumed that they are induced by the loss of wettability that increases the anode bubble coverage and thus, reduces the performances. This is coherent with the increase of the reversible degradations we associate to the bubble coverage. The evolution of the sinter contact angle that characterized this loss of wettability is calculated using an original approach. We develop a method based on simulations of the flow in the real geometry of the sinter using tomographic 3D picture and the GeoDict code. The flow properties (permeability and capillary pressure) and the contact angle are extracted from these simulations and are used in the MePHYSTO code to calculate the performances at different aged times with a good accuracy.