A study on hydrogen storage through adsorption in nanostructured carbons
Étude du stockage d'hydrogène par adsorption dans des carbones nanostructurés
Résumé
This work is based on the study of hydrogen storage through adsorption in nanostructured carbon materials, and was divided in three parts: a literature review on hydrogen storage, the set-up of an experimental test bench devoted to the measurements of hydrogen storage, and finally the work presents the experimental results of hydrogen storage on two different families of carbon materials produced in the laboratory thanks to two different processes. The literature review presents the various techniques available for storing hydrogen such as liquefaction and compression and is essentially concentrated on the experimental techniques used for measuring hydrogen storage with their difficulties and controversies. A critical point of view is given on the large scatter of the experimental results on the various carbon materials used for hydrogen storage. The experimental test bench has been designed, thanks to a volumetric method, for measuring the amount of hydrogen desorbed from a large mass of carbon (a minimum of 10 grams is required) at a temperature of 25°C and a pressure of 100 bars. Two calculations are presented, one for measuring the excess of hydrogen desorbed from the carbon as compared to a system in pure compression and the second one is based on the intrinsic weight percent of hydrogen stored in the carbon material. In addition to these calculations, a complete study of the errors generated during the measurements is presented as well as a full calibration of the experimental set-up with three different means. Ultimately, the work presents the nanostructured carbon materials produced thanks to two different processes: a sol-gel process for the production of carbon aerogels and a high temperature plasma process for the production of carbon nanostructures. After structural characterisation, all the samples have been tested using the same experimental protocol and the results show storage capacities lower than 0.5 wt% of hydrogen in the carbon.
Ce travail porte sur l'étude expérimentale du stockage d'hydrogène par adsorption dans des carbones nanostructurés. Il a été rédigé en trois parties: une étude approfondie de la bibliographie, la mise en place d'un banc d'essais destiné à quantifier le pourcentage gravimétrique d'hydrogène stocké par les carbones, et finalement la mesure du stockage d'hydrogène dans deux familles de carbones nanostructurés étudiées au sein du laboratoire. L'étude bibliographique met en avant les différents moyens de stockage d'hydrogène actuellement disponibles (compression et liquéfaction) et se concentre essentiellement sur les techniques expérimentales de mesure du stockage d'hydrogène par adsorption et les problèmes qu'elles peuvent susciter. Un regard critique est également porté sur la forte variation des différents résultats publiés dans la littérature. Le banc d'essais mis en place a été conçu pour mesurer la capacité de stockage d'hydrogène pour une masse importante de matière, de l'ordre de 10 grammes, et est basé sur le principe d'une mesure volumétrique de la quantité d'hydrogène désorbé par le carbone à la température de 25°C et une pression de 100 bars. Deux calculs ont été mis en place: un calcul détermine le pourcentage gravimétrique en comparaison à un système en compression et un autre le pourcentage gravimétrique intrinsèque des carbones. En parallèle à ces calculs, un calcul d'erreur a été fait, et le banc d'essais a été calibré grâce à trois moyens différents. Les carbones nanostructurés étudiés sont issus de deux procédés: un procédé sol-gel permettant de produire des aérogels de carbone et un procédé plasma à haute température, permettant la synthèse de différentes variétés de nanostructure de carbone. Tous les échantillons, après avoir été préalablement caractérisés morphologiquement, ont été testés selon le même protocole expérimental mis en place et les résultats ont montré des valeurs de stockage d'hydrogène inférieures à 0,5 pour cent d'hydrogène en masse.
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