Modélisation physique de l'assemblage membrane-électrode de piles à combustible à electrolyte polymère

Physics-based modelling of the membrane electrode assembly of proton exchange membrane fuel cells

• Auteur / Autrice : Rashen Lou Omongos
• Direction : Alejandro Antonio Franco, Andras Vernes
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie-Chimie Informatique et Théorique-25DCH3
• Date : Inscription en doctorat le 10/01/2024
• Etablissement(s) : Amiens
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de réactivité et chimie des solides (Amiens ; 1968-....)

Mots clés

Mots clés libres

Modélisation

Piles à combustible

Ensemble d'électrodes à membrane

Modeling

Fuel cells

Membrane electrode assembly

Résumé

Le/La candidat.e sera recruté.e sur deux périodes consécutives de 18 mois dans le cadre du projet européen 'Bridging Models at Different Scales To Design New Generation Fuel Cells for Electrified Mobility (BLESSED)' qui est financé par les réseaux doctoraux Horizon Europe Marie Skłodowska-Curie Actions (MSCA). Le projet individuel DC11 sera réalisé sur deux sites : (a) au sein du département Numerical Simulation & Modelling Pool de l'entrprise AC2T GmbH (AC2T) située à Wiener Neustadt, en Autriche, sous la supervision du Prof. A. Vernes et (b) au Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides (LRCS) qui estune unité mixte de recherche du CNRS et de l'Université de Picardie Jules Verne située à Amiens, en France, sous la supervision du Prof. A. A. Franco. Vous serez inscrit.e à l'Ecole doctorale de l'Université de Picardie Jules Verne (France). Un détachement d'un mois est prévu au sein de la division R&D Advanced Technologies (AT) de Toyota Motor Europe (TME) à Zaventem (Belgique). L'objectif principal de ce projet est de développer un modèle physique d'assemblage de membrane-électrode tel qu'il résulte du processus de fabrication de la pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), c'est-à-dire de simuler numériquement l'impact des conditions d'assemblage sur les propriétés mésostructurelles et opérationnelles des couches fonctionnelles, à savoir l'électrode, la couche microporeuse (MPL) et la couche de diffusion des gaz (GDL). Pour atteindre cet objectif, le projet consistera à: (i) combiner, à l'aide de diverses techniques stochastiques, les mésostructures 3D de l'électrode prédites in silico par un autre doctorant avec les mésostructures 3D de la MPL et de la GDL connues sous forme d'images tomographiques aux rayons X, (ii) (ii) injecter ces sandwiches in silico dans un modèle de méthode des éléments discrets (DEM) pour prédire l'impact de la pression et de la température sur la mésostructure des couches fonctionnelles ainsi que sur leurs interfaces, (iii) (iii) caractériser diverses mésostructures 3D fonctionnelles en termes de descripteurs texturaux utilisés pour leur validation, tels que leur porosité, leurs facteurs de tortuosité et leurs conductivités électriques, (iv) (iv) évaluer les résistances électriques interfaciales sur la base d'un réseau de résistances et de modèles de contact électromécaniques, (v) insérer ces modèles dans les modèles de type continuum développés par d‘autres doctorants pour simuler les principes de fonctionnement de la PEMFC, et (v) (v) étudier l'impact des paramètres de génération des mésostructures sur les mésostructures d'assemblage résultantes pour tenir compte des incertitudes dans les prédictions.

OFFER DESCRIPTION The Doctoral Candidate (DC11) will be hired for two consecutive 18-month periods as part of the “Bridging Models at Different Scales To Design New Generation Fuel Cells for Electrified Mobility (BLESSED)” project which is funded through the Horizon Europe Marie Skłodowska-Curie Actions (MSCA) Doctoral Networks. The DC11 individual project will be realized at: (a) the Numerical Simulation & Modelling Pool of AC2T research GmbH (AC2T) in Wiener Neustadt, Austria, under the supervision of Prof. A. Vernes and (b) at the Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides (joint research unit be-tween CNRS & Université de Picardie Jules Verne) in Amiens, France, under the supervision of Prof. A. A. Franco. DC11 will be enrolled in the PhD program of the Université de Picardie Jules Verne (France). A one-month secondment at the R&D Advanced Technologies (AT) Division of Toyota Motor Europe (TME) in Zaventem, Belgium is foreseen. The main objective of DC11 is to develop a physics-based model of the membrane electrode assembly as resulting from the manufacturing process of the proton-exchange membrane fuel cell (PEMFC), i.e., to properly simulate numerically the impact of the assembling conditions on the mesostructural and operational properties of the functional layers, namely electrode, microporous layer (MPL), and gas diffusion layer (GDL). Toward to achieve this goal, DC11 (i) will combine using various stochastic techniques the electrode 3D mesostructures predicted in silico by DC10 with the 3D mesostructures of MPL and GDL known as X-ray CT-images, (ii) will inject these in silico sandwiches into a Discrete Element Method (DEM) model for predicting the impact of pressure and temperature on the mesostructure of the functional layers as well as their interfaces, (iii) will characterise various functional 3D mesostructures in terms of textural descriptors used for their validation, such as their porosity, tortuosity factors and electric conductivities, (iv) will evaluate the interfacial electric resistances based on a resistor network and electro-mechanical contact models, (v) will insert these models into the continuum models developed by DC1&3 for simulating the operation principles of PEMFC, and (v) will study the impact of the seed used for mesostructure generation on the resulting assembly mesostructures to account for uncertainties in predictions.