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Institut polytechnique de Grenoble

Grenoble Institute of Technology

MLLE RHANDI Maha

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Doctorante en MEP (Mécanique des fluides Energétique et Procédés)

Coordonnées

Phelma-Campus - LEPMI 1130, rue de la piscine Domaine Univeristaire BP 75 38402 Saint Martin d'Hères Cedex FRANCE

  • Tél. : +33 (0)4 76 82 65 24

  • Bureau 1 : RA7

Site internet : https://fr.linkedin.com/in/maharhandi

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Etude d'une membrane de type PEM soumise à haute densité de courant pour la compression électrochimique:

La compression de l'hydrogène est une étape clef du déploiement des véhicules à hydrogène et des stations-services associées. Sa faible densité volumique d'énergie (à 300 bar la densité énergétique est de 0.75 kWh.dm-3 contre 3.4 pour le GN ou 8.8 pour l'essence) impose un stockage à des pressions élevées : 700 bar est la pression visée pour les applications transport. L'analyse du DOE [1] montre que le coût de la distribution de l'hydrogène reste un frein majeur, la compression représente 30% de cout de distribution. La compression mécanique présente de nombreux inconvénients (couts énergétiques, durabilité), la compression électrochimique est une alternative intéressante pour son efficacité énergétique, son fonctionnement sans partie mobile. De plus la compression électrochimique permet en une seule étape de compresser et purifier le gaz car seul les protons transfert d'un compartiment à l'autre. La compression électrochimique se décompose en 3 étapes : oxydation de l'hydrogène présent dans un mélange gazeux ou à faible pression suivi d'un transport des protons à travers une membrane puis réduction des protons pour former de l'hydrogène dans le compartiment « haute pression ». C'est donc ce flux d'hydrogène piloté par le courant appliqué à la cellule de compression qui permet d'augmenter la pression [2]. Cette technologie est en plein développement. Le projet européen PHAEDRUS [3] « High Pressure Hydrogen All Electrochemical Decentralized RefUeling Station” 2011-2015 : High performance hydrogen electrochemical compressor a permis de réaliser un prototype pour une station-service avec une capacité 5 kg/jour avec un facteur de compression de 25. Des membranes et électro-catalyseurs (Pt/C) commerciaux donnent déjà des performances intéressantes pour des compresseurs électrochimiques d'une part et des purificateurs d'autre part. Les démonstrateurs des sociétés Nuvera (USA) et HyET (Pays-Bas) [4 ,5] développent des compresseurs électrochimiques qui sont au niveau laboratoire et démonstrateurs. Il est cependant nécessaire d'augmenter les performances et atteindre des objectifs pour des flux encore plus importants d'hydrogène c'est-à-dire des fonctionnements de cellule à très haute densité de courant (2 A.cm-2) et forte pression (700 bar). Des membranes de type Nafion sont généralement utilisées [2] (on retrouve les matériaux des assemblages des PEMFC ou électrolyseur PEMWE), la conduction des protons dépend donc du niveau d'hydratation de la cellule, les pressions élevées favorisent la condensation de l'eau et la cellule est soumise à des contraintes mécaniques importantes. Dans des conditions de haute densité de courant, la problématique de la gestion de l'eau est amplifiée [6]. Le transfert du flux de protons est très élevé. Si sur une cellule de compression, on peut atteindre des densités de courants importantes, au contraire dans des stacks, le fonctionnement des cellules est hétérogène, la gestion des flux, de la température et de l'eau sont très complexes. Les performances en termes de flux d'hydrogène sont donc plus faibles avec des densités de courant de l'ordre de 0,5 A.cm-2. Dans le programme hydrogène du DOE, Ludwig Lipp [7] propose de gérer thermiquement les cellules des stacks en augmentant les surfaces d'échanges convectifs pour atteindre des conditions opératoires adéquates. Ainsi ils ont doublé la densité de courant et atteint des densités de 0,8 A.cm-2. Le CEA [8] propose d'ajuster la surface des cellules et donc la densité de courant pour rester dans des conditions opératoires optimales. Cependant, du point de vue théorique, le comportement de l'eau est incomplètement abordé dans la littérature. Citons notamment le paradoxe Schroeder qui fait apparaitre une discontinuité dans la contenance en eau de la membrane, si celle-ci est exposée à de la vapeur saturée ou à l'eau liquide. En effet, le bilan d'énergie entre la condensation/vaporisation et les tentions superficielles (capillarité de la membrane) pourrait être un angle originale d'approche de cette problématique. Ainsi les gestions thermique et hydrique semblent fortement liées et à cela s'ajoute un transport électro-osmotique intense avec un chauffage ohmique important du fait des fortes densités de courant. Cette problématique est donc complexe et riche d'interactions originales.

Activités / CV

  • Formation 
2017-2020 : Thèse de doctorat à l’école doctorale I-MEP2 (Ingénierie - Matériaux Mécanique Energétique Environnement Procédés Production), Grenoble, France Spécialité MEP (Mécanique des fluides Energétique, Procédés)
2014-2017 : Ecole Nationale Supérieure d’Electricité et de Mécanique, Nancy, FRANCE Filière Énergie, majeure mécanique des fluides et thermique
2016-2017 : FST (faculté des sciences et technologies), Nancy, FRANCE Master MEPP (Mécanique, Energie, Procédés, Produits), spécialité Recherche Mécanique des fluides et Energie.
2011-2014 : Classes Préparatoires aux Grandes Ecoles, IBN AL GHAZI, Rabat, MAROC Mathématiques - Physique, MPSI/ MP 
  • Expériences professionnelles et académiques
Octobre 2017: Laboratoire d'Electrochimie et de Physicochimie des Matériaux et des Interfaces (LEPMI), Grenoble, France 
- Thèse de doctorat : Etude d’une membrane de type PEM soumise à haute densité de courant pour la compression électrochimique. 
Février 2017 - Septembre 2017 : Michelin MFPM, Cébazat, France 
- Stage Ingénieur : Validation d’un outil de simulation d’écoulement d’eau sur chaussée -  Simulations sur des cas usuels (chaussée plane, en légère pente avec une intensité de pluie constante).  - Mise en place d’un logiciel pour l’étude de cas réels
Septembre 2016 - Février 2017: Laboratoire d'Energétique et de Mécanique Théorique et Appliquée (LEMTA), Nancy, France 
- Projet de fin d’études ENSEM : Etude et simulation de l’écoulement d’une goutte d’eau dans les microcanalisations. 
Juillet 2016 -  Septembre 2016 : EproLab, Salerne, Italie
- Stage Assistant de recherche : Etude de l’écoulement d’une goutte d’eau à l’intérieur d’une pile à combustible - Une approche théorique en utilisant les équations de mouvement de la mécanique des fluides et une approche numérique en utilisant des codes Matlab afin de simuler la variation de vitesse de la goutte d’eau. 
Juillet 2015 – août 2015 : OCP, Laayoune, Maroc 
- Stage ouvrier dans une équipe de mécanicien : - Maintenance, réparation et vérification des coupleurs hydrauliques, des réducteurs et des moteurs électriques. 
  • Compétences 
Langues : Anglais, Français et Arabe : trilingue – Allemand : Niveau A1
Informatique : Java/JavaScript, C/C++, Eclipse, Matlab, Simulink, LabVIEW, FlexPDE, FLUENT, COMSOL,  Abaqus, Linux, MS Office 

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Rédigé par Maha Rhandi

mise à jour le 28 mai 2018

Grenoble INP Institut d'ingénierie Univ. Grenoble Alpes