Optimisation D’une Cellule Céramique à Travers

il y a 1 mois


Bourges, France Laboratoire de Mécanique Gabriel Lamé - Université d'Orléans Temps plein

**Optimisation d’une cellule céramique à travers une modélisation thermo-chimio-électro-mécanique**:

- Réf
- **ABG-113587**
- Sujet de Thèse- 20/04/2023- Autre financement public- Laboratoire de Mécanique Gabriel Lamé - Université d'Orléans- Lieu de travail- Orléans - Centre Val de Loire - France- Intitulé du sujet- Optimisation d’une cellule céramique à travers une modélisation thermo-chimio-électro-mécanique- Champs scientifiques- Sciences de l’ingénieur

**Description du sujet**:
**The English version is at the end of the french version.**

**Contexte**:
L'électrolyse à vapeur à haute température deviendra un outil précieux pour la transition vers une économie à faible émission de carbone, car elle pourra être mise en oeuvre à de nombreux niveaux industriels à moyen/long terme (2025 - 2030), comme par exemple : (i) la production d’hydrogène à grande échelle grâce à son efficacité énergétique élevée lorsque de la chaleur externe est disponible, (ii) le Power-to-X en couplant le SOEC (Solid Oxide Electrolyzer Cells) avec des réacteurs chimiques pour produire plusieurs combustibles/liquides tels que l'ammoniac, le méthanol et l'acide formique, (iii) le Power-to-Power grâce à sa capacité de fonctionnement réversible SOFC/SOEC (Solid Oxide Fuel Cells / Solid Oxide Electrolyzer Cells).
Un objectif primordial est d'améliorer l'efficacité de l'électrolyseur, c’est-à-dire diminuer la consommation énergétique pour produire la même quantité d'hydrogène. Le principal avantage de la technologie des Cellules d'Electrolyse à Oxyde Solide à haute température est que la dissociation de la vapeur (phase gazeuse) nécessite moins d'apport d’énergie électrique par rapport à l’hydrolyse de l’eau liquide. Cependant, les cellules céramiques utilisées pour l'électrolyse de la vapeur souffrent encore de dégradations dues à leur fragilité, associée à des conditions de fonctionnement difficiles (température élevée, gradients de potentiel chimique importants, etc.) A cet égard, la gestion des propriétés thermomécaniques des cellules et de leur évolution dans le temps apparaît comme critique pour limiter la dégradation des cellules et les éventuels défaillance.
Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR RROC (Robust Monolithic Reversible Solid Oxide Cell) visant à développer et à optimiser une technologie de pile à combustible céramique révolutionnaire basée sur une architecture innovante des matériaux SOEC « Solid Oxide Electrolyzer Cell » constitutifs, produit par des processus évolutifs et compétitifs. Six partenaires académiques et industriels sont impliqués dans le projet ANR RROC: ENGIE, LaMé, ICMCB, IRCER, SRT Microcéramique, IMN.

**Missions**:
L'objectif de la modélisation est de pouvoir réaliser des simulations qui permettront d’anticiper l'impact des conditions de service pour optimiser à la fois la géométrie, le choix des matériaux, la structure et les paramètres de pilotage du process. Cette modélisation thermo-électro-chimico-mécanique sera développée par le LaMé en collaboration avec l'IRCER. L’objectif final est de déterminer, pour une cellule choisie, le design optimal de la cellule. Le travail sera réparti en 4 grandes parties:
1. Caractérisation thermo-mécanique : Amélioration du dispositif expérimental existant pour étudier les influences possibles du courant électrique sur les propriétés mécaniques à différentes températures et leur évolution dans le temps.
2. Modélisation du comportement thermo-electro-chimio-mécanique des cellules : Développement et implémentation numérique d’un modèle de comportement multiphysique de la membrane céramique dense.
3. Caractérisation mécanique de la cellule : Développement d’un nouveau dispositif expérimental pour solliciter mécaniquement la cellule complète dans des conditions environnementales reflétant différentes conditions de fonctionnement, températures, atmosphères de chaque côté de la cellule, et courants.
4. Optimisation de la conception des cellules par une approche couplé modélisation / expérimental: Grâce au modèle développé ainsi qu'à la caractérisation thermomécanique des composants de la cellule et de la cellule complète avant et après fonctionnement il sera possible de proposer une architecture optimisé qui pourra être réalisé et testé

**English version**:
**Context**:
High temperature steam electrolysis will become a valuable tool for transitioning to a low carbon economy, because it could be implemented at many industrial levels in the mid/long term (2025 - 2030), such as: (i) large scale H2 production thanks to its high-power efficiency when external heat is available, (ii) Power-to-X by coupling SOEC (Solid Oxide Electrolyzer Cells) with chemical reactors to produce several fuels/liquids such as ammonia, methanol and formic acid, (iii) Power-to-Power thanks to its r



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