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PostDoc: Développement et caractérisation de systèmes innovants pour plaque bipolaire de pile à combustible pour le transport routier

ABG-93633 Emploi Confirmé
21/09/2020 CDD 12 Mois > 25 et < 35 K€ brut annuel
INSA Lyon - MATEIS
Villeurbanne - Auvergne-Rhône-Alpes - France
Matériaux
  • Chimie
  • Sciences de l’ingénieur
Ingénièrie des surfaces, Corrosion, Surface engineering
30/11/2020
Recherche et Développement

Employeur

MATEIS est un laboratoire de Science des Matériaux à l’intersection de champs disciplinaires, principalement en chimie, physique et mécanique. Le laboratoire MATEIS étudie les trois classes de matériaux (métaux, céramiques, polymères) et leurs composites en intégrant les caractéristiques en volume, en surface et les interfaces. L’équipe CorrIS (Corrosion et Ingénierie de Surface) focalise ses activités de recherche sur les propriétés surfaciques des matériaux, plus particulièrement sur la réactivité des surfaces et interfaces, les propriétés physicochimiques des surfaces et sur l’optimisation de celles-ci. Elle développe des méthodologies expérimentales lui permettant : - de caractériser les surfaces et leurs comportements, - de proposer des solutions matériaux (traitements de surface, revêtements architecturés, par exemple).

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MATEIS is a laboratory which develops research in Material Science and Engineering. The lab exhibits a pluridisciplinary culture which allows to combine physics, chemistry, and mechanics to develop and optimize innovative materials.

All material families are studied in MATEIS Lab (metal, ceramics and polymers) and of course the mix of them constituting composites. The characterizations of the volume and surface materials properties are the specificities of MATEIS Lab to establish relationship between microstructure and performances.

In this laboratory, the CorrIS group dedicates it research on corrosion science and surface engineering. Surface reactivity and multifunctional surface properties are the heart of scientific activity of the group.

Methodology are developed to propose material solutions in terms of surface treatments, coatings, conversion layers, inhibitors… This project will take place in this group.

Poste et missions

La réduction des émissions de gaz à effet de serre, comme le dioxyde de carbone, constitue l’un des enjeux fondamentaux du XXIème siècle. A titre d’exemple, le transport contribue à hauteur de 23% des émissions de CO2 dans le monde. Les véhicules électriques, hybrides et à pile à combustible représentent une alternative très prometteuse aux véhicules à moteur thermique. Les FC-EV (véhicules électriques à pile à combustible) sont dotés d’une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) qui convertit l’hydrogène en électricité au moyen de réactions électrochimiques. Les PEMFC sont constituées d’un empilement de cellules élémentaires alternant plaque bipolaire (BP) et assemblages membrane-électrodes (AME). Parmi les différents marchés actuellement visés pour la pile à combustible figurent les poids lourds et les bus, lesquels requièrent une durabilité minimale de 20 000 h. Afin de répondre à ces exigences, de nombreuses recherches sont actuellement menées sur l’optimisation à la fois des AMEs mais également des BPs. A ce stade les aciers inoxydables sont les matériaux principalement pressentis pour assurer la fonction de BP. En effet, des études préliminaires ont montrées que la corrosion était un facteur à considérer dans le choix des matériaux. Or, les aciers inoxydables sont protégés intrinsèquement par la présence d’un film passif. Cependant, ils deviennent sensibles à la corrosion par piqûre due à la présence de fluorures. De plus, lorsque l’acier inoxydable présente de bonnes propriétés vis-à-vis de la corrosion, l’existence du film passif augmente significativement la résistance interfaciale de contact, qui rend caduque l’utilisation de ce matériau. Enfin; ces matériaux sont significativement sensibles aux étapes de soudage qui provoquent des modifications microstructurales en raison du caractère très localisée de la dissipation d’énergie. Il existe d’autres natures de substrats tout aussi emboutissables et conducteurs, mais présentant une plus faible résistance vis-à-vis de la corrosion, nécessitant une protection. Par conséquent, une des alternatives à ces problèmes de corrosion réside dans la modification de surface par : (i) fonctionnalisation à partir de modification physicochimique du matériau, (ii) modification par traitement thermochimique ou enfin (iii) élaboration d’un revêtement à base d’un matériau adapté au milieu pile.

 

Le projet sera mené au laboratoire MATEIS en étroite collaboration avec la société Symbio (qui conçoit, produit et commercialise des systèmes hydrogène pour véhicules légers et commerciaux, bus et camions, ainsi que pour divers autres formats de véhicules électriques) et se déclinera selon quatre axes :

1.         Revue bibliographique

Le projet débutera sur un état de l’art qui doit permettre de disposer de façon la plus exhaustive possible, de toutes les solutions déjà envisagées qu’elles soient de type revêtement ou fonctionnalisation de surface. Cet état de l’art s’accompagnera d’une analyse critique. Il s’agira de donner des clefs d’arbitrage sans pour autant fermer les portes à des solutions qui pourraient évoluer et devenir intéressantes. Ces solutions potentielles seront à comparer avec les solutions actuellement proposées au sein de Symbio.

2.         Définition des protocoles de tests

Afin de valider et de sélectionner les systèmes proposés, un protocole expérimentale robuste comprenant la caractérisation du système à réception, l’évaluation de ces performances en corrosion et l’analyse post-mortem est attendu. A partir des conditions expérimentales mises en œuvre dans la littérature pour la caractérisation des systèmes et des retours d’expérience, ce protocole a pour vocation d’être versatile et discriminant pour l’évaluation des systèmes candidats à l’application plaque bipolaire.

3.         Tests de corrosion sur plaques bipolaires

Une fois le protocole expérimental validé, il sera employé à la classification et à la sélection des système BPs. Il sera question de qualifier les performances par rapport aux enjeux de corrosion mais aussi de résistance interfaciales de contact. Lors de cette phase, les systèmes actuels seront testés et comparés aux systèmes candidats mis en exergue lors de la revue bibliographique et de la veille technologique. En fonction des résultats, des préconisations portant sur les aspects matériaux, procédés mais aussi expérimentaux serviront de base à d’éventuelles optimisations.

4.         Evaluation des performances et durabilité

Dès lors qu’une ou des solutions seront envisagées, il conviendra d’aborder les aspects durabilité. Pour cela un banc d’essai sera monté pour réaliser un vieillissement des systèmes. Les résultats obtenus à l’aide de ce montage expérimental auront pour objectif d’accroître les connaissances scientifiques en lien avec la dégradation des BPs en service.

 

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       The reduction of the emissions of greenhouse gas, such as carbon dioxide, is one of the fundamental challenges of the 21st century. For example, transport contributes 23% of CO2 emissions worldwide. Electric, hybrid and fuel cell vehicles represent a very promising alternative to combustion engine vehicles.

       FC-EVs (fuel cell electric vehicles) are equipped with a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) that converts hydrogen into electricity through electrochemical reactions.

       PEMFCs consist of a stack of elementary cells alternating bipolar plate (BP) and membrane-electrode assemblies (MEAs). Current target markets for the fuel cell include trucks and buses, which require a minimum durability of 20,000 hours. In order to achieve these requirements, a lot of research is currently being carried out on the optimisation of both MEAs and BPs.

       Stainless steels are currently the best candidates to achieve all the function of PBs. Mainly, because preliminary studies have shown that corrosion is a discriminating factor and stainless steels are intrinsically protected by the presence of a passive film. However, they become susceptible to pitting corrosion due to the presence of fluorides. Moreover, if stainless steel has good corrosion properties, the existence of the passive film significantly increases the interfacial contact resistance, which makes the final use of this material inappropriate. There are other types of substrates or systems that are equally thermoformable and conductive, but with a lower resistance to corrosion, and thus requiring protection. Therefore, one of the alternatives to these corrosion/conductivity duality is surface modification by: (i) functionalization based on physicochemical modification of the material, (ii) modification by thermochemical treatment, or finally (iii) development of a coated system adapted to the pile environment.

 

The project will be carried out at the MATEIS laboratory in close collaboration with Symbio (which designs, produces and markets hydrogen systems for light and commercial vehicles, buses and trucks, as well as for various other formats of electric vehicles) and will be based on four main lines of research:

 

1. Literature review

The project will start with an as exhaustive as possible state of the art which should classify all the solutions already considered whether they are of the coating or functionalization type. This state of the art will be accompanied by a critical analysis. A particular attention will be paid to give a serious ranking approach without closing the doors to solutions that could evolve and become interesting. These potential solutions will be compared with the solutions currently proposed within Symbio.

2. Definition of test protocols

To validate and select the proposed systems, a robust experimental protocol including the characterization of the system at reception, the evaluation of its corrosion performance and the post-mortem analysis is expected. Based on the experimental conditions implemented in the literature for the characterization of the systems and on different feedbacks, this protocol is intended to be versatile and discriminating for the evaluation of candidate systems for bipolar plate application.

3. Corrosion tests on bipolar plates

Once the experimental protocol has been validated, it will be used in the classification and selection of innovative BP systems. Qualifying the performances in relation to the corrosion issues but also to the interfacial contact resistance will be the central axe of this investigation. During this phase, the current systems will be tested and compared to the candidate systems selected during the literature review. Depending on the results, recommendations concerning material, process and experimental aspects will serve as a basis for possible optimizations.

4. Evaluation of performance and durability

Whenever one or more solutions are considered, sustainability aspects should be addressed. A bench test will be set up to carry out an ageing of the systems. The results obtained using this experimental set-up will aim to increase scientific knowledge in relation to the degradation of BPs in service.

 

Mobilité géographique :

Européenne

Profil

Le (la) candidat(e) possèdera des connaissances en sciences et ingéniérie des surfaces.  Il ou elle possèdera idéalement des compétences en caractérisations physicochimiques (analyses de surface) et en techniques électrochimiques.

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Candidate should be familiar with surface engineering technics (thin layer) and surface caharacterization technics. An experience in electrochemical measurement will be appreciated.

This knowledge should be completed by experience in physicochemical analysis of material.

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