I2MPAC

IMagerie Multiphysique des Piles A Combustible microfluidiques

Descriptif du projet

Actuellement, le stockage de l’énergie provenant de sources renouvelables et intermittentes est un enjeu majeur pour leur déploiement massif. Celui-ci a pour but de synchroniser la production avec la demande afin de diminuer – entre autres – le coût de l’énergie. Une étude de l’ADEME a montré que d’ici 2030, une capacité de stockage électrique de 600 MW installée conduirait à économiser 150 M€/an sur le prix de l’énergie. Parmi les technologies actuellement disponibles, les piles à combustible microfluidiques (PCM) permettent un stockage direct de l’électricité sous forme électrochimique. Elles présentent aussi l’avantage de pouvoir stocker de grande quantité d’électricité dans des fluides (et inversement), de manière rapide et pour un coût relativement faible. L’état de l’art montre que le rendement de cette technologie, d’environ 30% actuellement, ce qui peut être largement amélioré grâce à la connaissance fine et in situ des transferts de masse, charge et chaleur pilotant la conversion d’énergie. C’est précisément le but du projet I2MPAC que de développer un imageur multiphysique pour la caractérisation des PCMs, afin d’en améliorer la conception.

Dans une PCM, des fluides chargés circulent dans des micro-canaux (typiquement 500 µm de large) entre deux électrodes. La réaction électrochimique aux bornes de ces électrodes conduit un gradient de concentration des espèces en solution, à un échange de charge (électrons et ions) ainsi qu’à une production de chaleur. Le rendement optimal des PCM résulte précisément d’un bon équilibre entre les différents transferts de masse, charge et chaleur. Afin d’étudier et de comprendre cet équilibre, le projet I2MPAC repose sur 3 work packages (WPs) : mesure, modèle, et caractérisation. Dans le WP1, la thermospectroscopie infrarouge (IR) sera couplée à spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) afin de réaliser la thermospectroscopie à détection synchrone (LiT). Cette technique permettra l’imagerie des différents champs excités périodiquement au sein d’une PCM en fonctionnement. Dans le WP2, un modèle multiphysique de la PCM sera construit afin d’une part analyser les données produites par la LiT, et d’autre part effectuer une étude paramétrique afin d’établir un lien entre l’efficacité du système et son design ou ses conditions opératoires. Une attention particulière sera apportée à la recherche de solutions analytiques dans l’espace de Fourier afin de permettre une analyse rapide et efficace des champs périodiques générés par la LiT. Enfin dans le WP3, une méthode inverse basée sur le traitement des images produites par le LiT, et les solutions analytiques associées, sera mise en place afin de mesurer l’ensemble des propriétés physiques des PCM (diffusivité, conductivité, …).

Le consortium de ce projet réunit une équipe de spécialistes de l’imagerie spectroscopique IR et des méthodes inverses depuis plus de 15 ans appliquée à la microfluidique. Associée aux compétences en électrochimie et en modélisation des systèmes pile à combustible du coordinateur, cela assurera le succès du projet dans son ensemble.

Les bénéfices du projet I2MPAC sont nombreux. Il répond en premier lieu au besoin d’améliorer la production et le stockage d’énergie issu de PCMs en offrant un nouvel outil d’imagerie pour la caractérisation multiphysique aux petites échelles. Grâce à cet outil, il sera possible d’adresser des recommandations aux industriels pour la fabrication de PCMs plus efficientes, l’utilisation de fluides plus performants pour le stockage ou encore l’optimisation des conditions opératoires pour les performances et la sécurité (contrôle du dégagement de chaleur). Les retombées de ce projet iront également au-delà du domaine de l’énergie. L’imagerie multiphysique apportée par la LiT sera un apport majeur partout où la caractérisation des transferts de masse, charge et chaleur en microfluidique est primordiale pour leur compréhension, telles que les réactions enzymatiques en biologie ou la catalyse hétérogène en chimie.

Financement

ANR JCJC. Coût global 515k€ dont 236k€ d’aide de l’ANR.

Durée de 42 mois à compter du 11/2020

Partenaires

Arts et Métiers

Mise à jour le 25/11/2020

Contact

Stéphane CHEVALIER
I2M


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