Symbio
Location
Saint Fons, Rhône | France
Job description
Et si on faisait connaissance ?
Faisons ensemble un bond dans un futur proche... Nous voilà chez SYMBIO , l'un des acteurs majeurs en devenir de la mobilité zéro-émissions !
Notre entreprise en hyper-croissance, conçoit des Systèmes Hydrogène qui peuvent être intégrés dans plusieurs types de véhicules électriques (utilitaires, bus, poids lourds, bateaux).
Créée en 2010, Symbio est une filiale détenue à parts égales par les groupes Michelin et Faurecia . Notre entreprise a pour ambition de se développer dans un environnement concurrentiel grâce à ses collaborateurs . En effet, le management dans notre entreprise repose sur confiance, franchise et engagement !
Evaluation et optimisation d’une architecture PEMFC multi-stack/multi-système et son contrôle, sous contraintes Coût/Durabilité/Performances.
Entreprise technologique leader dans les piles à combustible, cumulant plus de trente années d’expérience dans les piles à combustibles et dans leur intégration véhicule, Symbio apporte des solutions innovantes aux défis de la mobilité hydrogène de demain. Forte de son lien étroit avec ses actionnaires principaux Michelin et Faurecia, Symbio compte à ce jour plus de 600 employés, et compte des partenariats sur 3 des cinq continents.
L’institut FEMTO-ST (Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique – Sciences et Technologies, UMR 6174), est une unité mixte de recherche, née le 1er janvier 2004 de la fusion de cinq laboratoires francs-comtois, formant ses départements initiaux. Depuis cette date, l’institut FEMTO-ST s’est enrichi de compétences en automatique, génie électrique, informatique, sciences humaines et sociales pour compter aujourd’hui plus de 700 membres, départements scientifiques, services communs et direction confondus. FEMTO-ST est placé sous la quadruple tutelle de l’Université de Franche-Comté (UFC), du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), de l’École Nationale Supérieure de Mécanique et des Microtechniques (ENSMM) et de l’Université de Technologie Belfort-Montbéliard (UTBM).
La spécificité de FEMTO-ST est d’associer les Sciences et Technologies de l’Information et de la Communication (STIC) avec les Sciences pour l’Ingénieur (SPI). Une équipe de Sciences Humaines et Sociales (SHS) a en outre été récemment intégrée. Son champ thématique couvre ainsi l’optique, l’acoustique, les micro nanosciences et systèmes, le temps-fréquence, l’automatique, l’informatique, la mécatronique, en même temps que la mécanique et les matériaux, l’énergétique et le génie électrique.
Les actions de recherche de FEMTO-ST peuvent être fondamentales ou appliquées, et produisent régulièrement un impact socio-économique, dans des secteurs comme l’énergie et les transports, la santé, les télécommunications, le spatial, l’instrumentation et la métrologie, l’horlogerie, l’industrie du luxe. L’institut peut s’appuyer sur des technologies de haut niveau, équipements et plateformes, en particulier la centrale de micro et nanotechnologies MIMENTO (MIcrofabrication pour la MEcanique, les Nanosciences, la Thermique et l’Optique), membre du réseau national CNRS RENATECH.
L’équipe SHARPAC (Systèmes hybrides électriques, Actionneurs électriques, Systèmes Pile à Combustible) du département ENERGIE de FEMTO-ST accueillera ce sujet. Cette équipe est entièrement localisée à Belfort et le travail se déroulera dans le cadre de la fédération de recherche FCLAB (FR CNRS 3539), spécialisée dans le domaine des systèmes pile à combustible, dont l’équipe mentionnée est partie prenante.
Le travail se déroulera au sein de l’entreprise SYMBIO à Saint-Fons (69) et au sein du laboratoire FEMTO-ST/FCLAB localisé à Belfort (90) à temps équivalents.
L’Ecole Doctorale de rattachement de l’étudiant/e sera l’ED SPIM (Sciences pour l’Ingénieur et Microtechniques) de l’Université Bourgogne Franche-Comté.
L’électrification des vecteurs de mobilité est aujourd’hui une préoccupation majeure des différents acteurs du domaine, qu’ils soient économiques, industriels, des collectivités ou des centres de recherche. En effet, cette électrification répond à différentes problématiques : limitation de la dépendance aux combustibles fossiles, réduction des nuisances environnementales, prise en compte de nouvelles contraintes normatives, augmentation de l’efficience énergétique.
Pour répondre à ces contraintes notamment dans le domaine des transports, l’hydrogène associé au convertisseur d’énergie qu’est la pile à combustible est une des solutions à fort potentiel. En effet, les piles à combustible (ou piles à hydrogène) et plus largement l’économie de l’hydrogène-énergie offrent des perspectives particulièrement intéressantes dans le cadre de la nécessaire transition énergétique. En effet, si l’hydrogène est l’élément le plus présent sur la croute terrestre, il est aussi un élément n’existant quasi jamais sous forme de dihydrogène à l’état naturel. Il doit donc être produit, si possible par électrolyse à partir d’énergies d’origine renouvelable (nota : ce n’est malheureusement pas le cas aujourd’hui, car 95% de l’hydrogène produit l’est à partir de ressources fossiles). Si c’est le cas, il devient un vecteur énergétique dual à l’électricité et présente dès lors des perspectives multiples, dans les domaines de l’énergie stationnaire, du transport voire pour l’alimentation d’appareils nomades. Dans le domaine du transport, ce vecteur énergétique hydrogène offre également de multiples possibilités, grâce notamment au découplage énergie/puissance qu’il offre.
Ainsi la pile à combustible apparait aujourd'hui comme une technologie alternative pour faire face aux défis environnementaux et économiques grandissants, et bon nombre d’industriels se livrent une compétition féroce sur le marché, et le moindre gain sur la durée de vie de leur système, sur le coût et sur les performances sera capital pour être le plus présent possible sur le marché .
L'un des principaux problèmes des PEMFC actuellement concerne leur durée de vie, et la cause majeure est la dégradation de l’assemblage membrane électrode, due à l'accumulation de contaminants et de produits de réaction à l'intérieur de la pile à combustible et au fonctionnement particulier que rencontre une PEMFC lors de cycles dynamiques. En utilisant des approches multi-stack et multi-système, il est possible de réduire l'impact de cette dégradation sur la performance globale de la pile à combustible.
Par exemple, en utilisant plusieurs piles à combustible en parallèle, l'approche multi-stack permet de réduire la charge sur chaque pile individuelle, ce qui peut réduire la dégradation de la PEM. De même, l'utilisation de plusieurs systèmes de piles à combustible en série ou en parallèle, comme dans l'approche multi-système, permet de répartir la charge sur plusieurs piles à combustible, réduisant ainsi la charge sur chaque pile et prolongeant la durée de vie de l'ensemble du système.
De plus, l'utilisation d'un système multi-stack ou multi-système peut permettre de réduire la fréquence des cycles de démarrage et d'arrêt de chaque pile à combustible individuelle, ainsi que de réduire et d’optimiser les cycles et niveau de potentiel entre autres. Tous ces éléments combinés permettent de réduire les effets de l'usure mécanique, thermique et électrochimique sur les composants de la pile à combustible.
En résumé, les stratégies d'approche multi-stack et multi-système pour les PEMFC peuvent contribuer à prolonger la durée de vie de ces systèmes en réduisant l'impact de la dégradation de la PEM, en répartissant la charge sur plusieurs piles à combustible et en optimisant le fonctionnement de chaque stack pour le laisser dans une zone où il vieillira le moins possible.
Cependant, l'approche multi-stack peut également présenter des défis. Par exemple, les différents modules de piles à combustible doivent être synchronisés pour assurer une alimentation électrique cohérente et stable. De plus, la gestion thermique doit être soigneusement contrôlée pour éviter les surchauffes et les pertes d'efficacité. Le contrôle devient également plus complexe, et de nouvelles stratégies d’arrêts/redémarrage doivent être définies. Enfin, le dernier gros verrou concerne la question du coût, qui doit être précautionneusement étudiée afin que le compromis coût/durabilité soit le plus raisonnable possible.
En somme, l'approche multi-stack pour un système pile à combustible offre des avantages en termes de puissance, de durabilité et de gestion de charge, mais nécessite une étude, une planification et une mise en œuvre soigneuses pour garantir un fonctionnement efficace et fiable. C’est par conséquent dans ce contexte que s’inscrit le cadre de cette thèse.
Dans un premier temps le doctorant devra faire un choix de quelques stratégies multi-stack/multi-système à étudier pour le reste de sa thèse. Ce choix devra également prendre en compte des tailles de stack différentes, comme une répartition 60/40 pour faire du 100kW au lieu de 50/50. Ce premier choix sera établi à partir de recherche bibliographique mais également par rapport à l’analyse de ce que fait notre concurrence sur le sujet. Puis, une fois quelques stratégies sélectionnées, le doctorant devra les évaluer en termes de dura/perfo et de coût. Cela implique de réaliser une plateforme d’estimation théorique de ces trois contraintes, réalisée à partir de modèle de vieillissement, crées à partir de datas provenant des essais Symbio. Cette plateforme devra également permettre d’optimiser les conditions opératoires des stacks, ainsi que d’intégrer différentes stratégies intrinsèques à l’usage d’un multi-stack, comme l’intégration d’un mode veille par exemple. Enfin, une fois toutes ces stratégies évaluées théoriquement, une validation pratique devra être réalisée à l’aide d’une campagne d’essai expérimentale sur banc système. Tout ce travail mené devra être par la suite synthétisé en un livrable permettant d’aider au design d’architecture multi-stack/multi-système selon la demande et le cycle de roulage client.
Le travail de recherche proposé va s’organiser suivant différentes étapes : étude bibliographique, analyse de l’existant et premières sélections d’architectures multi-stack/multi-système, quantification des performances de ces architectures choisies sous contraintes de manière théorique, optimisation de leurs stratégies de contrôle et des conditions opératoires et enfin validation et généralisation d’une méthodologie de design et de dimensionnement de système multi-stack/multi-système pour des applications différentes. On retrouve donc la planification des tâches suivantes :
Etat de l’art, analyse de l’existant et première sélection d‘architectures système (M1 – M6) : Cette première partie sera consacrée à un état de l’art des travaux de recherche et l’analyse de ce qui est fait dans la concurrence en termes d’architecture multi-stack/multi-système. Dans le cas de l’analyse de la concurrence, une analyse plus poussée afin de déterminer pourquoi nos concurrents utilisent cette architecture devra également être réalisée. Enfin, partir de toutes ces infos, le livrable final de cette partie sera de définir quelques architectures sur lesquels la suite du travail de thèse sera réalisé.
Quantification des performances sous contraintes (M6 – M12) : A partir de données fournies par Symbio, l’idée ici est de modéliser le comportement d’un stack, et de faire une étude théorique à partir de ce modèle du comportement des stacks sur différents cycles selon les architectures déjà sélectionnées dans la partie précédente. La sortie de cette partie est l’évaluation pour chaque architecture de leur coût estimé, leur gain en durabilité et leur performance.
Optimisation de leurs stratégies de contrôle et des conditions opératoires (M13 – M19) : A partir de ce qui a été développé précédemment dans la partie 2, optimiser les conditions opératoires des stratégies afin d’obtenir les meilleurs compromis coût/durabilité/performances. Enfin sélectionner la meilleure solution estimée afin de la tester expérimentalement dans la partie suivante.
4. Validation expérimentale (M20 – M26)
Définition d’une méthodologie design de système multi-stack/multi-système pour répondre aux besoins de telle ou telle application (M27-M29) : une fois la validation expérimentale réalisée, définir un outil ou un livrable permettant, en fonction de l’application et du cycle de charge client, de choisir la meilleure architecture possible entre mono-stack/multi-stack et/ou multi-système.
Rédaction du mémoire de thèse (M30 – M36) : Les six derniers mois seront consacrés à la rédaction du mémoire de thèse ainsi qu’à des dernières expérimentations et ajustements sur l’outil si nécessaire.
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