Postdoctoral position: Experimental Analysis of a PEMFC Composed of Innovative Oxide Catalysts

Starting date: 1st October 2022 no later than 1st January 2023 Duration: 18 months
Location: LEMTA – 54000 Nancy

Net salary per month: 2100 €

Contact: Applications (CV, letter of motivation) should be sent by email to: Sophie Didierjean – sophie.didierjean@univ-lorraine.fr
And Anthony Thomas – anthony.thomas@univ-poitiers.fr

Context

To prepare the next generation of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) for automotive applications, the question of substituting critical raw materials like Pt group metals (PGMs) is mandatory for many reasons. Among them, the cost and the availability of strategic raw materials such as PGMs only on restricted areas on earth make addressing their substitution very urgent. The project “InnOxiCat” (Innovative Oxide Catalysts for next PEMFC generation) address these issues with the objectives of (i) building knowledge on convenient structures and compositions of non-PGM materials for fuel cell cathode where the sluggish oxygen reduction reaction (ORR) occurs, (ii) synthesizing the materials and characterizing their physicochemical and electrochemical properties and (iii) for fuel cell, reaching higher performance than the state of the art of non-PGM materials.

Project

The objective of the post-doctoral project is to analyze the influence of the new electrode composition and architecture on the performances of a fuel cell, and to optimize the operating conditions. To reach this goal, the most promising catalytic compositions developed by the partners of the “InnOxiCat” project will be tested at the global and at the local scale to determine the more suitable gas flow rates, relative humidity and cell temperature to reach the best performances and longer lifetime. Membrane electrode assembly (MEA) will be built and tests will be conducted using a segmented and instrumented cell (25 cm2). This cell will be used for global MEA characterizations, but the measurement of the local current densities and the local electrochemical characterizations (polarization curves and electrochemical impedance spectroscopy) will give a better understanding of the link of the electrochemical performances of the carbon-supported catalyst with the local mass transport limitations, and therefore with the operating conditions. By applying Accelerated Stress Tests (AST) and repeated start-up and shutdown tests, the local information collected using the segmented cell will be used to analyze the local degradations and therefore the durability of the new catalyst materials.

Skills recommended: The candidate should have knowledge of electrochemistry, if possible applied to the fuel cell field, and be comfortable with experimental studies. Knowledge of heat and material transfer would be a plus.

Job offer – Postdoctoral position: Experimental study of a free liquid surface interacting with a non-thermal plasma.

Projet de recherche

Les décharges plasmas en contact avec des liquides constituent une solution prometteuse dans de nombreux domaines de recherche comme la synthèse de nanomatériaux, la dépollution, la synthèse chimique ou les applications biomédicales. De nombreuses études sont conduites pour comprendre

la nature de linteraction entre plasma et liquide et en particulier par diagnostics optiques d’émission et dabsorption. Il est important didentifier la surface liquide lorsque de tel diagnostics sont utilisés car les gradients de concentration despèces peuvent être important : à pression

atmosphérique, les électrons solvatés provenant dun plasma ont une distance de pénétration de quelques nm dans une solution aqueuse. La forme de la surface plasma/liquide est fortement influencée par les phénomènes électro-hydrodynamiques dus à la présence de charges despace et dun champ électrique. Cela se manifeste par une protubérance ou un creux sur la surface du liquide. En général, de limagerie est utilisée pour identifier la frontière entre plasma et liquide.

Cependant, celle-ci nest pas facilement observable si la variation spatiale est trop petite (<1 mm)

ou si elle est tridimensionnelle. La forme de surface liquide est importante car elle influence la répartition spatiale du champ électrique et elle définit la surface d’échange entre plasma et liquide.

Nous proposons dadapter la méthode de Free synthetic schlieren surface (FS-SS) pour mesurer la forme de cette surface liquide. Bien que la méthode ait montré sa capacité à l’étude des interactions plasma-liquide, des verrous empêchent dexploiter pleinement les résultats et des élaborations sont nécessaires.

Le principal objectif du projet est de développer une méthode de mesure de surface libre (basée sur la FS-SS) adaptée à l’étude des plasmas en contact avec des liquides. Il est organisé en trois tâches. La première tâche consiste à élaborer une source plasma plus simple à étudier. La deuxième tâche, concerne lamélioration de la méthode FS-SS et son application à une décharge à courant continu. La dernière tâche concerne l’étude dune décharge nanoseconde en contact avec

des solutions aqueuses de glycérine avec la nouvelle méthode.

ACTIVITES PRINCIPALES

Concevoir le dispositif plasma hors équilibre en contact avec le liquide ;

Améliorer la méthode en travaillant sur le dispositif expérimental (optique) mais aussi le traitement des données ;

Caractériser un plasma froid ;

Etudier linteraction plasma-liquide ;

Traiter et interpréter les données ;

Présenter et valoriser les résultats obtenus.

COMPETENCES PRINCIPALES REQUISES

Compétences opérationnelles :

Doctorat dans le domaine de la physico-chimie des plasmas froids ou de la mécanique des fluides ;

Expérimentateur autonome, en particulier sur des dispositifs optiques ;

Programmer sur le logiciel Matlab ou en python ;

Communication en anglais.

 

Modélisation numérique de la combustion de particules de fer

A ce jour, les sources d’énergies fossiles (charbon, pétrole et gaz) représentent plus de 80% de l’énergie produite dans le monde. Le caractère non durable de ces sources ainsi que leur impact sur le climat et la qualité de l’air sur terre plaident pour une transition urgente vers des sources d’énergies plus durables et faiblement émettrices de gaz à effet de serre.

L’énergie nucléaire, ou idéalement les énergies renouvelables, peuvent se substituer aux énergies fossiles à condition que des vecteurs énergétiques permettant une utilisation décalée dans le temps et dans l’espace – par le biais de stockage et de transport – soient disponibles. Actuellement, deux vecteurs attirent l’attention, il s’agit de l’hydrogène décarboné et les batteries. Il est clair que ces vecteurs représentent un intérêt certain, néanmoins, leur faible densité énergétique reste un frein majeur pour une utilisation généralisée.

Pour pallier cette limitation, les métaux représentent une option complémentaire et prometteuse en raison de leur grande densité énergétique, leur facilité de stockage et de distribution. Dans cette gamme de combustible, le fer (Fe) offre une option très intéressante car sa combustion génère des produits décarbonés et recyclables au moyen d’énergies décarbonées, avec des technologies existantes [1]. En effet, en raison du niveau de température atteint lors de la combustion des particules – inférieur aux températures d’ébullition du fer et des oxydes de fer – les réactions se déroulent à l’interface séparant le combustible du comburant de manière hétérogène, sans évaporation des espèces mises en jeu. Ce processus permet de produire des particules d’oxydes de fer en état solide, que l’on peut récupérer et réduire pour reproduire du fer.

Un certain nombre de travaux expérimentaux ont été dédiés à l’étude des mécanismes de combustion des particules de fer, ils se sont intéressés principalement à la combustion d’une particule isolée et à la propagation d’une flamme au sein d’un nuage de particules [2, 3, 4]. D’un autre côté, peu de travaux se sont intéressés à la modélisation et à la simulation de ces configurations [5].

Le projet de thèse que nous proposons a pour objectif d’améliorer la compréhension et la modélisation de la combustion des particules de fer en s’appuyant sur une approche multi- échelles, allant de la modélisation et l’analyse de la combustion d’une particule, à la modélisation et l’analyse de la combustion dans un nuage de particules (cf. Fig. 1).

Fig. 1 : Schéma représentant les mécanismes physicochimiques mises en jeu lors de la combustion de particules de fer.

Le sujet de thèse est divisé en trois tâches principales :

Tâche -1 : a comme objectif d’élaborer un modèle 0-D (et/ou 1-D) capable de restituer les propriétés principales qui caractérisent la combustion d’une particule sphérique de fer. Le modèle en question devrait tenir compte des phénomènes physicochimiques qui contrôlent le processus de combustion : (i) la diffusion de l’oxygène dans les oxydes de fer, (ii) les transferts thermiques (conduction, convection et rayonnement) et (iii) la cinétique d’oxydation. La validation du modèle développé s’appuiera sur des récents travaux expérimentaux [2].

Tâche -2 : a pour but d’étudier les mécanismes de propagation des fronts réactifs dans un écoulement chargé de particules de fer. Dans ce contexte, l’effet des propriétés du gaz porteur (température, pression, composition et intensité de la turbulence) et celles de la phase dispersée (diamètre de particules, distance inter-particule et taux de ségrégation) sur l’allumage et la propagation des fronts réactifs sera analysé. Les simulations d’écoulements 2-D et/ou 3-D seront réalisées avec le code DNS Asphodèle [6].

Tâche -3 : est dédiée à l’identification des situations potentiellement dangereuses associées à l’utilisation du fer comme combustible. L’objectif étant d’évaluer les facteurs favorables à l’accélération des fronts réactifs et éventuellement à la transition de mode de combustion – de la déflagration à la détonation – au sein d’un nuage de particules de fer. Les simulations seront réalisées avec le code DNS Resident [7].

Profil recherché : Master 2 ou Ingénieur avec des connaissances en mécanique des fluides, en combustion, en méthodes numériques et en programmation avec les langages PYTHON et FORTRAN.

Encadrants : Zakaria Bouali, Ashwin Chinnayya et Vincent Robin

Contact : zakaria.bouali@ensma.fr / Début de la thèse : à partir de septembre 2022

Ce sujet de thèse est financé par le programme du gouvernement Français ‘’Investissements d’Avenir’’ (EUR INTREE, référence ANR-18-EURE-0010).

[1] J. M. Bergthorson, S. Goroshin, M. J. Soo, P. Julien, J. Palecka, D. L. Frost and D. J. Jarvis (2015). Direct combustion of recyclable metal fuels for zero-carbon heat and power. Applied Energy, 160, 368-382.

[2] D. Ning, Y. Shoshin, J. A. van Oijen, G. Finotello and L. P. H. de Goey (2021). Burn time and combustion regime of laser-ignited single iron particle. Combustion and Flame, 230, 111424.

[3] F. D.Tang, S. Goroshin, A. Higgins and J. Lee (2009). Flame propagation and quenching in iron dust clouds. Proceedings of the Combustion Institute, 32(2), 1905-1912.

[4] J. Palečka et al. (2019). A new kind of flame: Observation of the discrete flame propagation regime in iron particle suspensions in microgravity. Combustion and Flame, 209, 180-186.

[5] X. Mi, A. Fujinawa and J. M. Bergthorson (2022). A quantitative analysis of the ignition characteristics of fine iron particles. Combustion and Flame, 240, 112011.

[6] Z. Bouali, J. Reveillon and C. Pera (2021). Development of an extended reactor configuration to analyzepreferential segregation impact on spray autoignition.

[7] S. Taileb, J. Melguizo-Gavilanes and A. Chinnayya (2020). Influence of the chemical modeling on the Fuel, 302, 120869. quenching limits of gaseous detonation waves confined by an inert layer., 247-259.

Emploi FTC: Maître de Conférence -CNU 60- IUT Poitiers Niort Châtellerault

Recherche :
Lieu(x) d’exercice : Institut Pprime
Nom directeur labo : Karl JOULAIN
URL labo : https://pprime.fr/

Descriptif labo :
L’institut PPRIME est un laboratoire d’environ 600 personnes qui conduit des travaux de recherche dans des problématiques scientifiques relatives aux domaines du transport, de l’énergie et de l’environnement. Il est structuré en trois départements, un travaillant sur la physique et la mécanique des matériaux, un sur les fluides, la thermique et la combustion et le dernier sur le génie mécanique et les systèmes complexes. Le département « Fluides Thermique et Combustion » (FTC) développe des activités de recherche à caractère fondamental dans le domaine des fluides et de l’énergétique. Il a pour vocation d’aborder des sujets amont de façon originale et novatrice en réponse aux problématiques rencontrées dans les domaines aéronautique et spatial, des transports
terrestres, de l’énergie et de l’environnement. Les applications portent par exemple sur l’optimisation des performances et la réduction des émissions polluantes et des nuisances sonores dans les transports pour le respect de l’environnement ou la sécurité des usagers.

Description du profil recherche :
Intitulé : Analyse multi-physiques en acoustique non-linéaire et aéroacoustique Le.la candidat.e recruté.e s’intégrera dans le groupe d’acoustique de l’équipe de recherche « Acoustique,
Aérodynamique, Turbulence » (2AT) du département FTC de l’institut PPRIME. Les activités du groupe ont pour élément central l’association de phénomènes acoustiques et d’écoulements complexes, et sont de nature expérimentale, numérique et analytique en couplant souvent ces divers aspects. Les études de ces phénomènes multi-physiques passent par la génération de données multi-capteurs (antennerie), relatives à des variables 3 multi-composantes (écoulement, acoustique) et de différentes natures (pression, champ de vitesse, température, etc.), et reposent sur des installations expérimentales originales : Soufflerie aéroacoustique BETI, bancs de thermoacoustique et d’acoustique non-linéaire. L’analyse de ces données, souvent massives (qu’elles soient
expérimentales ou numériques), nécessite la maîtrise de techniques de traitement avancées, tant pour la résolution de problèmes inverses (analyse de sources de bruit) que pour le développement de modèles physiques ou l’optimisation de systèmes.
Le recrutement d’un.e enseignant.e-chercheur.se a pour objectif de renforcer le groupe pour œuvrer à une meilleure compréhension des mécanismes fondamentaux régissant les écoulements et leur interaction avec les phénomènes acoustiques, mais aussi pour mieux répondre aux sollicitations des partenaires industriels. Les activités de la personne recrutée devront donc avant tout s’insérer dans celles de l’équipe, en particulier dans les activités expérimentales, en favorisant leur cohésion avec les études numériques. Le.la candidat.e s’appuiera sur des compétences en acoustique et idéalement en mécanique des fluides et/ou en techniques d’analyse avancée de données et leur couplage avec des modèles physiques.

Contacts :
Peter Jordan. Responsable de l’équipe 2AT.
Laurent David. Directeur du département FTC.
Karl Joulain. Directeur de l’institut Pprime.

Emploi FTC: Maître de Conférence – Département MT2E – : IUT de Poitiers-Châtellerault-Niort

Enseignement :
Département d’enseignement : Département MT2E (Métiers de la Transition et de l’Efficacité Energétiques)
Lieu(x) d’exercice : Iut de Poitiers-Châtellerault-Niort – site de Poitiers campus
Equipe pédagogique : Département MT2E
Nom directeur département : Luc Pichon

URL dépt. : http://iutp.univ-poitiers.fr/gte
Description du profil enseignement :
Le(la) candidat(e) recruté(e) s’intégrera dans l’équipe d’enseignants du Département Métiers de la transition et de l’efficacité énergétiques (MT2E) de l’IUT de Poitiers-Châtellerault-Niort, pour les formations de Bachelor Universitaire de Technologie (B.U.T.) MT2E et Licence MEEGC-VERTE (remplacée en 2023 par la 3ème année du BUT MT2E). Les enseignements s’inscrivent dans le nouveau programme du BUT MT2E très orienté technique et professionnel, basé sur une approche par compétence et sur une forte proportion de mises en situation opérationnelles sur des équipements en grandeur nature. Ils concerneront principalement la gestion des fluides au sein des bâtiments et de l’industrie, de leur réseaux hydrauliques et aérauliques, et des équipements énergétiques associés, de la génération à la distribution d’énergie. Le(la) candidat(e) recruté(e) sera amené(e) à intervenir classiquement en mécanique des fluides hydraulique et aéraulique mais aussi et surtout sur la mise en œuvre des concepts sur les installations techniques, en lien avec les règles de l’art en usage dans le bâtiment ou l’industrie (DTU, Normes, textes règlementaires…): réseaux de ventilation, EF, ECS, chauffage, air comprimé, vapeur, eau glacée… en lien avec les éléments de génération (chaufferie, PAC, solaire thermique, machines frigorigènes, compresseur…). Outre les modalités classiques d’enseignements (appelées les « ressources » dans le Programme National du BUT MT2E), une participation active est attendue dans la mise en œuvre des « Situations d’Apprentissage et d’Evaluation » (SAé), sachant que ces SAé correspondent à des études de cas plus ou moins complexes impliquant systématiquement plusieurs spécialités (mécanique des fluides, thermique, régulation, chiffrage, plan de mesures, audit…). Dans ce cadre, la capacité à mobiliser les acteurs socio-économiques des métiers de l’énergétique, de l’environnement et du génie climatique sera très appréciée. Mots-clés (5 max) : Mécanique des fluides ; réseaux; installations énergétiques

Recherche :
Lieu(x) d’exercice : Institut Pprime
Nom directeur labo : Karl Joulain
URL labo : https://pprime.fr/
Descriptif labo :

L’institut Pprime est un laboratoire d’environ 600 personnes qui conduit des travaux de recherche dans des problématiques scientifiques relatives aux domaines du transport, de l’énergie et de l’environnement. Il est structuré en trois départements, un travaillant sur la physique et la mécanique des matériaux, un sur les fluides, la thermique et la combustion et le dernier sur le génie mécanique et les systèmes complexes. Le département « Fluides, Thermique et Combustion » développe des activités de recherche à caractère fondamental dans le domaine des fluides et de l’énergétique. Il a pour vocation d’aborder des sujets amont de façon originale et novatrice en réponse aux problématiques rencontrées dans les domaines d’application comme les transports et
l’énergie, en portant une attention particulière aux aspects environnementaux.

Description du profil recherche :
Intitulé : Transport hydro-sédimentaire, écoulements de fluides complexes, calcul numérique, théorie.

Le ou la candidat(e) devra s’insérer dans la thématique transport sédimentaire de l’équipe Hydrodynamique des Écoulements Environnementaux (HydÉE) du département Fluides, Thermique et Combustion de l’Institut Pprime. Cette équipe a pour objectif l’étude des écoulements hydrodynamiques et leur impact sur des problèmes environnementaux. Elle se compose de deux axes forts qui sont interconnectés: l’hydrodynamique fluviale et le transport de sédiments. En particulier, dans le second axe, les activités de recherche concernent la compréhension et l’identification des phénomènes locaux responsables du transport sédimentaire (depuis l’érosion, jusqu’à la déposition, en passant par le transport) soumis à des écoulements naturels. Cette connaissance fine des sollicitations mécaniques est importante afin d’identifier l’ensemble des processus locaux de mise en mouvement de sédiments, qu’ils soient cohésifs ou non, d’élaborer les lois de comportement des matériaux ou d’étudier les évolutions d’un écoulement au sein même du matériau ou dans la colonne d’eau.
Le ou la candidat(e) s’intéressera à l’étude du transport des sédiments, cohésifs ou non, pour des écoulements fondamentaux (tourbillon isolé, développement de rides, érosion et affouillement autour d’obstacles) et des applications environnementales (la remobilisation de sédiments liée à la navigation ou au passage d’un mascaret ; activités en lien avec la continuité écologique des cours d’eau). Ses activités permettront de compléter les recherches expérimentales menées dans l’équipe HydÉE par des approches numériques et théoriques. Il/elle s’appuiera sur la plateforme Hydrodynamique Environnementale, la plateforme métrologique CEMOP, la plateforme SPI et les moyens de calcul de l’Institut Pprime.
Il/elle devra avoir une solide culture en mécanique des fluides environnementale. Il/elle devra être capable de montrer sa maîtrise en modélisation du transport sédimentaire qu’elle soit théorique, numérique et/ou physique et son ouverture à l’ensemble des thématiques abordées par l’équipe HydÉE et plus largement par l’Institut Pprime.
Contacts :
Gerard Pineau. Responsable de l’équipe HydEE.
Ludovic Chatellier. Responsable de l’équipe HydEE.
Laurent David. Directeur du département FTC.
Karl Joulain. Directeur de l’institut Pprime.

Emploi FTC: Maître de Conférence – ISAE-ENSMA – Analyse et modélisation de l’aérodynamique turbulente à grand nombre de Reynolds

Laboratoire d’accueil : Institut P’, UPR CNRS 3346 (Dépt. Fluide, Thermique, Combustion)

Enseignement : Aérodynamique et Mécanique des Fluides
Le candidat assurera ses enseignements en français et en anglais au sein du Département Mécanique des Fluides-Aérodynamique de l’ENSMA (9 enseignants-chercheurs). Il devra fortement s’impliquer dans les cours, travaux pratiques, travaux dirigés et projets dispensés dans ce département. Il interviendra plus particulièrement dans les thématiques suivantes :
• Aérodynamique compressible et incompressible
• Mécanique des fluides
• Méthodes numériques, modélisation et simulation CFD d’écoulements turbulents Le candidat sera d’autre part associé activement à la définition et à la mise en œuvre des objectifs
pédagogiques du département et de l’établissement, et l’accompagnement et le suivi de projets d’étudiants.

Contact : Andreas SPOHN, responsable du département d’enseignement
Guillaume LEHNASCH, responsable adjoint

Recherche : Le candidat devra s’intégrer dans l’équipe « Acoustique, Aérodynamique et turbulence » (2AT) de l’institut P’. Profil du candidat : Le candidat sera un Mécanicien des Fluides ayant une sensibilité forte pour l’aérodynamique et la turbulence. Il maîtrisera la simulation numérique et aura une expérience dans la mise en place de descriptions d’ordre réduit pour la prédiction, l’estimation ou le contrôle. Approche scientifique : La modélisation physique des écoulements impliquant l’aérodynamique turbulente à nombre de Reynolds élevé est une activité de recherche clé à l’Institut Pprime, et en particulier en ce qui concerne l’impact de ces écoulements sur des observables tels que la traînée, la portance, la poussée, les vibrations structurelles, la stabilité du véhicule, les émissions acoustiques etc. Avec la progression rapide des diagnostics expérimentaux et de la simulation haute-fidélité, nous avons un accès sans précédent à l’organisation spatio-temporelle de ces écoulements. Pour être utiles à la compréhension, à la conception, à l’estimation ou au contrôle, ces données nécessitent une réduction et
une représentation à l’aide de modèles d’ordre réduit, qui peuvent être linéaires, non linéaires, basés sur un modèle ou axés sur les données. Le candidat aura une compétence avérée en simulation numérique et apportera ses compétences à l’équipe afin de développer des stratégies de modélisation d’ordre réduit adaptées aux écoulements tridimensionnels turbulents impliquant des géométries complexes. Ces développements seront essentiels pour renforcer la synergie entre les expériences, les calculs et la modélisation. Le candidat sera ouvert aux collaborations industrielles ou académiques nationales et internationales.