Étude et modélisation du comportement du lit de poudre d'hydrure métallique pour le stockage d'hydrogène

Study and modeling of the intermetallic powder bed behavior for hydrogen storage

• Auteur / Autrice : Chrisale Ngueloheu yeda
• Direction : David Chapelle, Anne Maynadier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• 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
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Département Mécanique Appliquée
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)

Mots clés

Mots clés libres

Hydrogène

Stockage Solide

Décrépitation

Modélisation par éléments discrets

Hydrogen

Solid storage

Powder

Decrepitation

Discret element modeling

Résumé

Le DMA est investi sur la thématique du stockage d'hydrogène depuis 20 ans, dans le domaine de la mécanique et des sciences des matériaux, activités intégrées aujourd'hui dans l'équipe Mat'éco pour Matériaux pour la transition écologique. Les principales thématiques envisagées concernent les voies de stockage sous forme compressée (enroulement filamentaire, matériaux composites) et sous la forme dite ‘solide' (par formation d'hydrures métalliques). Avec le Plan de relance, la France lance en 2020 un programme ambitieux de financements dédiés à la structuration de la filière [1], impliquant fortement la recherche. Le sujet proposé s'inscrit pleinement dans cette dynamique et contribue aux efforts déjà entrepris depuis 10 ans sur le stockage solide de l'hydrogène, et plus dernièrement au cours des travaux de thèse de Ludovic Bebon(soutenance juillet 2021). Ce sujet concerne la compréhension et la prédiction du comportement de matériaux pulvérulents dans un environnement confiné (le réservoir) lorsque des cycles de charge-décharge en hydrogène sont appliqués. Le matériau de stockage est soumis à des sollicitations fortes induisant gonflement, décrépitation, frittage… phénomènes qu'il convient de mieux appréhender en vue du dimensionnement des réservoirs. Il s'agit de poursuivre les travaux de L. Bebon qui ont permis de parfaire la connaissance des mécanismes de décrépitation sur trois familles d'intermétallique et d'élaborer une modélisation de la particule (du grain de poudre) isolée s'appuyant sur l'outil Yade(Modélisation par éléments discrets, DEM). Notre ambition est à présent un changement d'échelle nous permettant de comprendre et de décrire les mécanismes mécano-physiques (sans omettre le volet chimique) se produisant lors des différentes phases d'exploitation (activation, cyclage charge-décharge) de ces matériaux au comportement atypique (changement de phase, gonflement, fracturation, décrépitation…). Concrètement, nous mettrons en oeuvre des essais permettant d'observer et de qualifier le comportement du lit de poudre en environnement confiné. Le département dispose d'un local dédié aux essais sous hydrogène (haute pression, Sievert, perméation…) et des plateformes (AMETISTE, MIFHySTO, MIMENTO) du DMA et de l'Institut FEMTO-ST afin de réaliser des essais de caractérisation ou de concevoir des bancs d'essais spécifiques.

The DMA has been involved in the topic of hydrogen storage for 20 years, in the field of mechanics and materials sciences, activities now integrated in the Mat'éco team, Materials for the ecological transition. The main themes envisaged concern storage solutions under compressed form (filament winding, composite materials) and in so-called ''solid'' form (by formation of metal hydrides). With the Recovery Plan, France is launching in 2020 an ambitious funding program dedicated to the structuring of the sector, strongly involving research. The proposed subject is fully in line with this dynamic and contributes to the efforts already undertaken for 10 years on the solid storage of hydrogen, and more recently during the thesis work of Ludovic Bebon (defense July 2021). This topic concerns the understanding and prediction of the behavior of powdery materials in a confined environment (the tank) when hydrogen charge-discharge cycles are applied. The storage material is subjected to strong stresses inducing swelling, decrepitation, sintering ... phenomena that should be better understood for the designing of the tanks. We aim to resume the work of L. Bebon which made it possible to perfect the knowledge of the decrepitation mechanisms on three families of intermetallic and to develop a model of the isolated particle (of the grain of powder) based on the Yade tool(Discrete Element Modeling, DEM). Our ambition is now a change of scale allowing us to understand and describe the mechanical-physical mechanisms (without omitting the chemical aspect) occurring during the different phases of exploitation (activation, charge-discharge cycling) of these materials at the atypical behavior (phase change, swelling, fracturing, decrepitation, etc.). Concretely, we will implement tests to observe and qualify the behavior of the powder bed in a confined environment. The department has a lab dedicated to hydrogen tests (high pressure, Sievert, permeation, etc.) and platforms (AMETISTE, MIFHySTO, MIMENTO) of the DMA and the FEMTO-ST Institute in order to carry out characterization tests or design specific test benches. The DMA is at the forefront of this thematic study dealing with mechanical behavior of the powdery medium with phase change on a national level. This completes the numerous actions, on the other hand, on the metallurgy and the chemistry of these materials in order to increase the characteristics in terms of kinetics, ease of activation, reversibility or mass absorption capacity. We collaborate in particular with the ICMPE (Metallurgy and Chemistry Institute Paris-Est) on these aspects, and strengthen our links with LITEN (Innovation Laboratory for New Energy Technologies and Nanomaterials) of the CEA of Grenoble on the characterization of powders and with the ISTerre laboratory (Institute of Earth Sciences) of Grenoble for the use of Yade. The planned work requires involvement in the experimental component in the aim at observing and understanding the phenomena that we want to model using the DEM tool. This digital component allowing the simulation of the behavior of the powder bed constitutes an essential point of the work to be carried out. It will provide a tool for establishing recommendations for the designing of tanks.