Matériaux et procédés pour l’énergie

MATPRO en bref

L’une de nos spécificités concerne les matériaux de type aérogels. Issue de la chimie douce (procédé sol-gel, …), cette classe de matériaux fascinante – sur laquelle nous travaillons depuis plus de trente ans – fait partie des technologies à fort potentiel pour la sphère énergétique. Ces matériaux ultraporeux trouvent des applications comme superisolants thermiques pour les enveloppes faiblement déperditives ou matériaux d’électrode pour les dispositifs électrochimiques de stockage et de conversion d’énergie (batteries et filière hydrogène-énergie).

Des recherches sont parallèlement menées sur les membranes composites pour les piles à membrane échangeuse de protons (PEMFC).

Tous les matériaux développés par le groupe sont intégrés en composants et testés sur banc d’essai en conditions réelles de fonctionnement, au plus proche de l’application.

En parallèle, nous menons des recherches au niveau système, notamment dans le domaine des piles à combustible pour la mobilité, avec un focus sur les aspects fluidiques et thermiques de leur alimentation. Les phénomènes de dégradation sont également étudiés et des modèles physiques élaborés dans l’approche « du micro au macro » chère au Centre.

+ d’infos:

Christian Beauger, Responsable du groupe MATPRO

La filière hydrogène-énergie

Le groupe développe de nouveaux matériaux d’électrode à base d’aérogels pour les piles à combustible et la production d’hydrogène vert par électrolyse de l’eau basse température à membrane (acide et alcaline). Les aérogels de carbone ou d’oxydes métalliques (TiO₂ ou SnO₂) dopés, développés dans le groupe, sont étudiés comme supports de catalyseur, Pt ou IrO_x selon l’application. Les recherches s’orientent vers la synthèse d’aérogels métalliques en vue d’adresser la nanotexturation du catalyseur lui-même. Les aérogels à base de TiO₂ trouvent également des applications en photocatalyse (production d’hydrogène et réduction du CO₂).

Les développements conduits dans le groupe concernent également les membranes composites (polymères fluorés et charge argileuse), utilisées comme électrolyte dans les dispositifs électrochimiques à membrane échangeuse de protons.

Electrodes et membranes sont in fine associées en assemblages membrane-électrode (AME) pour être testéés en monocellule (25 cm²) dans les conditions les plus proches des conditions opératoires.

En parallèle, le groupe MATPRO travaille à l’amélioration des systèmes piles à combustible en proposant, étudiant et testant sur banc d’essai (jusqu’à 10 kW) des innovations technologiques à échelle prototype, allant de la gestion thermique et fluidique des stacks à la recirculation d’hydrogène.

En appui de ces développements, le groupe développe une expertise en matière de modélisation, notamment pour rendre compte des phénomènes responsables des chutes de performance enregistrées avec le temps et les anticiper.

Le stockage d’électricité

Les travaux du groupe portent sur la synthèse de matériaux d’électrode de type carbone-oxyde métallique, synthétisés par voie sol-gel, imprégnation ou traitement thermique, pour les batteries et les supercapacités (batteries Lithium-Ion avec extension Sodium-Ion). Ces matériaux sont également caractérisés en pile bouton pour se rapprocher de l’application finale. Le groupe attache une importance particulière aux précurseurs utilisés pour la synthèse des matériaux en orientant ses choix vers des ressources dites non critiques économiquement ou environnementalement allant jusqu’à explorer les bioressources.

L’isolation thermique et les enveloppes faiblement déperditives

L’exploration des superisolants thermiques vise essentiellement les applications bâtiments (isolation thermique par l’intérieur et l’extérieur). Les travaux portent aussi bien sur les systèmes minéraux (aérogels de silice) et organiques (aérogels de polyuréthane, d’acétate de cellulose, …) qu’hybrides et composites (silice-polyuréthane, silice-résorcinol, silice-cellulose, …). Ils vont de la synthèse des gels nanostructurés jusqu’à la caractérisation des matériaux mésoporeux et l’étude de leur performance. Les superisolants biosourcés à base de polysaccharides (pectine, …) sont également explorés en collaboration avec le CEMEF  MINES Paris – PSL en vue de réduire les coûts de synthèse et l’impact environnemental.

Nos projets phares

MATHYLDE

Materials for hydrogen production to Lower our dependency on existing ones (PEPR Hydrogène ANR-22-PEPHY-0011, 2023-2027).

Ce projet, coordonné par PERSEE, vise à proposer de nouveaux assemblages membrane-électrodes (AMEs) pour l’électrolyse de l’eau basse température afin de réduire les coûts de production et de fonctionnement des électrolyseurs à membrane échangeuse de protons.

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IDEAS

Innovative Degradation Analysis and Material Development for AEM Systems (ANR/BMBF DVH2, 2024-2027).

Le projet franco-allemand IDEAS, dont PERSEE est le coordinateur France, vise à améliorer la technologie d’électrolyse alcaline à membrane (AEM) en étudiant les phénomènes de dégradation tout en développant de nouveaux matériaux d’électrodes à base d’aérogels. Le projet comprend un volet modélisation s’appuyant sur un procédé d’apprentissage automatique basé sur un réseau de neurones optimisé sous la contrainte de lois physiques (physics-informed neural network)

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DURASYS-PAC

Durabilité des Systèmes Piles à Combustible (PEPR Hydrogène, ANR-22-PEHY-0002)

Ce projet vise à améliorer la durabilité des systèmes piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) pour la mobilité lourde. PERSEE y étudie les mécanismes de dégradation et l’impact de certains modes de fonctionnement via la caractérisation d’assemblages membrane-électrodes et la modélisation des performances du système.

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HYTREND

Projet fédérateur de l’institut Carnot M.I.N.E.S (2020-2023) coordonné par PERSEE, ayant rassemblé 13 laboratoires autour de la production d’hydrogène, du captage de CO₂, de la méthanation, de la détection et du stockage de gaz notamment.

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Nos partenariats stratégiques

• Sur les piles à combustible, PERSEE bénéficie d’un accord-cadre avec l’entreprise Symbio, leader français de la technologie PEMFC pour la mobilité. Le Centre collabore également avec Renault via une thèse CIFRE sur l’analyse de durabilité en atmosphère polluée.
• Sur l’électrolyse, PERSEE travaille dans le cadre du projet MATHYLDE au contact de la société Elogen, leader français de l’électrolyse PEM (membrane échangeuse de protons).
• Le Centre collabore également avec Safran Tech sur le développement d’électrodes pour les accumulateurs électrochimiques de type batterie.

Nos Réseaux

• MATPRO a fondé et coordonne le groupe  H₂MINES qui rassemble les expertises de l’institut Carnot M.I.N.E.S pour la filière hydrogène, soit 21 centres de recherche de 8 écoles. Le groupe est membre de France Hydrogène où il représente les 8 écoles concernées.
• MATPRO représente également l’Ecole des Mines de Paris dans diverses initiatives françaises et européennes dont elle est membre, telles que Hydrogen Europe Research, le Joint Program Fuel Cells and Hydrogen de l’EERA et le GDR solar fuels.
• Le Centre est par ailleurs membre fondateur de l’Aerogel Materials Research Center (centre de recherche international sur les matériaux aérogels) qui rassemble plusieurs universités coréennes dont Yonsei et les universités d’Akron (Ohio), Kyoto (Japon), Tongji (Chine), D.Y. Patil (Inde) et Sfax (Tunisie).
• Pour son expertise reconnue dans le domaine des matériaux carbonés, de type aérogel notamment, le groupe est également membre de la société française d’étude des carbones (SFEC).

Nos brevets ‘socles’

• Matériau actif d’électrode, SiO₂ et carbone, passivés au fluor, 2023
• Matériau actif d’électrode, SnO₂ et carbone, passivés au fluor, 2021
• Composite SnOx/C fluoré pour matériau d’électrode, 2019
• Circuit de purge d’une pile à combustible, 2017
• Insulating Silica Xerogel Plaster, 2011
• Procédés d’élaboration de Xérogels de silice hydrophobe, 2006

Thèses et publications

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