Étude et modélisation du comportement d'un lit de poudre intermétallique pour le stockage solide d'hydrogène

Study and modeling of an intermetallic powder bed behavior for solid state hydrogen storage

• Auteur / Autrice : Chrisale Ngueloheu Yeda
• Direction : David Chapelle, Anne Maynadier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 05/06/2025
• Etablissement(s) : Besançon, Université Marie et Louis Pasteur
• Ecole(s) doctorale(s) : SPIM - Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Marie et Louis Pasteur (2025-....)
• Jury : Président / Présidente : Patricia de Rango
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Gillia, Thierry Grosdidier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrures

Stockage

Hydrogène

Mots clés libres

Hydrogène

Stockage Solide

Coulabilité des hydrures

Modélisation par éléments discrets

Compression en matrice

Respiration

Hydrogen

Solid storage

Flowability of hydrides

Discret element modeling

Die compression

Breathing

Résumé

Le stockage de l'hydrogène sous forme solide avec des alliages intermétalliques en poudre, capables d'absorber et libérer l'hydrogène, génère des variations de volume de du milieu, induisant des contraintes sur la paroi du réservoir, pouvant entraîner des dommages. Cette thèse développe des outils de dimensionnement pour concevoir un réservoir optimal, en s’appuyant sur la caractérisation du comportement mécanique du lit de poudre d’hydrure et en étudiant sa coulabilité. L’étude de la coulabilité permet de caractériser le déplacement des particules et l’étude de la compression en matrice permet de caractériser la transmission des contraintes et les propriétés mécaniques. Les données expérimentales sont exploitées pour identifier les paramètres des jumeaux numériques développés sous YADE, outil numérique basé sur la méthode des éléments discrets (DEM). Il est alors possible de simuler la respiration du lit de poudre et d’évaluer les contraintes sur la paroi du réservoir. Les simulations montrent une distribution polynomiale des contraintes, avec une concentration dans la partie inférieure du réservoir. Deux composantes de contraintes, radiale et tangentielle, sont identifiées, sollicitant le réservoir en traction. La réduction de la taille des particules ou l’augmentation du taux de remplissage amplifient les contraintes, tout en conservant le profil polynomial.

The solid-state hydrogen storage using intermetallic alloy powders, capable of absorbing and releasing hydrogen, causes volume variations in the medium, inducing stresses on the reservoir walls, which may lead to damage. This thesis develops sizing tools to design an optimal reservoir, based on the characterization of the mechanical behavior of the hydride powder bed and the study of its flowability. The flowability study allows for the characterization of particle displacement, while the matrix compression study helps characterize the transmission of stresses and mechanical properties. Experimental data are used to identify the parameters of digital twins developed using YADE, a numerical tool based on the discrete element method (DEM). It is then possible to simulate the powder bed’s breathing and evaluate the stresses on the reservoir wall. The simulations show a polynomial distribution of stresses, with a concentration in the lower part of the reservoir. Two stress components, radial and tangential, are identified, subjecting the reservoir to tension. Reducing particle size or increasing the filling rate amplifies the stresses while maintaining the polynomial profile.