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.

 

Développement d’outils numériques couplant cinétique chimique et plasma hors-équilibre pour l’analyse conjointe modélisation/expérience

Les technologies plasma sont déjà matures pour de nombreuses applications industrielles mais présentent toujours un potentiel très important dans les domaines de la transition énergétique1 comme celui de la propulsion aéronautique2 et spatiale. Les technologies associées sont très variées, par exemple, un réacteur catalytique pour le stockage de CO2 ou des systèmes d’allumage adaptés au contrôle des processus de combustion. Quelle que soit l’application, des recherches sont nécessaires pour comprendre les interactions entre le plasma et l’écoulement. Ces études vont nécessiter des outils numériques de simulation pour compléter les données expérimentales. Un des principaux verrous au développement de ces outils est la modélisation de la cinétique chimique en présence d’un très grand nombre d’espèces chargées et de réactions induites par le plasma. La voie envisagée dans le cadre de ce projet pour aborder ces problèmes physiques multidimensionnels est l’analyse conjointe de la modélisation et des expériences. Les données issues d’expérience permettront de corriger ou d’optimiser des paramètres de modèles fluides basés sur une représentation simplifiée de la cinétique chimique. Une première étape consiste à développer des outils numériques simples (0D/1D) couplant un solveur de Boltzmann (librairie Bolos3) à un solveur de cinétique chimique (librairie Cantera4) pour décrire de manière la plus détaillée possible la cinétique des réactions chimiques en présence d’un plasma hors-équilibre. Ces outils serviront ensuite à développer des modèles du couplage plasma/cinétique pouvant être implémentés par la suite dans des modèles fluides classiques. Les résultats complèteront des données expérimentales pour analyser l’impact du plasma sur l’écoulement.

Les recherches réalisées dans les laboratoires Poitevin Pprime et IC2MP concernent des disciplines très variées couvrant un large spectre de thématiques et de compétences complémentaires allant de la physique des matériaux à la mécanique des fluides, de la chimie à l’énergétique. Ce projet se situe à l’interface entre les recherches sur les plasmas qui sont aujourd’hui essentiellement expérimentales sur le site de Poitiers et les activités en simulations numériques des écoulements réactifs. L’objectif est donc de développer des outils numériques sur la base des compétences des équipes de combustion pour compléter les outils d’analyse dédiés aux études expérimentales sur les plasmas froids. Le candidat devra donc avoir de solides connaissances sur les plasmas froids et un intérêt prononcé pour la programmation et les développements numériques.

Références

1 Bogaerts, A., Centi, G., Plasma Technology for CO2 Conversion: A Personal Perspective on Prospects and Gaps, Front. Energy Res. 2020, 8, 111. https://doi.org/10.3389/fenrg.2020.00111

2 M. Castela et al., 3-D DNS and experimental study of the effect of the recirculating flow pattern inside a reactive kernel produced by nanosecond plasma discharges in a methane-air mixture, Proceedings of the Combustion Institute, 2017, 36(3), 4095—4103. https://doi.org/10.1016/j.proci.2016.06.174

3 Hagelaar, G. J. M., Pitchford, L. C., Solving the Boltzmann equation to obtain electron transport coefficients and rate coefficients for fluid models, Plasma Sources Sci. Technol., 2005, 14, 722–733. https://doi.org/10.1088/0963-0252/14/4/011

4 D. G. Goodwin et al., Cantera: An Object-oriented Software Toolkit for Chemical Kinetics, Thermodynamics, and Transport Processes. 2009, https://doi:10.5281/zenodo.1174508

Date de prise de fonction : Avril 2022

Durée du contrat : 24 mois

Contacts

Vincent ROBIN vincent.robin@ensma.fr

Ashwin Chinnayya ashwin.chinnayya@ensma.fr