Thèse Modélisation et Contrôle d'Un Générateur Électrique Embarquable à Haut Rendement Basé sur la Suralimentation d'Une Pile à Combustible Hydrogène à Oxyde Solide Sofc H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université d'Orléans École doctorale : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU Laboratoire de recherche : PRISME - Laboratoire Pluridisciplinaire de Recherche en Ingénierie des Systèmes et Mécanique Energétique Direction de la thèse : Guillaume COLIN ORCID 0000000340374165 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-21T23:59:59 Les piles à combustible permettent de produire simplement de l'électricité. Elles sont donc concurrentes aux groupes électrogènes classique à moteur Diesel tout en produisant de l'énergie décarbonée puisqu'elles fonctionnent nativement à l'hydrogène. Deux types de piles peuvent être utilisés : les PEM, fonctionnant à basse température, et les SOFC qui elles fonctionnent à haute température. Ces dernières n'utilisent pas de métaux précieux (platine) et rendent possible la valorisation de la chaleur fatale grâce aux hautes températures. Elles sont donc intéressantes mais leurs technologies est moins mature.
Pour améliorer la compétitivité de cette technologie, il est nécessaire de pressuriser les piles. Pour cela, il faut développer des membranes interne plus résistantes (les membranes étant le coeur des piles). Ce sont elles qui permettent la production d'énergie électrique pendant la réaction H2+½ O2 -> H2O). La pressurisation des piles rend aussi plus facile et efficace la valorisation de la chaleur fatale.
Cette thèse s'intègre dans le projet régional TurboSOFC labélisé par SmartPower en collaboration avec la société SRT microcéramique et dans la continuité de la thèse de Marin Poujol. Le projet de recherche TurboSOFC porte d'abord sur le développement de membranes adaptées au fonctionnement sous pression et apte à fournir des piles pouvant être intégrer à des systèmes récupérateurs de la chaleur fatale de type Joule-Brayton. Le contrôle optimal de l'installation complète (pile + machine récupératrice) sera aussi traité.
Cette thèse s'intéresse donc à ce nouveau système, à travers ces principales étapes :
- Développement de la membrane (collaboration SRT)
- Réalisation du banc d'essais membrane (collaboration SRT)
- Modélisation à excellent compromis fidélité/rapidité : SOFC pressurisée, machines récupératrices basé sur le cycle de Joule Brayton, machines électriques, batterie, charge.
- Comparaison du modèle avec des résultats sur banc d'essai.
- Compréhension physique des phénomènes mis en jeu, notamment sur la dynamique temporelle
- Contrôle du système complet dans le but de maximiser l'efficacité énergétique sous contrainte de fiabilité, de cout et d'autres critères à préciser L'Europe se dirige vers une électrification massive du transport (disparition des véhicules utilisant du carburant carboné en 2035). Les problèmes de densité énergétique des batteries freinent cette transition écologique aussi bien pour le véhicule particulier que pour les poids lourds. L'hydrogène apparait comme une solution pour augmenter l'autonomie des véhicules. L'hydrogène peut être utilisé directement comme carburant dans des moteurs à combustion interne (véhicule traditionnel alimenté en hydrogène) ou dans des piles à combustibles qui produise de l'électricité. Dans ce dernier cas, le véhicule à hydrogène (H2) devient alors un hybride série ; c'est-à-dire un véhicule propulsé par un moteur électrique alimenté par un mix entre la batterie et la pile à combustible. Les piles à combustibles permettent une production directe d'énergie électrique grâce à la réaction H2+½ O2 -> H2O. La membrane est l'élément crucial de la pile car il permet de transformer la réaction de l'hydrogène en électricité.

Deux types de piles peuvent être utilisés : les PEM (Proton Exchange Membrane), fonctionnant à basse température, et les Solid Oxide Fuel Cell ou SOFC qui elles fonctionnent à haute température (de 750 à 1000 °C). Ces dernières n'utilisent pas de platines et rendent possible la valorisation de la chaleur fatale grâce aux hautes températures. Elles sont donc intéressantes mais leurs technologies est moins mature. La valorisation relativement facile et efficace de la chaleur fatale peut se faire grâce, par exemple, à une machine basée sur le cycle de Joule-Brayton. Cela permet d'augmenter significativement le rendement de l'installation. Une SOFC à un rendement moyen proche de 50%. Elle perd donc 50% de l'énergie qui lui est fourni, principalement sous la forme de gaz chaud. On peut estimer que l'on peut récupérer de 20 à 40% de cette énergie perdue suivant la puissance de l'installation. On peut donc espérer atteindre un rendement global de 60% pour les petites installations à 70% pour les plus grosses.

Deux configurations peuvent être envisagées. Dans la première configuration, les pertes de la SOFC sont « injectées » dans la machine récupératrice par l'intermédiaire d'un échangeur. Cela permet de faire fonctionner la pile à pression atmosphérique, ce qui est le cas de la grande majorité de piles, mais réduit le rendement de l'installation à cause de l'échangeur. Dans la deuxième configuration, la SOFC est intégrée dans la machine récupératrice. On obtient alors quelque chose de très semblable à une turbine à gaz excepté que la chambre de combustion est remplacée par une SOFC. Dans cette seconde configuration, la pile doit fonctionner sous pression, ce qui est mal connu à lheure actuelle (Zhou, et al., 2008 ; Seidler, et al., 2010). Pour améliorer la compétitivité de cette technologie, il est donc nécessaire d'améliorer la connaissance des piles sous conditions de pression. Le but du projet est d'étudier le comportement d'une pile à combustible de type SOFC lors du fonctionnement sous pression du point de vue électrochimique (évolution et limites des réactions avec la pression) mais aussi mécanique (contraintes mécaniques et thermomécaniques liées à la pression), afin de développer une membrane capable de tenir les contraintes d'utilisation réelle (pression, quantité d'eau). Cette étude porte donc sur le développement de membranes adaptées au fonctionnement sous pression et apte à fournir des piles pouvant être intégrer à des systèmes récupérateurs de la chaleur fatale. Le contrôle optimal de l'installation complète (pile + machine récupératrice) sera aussi traité.

Les porteurs du projet ont déjà travaillé sur le concept d'une pile SOFC (thèse Marin Poujol), (Poujol, et al, 2024) sans prendre en compte les aspects suralimentation. L'idée, ici, est de compléter le travail en étudiant le comportement de la pile avec un turbocompresseur afin de compléter les modèles déjà réalisés ce qui permettra d'améliorer significativement le rapport puissance/poids.

Ingénieur grande école et/ou master 2 en énergétique et/ou automatique
Connaissances en énergétique (thermodynamique, transferts de chaleur, électrochimie) et/ou en mathématiques appliquées (automatique, contrôle, optimisation).
Une expérience en modélisation serait appréciée, ainsi qu'un intérêt certain pour l'expérimentation (mise au point de banc d'essais, instrumentation, conduite des essais).