Jacques, PascalGhyselen, SylvainSylvainGhyselen2025-05-142025-05-142025-05-142018https://hdl.handle.net/2078.2/4277L'utilisation croissante des énergies renouvelables aux caractères intermittent et imprévisible entraîne une instabilité du réseau et une nécessité d'harmoniser les périodes de production et de demande d'énergie. L'utilisation de systèmes de stockage peut permettre de remédier à ces problèmes. Différentes technologies sont disponibles. L'une d'entre elles est le stockage électrochimique qui comporte notamment les batteries. Elles souffrent néanmoins de différents problèmes et la recherche d'une solution fiable, efficace, peu onéreuse et dont la matière première est abondamment disponible est encore en cours. La batterie rédox à flux à base fer peut être un candidat intéressant. Ses principaux atouts sont l'abondance et le bas coût de son électrolyte. Ce travail a pour objectif d'optimiser les performances de ce type de batterie. Dans ce cadre, le système a été étudié expérimentalement avec une membrane anionique aussi bien à la charge, la décharge que sous forme de cycles. La membrane anionique permet, notamment, de travailler avec des pH différents pour les deux électrolytes. Différentes réactions parasites et l'importance de l'électrolyte sur ces réactions ont été mis en évidence. Deux milieux ont été testés l'acide chlorhydrique en comparaison à l'acide sulfurique, permet de réduire significativement la réaction d'oxydation du fer solide déposé au sein de la batterie. Les réactions parasites entraînent la réduction de protons à l'électrode négative à la charge et à la décharge. Dans cette optique, une augmentation du pH de l'électrolyte négatif permet de défavoriser ces réactions et améliore significativement le fonctionnement de la batterie. Néanmoins, cette augmentation ne peut se faire à l'électrolyte positif où se trouve du fer ferrique très sensible à la précipitation. Bien qu'il soit possible de conserver un pH bas à l'électrolyte positif, un transfert de protons au travers de la membrane anionique a été observé. Ce transfert mène à une diminution modérée mais défavorable du pH de l'électrolyte négatif. Outre le pH, deux électrolytes de support, NaCl et KCl ont été testés. Ils ont tous deux présenté un impact positif à la décharge de la batterie. Le chlorure de sodium permet de réduire significativement les chutes ohmiques de la cellule. Des cycles de charge et décharge ont été imposés à la cellule. Les figures de performance caractéristiques des batteries que sont les efficacités de Faraday, voltaïque et énergétique ont été, au maximum, de 75, 61 et 41 % respectivement. Ces valeurs s'approchent de celles observées dans la littérature mais peuvent encore être améliorées. Des électrodes en feutre de carbone ont été testées à l'anode et la cathode. Elles n'ont pas eu d'impact positif pour la charge de la batterie mais ont présenté un intérêt lors de la décharge. Leur utilisation réduit significativement les chutes ohmiques et augmente la densité de puissance fournie pas la batterie. Finalement, sur base de ces résultats, le coût de la batterie à une échelle réelle a été estimé. La membrane anionique , dont le prix est très élevé rend le système particulièrement onéreux. Cependant, une hausse des performances de la batterie et une diminution du coût de la membrane peuvent rendre le coût du système plus compétitif. Un nouveau design de cellule expérimentale de même que des perspectives pour poursuivre l'optimisation du système de stockage sont proposés à la fin de ce mémoire.The energy storage technologies will play an important role in the future because of the increasing use of intermittent sources of energy such as solar and wind. Their use is necessary to avoid instability of the grid but also to rebalance the load and the supply. Electrochemical cells are one way to store the excess produced energy. However, the challenge is to find batteries that would be reliable, widely available, effective and cost-attractive. An all-iron flow battery, subjet of this document, can be an interesting candidate particularly for its cheap and widely available electrolyte. The goal of this work is to optimize the performances of this technology. The system has been studied experimentally with an anion exchange membrane. Charge and discharge were tested separately before cycling of the battery. The main challenge of this system is the control of the parasitic reactions involving hydrogen evolution. These reactions have been identified and confirmed by experimental measurements. Sulfuric and hydrochloric acid have been investigated as electrolyte and the hydrochloric acid was found to give the best results. As the two main parasitic reactions involve the reduction of the hydrogen, the pH has been increased to 2 in the negative electrolyte. This increase improved significantly the faradaic efficiency of the battery. Thanks to the anionic membrane, it was possible to increase the pH of only one side of the cell. Even if it was possible to maintain a low pH of the positive electroyte, a crossover of the protons across the membrane has nevertheless been observed. In addition to the pH, other parameters of the electrolyte have been modified. Two supporting electrolytes, NaCl and KCl showed a decrease of the ohmic loss at the charge. Sodium chloride addition also decreased the overpotential at the charge. Cycling the all-iron flow battery with maximum faradaic, voltaic and energy efficiencies of 75, 61 and 41 \%, respectively, have been demonstrated. Carbon felt electrodes have been tested at the cathode and the anode. They did not achieve to decrease the overpotentials during the charge of the cell but were observed to increase the efficiency of the discharge by decreasing the ohmic losses. Finally, based on the best results of this master thesis, a cost model has been developed for a 10 kW/20 kWh flow battery. The anionic membrane of which the price is very expensive drastically increases the system cost. However, an increase of the performance and an expected diminution of the membrane cost can lead to a cheaper and more competitive battery. Perspectives as well as an optimization of the experimental cell are given as a conclusion of this document.Batterie rédox à fluxStockage d'énergierfbbrfAll-iron redox flow batteryBatterie au ferMembrane anioniqueEnergy storagetext::thesis::master thesisthesis:14636