Soutenance de thèse de Clément OCCELLI

Le power to gas (P2G) est basé sur la production d’hydrogène vert par électrolyse de l’eau et son stockage dans le réseau de gaz naturel. Du fait de sa forte perméabilité à travers de nombreux métaux et de sa réactivité, l’hydrogène peut être amené à fragiliser les conduites de gaz, et les variations rapides du taux d’hydrogène injecté peuvent perturber le bon fonctionnement des turbines et bruleurs. La mesure de la teneur en hydrogène en temps réel dans le réseau est donc nécessaire pour se prémunir de situations à risques. Les capteurs d’hydrogènes actuellement commercialisés ne peuvent opérer dans un milieu dépourvu d’oxygène, d’humidité ou comportant de nombreux composés chimiques. L’objectif de cette thèse, fruit d’une collaboration entre CMR Group et l’équipe MCI de l’IM2NP, est de développer une nouvelle génération de capteurs d’H2 capables d’opérer dans le gaz naturel. Le palladium est un matériau sensible à l’hydrogène prometteur pour la mesure d’hydrogène en milieu anaérobie. Mais il présente des limites, du fait de son vieillissement accéléré sous hydrogène et d’une forte hystérésis de mesure. L’ajout d’un autre élément comme l’or, permet de stabiliser la structure, réduire l’hystérésis de mesure et d’améliorer la cinétique de détection. Les travaux de cette thèse se sont orientés vers la conception d’un microcapteur capteur résistif à base d’une couche nanostructurée d’alliage palladium or (PdAu) déposée par pulvérisation cathodique. L’effet de la composition chimique et de la microstructure y sont étudiés afin de sélectionner les paramètres de dépôt présentant le meilleur compromis entre sensibilité, rapidité de détection, hystérésis de mesure et vieillissement. Les performances ont été améliorées en jouant judicieusement sur le recuit, l’épaisseur, la température de fonctionnement et sur le design, pour aboutir à la réalisation d’un microcapteur performant. Mots clés : microcapteur d’H2, capteur de gaz résistif, Pd-Au, anaérobie, P2G, gaz naturel, pulvérisation cathodique.

The principle of power to gas (P2G) is based on the production of green hydrogen by water electrolysis and its storage in natural gas grid. Due to its high permeability through many metals and its reactivity, hydrogen may induce pipeline embrittlement and disrupt the proper operating of gas turbines and burners. Hydrogen measurement in gas grid, in real time, is therefore necessary to prevent from any hazardous situations. Current commercially available sensor cannot operate in a dry anaerobic environment or in presence of numerous chemical compounds. The purpose of this thesis, born from a collaboration between CMR Group and the MCI team of IM2NP, is to develop a new generation of H2 sensor able to operate in natural gas environment. Palladium is a promising candidate for hydrogen measurement in anaerobic environment. However, pure palladium exhibits strong measurement hysteresis and accelerated aging under hydrogen. The addition of another element like gold, allow to stabilize the structure, reduce the hysteresis of measurement and improve the kinetics of detection. The works presented in this dissertation were oriented towards the design of a resistive sensor based on a sensitive nanostructured layer of palladium-gold alloy (PdAu) deposited by sputtering. The effects of the chemical composition but also of the microstructure were studied in order to select the deposition parameters presenting the best compromise between sensitivity, response time, measurement hysteresis and aging. The performances have been optimized by judiciously tuning the annealing, the thickness, the operating temperature and the design, in order to achieve a high-performance microsensor. Keywords : H2 microsensor, resistive gas sensor, Pd-Au, anaerobic, P2G, natural gas, sputtering