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Production d'hydrogène par décomposition de composés azotés pour l'alimentation de piles à combustible PEMFC

Production d'hydrogène par décomposition de composés azotés pour l'alimentation de piles à combustible PEMFC

Hydrogen production from nitrogen-based compounds decomposition for proton exchange membrane fuel cells (PEMFC)

Proposition de thèse

Spécialité

Energétique et génie des procédés

Ecole doctorale

Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

Directeur de thèse

BEAUGER Christian

Co-encadrant

AFFONSO NÓBREGA Pedro Henriqu

Unité de recherche

Energétique et Procédés

Contact
Date de validité

01/10/2020

Site Web
Mots-clés

Hydrogène, Azote, catalyse, électrolyse, pile à combustible

Hydrogen, Nitrogen, catalysis, electrolysis, fuel cell

Résumé

Contexte et enjeux
La filière hydrogène-énergie ne sera viable que si l'hydrogène peut être produit proprement et distribué facilement. L'ammoniac est considéré depuis longtemps comme un vecteur d'hydrogène à fort potentiel pour la mobilité. Il présente une forte densité en hydrogène lequel peut être libéré sans polluant pour les PEMFC. Mis en solution dans l'eau (ammoniaque), il est disponible partout et peut présenter un intérêt comme vecteur d'hydrogène pour des applications de puissance limité. Ceci est également vrai pour d'autres solutions azotées.

Objectifs scientifiques
Le travail de recherche exploratoire proposé sera focalisé sur trois voies de production d'hydrogène à partir des composés azotés ciblés, respectivement les voies électrochimique, biochimique et thermique, pour évaluer leur intérêt dans le but d'alimenter une pile PEMFC dans différentes applications. Sur la base d'études théorique et expérimentale, il s'agira d'évaluer la faisabilité d'une production d'hydrogène à partir des précurseurs choisis et de comparer les différentes voies envisagées, d'étudier le rendement global des réactions mises en œuvre et d'en déduire un rendement énergétique pour juger de leur pertinence.
Les études expérimentales doivent permettre de caractériser, en fonction des paramètres du procédé, les produits des réactions pour voir s'il est possible de n'obtenir que des molécules simples, typiquement H2, N2, voire CO2 et éventuellement O2 si la dissociation de la molécule d'eau est faisable dans certaines conditions. Cette étape permettra d'évaluer l'utilisation du procédé pour alimenter une pile à combustible, ainsi que le besoin éventuel d'une étape de purification.

Approche – Méthodes
Un banc de production d'hydrogène devra être réalisé. Il devra être suffisamment flexible pour permettre la mise en œuvre des différents voies envisagées, des différents précurseurs et l'analyse en sortie des produits des réactions ainsi que leur quantification.
L'étude a un fort caractère expérimental mais pourra s'appuyer sur tout type de modélisation, cinétique notamment, qui paraitra nécessaire au cours de celle-ci.
En cas de succès, s'il s'avère pertinent et faisable de développer un générateur compact d'hydrogène sans polluant critique pour une pile PEM, on envisage de réaliser un tel générateur et de le coupler à une pile PEM. Il conviendra alors de caractériser le fonctionnement de l'ensemble du système couplé.

Résultats attendus
• Etude comparative des différentes voies de production envisagées.
• Montage d'un banc d'essais de production d'hydrogène (cellule électrochimique, réacteur catalytique pour les voies biochimique ou thermique, analyse des produits de réaction…).
• Bilans matière et énergie des réactions de décomposition des précurseurs azotés sélectionnés, étude des cinétiques…
• Conception et réalisation d'un réacteur prototype et couplage de celui-ci à une pile à combustible de type PEMFC pour étude de performances.

Context and challenges
The hydrogen-energy sector will only be viable if hydrogen can be produced cleanly and distributed easily. Ammonia has long been considered a hydrogen vector with high potential for mobility. It has a high density of hydrogen which can be released without pollutants for PEMFCs. Dissolved in water it can be made available everywhere and may present an interest as a hydrogen vector for limited power applications. This is true also for other solutions of nitrogen compounds.

Scientific objectives
The proposed exploratory research work will focus on three ways of producing hydrogen from targeted nitrogen compounds, the electrochemical, biochemical and thermal routes, respectively, to assess their interest in order to power a PEMFC in different applications. Based on theoretical and experimental studies, the aim will be to assess the feasibility of producing hydrogen from the chosen precursors and to compare the different routes envisaged, to study the overall yield of the reactions implemented and to deduce an energy balance permitting to judge the relevance of each studied reaction. The experimental studies must characterize, for different process parameters, the products of the reactions to see if it is possible to obtain only simple molecules, typically H2, N2, even CO2 and possibly O2 if the dissociation of the water molecule is feasible under certain conditions. This will allow to evaluate the use of the process output to feed a fuel cell, as well as an eventual need for a purification step

Methodology
A hydrogen production test bench must be realized, flexible enough to allow the implementation of the various decomposition routes and precursors and the analysis of the reaction products as well as their quantification.
The study has a strong experimental character but can rely on any type of modeling that seems necessary.
Provided that no critical pollutant for fuel cells are emitted, it is planned to produce a compact hydrogen generator and to couple it to a PEM fuel cell. It will then be necessary to characterize the operation of the entire coupled system.

Expected results
• Comparative study of the different routes envisaged.
• Design of a hydrogen production test bench (electrochemical cell, catalytic reactor for biochemical and thermal routes, analysis of the reaction products…).
• Conversion yields and energy balance of the decomposition reactions from selected nitrogen precursors, study of their kinetics…
• Design and realization of a prototype reactor and coupling to a PEMFC type fuel cell for performance study.

Contexte

...

Encadrement

Un comité de suivi sera défini selon les règles de l'Ecole Doctorale.

Profil candidat

Profil type pour une thèse à MINES ParisTech: Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais. Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche, en particulier expérimentale. Projet professionnel cohérent.
Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) : Bonnes connaissances en physicochimie, électrochimie, catalyse, réacteurs et génie des procédés. Des connaissances en biochimie et catalyse enzymatique seraient un plus.

Pour postuler : envoyer un CV + lettre de motivation à
Christian Beauger : christian.beauger@mines-paristech.fr

Typical profile for a thesis at MINES ParisTech: Engineer and / or Research Master - Good level of general and scientific knowledge. Good level of practice of French and English. Good analytical, synthesis, innovation and communication skills. Adaptability and creativity. Teaching skills. Motivation for research activity, in particular experimental. Coherent professional project.
Prerequisites (specific skills for this thesis): Good knowledge in physicochemistry, electrochemistry, catalysis, reactors and process engineering. Knowledge of biochemistry and enzymatic catalysis would be a plus.

To apply: send CV + a cover letter to Christian Beauger
christian.beauger@mines-paristech.fr

Références

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Type financement

Contrat de recherche

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