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Imagerie IR pour l'étude des transferts de masse d'électrolyseurs polymères (H/F)

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Informations générales

Référence : UMR5295-CHRPRA-001
Lieu de travail : TALENCE
Date de publication : mardi 19 mai 2020
Nom du responsable scientifique : Pradere
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 septembre 2020
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Dans le cadre du projet IMAGING entre l'Université de Toronto (avec le Prof. A. Bazylak) et le CNRS (Prof. S. Chevalier et Dr. C. Pradère) au laboratoire I2M de Bordeaux, une thèse de doctorat sur le contrôle avancé du transport de masse des électrolyseurs PEM utilisant dans l'opérande Neutron & Infrared est proposée. Les électrolyseurs à membrane électrolytique polymère (PEM) sont l'une des technologies vertes les plus prometteuses pour le stockage de l'énergie provenant de sources renouvelables, mais intermittentes, comme l'hydrogène. L'efficacité et la fiabilité doivent encore être améliorées afin d'atteindre l'accessibilité financière et la durée de vie nécessaires à une commercialisation à grande échelle. Le contrôle des comportements de transport de masse des réactifs et des produits à l'échelle microscopique dans les canaux d'électrolyse et les couches de transport sont des éléments clés pour atteindre ces objectifs. Pour la première fois, cette question sera abordée à travers un tryptique de techniques expérimentales avancées qui inclut dans l'opération l'imagerie neutronique, l'imagerie thermospectroscopique et l'imagerie thermique. Ces nouveaux travaux permettront d'acquérir des connaissances avancées sur la physique du transport de masse à l'échelle micro dans des conditions non isothermes, qui serviront de nouvelles lignes directrices à l'industrie pour la conception de la prochaine génération d'électrolyseurs PEM.
La résolution du problème du transport de masse dans un flux réactif, où des réactions électrochimiques ont lieu, où des fluides multiphasiques circulent dans des milieux microporeux et où le transfert de chaleur affecte la plupart des propriétés physiques du système, est une question scientifique importante que la communauté des chercheurs tente de résoudre depuis plusieurs années [1]. Au cours de ce travail de thèse, cette question sera traitée par une combinaison de méthodes d'imagerie innovantes et de modélisation basée sur l'image pour les méthodes inverses. L'application principale de ce travail permettra d'améliorer les performances de l'électrolyseur PEM. La thèse de doctorat sera divisée en trois étapes principales. Tout d'abord, le candidat devra concevoir un électrolyseur PEM microfluidique pour les mesures de thermospectroscopie IR. La plateforme d'imagerie IR déjà développée dans le laboratoire I2M sera utilisée [2] pour mesurer les images 4D (x, y, λ et T). Dans un deuxième temps, les mesures de l'électrolyseur PEM effectuées à l'I2M seront comparées aux données recueillies par le groupe de A. Bazylak à l'Université de Toronto (UofT) à partir de la technique d'imagerie neutronique [3], afin de valider la conception des électrolyseurs PEM microfluidiques. Enfin, dans la dernière étape, un modèle multiphysique d'électrolyseur sera développé par le candidat afin de l'utiliser pour des méthodes inverses basées sur l'image pour estimer les propriétés des fluides et les performances de l'électrolyseur. Des régimes de fonctionnement spécifiques permettant de dériver des solutions analytiques seront spécifiquement ciblés [4]. À la fin, le candidat au doctorat développera à la fois la caractérisation multiphysique et la modélisation de l'électrolyseur PEM au cours de ce travail de thèse afin d'informer les industriels et les fabricants. Plusieurs allers-retours à Toronto (Canada) seront effectués au cours de la thèse, et une collaboration étroite avec les chercheurs de l'Université de Toronto devra être mise en place.

[1] A.Z. Weber, R.L. Borup, R.M. Darling, P.K. Das, T.J. Dursch, W. Gu, et al., A Critical Review of Modeling Transport Phenomena in Polymer-Electrolyte Fuel Cells, J. Electrochem. Soc. 161 (2014) F1254–F1299.
[2] M. Romano, C. Ndiaye, A. Duphil, A. Sommier, J. Morikawa, J. Mascetti, J.C. Batsale, L. Servant, C. Pradere, Fast infrared imaging spectroscopy technique (FIIST), Infrared Phys. Technol. 68 (2015) 152–158.
[3] C. Lee, J.K. Lee, B. Zhao, K.F. Fahy, J.M. LaManna, E. Baltic, D.S. Hussey, D.L. Jacobson, V.P. Schulz, A. Bazylak, Temperature-dependent gas accumulation in polymer electrolyte membrane electrolyzer porous transport layers, J. Power Sources. 446 (2020) 227312.
[4] S. Chevalier, J. Olivier, C. Josset, B. Auvity, Polymer electrolyte membrane fuel cell operating in stoichiometric regime, J. Power Sources. 440 (2019) 227100.

Contexte de travail

Le candidat au doctorat doit avoir une solide expérience en matière de transfert de chaleur et de masse, avec un goût pour la modélisation non linéaire de l'électrochimie. Des connaissances en méthodes numériques pour le traitement d'images seront un atout important pour cette thèse de doctorat. La plupart des traitements de données seront effectués dans l'environnement MATLAB. Le candidat au doctorat doit avoir un goût prononcé pour les travaux expérimentaux et l'acquisition de données, et une expérience dans les mesures microfluidiques sera un atout. Le candidat peut également avoir à développer des programmes d'acquisition de données à l'aide du logiciel LabVIEW.
Des compétences en microfabrication (micro-usinage, dépôt de plasma, lithographie...) seraient demandées pour cette offre de doctorat. Un candidat titulaire d'un diplôme d'ingénieur des meilleures écoles ou universités de génie mécanique ou chimique en France ou au Canada serait apprécié. Une expérience professionnelle antérieure dans un environnement de recherche (par exemple, un stage de recherche) serait également appréciée. Le candidat doit parler et écrire couramment l'anglais afin de pouvoir échanger et collaborer avec des chercheurs canadiens. Une connaissance du français serait appréciée.

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