Evaluation multicritère des technologies de stockage couplées aux énergies renouvelables (conception et réalisation de la plateforme de simulation ODYSSEY pour l'optimisation du dimensionnement et de la gestion énergétique)

L'objectif de ces travaux de thèse était de concevoir et de développer un outil de simulation et d'optimisation multicritères de centrales couplant des sources d'énergies renouvelables (EnR) et des moyens de stockage. L'optimisation porte sur le dimensionnement de l'installation (taille des unités de production EnR et de stockage) et sur la ou les stratégies de gestion de la centrale EnR-stockage selon des critères technico-économiques évalués par l'outil. L'originalité de l'outil développé réside dans la modularité de définition de l'architecture EnR-stockage, dans la prise en compte de plusieurs niveaux de modélisation (échelle et précision) des différents composants du système et dans l'intégration du vieillissement. L'outil développé est également illustré sur des cas d'études afin d'apprécier sa pertinence.The objective of this work was to design and develop a simulation and multi-criteria optimization tool of energy systems composed of renewable energy (RE) production and storage units. Optimization concerns the systems sizing (renewable production and storage units) and the systems control strategies based on techno-economic criteria. Originality of the tool resides in the modularity of definition of the RE-storage plant architecture, in taking into account several levels of modeling (scale and accuracy) of the different system components and in the consideration of ageing through performances degradation. The developed tool is also illustrated on application cases to highlight its usefulness.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Do not forget the electrochemical characteristics of the membrane electrode assembly when designing a Proton Exchange Membrane Fuel Cell stack

International audienceThe membrane electrode assembly (MEA) is the key component of a PEMFC stack. Conventional MEAs are composed of catalyzed electrodes loaded with 0.1-0.4 mgPt cm−2 pressed against a Nafion® membrane, leading to cell performance close to 0.8 W cm−2 at 0.6 V. Due to their limited stability at high temperatures, the cost of platinum catalysts and that of proton exchange membranes, the recycling problems and material availability, the MEA components do not match the requirements for large scale development of PEMCFs at a low cost, particularly for automotive applications. Novel approaches to medium and high temperature membranes are described in this work, and a composite polybenzimidazole-poly(vinylphosphonic) acid membrane, stable up to 190 ◦C, led to a power density of 0.5 W cm−2 at 160 ◦C under 3 bar abs with hydrogen and air. Concerning the preparation of efficient electrocatalysts supported on a Vulcan XC72 carbon powder, the Bönnemann colloidal method and above all plasma sputtering allowed preparing bimetallic platinum-based electrocatalysts with a low Pt loading. In the case of plasma deposition of Pt nanoclusters, Pt loadings as low as 10 g cm−2 were achieved, leading to a very high mass power density of ca. 20 kW g−1 Pt . Finally characterization of the MEA electrical properties by Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) based on a theoretical model of mass and charge transport inside the active and gas diffusion layers, together with the optimization of the operating parameters (cell temperature, humidity, flow rate and pressure) allowed obtaining electrical performance greater than 1.2 W cm−2 using an homemade MEA with a rather low Pt loading

Base de description des défauts 2D et 3D pour le diagnostic d'une pile à combustible par la mesure de champ magnétique externe

International audienceL’objectif des travaux actuels consiste à parvenir,par la résolution d’un problème inverse magnétostatique àconstruire la distribution de la densité du courant en 3D àl’intérieur d’une pile à combustible par la mesure non-invasivede champ magnétique externe, ce qui va nous amener à concluresur le changement des propriétés électrochimiques de la pile dansle cas d’un défaut quelconque. Une description de ces défautspermet de poser la démarche à suivre afin de les identifier enconstruisant des bases de projections qui regroupent descombinaisons linéaires de défauts possibles

SOFC long term operation in pure methane by gradual internal reforming

International audienceA solid oxide fuel cell was designed to be operated in pure methane, without reforming or carrier gas. The fuel cell was built up from conventional NiO-YSZ anode supported cell with a specific Pt screen-printed anodic collecting system and a Ir-CGO catalytic layer. The operation principle is based on Gradual Internal Reforming. After an initiation in H2 for 30 minutes, the cell was operated for almost 2000 hours in pure and dry CH4 with a fuel utilization rate of 30 %. Intrinsic gradual degradation of 15 %/1000 h was observed, but no coking occurred at the anodic side

Modélisation par la méthode des éléments discrets de la conductivité effective d'électrodes pour piles à combustibles à oxyde solide (SOFC)

Les électrodes composites des piles à combustible à oxyde solide (SOFC) sont obtenues par frittage partiel d'un mélange de poudres conductrices ioniques et électroniques. L'amélioration des performances électrochimiques des électrodes composites passe par la multiplication des points triples (où le gaz, le conducteur ionique et le conducteur électronique sont en contact), la présence d'une porosité résiduelle suffisante et la percolation des deux réseaux de particule (ionique et électronique). Afin d'optimiser sa microstructure, nous modélisons l'électrode poreuse comme un assemblage de sphères dont le frittage est simulé par la méthode des éléments discrets. L'empilement fritté est ensuite remplacé par un réseau de résistances électroniques, ioniques et électrochimiques et la conductivité effective est calculée. Nos simulations mettent en évidence l'importance des phénomènes de percolation. Nous calculons aussi la conductivité effective d'électrodes à gradient de composition et nous proposons une nouvelle architecture, plus performante, où la percolation du réseau électronique est forcée

Effect of Catalyst Layer and Fuel Utilization on the Durability of Direct Methane SOFC

International audienceSolid oxide fuels cells with and without anodic catalytic layer and specific anodic current collectors were developed in order to be fueled by dry methane. Due to the cell architecture integrating a 0.1wt% Ir-CGO catalyst layer onto the anode, platinum, gold and cupper screen-printed meshes were designed and optimized to ensure efficient current collection between the anode surface and the catalyst membrane. Current density and ageing in H2 and in pure dry CH4 respectively were compared to conventional pressed grid collecting systems. Similar performances were achieved using bulk grids or gold, platinum and copper screen-printed meshes. Operation in pure dry methane is compared with and without the catalytic layer as a function of the fuel utilization. It is demonstrated that long term operation is possible provided that sufficient faradic efficiency is achieved

Accumulateurs au plomb-acide méthanesulfonique à circulation d'électrolyte pour les applications photovoltaïques et support des réseaux

Les batteries redox à circulation d'électrolyte constituent une solution prometteuse pour le stockage de masse de l'électricité. Parmi elles, la technologie au plomb soluble dans l'acide méthanesulfonique est intéressante pour son architecture de cellule simplifiée et son faible coût potentiel. Ses performances sont toutefois limitées par l'électrode positive de PbO2 qui implique un faible rendement énergétique et une courte durée de vie des cellules. Le premier objectif de cette thèse est de mieux comprendre les mécanismes électrochimiques en jeu à l'électrode positive. La cinétique de la réaction parasite de production d'oxygène est étudiée. Des mécanismes de dissolution du PbO2 sont proposés et des additifs sont testés pour améliorer sa cyclabilité. Les réponses complexes du potentiel de l'électrode en cyclage galvanostatique sont également interprétées. Le second objectif est de proposer un réacteur innovant comprenant une électrode positive de grande surface spécifique. La structure nid d'abeilles est en particulier étudiée. Un réacteur utilisant cette structure est proposé, ses caractéristiques principales sont simulées avec un modèle électrochimique ad hoc, et des prototypes sont fabriquées et testés en cyclage.Redox-flow batteries are considered as a promising solution for massive electrical storage. In particular, the soluble lead-methanesulfonic acid technology is interesting due to the simple design of the cells and the potentially low associated costs. However some hurdles remain for its development, namely a low energy efficiency as well as a very limited lifetime, both of which being associated with the positive PbO2-electrode. The first goal of this Ph.D. thesis is to provide a better understanding of the electrochemical mechanisms taking place at the positive electrode. The kinetic behaviour of the parasitic oxygen evolution during charging is assessed. Some mechanisms involved in the dissolution of PbO2 are proposed and additives are tested for improving its cyclability. The complex potential responses of the electrode during galvanostatic cycling are also interpreted. The second purpose is to suggest a new reactor comprising a high specific surface area positive electrode. The honeycomb structure is especially studied. A reactor that includes a honeycomb-shaped positive electrode is proposed: its main characteristics are simulated using an electrochemical model and prototypes are fabricated and experimentally tested in cycling.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Polymer electrolyte membrane Fuel Cell modelling: dc and ac solutions

International audienceA model of a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is proposed to predict the polarization curves and corresponding impedance diagrams for a small membrane electrode assembly sandwiched between bipolar plates. This theoretical approach takes into account mass transport for the following species: reactants and products along the flow channel, and water across the membrane. A global mass transport coefficient allows characterization of the mass transport flux through the gas-backing layer of the GDE, and the flooded agglomerate model is used to describe the active layer within the gas diffusion electrode. Applying this model to usual PEMFC shows that diffusion plays a crucial role at cathode for high current densities when using air as reactant. Finally, the influence of working conditions and PEMFC structure is investigated

Time domain simulation of Li-ion batteries using non-integer order equivalent electrical circuits

International audienc

Etude d'une pile à combustible SOFC alimentée au gaz (caractérisation et modélisation du fonctionnement de l'anode)

Ce travail porte sur l'étude de l'anode d'une pile à électrolyte oxyde solide (SOFC), fonctionnant en reformage interne direct du méthane. Cette étude s'est déclinée suivant deux axes : le développement d'un modèle de compréhension du fonctionnement de l'anode et sa caractérisation électrochimique en fonctionnement sous méthane. Ce modèle, basé sur le couplage du transport de matière et de chaleur au sein d'une anode support permet d'établir les distributions de courant, de surtensions, de concentration des espèces et de température dans l'anode. Les réponses simulées montrent que la distribution des espèces gazeuses au sein de l'anode dépend fortement de la cinétique des réactions de reformage, tandis que les paramètres microstructuraux (porosité, tortuosité ou rayon moyen des pores) ont peu d'effet. De plus, les résultats des simulations sous méthane ont montré un faible gradient thermique induit par le reformage interne. En parallèle, deux matériaux d'anode ont été étudiés: le chromite de lanthane dopé strontium (LSC), matériau prometteur pour un fonctionnement sous méthane et le cermet Ni-YSZ, matériau classiquement utilisé et servant de référence dans cette étude. La mise en forme d'anode en LSC s'est avérée difficile pour des raisons de frittage. Les premiers éléments de validation du modèle obtenus sur le cermet Ni-YSZ montrent une assez forte résistance de contact provenant du collectage de courant dans nos conditions d'essais. Toutefois, des performances de l'ordre de 150 mW/cm2 sous méthane, voisines de celles sous hydrogène (200 mW/cm2), ont été atteintes en se plaçant à des rapports eau/méthane élevés (>2).GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF