Caractérisation multiphysique des piles à combustible microfluidique par thermospectroscopie à détection synchrone

Contexte

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. Parmi les technologies actuellement disponibles, les piles à combustible microfluidiques (PCM) permettent un stockage direct de l’électricité sous forme électrochimique. Elles présentent 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, 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 (IMagerie Multiphysique des Piles A Combustible microfluidiques), financé par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) que de développer un imageur multiphysique pour la caractérisation des PCMs, afin d’en améliorer la conception. La thèse proposée ici s’inscrit pleinement au sein de ce projet de recherche.

Objectfis

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 d’un bon équilibre entre les différents transferts de masse, charge et chaleur. Le but de cette thèse est d’étudier et de comprendre cet équilibre et de proposer des solutions en termes d’architecture pour optimiser le rendement des PCMs.
Le premier travail consistera à développer l’imageur multiphysique basé sur la thermospectroscopie infrarouge (IR) couplée à la spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS). Cela débouchera sur une nouvelle méthode de caractérisation : la thermospectroscopie à détection synchrone (LiT). Cette technique permettra d’imager les différents champs excités périodiquement au sein d’une PCM en fonctionnement. En parallèle de ce travail expérimental, 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 portée concernant 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, une fois ces travaux de modélisation et de construction de l’imageur multiphysique effectués, l’objectif ultime sera de développer une méthode inverse basée sur le traitement des images produites par la LiT, et des solutions analytiques associées. In fine, les travaux développés durant cette thèse permettront la mesure in situ de l’ensemble des propriétés physiques des PCM (diffusivité, conductivité, rendement…). L’ensemble de ses travaux devra également être valorisé par deux à trois publications scientifiques internationales et au moins une communication lors d’une conférence internationale.

Compétences requises

Vue la nature très expérimentale de cette thèse, le/la candidat.e devra avoir un goût prononcé de l'expérimentation, et justifier de travaux expérimentaux dans son CV. Une expérience avec des travaux ayant concernés la microfluidique et/ou la physico-chimie de procédés électrochimiques et/ou les piles à combustible serait appréciée.
Des connaissances en électrochimie, méthodes spectroscopiques, transferts de chaleur et de masse et des méthodes inverses sera également un atout précieux pour cette thèse.
Enfin, le/la candidat.e serait également capable de développer des scripts simples de traitement d’image, et pourra être familier des logiciels tels que: Matlab, python et ImageJ.
Idéalement, le/la candidate possèdera un diplôme d’une grande école d’ingénieur généraliste ou université dans le domaine de la chimie/électrochimie et/ou génie des procédés. Un master recherche serait un plus pour cette thèse.

Informations complémentaires

La durée de la thèse est de 3 ans et débutera entre janvier et février 2021. Elle se déroulera dans l’équipe Imagerie et Caractérisation Thermique du département TREFLE du laboratoire I2M (https://www.i2m.u-bordeaux.fr/Recherche/TREFLE-Transfert-Fluide-Energetique) sur le site des Arts et Métiers à Talence (33).
Le salaire net mensuel sera d'environ 1750 euros.
La candidature devra comporter un CV, une lettre de motivation, et éventuellement des articles rédigés au cours d’un master recherche.

Poste disponible à partir de mi-janvier 2021
Unité d’affectation : I2M - Talence
Emploi de catégorie : sans objet
Type de contrat : doctorat
Durée du contrat : 36mois

Mise à jour le 24/09/2020

Candidature

CV détaillé, une lettre de motivation et à minima une lettre de recommandation à adresser à Stéphane Chevalier, Chritophe Pradere, Alain Sommier et Stéphane Poux