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Approche multiphysique et modélisation des générateurs électrochimiques

Les réacteurs électrochimiques sont utilisés depuis plus d'un siècle dans de nombreuses industries. La production de métaux comme l'aluminium ou la production de gaz comme le chlore sont les principales industries qui utilisent des réacteurs électrochimiques. De même, de nombreuses entreprises réalisent de la synthèse électrochimique et du traitement des polluants par dispositif électrochimique. De plus, les méthodes électrochimiques sont de puissants outils pour l'étude des phénomènes physiques (par ex. les techniques électroanalytiques, la conductimétrie, les impédancemètres, les capteurs etc. Les réactions électrochimiques sont des processus hétérogènes et similaires aux réactions catalytiques. Ces réactions de surface singulières impliquent des pertes de transport de masse, qui sont associées au transport d'espèces chargées et non chargées dans l'électrolyte et dans certains cas : phases gazeuses, particules solides ou gouttelettes. Ces limitations pourraient avoir des effets néfastes sur le fonctionnement des piles électrochimiques. De même, le bilan thermique est fortement lié aux performances électrochimiques.
L'approche multiphysique est donc essentielle pour résoudre ces problèmes complexes.

Électrochimie et champ magnétique

La durabilité des systèmes PEMFC est " la préoccupation " de l'équipe EIP et ainsi, développer de nouvelles stratégies pour détecter la dégradation est un travail permanent.

De nombreux phénomènes tels que la dégradation des AME, le séchage des membranes et le noyage des électrodes affectent la distribution des densités de courant. Par exemple, la mesure des champs magnétiques permet de se faire une idée en trois dimensions des densités de courant internes possibles. La magnétotomographie peut fournir de nombreuses informations sur les conditions de fonctionnement d'une pile à combustible. Il est possible d'estimer une moyenne 2D de la densité de courant en résolvant un problème inverse, basé sur la relation entre les courants et le champ magnétique. Par conséquent, pour résoudre le problème inverse, nous avons besoin d'un "bon" modèle direct. Le modèle de pile couplé à un capteur magnétique met en évidence la non-homogénéité de la densité de courant à travers la cellule et entre les cellules de la pile. Cette méthodologie est mise en œuvre dans le cadre du programme ANR LOCALIE.

Améliorer l'électrocatalyse de l'électrolyse alcaline de l'eau (AWE: alkaline water electrolyze)  sans utiliser de métaux précieux est un grand défi que l'équipe EIP a toujours relevé.

De nombreux phénomènes tels que la dégradation des AME, le séchage des membranes et le noyage des électrodes affectent la distribution des densités de courant. Par exemple, la mesure des champs magnétiques permet de se faire une idée en trois dimensions des densités de courant internes possibles. La magnétotomographie peut fournir de nombreuses informations sur les conditions de fonctionnement d'une pile à combustible. Il est possible d'estimer une moyenne 2D de la densité de courant en résolvant un problème inverse, basé sur la relation entre les courants et le champ magnétique. Par conséquent, pour résoudre le problème inverse, nous avons besoin d'un "bon" modèle direct. Le modèle de pile couplé à un capteur magnétique met en évidence la non-homogénéité de la densité de courant à travers la cellule et entre les cellules de la pile. Cette méthodologie est mise en œuvre dans le cadre du programme ANR LOCALIE.

Améliorer l'électrocatalyse d'AWE sans utiliser de catalyseurs PGM est un grand défi que le groupe EIP a toujours relevé.

Nous avons prouvé que les effets d'un chauffage magnétique peuvent être utilisés pour améliorer l'activité d'un catalyseur FeC@Ni pour les réactions d'électrolyse de l'eau dans 1 mol L-1 KOH : la surtension de l'OER peut être réduite jusque 200 mV dans un champ magnétique de 40 mT, dans une gamme de densité de courant de 10 à 25 mA cm-2 lors des mesures galvanostatiques. Par ailleurs, ce n'est qu'à des densités de courant "élevées" jusqu'à 25 mA cm-2 que la réaction de dégagement d'hydrogène (HER) a montré une diminution de sa surtension de 75 mV dans un champ magnétique de 48 mT. Ainsi, avec un chauffage magnétique, il est possible pour un PEMWE d'atteindre une productivité de 1 A cm-2 avec moins de 500 mV de surtensions aux électrodes. Le programme ANR Hy-walHy propose de développer des électrolyseurs d'eau alcalins (AWE) magnétiquement améliorés, sur lesquels le LEPMI et le LPCNO ont récemment établi une preuve de concept.

Électrochimie et flux multiphases

L'efficacité des procédés électrochimiques industriels dépend fortement du transfert de masse. Par exemple, les réactions électrochimiques peuvent être améliorées par l'écoulement d'électrolyte pompé, ce qui augmente le transfert de masse à la surface de l'électrode. Alternativement, un flux peut être induit par la production électrochimique de bulles. Cette description est valable pour de nombreux cas d'écoulements multiphasiques tels que les particules solides. De plus, dans le procédé d'électrolyse alcaline de l'eau, une résistance supplémentaire due à la couverture partielle des électrodes par les bulles était un point critique pour l'efficacité énergétique. Une meilleure compréhension du comportement des bulles fournirait un support scientifique pour minimiser cette résistance et contribuer au développement de la production d'hydrogène. L'approche développée dans le groupe EIP montre pour Prx >1, qu'il est possible de prédire l'évolution des panaches de bulles le long des électrodes en convection libre ou forcée. Grâce à ces résultats, il est possible d'optimiser le fonctionnement de l'électrolyse en utilisant l'analyse de nombres adimensionnels comme le Reynolds (forcé) ou le Rayleigh (libre) ou le nombre de Prandtl équivalent.
Une étude similaire est appliquée à l'étude de la batterie à flux redox : pour une conception innovante de la cellule Vanadium-Solid-Liquide. Dans le cadre du programme V.S.L. ANR, étude expérimentale de la cellule de laboratoire ou de la cellule unique à électrodes 3D pour étudier le comportement des électrolytes ainsi que le comportement des membranes en utilisant diverses techniques électrochimiques telles que l'EIS.

Modélisation de la spectroscopie d'impédance électrochimique (échelle commerciale)

La mesure précise et fiable de la résistance spécifique surfacique (ASR) du matériau des électrodes est une étape importante pour de nombreuses applications en électrochimie appliquée. L'emplacement de l'électrode de travail, de la contre-électrode et de l'électrode de référence dans le conducteur ionique solide est moins flexible que dans le liquide ionique. On remarque également qu'une disposition asymétrique de la contre-électrode et de l'électrode de référence entraîne des erreurs importantes sur la mesure de l'impédance de l'électrode de travail. Les simulations peuvent être utilisées pour prédire l'écart de la mesure électrique par rapport à la contribution réelle de l'impédance de l'électrode de travail. Le calcul peut aussi déterminer s'il existe un placement optimal de l'électrode de référence pour une configuration de cellule fixée.

mise à jour le 26 novembre 2019

Univ. Grenoble Alpes