Дисертації з теми "Matériaux – Modèles mathématiques – Piles à combustible"

La filière hydrogène et la pile à combustible apparaissent aujourd’hui comme une alternative crédible à l’utilisation massive des énergies fossiles. Dans le cadre d’un projet ANR piloté par EDF, un consortium s’est intéressé à la réalisation d’une cellule de type P. C. F. C. (Proton Conducting Fuel Cell) opérant à 600° avec BaCe0,9Y0,1O3-α comme électrolyte à conduction protonique. Cette thèse s’inscrit dans ce cadre, et présente l’objectif d’étudier le comportement de ce matériau au frittage et d’évaluer le co-coulage en bande et le co-frittage comme procédé de mise en forme bas coût pour la réalisation d’une demi-cellule anode-électrolyte de type anode support. Le composé BaCe0,9Y0,1O3-α peut être produit aisément par chimie douce. En revanche, le caractère réfractaire de ce matériau impose des paramètres de frittage très sévères entraînant sa dégradation, et l’altération de ses propriétés de transport. Il s’agit de l’endommagement thermique dont nous proposons un premier modèle. L’étude des interactions entre BaCe0,9Y0,1O3-α et NiO, utilisé comme précurseur de nickel dans les cermets d’anode, s’est avérée particulièrement complexe. Elle a permis de mettre en évidence à la fois des effets bénéfiques (agent de frittage) et néfastes (altération des propriétés de conductions) de la diffusion des cations Ni2+. Concernant la mise en forme, la sédimentation des poudres liée à l’instabilité des barbotines et les interactions avec NiO conduisent lors du co-frittage de la demi-cellule à des déformations rédhibitoires. Nous proposons donc une architecture alternative de type « métal support », fondée sur l’utilisation d’une mouse de nickel aux premiers résultats encourageants
Hydrogen and fuel cells are now considered as a potential and credible alternative to the massive use of fossil fuels. In a French project led by EDF, a consortium focused its research on the achievement of a Proton Conducting Fuel Cell (P. C. F. C. ) operating at 600°C for residential use with BaCe0,9Y0,1O3-α as proton conductor. This study was led in this framework and aimed to understand the behaviour of this material during sintering and to assess tape casting and co-sintering as low cost process to shape anode-electrolyte half cells. BaCe0,9Y0,1O3-α can be easily prepared by soft chemistry. However, the refractory behaviour of this material imposes strong sintering parameters which led to its thermal decomposition and the degradation of its transport properties. We propose a model on this thermal damaging. The study of interactions between BaCe0,9Y0,1O3-α and NiO, generally used as nickel precursor in anode cermet, has been particularly complex, and highlighted both benefits (reduction of sintering temperature) and drawbacks (impaired transport properties) of Ni2+ diffusion. About shaping process, sedimentation of powders due to a lack of stability of slurries and interactions with NiO led to prohibitive deformations during co-sintering. As a consequence, a new metal supported approach based on the use of a nickel foam was developed, giving encouraging results

Durant l'irradiation en réacteurs à eau sous pression du combustible nucléaire UO2 ou (U, Pu)O2, plusieurs phénomènes physiques interviennent. L'un d'eux consiste en la disparition d'une partie de la porosité initiale sous l'effet de l'irradiation, cette densification pouvant atteindre jusqu'à 2,5%. D'après la littérature, l'amplitude de ce phénomène ainsi que sa cinétique, sont fortement liés à la microstructure initiale du combustible. C'est pourquoi des méthodes de caractérisation de la microstructure ont été développées à l'aide d'outils d'analyse d'images. Ces méthodes ont pour objectif de rendre les résultats obtenus sur différents types de combustibles comparables. Ces analyses ont permis entre autres de déterminer l'influence du taux de fission local et de la température sur le phénomène de densification. De plus, sous irradiation, on note une disparition importante de la porosité de diamètre inférieur à 3 µm. A l'aide de ces données, deux types de modélisation ont été mis en place. La première est semi-empirique, c'est-à-dire qu'elle s'appuie sur des résultats expérimentaux et n'a aucune valeur prédictive. En effet, l'amplitude maximale de densification doit être ajustée pour chaque type de combustible par une constante multiplicative impossible à déterminer a priori. Mais elle a été appliquée avec succès au recalcul d'une expérience de densification en pile menée dans le réacteur expérimental de Halden (Norvège). Le second modèle est mécaniste, c'est-à-dire basé sur l'écriture mathématique des phénomènes physiques intervenant dans le combustible sous l'effet de l'irradiation, dont les principaux sont l'interaction entre un fragment de fission et une porosité, et la création de paires de Frenkel sous l'effet du ralentissement des produits de fission. Ce modèle calcule les évolutions de populations de pores et a été appliqué avec succès sur un crayon caractérisé avant et après irradiation
Amongst the many phenomena which take place in the course of the irradiation of UO2 or (U, Pu)O2 nuclear fuels, one of them involves the elimination of a fraction of the as-fabricated porosity. In-pile densification or sintering can reach 2. 5%, i. E. Approximately half the initial volume of pores is likely to disappear. Our literature survey indicates that the amplitude and kinetics of the phenomenon are both heavily dependent on the initial fuel microstructure. Micro-structural characterisation techniques of oxide fuels have therefore been developed in conjunction with quantitative image analysis methods. The ensuing methodology enables a quantitative comparison of micro-structural features in different fuels and has been applied to ascertaining the influence of the local fission rate and temperature on in-pile densification. It is thus revealed that in-pile operation eliminates a significant fraction of pores smaller than 3 microns in diameter. The experimental data generated has been used to set up a semi-empirical and a mechanistic model. The former is based on experimental results and is not essentially predictive. The inability of this model to predict the in-pile densification of oxide fuels is illustrated by the fact that the maximum fraction of pores that disappears is proportional to an empirical function of fission rate, and temperature. The proportionality factor appears to be difficult to correlate quantitatively to any given micro-structural feature. The model has however been applied to the interpretation of an in-pile densification experiment carried out in the Halden reactor (Norway). The latter model is mechanistic, i. E. It is based on the solution to a set of equations that describe the coupled temperature and radiation induced phenomena which occur in-pile. These can broadly be broken down into three categories : the fission fragment-pore interaction, the creation of point defects as the fission fragments slow down, and the diffusion of these point defects to sinks. The model calculates the evolution of the pore size distribution and has successfully been applied to modelling the in-pile densification behaviour of a fuel pellet characterised before and after irradiation

Les piles à combustible à l’hydrogène (PACH) sont des engins qui produisent de l’énergie électrique à l’aide d’une réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène. Ces dispositifs sont des candidats potentiels pour le remplacement des moteurs à combustion interne conventionnels. Cependant, les PACH ne sont toujours pas compétitives sur le plan commercial, car leur coût, leur poids et leur volume sont encore trop élevés. Un défi est donc d’améliorer l’efficacité des PACH en améliorant leur design. L’objectif de ce projet est de développer des outils de modélisation mathématique et de simulation numérique, pour ensuite optimiser le design des piles à combustible à l’hydrogène. Dans un premier temps, les phénomènes de transport à très petite échelle dans les milieux poreux qui constituent les PACH sont formulés mathématiquement, et une stratégie de lissage spatial est appliquée à ces équations pour les transformer en équations lissées valides à l’échelle macroscopique. Le nouveau modèle développé démontre que l’équation de conservation de la masse contient un terme volumique additionnel, tandis que l’équation de la quantité de mouvement reste similaire à la loi de Darcy. Dans un second temps, un modèle numérique est développé pour optimiser la géométrie des canaux catalytiques dans lesquels un fluide réagit chimiquement. Ce type d’écoulement peut représenter, entre autres, les réactants qui circulent dans les canaux se trouvant dans les PACH. Des corrélations sont développées analytiquement pour prédire les designs optimaux, et ces corrélations sont corroborées par des résultats numériques. Dans un troisième temps, un modèle mathématique et numérique complet de PACH est développé et validé. Ce modèle est utilisé pour optimiser l’allocation de catalyseur entre l’anode et la cathode, et pour optimiser la distribution de catalyseur dans la cathode. Les résultats montrent qu’une allocation inégale de catalyseur entre anode et cathode permet d’augmenter le courant généré par une PACH, et une distribution non-uniforme de catalyseur dans la cathode mène aux courants les plus élevés. Enfin, les paramètres les plus influents du modèle numérique ont été identifiés par une analyse de sensibilité.
Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) are devices that produce electricity by means of a chemical reaction between hydrogen and oxygen. These devices are possible alternatives for the replacement of internal combustion engines. However, they are not yet competitive, because their cost, weight and volume are still too large. A challenge is thus to increase PEMFC efficiency by optimizing their design. The main objective of the present project is to develop mathematical and numerical modeling tools in order to optimize the PEMFC design. First, small-scale transport phenomena in the porous media of PEMFC are formulated mathematically, and then a volume averaging method is used to transform these equations into equations that are valid at a larger scale in the porous media. The new mathematical model obtained with this strategy shows that the mass conservation equation contains an additional term, while the momentum equation remains similar to Darcy’s Law. Second, a numerical model is developed in order to optimize the geometry of catalytic channels in which a fluid undergoes chemical reactions. This kind of flow may represent, for example, the reacting species that move in PEMFC channels. Correlations are developed analytically in order to predict the optimal designs for these channels. These correlations were validated with numerical simulations. The results obtained may be applied to several different devices (e.g., microreactors, monolith, PEMFC). Finally, the mathematical and numerical model of a PEMFC are developed and validated. This model is used to optimize catalyst allocation between the anode and cathode sides of the fuel cell, and also to optimize catalyst distribution within the cathode catalyst layer. The analysis shows that an unequal allocation of catalyst between the anode and cathode sides results in a higher electric current. It was also shown that a non-uniform catalyst distribution within the cathode layer yields higher electric current. Finally, the most influential parameters of the numerical model were identified by a sensitivity analysis.

Le travail porte sur l'étude des propriétés de cathodes à base de LSM, élaborées par sérigraphie sur électrolyte YSZ et sur la modélisation de la réduction de l'oxygène. Une revue bibliographique des nombreux travaux publiés sur LSM et l'interface LSM/YSZ, met en exergue le manque de consensus sur les mécanismes de l'interaction LSM/oxygène. Les différents modèles théoriques possibles et les lois cinétiques associées sont présentés afin de servir de base à la modélisation cinétique. Des caractérisations microstructurales ont permis de vérifier la bonne adaptabilité de la technique d'élaboration pour notre étude et pour la réalisation de cellules en général. Les couches d'épaisseur de l'ordre de 15 à 100 µm sont stables dans le temps et reproductibles. Leur microstructure est homogène et régulière avec une porosité d'environ 0,6. Des caractérisations physico-chimiques ont été réalisées par diverses techniques. Les analyses par spectrométrie infra-rouge et thermodésorption sur poudre ont permis d'observer différentes espèces oxygène adsorbées. Une étude calorimétrique a mis en évidence une modification des quantités de chaleur dégagées lors de l'adsorption d'oxygène à différentes températures. Les analyses par XPS de la surface des couches ont révélé d'important phénomènes de ségrégation du strontium en surface, selon les conditions de pression, de température et de polarisation. A partir des caractérisations électrochimiques réalisées par spectroscopie d'impédance, trois contributions résistives ont été identifiées. Seule la contribution basse fréquence de cette impédance, qui est sensible aux variations de pression, est attribuée à un phénomène d'électrode. Suite à l'étude méthodique des différentes hypothèses de modélisation, il a été possible de remonter à un mécanisme réactionnel. Le modèle proposé est assez complexe. Il est composé de trois chemins de conduction parallèles (deux en surface et un en volume), impliquant deux espèces oxygènes adsorbées différentes et dont la prépondérance les uns par rapport aux autres est fonction des conditions de pression, de température et de polarisation. Une étude de l'influence de la vapeur d'eau vient compléter ce travail afin de comprendre son impact sur les performances de la cathode. L'effet bénéfique de la vapeur d'eau n'est pas dû à un effet catalytique direct puisqu'il ne modifie pas l'énergie d'activation apparente du processus à la cathode. Les expériences semblent indiquer qu'il est relié aux phénomènes de ségrégation en strontium en surface des grains. Il permettrait de conserver et de régénérer les propriétés initiales de la couche
The properties of LSM screen-printed cathodes on YSZ electrolytes and the modelling of oxygen reduction have been studied. A bibliographic review of published works on LSM and LSM/YSZ interface reveals the lack of consensus over the mechanism proposed between oxygen and LSM. The different theoretic models possible and their associated kinetic laws are presented to serve as the basis for the kinetic modelling. Microstructural characterisations proved the adaptability of the screen-printing technique for making electrodes. The layers are stable in time and well reproducible. Their microstructure is homogenous and regular with a porosity of 0. 6. Physico-chemical characterisations were carried out. Infra-red spectrometry analysis and thermo-programmed desorptions have shown the existence of different kinds of oxygen-adsorbed species on LSM powder. A calorimetric study has revealed a change in the quantity of heat released during oxygen adsorption as a function of temperature. By XPS analysis on screen-printed layers, important strontium segregation was observed depending on pressure, temperature and polarisation conditions. From electrochemical characterisations made by impedance spectroscopy, three resistive contributions have been identified. Only the low frequency contribution, which is the only pressure sensitive contribution, was considered to correspond to an electrode phenomenon. Following a methodical study of the different modelling hypothesis, a mechanism for the cathodic reaction was obtained. The proposed model is complex. It is composed of three conductivity paths running in parallel (two surface paths and one bulk path). These paths involve two different oxygen species and their preponderance depends on pressure, temperature and polarisation conditions. A study of water vapour influence completes this work, to understand its impact on the cathode electrical performance. The benefits brought by water vapour are not linked to a direct catalytic effect, as it does not affect the apparent activation energy of the cathode's process. The experiments seem to indicate that the benefits are linked to the strontium segregation at the surface of grains. It seems water vapour helps maintain and regenerate the initial properties of the layer

Cette thèse décrit le fonctionnement d'une pile à combustible sous l'aspect de son intégration dans un système de production d'énergie. Son utilisation est difficile dû au grand nombre de paramètres de fonctionnement à contrôler et nécessite une connaissance détaillée du fonctionnement interne. Pour cela, les relations entre les conditions de fonctionnement et les grandeurs électriques sont présentées. Le modèle décrit les différents effets internes de la pile tout en restant suffisamment restreint pour permettre une résolution rapide en régime stationnaire et transitoire. La pile a été décomposée en couches selon les différents matériaux utilisés. Une approche monodimensionnelle a été choisie. Selon un axe perpendiculaire à la membrane, chaque couche est discrétisée en plusieurs éléments. Le modèle mathématique d'une cellule de pile à combustible présenté est basé sur des équations de flux de gaz et de l'eau à l'intérieur. La description de la réaction chimique ainsi que son couplage avec les autres grandeurs est traitée ainsi que le comportement fréquentiel de la pile. La résolution des équations sous Matlab-Simulink permet de localiser des phénomènes dans la pile et de visualiser le comportement en transitoire, notamment concernant la gestion d'eau à l'intérieur de la pile, le plus grand défi du contrôle des conditions de fonctionnement. La présentation d'un banc de test avec une pile à combustible de 500 W et des mesures stationnaires et transitoires montrent les performances de la pile et sa sensibilité aux paramètres. Notamment les mesures de la résistance interne et des valeurs de l'impédance sont interprétées pour trouver des informations concernant les phénomènes physiques dans la pile
In this work, the behaviour of a fuel cell is described in regard of its integration into a power production system. Its use is difficult as a great number of operating parameters has to be controlled and internal behaviour has to be known. Therefore, the relations between the operating conditions and the electrical parameters are presented. The model describes the internal phenomena in the fuel cell while staying restricted enough to allow a fast resolution in stationary and transient operation. The fuel cell is divided into layers. Each layer consists of a different material. A mono-dimensional approach has been chosen. Following an axis that is perpendicular to the membrane surface, every layer is discretised into several elements. This work is dealing with a mathematical model of a single fuel cell, based on gas and water flow equations. The electrochemical reactions are described while taking into account the mutual influence with other values. The description of the cell impedance is of special interest. The model shows the evolution of electrical values as a function of operating conditions. The resolution of the equations using Matlab-Simuling software allows to localise the internai phenomena and to visualise the transient behaviour. Special attention is given to water management, which is one of the biggest challenges in operating low temperature fuel cells. The presentation of a test hench with a 500 W PEM fuel cell and stationary and transient measurements show the cell's performance and its sensibility to parameter changes. In particular, membrane resistance and impedance values are interpreted to get more information about the internal physical phenomena of the fuel cell

L’objectif principal de cette thèse est la modélisation de la rupture thermomécanique dans une cellule de pile à combustible et la simulation efficace du processus de propagation des fissures. L’étude est réalisée par la méthode sans maillage « Element Free Galerkin étendue (XEFG) ». Après avoir implémenté la méthode sans maillage pour un problème mécanique sans fissure, nous avons introduit par le principe de partition d’unité la méthode en mécanique de rupture. L’intégration est réalisée par la technique de fragmentation de cellules de fond associe à l’intégration de Gauss. La deuxième partie de ce travail était consacrée à l’application de la méthode sans maillage à la simulation de la propagation d’une fissure dans un solide pré fissuré. La problématique de fissuration en présence d’une interface d’une bicouche assimilée à une cellule de pile à combustible était abordée. Nous avons détaillé ensuite la technique utilisée pour le calcul des facteurs d’intensité de contraintes et le critère utilisé pour la propagation des fissures. Une étude paramétrique est proposée pour illustrer l’effet de la géométrie, des propriétés mécaniques et de l’interface sur le chemin de la propagation. La troisième partie de la thèse élargit le concept de la méthode XEFG à la thermo-élasticité selon la nature de la fissure. La dernière partie de la thèse est consacrée à l’extension de la méthode sans maillage EFG à la rupture interfaciale
The thesis objective is the modeling of thermo mechanical failure in Solid Oxide Fuel Cells and the simulation of crack propagation. The study is conducted by extended Element Free Galerkin method (XEFG). After implementing the meshless method for a mechanical problem without crack, we introduced the method by partition of unity principle in fracture mechanics. The second part of this work was devoted to the application of the meshless method to simulate crack propagation in a pre-cracked solid. The problem of cracking in the presence of an interface of a bi-layered material like fuel cell unit was discussed. We then detailed the technique used for calculating stress intensity factors and the criterion for crack propagation. A parametric study is given to illustrate the effect of geometry and mechanical properties of the interface on the crack propagation path. The third part of the thesis extends the concept of the method XEFG to thermo-elasticity according to the crack nature. The last part of the thesis is devoted to extending the meshless method to interfacial fracture

Dans cette étude, on s'est intéressé à la modélisation d'une pile à combustible et d'un reformeur essence utilisés pour des applications de traction automobile. La mise en équation des phénomènes physico-chimiques mis en jeu par chacun de ces organes nous a montré qu'ils peuvent être tous décrits par une même classe de modèles mathématiques, ils viennent donc enrichir une collection déjà existante. Il s'agit d'un système particulier de type réaction-transport-diffusion de dimension 1 en espace. Une fois cette classe de modèles mise en évidence, nous avons pu déployer plusieurs méthodes de réduction : la séparation des échelles de temps, l'agrégation de variables et la semi-discrétisation. Une partie des modèles réduits obtenus par application de ces méthodes a ensuite été utilisée dans plusieurs applications en simulation, estimation et commande
The goal of this study is to develop mathematical models for a fuel cell and a gasoline reformer used in a fuel cell vehicle. Mathematical modeling of the physicochemical phenomena involved by the fuel cell and the reformer shows us that a single class of mathematical models can be used : particular reaction-transport-diffusion system of dimension 1 in space. Once this class of models made precise, it is possible to use several methods of reduction : time-scales separation, variables aggregation and particular space in semi-discretization. Some reduced models obtained by this way were used in many applications in simulation, estimation and control

Une pile a combustible est un generateur d'energie electrique qui permet de transformer directement l'energie chimique du combustible en energie electrique. L'attrait des piles a combustible reside principalement dans les hauts rendements thermodynamiques des processus electrochimiques mis en oeuvre (de l'ordre de 80-90%) en cogeneration electricite-chaleur. Le developpement et le test de piles a oxydes solides met en oeuvre des materiaux couteux et des techniques experimentales pointues. Comme toujours dans pareil cas, la simulation est un outil attrayant. A partir de travaux existant sur la simulation d'une cellule unite, nous proposons un modele etendu a un empilement constitue d'un grand nombre de cellules. La simulation peut ainsi etre utilisee pour le developpement de systemes complets. Pour ce faire, on ne peut resoudre les equations fines utilisees sur la cellule unite en raison de la puissance de calcul des ordinateurs actuels et de leur capacite memoire limitees. Deux approches ont ete etudiees et comparees : l'utilisation des techniques d'homogeneisation, ou la cellule unite est vue comme un point ou un materiau homogene. La determination d'un comportement effectif d'une cellule unite, a partir d'un modele numerique de celle ci. La discretisation des equations obtenues par les deux approches a permis le developpement informatique d'un modele tenant compte des principaux phenomenes electrochimiques et thermiques mis en jeu. Le code resultant permet la simulation numerique en 3 dimensions d'espace du fonctionnement d'un coeur de pile au gaz naturel.

Une réponse aux préoccupations actuelles suscitées par un bouquet énergétique principalement constitué de combustibles fossiles épuisables et nuisibles à l'environnement est de leur substituer peu à peu des sources d'énergies renouvelables, notamment solaires ou éoliennes. Cependant, ces énergies de flux à caractère intermittent posent un problème de valorisation. Elles sont souvent la source d'une électricité qui hérite de leurs fluctuations, dont le transport requiert un réseau, et qui constitue un vecteur peu aisé à stocker. Dans ce contexte l'hydrogène synthétisé à partir de cette électricité renouvelable pour la stocker est considéré comme un vecteur de stock prometteur pour le futur. Divers composants et procédés électrochimiques sont associés à cette perspective : électrolyseurs, piles à combustibles, associations des deux fonctions combinées dans le système ou intégrées dans un unique composant réversible. Notre travail se situe dans cette perspective. Il a contribué au développement de modèles avancés de composants électrochimiques de type électrolyseur ou piles à combustible, en intégrant la réversibilité en vue de l'étude de leur couplage aux générateurs photovoltaïques. Les modèles développés suivant une approche énergétique unifiée exploitent la représentation en bond graph. Après une analyse du contexte énergétique, un état de l’art des composants électrochimiques couplant hydrogène et électricité est présenté, plus particulièrement sur les électrolyseurs et sur les piles à combustible réversibles. Puis, après un rappel des principes de la représentation en Bond Graph, nous exploitons ce formalisme pour développer un modèle énergétique réversible de composant « électrolyseur et/ou pile à combustible», représentant au niveau macroscopique les phénomènes de conversion réactionnels et dissipatifs, couplés dans les domaines chimique, thermodynamique, électrique, fluidique et thermique. Des essais de caractérisation et de validation menés sur des petits dispositifs expérimentaux sont ensuite décrits. Ils permettent d'illustrer l’influence des paramètres opératoires sur les performances de ces composants. Enfin le modèle Bond Graph est exploité pour étudier la modularité des composants, notamment les déséquilibres électriques et thermiques dans les associations séries ou parallèles de piles à combustible ou d’électrolyseurs. Une architecture couplant ces éléments  avec un générateur photovoltaïque pour alimenter une charge isolée ou un réseau électrique est enfin présentée.

L'optimisation des performances d'une pile à combustible (PEMFC) requiert la compréhension microscopique des mécanismes de transport de l'eau et du proton confinés au sein de la membrane électrolyte polymère. La membrane est un matériau nanostructuré chargé, caractérisé par une dynamique de l'eau et du proton complexe et multi-échelle étroitement corrélée à la morphologie confinante. Nous nous sommes intéressés à la relation structure - transport dans i) L'Aquivion, un ionomère perfluorosulfonique récent présentant de bonnes performances en pile, ii) des systèmes " modèles " auto-assemblés de tensioactifs perfluorés formant des phases lamellaires et hexagonales et iii) une nouvelle membrane hybride préparée par dopage en tensioactif. La nano-structuration des différents systèmes a été étudiée par diffusion de rayonnement (X et neutrons), pour caractériser l'évolution de la structure (géométrie de la matrice hôte, taille de confinement) avec l'hydratation. Ensuite, nous avons sondé la dynamique de l'eau à l'échelle moléculaire (de la picoseconde à la nanoseconde) par diffusion quasi-élastique des neutrons (QENS) et à l'échelle micrométrique par RMN à gradients de champs pulsés. La comparaison membranes commerciales / systèmes modèles permet de discuter l'impact de la connectivité, du confinement et de la géométrie sur le transport ionique. Enfin, des membranes hybrides à fort potentiel ont été obtenues par dopage du Nafion et de l'Aquivion avec des tensioactifs. Ces nouveaux matériaux ouvrent une voie prometteuse pour la préparation de membranes polymères fortement anisotropes avec des chemins de conduction préférentiellement orientés.

Ce travail a été dédié à l’étude de la dégradation des piles à oxyde solide fonctionnant en mode électrolyse et pile à combustibles. Une approche intégrée couplant (i) des caractérisations électrochimiques, (ii) des analyses post-test avancées et (iii) une modélisation multi-échelle a été adoptée. Des tests de longue durée ont été menés avec des cellules standards (Ni YSZ/YSZ/GDC/LSCF) pour évaluer la dégradation des performances en fonction des conditions de fonctionnement. Des échantillons, extraits de cellules initiales et après test, ont été finement caractérisés pour déterminer les évolutions microstructurales et physico-chimiques des deux électrodes en fonctionnement. En outre, des modèles de cinétiques élémentaires ont été développés et validés expérimentalement pour l’électrode à hydrogène (cermet Ni-YSZ) et pour l’électrode à oxygène (LSCF/LSCF-GDC) avant d’être intégrés dans un modèle de cellule à l'échelle macroscopique. L'outil numérique multi-échelle a été utilisé pour étudier les mécanismes sous-jacents contrôlant les phénomènes de dégradation. Par ailleurs, leurs effets sur les performances de la cellule en fonction des conditions de fonctionnement ont été évalués et discutés grâce au modèle. Sur la base des résultats présentés dans ce travail, il a été confirmé que la dégradation des SOCs est nettement plus importante en mode électrolyse par rapport à un fonctionnement en pile à combustibles fonctionnant sous H2. Cette différence peut être attribuée d’une part, à l'effet des surtensions cathodiques sur l'instabilité du nickel dans l’électrode à hydrogène. D’autre part, il a été observé et démontré que la déstabilisation du LSCF est favorisée sous fort courant anodique à haute température
This work was dedicated to the analysis of the degradation of solid oxide cells operated in electrolysis and fuel cell modes. A threefold methodology has been applied by coupling (i) electrochemical tests, (ii) advanced post-test analyses and (iii) multi-scale modeling. Long-term durability experiments have been carried out on standard cells (Ni-YSZ/YSZ/GDC/LSCF) to investigate the performance loss as a function of the operating conditions. Specimens, which have been extracted from the pristine and aged samples, have been characterized to evaluate the microstructural and physico-chemical evolutions occurring at the two electrodes. In parallel, detailed micro-kinetic models for the hydrogen electrode (Ni-YSZ cermet) and for the oxygen electrode (LSCF/LSCF-GDC) have been developed and experimentally validated before being integrated into a macro-scale model for the complete cell. The multi-scale numerical tool has been used to propose a better understanding of the underlying forces driving the degradation. Moreover, the impact on the cell performances has been simulated and discussed as a function of the operating conditions. Based on the results presented in this work, it has been confirmed that the degradation of SOCs is significantly larger in electrolysis mode with respect to fuel cell operation under H2. On the one hand, it has been shown that the difference in durability behavior can be ascribed to the effect of the cathodic overpotential on the nickel instability in the hydrogen electrode. On the other hand, it has been observed and demonstrated that the destabilization of the LSCF is favored by both the anodic current and the high operating temperature

L'amélioration, l'avenir et la commercialisation des piies à combustible (PàC) reposent en grande partie sur l'optimisation et la conception du système de gestion de l'air et en particulier sur le système de compression. La première partie du travail a consisté en une recherche approfondie sur les PàC, la gestion de l'air et sur les compresseurs. Cette recherche a montré que dans une première phase, deux types de compresseurs sont à privilégier : les compresseurs centrifuges et à spirales (scroll). Une modélisation analytique de ce dernier a été réalisée. Le modèle étant analytique, il permettra par le moyen d'une optimisation sous contrainte d'obtenir différentes géométries qui seront adaptées aux objectifs visés. Un banc de test automatisé a été réalisé. Celui-ci es pourvu d'un système d'acquisition et de commande (dSPACE) permettant d'identifier le système et de prototyper des lois de commande en vue d'une commande optimale du compresseur. Afin de contrôler le compresseur et de déterminer son influence dans la gestion de l'air de la pile, il a été nécessaire de modéliser la PàC. Ce modèle a été réalisé en utilisant une approche originale : chaque partie de la pile est modélisée séparement en incluant les phénomènes multi-physiques au sein du même composant. Le modèle prend en compte la dynamique des pressions dans les canuax cathodiques, les phénomènes de diffusion ainsi que les phénomènes de transferts d'eau dans la membrane. Cette modélisation a été développée dans un langage description multi-physique standardisé par IEEE : le langage VHDL-AMS. Les résultats de modélisation et de simulation ont été validés expérimentalement sur un système PàC de 1,2 kW
The improvement, the future and the commercialization of fuel cell systems are closely related to the optimization and design of the air system management and particularly to the compression system. The first part of the work consists in establishing a state-of-the-art of fuel cell systems, air management and air compressors. An exhaustive research on the different kinds of compressors and compression systems has been carried out taking into account requirements and constraints of the fuel cell. This work has shown that two kinds of compressors can be used : the centrifugal compressor and the scroll compressor. An analytical modelling of the scroll compressor has been achieved. This analytical model will help, by means of constrained optimisation, to obtain several geometries fitting the requirements for a given application. An experimental rig has been set up to validate the model. This rig is completely automated thanks to a Dspace system for identifying and testing control laws of any compressor in fuel cell power ranges. To determine the influence of the compressor on the air management of the system, a fuel cell stack has been modelled. This model has been built by using an original approach: each part of the cell is modelled separately including multi-physic phenomena inside the same component. The model takes into account the pressure dynamics in the channels, the diffusion phenomena in the gas diffusion layers and the water transport inside the membrane, which permit the influence parameters to be observed on the water management inside the fuel cell. This model has been validated using the 1. 2 kW Ballard Nexa module

L'ambition du projet Européen « FELICITAS » est le développement de générateurs piles à combustible performants pour les applications transport de type ferroviaire, routier lourd et maritime. Les travaux présentés concernent plus particulièrement l'évaluation d'une hybridation de sources originale où sont couplées en série une pile haute température de type oxyde solide (SOFC) alimentée en diesel et une pile basse température de type électrolyte polymère (PEFC). La SOFC participe ainsi à la fourniture de puissance électrique et contribue également au procédé de purification du combustible destiné à la PEFC en oxydant une fraction du monoxyde de carbone.

Une approche de modélisation macroscopique a été développée. La complexité d'une pile à combustible réside notamment dans la prise en compte de son caractère multiphysique : elle est le siège des phénomènes électrochimique, fluidiques et thermiques. Cette difficulté a été surmontée en utilisant une analogie avec un circuit électrique équivalent pour unifier ses trois aspects, implanter et coupler ces sous-modèles dans un logiciel unique sous Matlab/Simulink™.

Un modèle de pile SOFC est proposé, appliquant le principe d'analogie électrique pour les circuits anodiques et cathodiques ainsi qu'une méthode nodale pour le comportement thermique. Le combustible considéré est un mélange d'hydrogène, d'azote, de monoxyde de carbone, de dioxyde de carbone et de vapeur d'eau, dont la composition est proche de celle obtenue à la sortie d'un reformeur. Un banc d'essai spécifique a été conçu et réalisé pour le test de petits empilements afin de valider le modèle. Deux types de conception de stack ont été étudiés : une technologie à combustion libre du gaz anodique dans le fluide et une technologie à collecteur de gaz d'échappement anodique.

Un modèle de pile PEFC isotherme a également été développé sur le même principe. La validation expérimentale a été faite sur un banc disponible au laboratoire. Une bibliothèque des éléments fluidique d'un générateur à pile à combustible a été enrichie (électrovanne, régulateur de débit, détendeur...) notamment par un modèle simplifié de compresseur d'air.

L’hydrogène propre est une solution d’avenir pour le stockage d’électricité renouvelable. Cependant, une cellule multi-sources pour la production d’hydrogène présente de multiples phénomènes physiques, par exemple électriques, électro-chimiques, thermiques, fluidiques, etc. et la représentation des flux d’énergie y est très complexe. De plus, les échanges de puissance entre les composants de la cellule (sources renouvelables, pile à combustible, électrolyseurs, batteries) doivent être évalués de manière globale tout en préservant les réserves de puissance de chaque composant.Cette thèse propose une représentation d’état port-Hamiltonienne, dérivée d’un bond-graph, de chacun des composants d’une cellule de puissance pour la production d’hydrogène. A partir de cette représentation et des propriétés de passivité, il est possible de concevoir des algorithmes de commande. La notion de marge de passivité est introduite pour évaluer la robustesse par rapport aux incertitudes paramétriques ou aux perturbations connues. Pour chaque composant, la variation de puissance alimente un réservoir virtuel d’énergie. L’ensemble des réservoirs constitue ainsi une image des réserves de puissance du système. Au lieu d’utiliser un échange direct de puissance entre les composants et le réseau, nous proposons de gérer les flux de puissance entre les réservoirs, ce qui permet également de contrôler leurs niveaux d’énergie. La méthodologie permet de superviser en même temps la puissance et l’énergie, ce qui conduira à terme à gérer les modes opératoires de la cellule à partir des niveaux d’énergie. La méthodologie est appliquée à une plate-forme comportant des sources renouvelables, une pile à combustible et une batterie conventionnelle
Green hydrogen is emerging as a powerful solution for the storage of surplus electricity which is generated through renewable energy sources. However, a green hydrogen power cell involves multiphysics phenomena as electrical, fluidic, thermal, etc. and the representation of dynamical power flows therein is quite complex. Furthermore, the power exchange between the different components of the cell (Fuel cell, Electrolyzer, storage units, renewable sources) needs to be thought in terms of global performance while taking care of the energy reserves.This thesis proposes a Bond Graph derived port-Hamiltonian representation of all the components of a green hydrogen power cell. From this representation, it is possible to design passivity-based control algorithms. The notion of passivity margin is introduced to account for the robustness with respect to modeling uncertainties or known disturbances. For each component, the excess or shortage of power feeds an Energy Tank, which behaves as a virtual storage unit. Hence, the set of Energy Tanks is an image of the power reserves in the power cell. Instead of using conventional power routing between each component, we propose to manage power flows between the Energy Tanks, which allows us to control not only the power intensity, but also the level of energy within the tanks. Hence, the methodology enables to control both power and energy at the same time, paving the way to Operating Mode Management triggered by energy levels. An application is given on a platform including a fuel call, renewable energy sources, and a conventional storage unit

Ces travaux s'inscrivent dans le projet COPPACE (COntribution au Pilotage de Pile A Combustible Embarquée) menés par ALSTOM en partenariat avec le LEEI-INPT et le CEA. Et cofinancés par l'ADEME. L'étude porte sur la modélisation et la commande d'un système PAC (débit, pression , température) et sur la définition des lois de commandes des convertisseurs statiques associés à la chaîne de traction. Nous développons ensuite une stratégie de gestion d'énergie en considérant des critères comme la consommation d'hydrogène ou l'énergie stockée dans les supercondensateurs. Chaque étape est vérifiée par simulation globale suivant un profil de mission spécifique et un modèle précis de PAC que nous avons ensuite simplifié pour réduire le temps de calcul. Le contrôle de ce système est définit par un traitement séparé des composants, au service de la fonction globale. Les résultats de simulations montrent que le système peut suivre la demande de puissance tout en contrôlant les éléments critiques.

Cette étude est motivée par le problème de la gestion de l'eau des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC). Elle a pour objectif principal une étude expérimentale et le développement d'outils de simulation d'écoulements quasi-statiques eau-air avec ou sans changement de phase en milieu poreux modèles dans le but d'améliorer les connaissances, notamment en ce qui concerne l'effet de la mouillabilité du milieu poreux sur les lois d'invasion et les cinétiques de séchage. L'implication des résultats sur la problématique de la gestion de l'eau dans les piles à combustibles est discutée
This study is motivated by the water management problem of a proton exchange mass fuel cell. Experimental studies have been carried out and numerical tools have been designed in order to improve the knowledge on water-air quasi-static displacements with or without phase change in porous medium. Wettability impact of the porous medium on invasion rules and evaporation rate is particularly investigated. Results are then discussed within the framework of fuel cell water management issue

Ce travail a été réalisé dans le cadre de FCLAB, institut national de recherche sur les systèmes piles à combustible, avec pour objectif de développer, dans une approche expérimentale, une procédure d'identification, c'est-à-dire de reconnaissance du comportement, de systèmes mecaniques complexes. Pratiquement, il apporte une contribution à la modélisation de l'aspect mécanique vibratoire d'une pile à combustible de type PEM. La première partie de ce mémoire développe le sujet de la thèse. Elle comporte trois sous-parties: une présentation de la plate-forme des essais vibratoires de l'UTBM, une introduction aux systèmes mécaniques complexes ainsi qu'à leur procédure d'identification et une description de la pile à combustible de type PEM en développant son aspect mécanique non-linéaire. La procédure d'identification des systèmes mécaniques complexes comporte trois étapes qui vont définir les parties deux, trois et quatre susccessivement. La première étape est la réalisation des essais vibratoires. Pour cela, une procédure des essais vibratoires pour des systèmes complexes est développée dans la partie deux. Cette procédure est fondamentale pour le bon déroulement des essais et la bonne exploitation des résultats. Les données tirées des essais sont utilisées pour les deux étapes suivantes. La deuxième partie de la procédure d'identification, développée dans la troisième partie, consiste à caractériser les non linéarités à partir des données expérimentales. La caractérisation englobe la détection, le classement et la localisation des non-linéarités. La troisième et dernière partie de la procédure d'identification traite de la modélisation des systèmes mécaniques complexes avec les réseaux de neurones. Elle explique la démarche de création d'un modèle neuronal et est développée dans la quatrième partie. Pour conclure ce mémoire, la procédure d'identification d'un système complexe, allant de la réalisation des essais vibratoires, la caractérisation des non-linéarités jusqu'à la modélisation par réseaux de neurones est appliquée à une pile à combustible de type PEM. Les résultats sont exposés et commentés dans la cinquième partie
This work was accomplished within the framework of FCLAB, national research institute for fuel cell systems, with for objective to develop, in an experimental approach, a procedure for identification complex mechanical systems as the recognition of their dynamical behaviour. Practically, this work contributes in modelling the mechanical behaviour of PEM fuel cells. The first part of this memo develops the subject of the thesis. It includes three sub-parts: a presentation of the test bench which includes the vibration platform of the UTBM, an introduction to the complex mechanical systems as well as their identification procedure and a description of the PEM fuel cells especially its nonlinear mechanical aspect. The procedure of identification of complex mechanical systems includes three stages which are going to define the parts two, three and four successively. The first stage is the realization of the vibration tests. For that purpose, a procedure for complex mechanical systems vibration tests is developed in the second part. This procedure is fundamental for the good progress and exploitation of the tests. The acquisition data are used for the two following stages. The second stage of the identification procedure, developed in the third part, consists in characterizing non-linearities from the experimental data. The characterization contains detection, classification and localization of non-linearities. The third and last stage of the identification procedure develops modelling the complex mechanical systems with neural networks. It explains the steps for creating a neuronal model. The neural networks are developed in the fourth part. To conclude this memo, the identification procedure of a complex mechanical system is applied to a PEM fuel cell. Results are exposes and discussed in the fifth part

Les recentes avancees scientifiques et techniques ainsi que les contraintes energetiques mondiales positionnent la pile a combustible (pàc) comme un candidat potentiel, en tant que generateur electrique embarque, pour produire l’energie necessaire a la traction automobile. En effet, la pàc est une solution seduisante de part un rendement theoriquement eleve et produisant de l’electricite a partir de l’hydrogene sans pollution locale (rejet d’eau uniquement). Neanmoins, il est necessaire d’adjoindre et de piloter des organes auxiliaires (compresseur, pompes, etc. ) pour fonctionner de maniere viable, diminuant alors le rendement net du generateur electrique pàc. Cette these propose ainsi une approche de commande qui permet de maximiser le rendement d’un systeme de puissance pàc dedie a la traction automobile tout en assurant sa securite et celle de son environnement. Une telle approche requiert une modelisation dynamique, a la fois, de la pàc en tenant compte des nonlinearites et des couplages caracterisant les phenomenes physiques la gouvernant, mais egalement, des organes auxiliaires afin de disposer d’un modele representatif du systeme de puissance. Le formalisme bond graph multi domaines est utilise a cet effet. Par suite, une approche de commande hierarchisee est proposee. A haut niveau, elle permet d’optimiser le rendement du systeme et de donner les consignes au bas niveau (organique). A ce bas niveau, plusieurs commandes par modes glissants sont synthetisees pour piloter les grandeurs d’influence de la pile malgre les incertitudes de modelisation. L’interet de cette approche est alors montre en simulation sur le modele du systeme de puissance complet
New scientific and technical breakthroughs as global energetic constraints show the way for fuel cells (fc) as a potential candidate for on-board electric generators supplying energy for automotive traction. Fc appear as a fine system with high theoretical efficiency as well as a direct electricity power production from hydrogen with zero local emission (water production only). Nevertheless, ancillaries’ components have to be added and controlled in order to follow the fc to work properly, thus reducing the overall system efficiency. Hence, this thesis proposes a control approach to optimize the fc system efficiency for vehicle traction ensuring system and environment safety. The first step addresses dynamical modelling of the fc itself governed by coupled nonlinear physical laws and the ancillaries’ components in order to build a representative model for the system. Multi domain bond graph is used for this purpose. Secondly, a hierarchical control approach is proposed. The high level consists in optimizing the system efficiency and giving references for the low level (component). At this low level, several sliding modes controls are synthesised to regulate the fc operative conditions despite model uncertainties. The interest of this work is then shown by simulation tests using the overall system model

Dans le contexte de la transition énergétique, la pile à combustible devient l'une des sources d'énergie alternatives les plus prometteuses. Récemment, la recherche a mis l’accent sur les piles à combustible, et plus particulièrement sur celles à membrane échange de protons (Proton Exchange Membrane Fuel Cell ou Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell ou PEMFC) qui est l'une des meilleures candidates pour les applications stationnaires et transport. Même si cette technologie évolue constamment, elle n'est pas encore prête pour un déploiement industriel à grande échelle en raison de sa durabilité et de sa fiabilité limitées. Le "Prognostics and Health Management" (PHM) est une approche récente pour gérer et prolonger la durée de vie des systèmes. Les techniques de pronostic sont capables de fournir une estimation de l'état de santé (State of Health ou SOH) des piles à combustible et une prédiction de leur durée de vie résiduelle (Remaining Useful Life ou RUL) afin d’aider les fabricants à améliorer les performances et à gérer leur durée de vie de ces systèmes.Ce travail a pour objectif de développer de nouvelles méthodes d’estimation de la durée de vie adaptée à la complexité des systèmes PEMFC. En effet, ces systèmes sont multi-échelle et multi-physique, et présentent divers défis sont à relever:1. La définition du SOH pour construire un indicateur de dégradation.2. La coexistence de phénomènes de dégradation à la fois réversibles et irréversibles.3. La prise en compte des différentes causes de détérioration et des effets des conditions opératoires.Dans la première partie, nous effectuons une analyse bibliographique de l’utilisation du PHM pour les PEMFCs, dans le but de proposer une définition de SOH et de construire un indicateur de dégradation. Etant donné que les mesures PEMFC sont peu nombreuses, nous avons également exploré l'état de l'art sur les batteries au lithium, qui sont d'autres cellules électrochimiques.Dans la deuxième partie, nous développons un algorithme de pronostic basé sur le filtrage particulaire utilisant la mesure de puissance de la PEMFC. Les premiers résultats montrent que l'algorithme de pronostic est perturbé par la dégradation réversible existante. L’ambiguïté peut être levée en estimant la dégradation irréversible grâce à des tests de caractérisation, tels la spectroscopie d'impédance électrochimique (Electrochemical Impedance Spectroscopy ou EIS), appliquée de temps en temps. Nous proposons donc un algorithme de pronostic étendu et adapté, prenant en compte deux indicateurs : la dégradation de la puissance et le SOH estimé à partir de la caractérisation EIS. La performance de l'algorithme proposé est évaluée par différentes indicateurs de performance, et les résultats montrent l'intérêt de cette approche.Dans la troisième partie, les problèmes sont abordés d'un point de vue plus théorique. En effet, l’évolution de la dégradation d'un système est souvent corrélée à des covariables internes et externes qui sont généralement difficiles d'accès en raison des coûts de mesure élevés. Par conséquent, nous avons d'abord développé une approche comprenant des inspections en ligne de la covariable de dégradation à un autre niveau, puis nous avons proposé une approche d’estimation de la RUL basée sur un ensemble de modèles en utilisant différentes sources à différents niveaux. Les RULs prédites par les deux modèles sont agrégées dynamiquement sur la base des performances évaluées sur les données historiques. Par conséquent, la précision de la prédiction est améliorée car les inconvénients des deux modèles ont été surmontés en tirant parti de leurs avantages. Dans la dernière partie, le problème est étendu au pronostic multi-niveaux qui ouvre de nouveaux aspects pour la recherche future sur le pronostic et la gestion de la PEMFC
In the context of the energy transition, fuel cell becomes one of the promising alternative energy sources. Recently the spotlight is on fuel cell systems research, and more particularly on Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFCs) which is one of the best candidates for both stationary and transportation applications. Even if this technology is close to being competitive, it is not yet ready to be considered for a large scale industrial deployment because of its limited durability and reliability. Prognostics and Health Management (PHM) is a recent approach to manage and possibly extend life duration of technological systems. Prognostic techniques can provide an estimation of fuel cell State Of Health (SOH) and a prediction for their Remaining Useful Life (RUL) to help the manufacturers improving fuel cell performance and managing its lifespan.The objective of this work is to develop prognostic methodologies for the RUL prognosis adapted to the complexity of PEMFCs. Indeed, the PEMFC is a multi-scale and multi-physics system, and various challenges are faced:1. The definition of SOH to build a degradation indicator.2. The coexistence of both reversible and irreversible degradation phenomena.3. Taking into account different deterioration causes and effects of operating conditions.In the first part of our work, we conduct a state of the art analysis on PHM for PEMFCs, with the aim of proposing a SOH definition and building a degradation indicator for PEMFC prognosis purposes. And since PEMFC measurements are scarce, the state of the art on Lithium batteries, other electrochemical cells, is also explored.In the second part, we develop a particle filtering based prognostic algorithm for PEMFC, based on output power measurements. The first results show that the prognosis algorithm is disturbed by the existing reversible degradation. However, the irreversible degradation can be estimated thanks to characterization tests, such as Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), which is applied from time to time. We propose thus an adapted & extended prognostic algorithm to take into account both health indicators: the output power degradation and the SOH degradation estimated from EIS characterization. The performance of the proposed algorithm is evaluated by different prognostic performance metrics, and the results show the interest of this approach.In the third part, the problem is addressed from a more theoretical point of view. Indeed, a system's degradation behavior is often correlated with internal and external covariates which are usually difficult to access owing to expensive measurement cost. Therefore, we first developed a prognostic approach with online inspections on the degradation covariate at a different level, and then we propose an approach for RUL prognosis based on an ensemble of models using different sources at different levels. The RUL predictions of both models are dynamically aggregated on the basis of prognostic performance evaluated on a set of historical data. Consequently, the prediction accuracy is improved by overcoming both models' drawbacks and leveraging their strengths. In the last part, we extend the problem to multi-level prognostics and explore new possibilities, which open new aspects for future research on PEMFC lifetime prognosis and management

Dans le cadre de la problématique de l’Interaction entre la Pastille et la Gaine (IPG) d’un crayon combustible, il est nécessaire d’avoir une bonne description du comportement thermomécanique du combustible. Lorsque le combustible est soumis à de fortes variations de puissance (comme lors d’une situation de fonctionnement incidentel), une des principales sollicitations provient du phénomène de gonflement gazeux, phénomène induit par l’irradiation. En effet, le combustible est un milieu poreux contenant différents types de cavités et l’accumulation de produits de fission sous forme gazeuse dans toutes ces cavités entraîne un gonflement de la pastille. Or, ce gonflement gazeux va directement impacter le comportement mécanique de la pastille et particulièrement son comportement viscoplastique, comme le montrent des simulations thermomécaniques 3D de l’IPG. Afin d’améliorer la description de ce comportement, il a été nécessaire de développer un modèle micromécanique capable de coupler deux types de modélisation qui, jusqu’ à présent, traitaient de manière relativement autonome : – la physico-chimie simulant les transferts de gaz entre les difféerentes cavités ; – la mécanique estimant les déformations viscoplastiques du combustible. Ce travail de thèse consiste à mettre en relation ces deux disciplines à partir des caviés présentes dans le combustible : la mécanique calcule une évolution de la fraction volumique de cavités en tenant compte de leurs pressions et la physico-chimie tient compte de l’évolution de la fraction volumique des cavités pour calculer une pression interne cohérente. Afin de pouvoir décrire une microstructure beaucoup plus riche basée sur une double population de cavités à deux échelles différentes, un nouveau modèle micromécanique a été développé. Ce modèle utilisant une approche multi- échelles permet de décrire les évolutions de chacune des deux populations en tenant compte de leurs pressions internes ainsi que du comportement viscoplastique macroscopique du combustible. En se basant sur l’hypothèse de séparation d’échelles, le comportement du milieu contenant les petites cavités est traité à l’aide d’une méthode d’homogénéisation. A l’échelle des grosses cavités, le comportement macroscopique est déterminé à partir d’un composite linéaire de comparaison à N couches. Ce modèle est comparé à des simulations numériques par éléments finis et qualifié pour la description du comportement viscoplastique du combustible nucléaire. On décrit enfin comment coupler ce modèle micromécanique à des modèles de physico-chimie se différenciant par leurs complexités. Des premières investigations par des simulations en situation d’IPG illustrent l’intérêt d’un tel couplage
In the Pellet-Cladding Interaction (PCI) problems of a fuel rod, it is necessary to adopt a good description of the thermomecanical behaviour of the fuel. When the fuel is subject to fluctuations in power, one of the main strains is due to the phenomenon of gaseous swelling induced by irradiation. Indeed, fuel is a porous ceramic of U02 containing several types of cavities and the accumulation of fission products in gaseous form in these cavities causes swelling of the pellet. However, this gaseous swelling has an influence on the mechanical behaviour of the pellet and particularly the viscoplastic behaviour. To improve the description of this behavior, it was necessary to develop a micromechanical model capable of coupling two phenomena modelled independently : the transfer of gas between the various cavities and the estimation of mechanical viscoplastic strains of the fuel. This thesis is to link these two disciplines from the cavities present in the fuel: mechanics calculates changes in the volume fraction of cavities according to their pressure and physical reflects the evolution of the volume fraction of cavities to calculate an internally consistent pressure. In order to describe a microstructure much richer, a new micromechanics model was developed using a multi-scale to describe the viscoplastic behavior of nuclear fuel

Dans le contexte actuel, les ressources en énergie fossiles diminuent et deviennent de plus en plus couteuses, se pose aussi le problème de l’environnement. Dans ce cadre, les piles à combustible à oxydes solides (Solid Oxide Fuel Cell en anglais, SOFC) sont une source d’énergie propre et alternative très prometteuse. Utilisé de façon réversible, ce système peut également permettre le stockage de l’électricité produite de façon intermittente via l’électrolyse de l’eau. Néanmoins, plusieurs verrous technologiques restent encore à lever en matière de performances et de durabilité des matériaux actuellement utilisés, notamment pour ce qui concernent les matériaux d’électrode. Dans ce travail de thèse de doctorat, notre contribution a porté sur deux matériaux de cathode de SOFC, Ba2Co9O14 et Ca3Co4O9+δ, et des composés dérivés de La4Ti2O10 pouvant présenter un intérêt comme matériau d’anode. Nous nous sommes intéressés plus particulièrement à la compréhension des mécanismes physico-chimiques intervenant au sein de ces matériaux en faisant appel à la spectroscopie d’impédance. Pour les cobaltites, cette étude a permis de mettre en évidence les paramètres limitants les performances électrochimiques. Elle aidera à l’optimisation de futures cellules complètes plus performantes. Pour les phases dérivées de La4Ti2O10, une étude par diffusion des neutrons a permis de confirmer les mécanismes de diffusion de l’oxygène au sein de ces matériaux. Leurs conductivités et propriétés catalytiques restent néanmoins insuffisantes pour pouvoir espérer les utiliser comme matériau d’anode, au contraire d’autres titanates de lanthane de structure perovskite lamellaire
In the current context, fossil energy resources decrease and become more expensive, in addition to environmental concern. In this frame, solid oxide fuel cells (SOFC) are a promising green alternative energy source. Reversibly used, this system can also allow storage of electricity produced intermittently through the electrolysis of water. However, several bottlenecks still remain in terms of performances and stability of materials currently used to improve their lifetime and decrease their working temperature. In this doctoral thesis, our contribution focused on two cathode materials for SOFCs, Ba2Co9O14 and Ca3Co4O9+δ, and compounds derived from La4Ti2O10 which may be relevant as anode material. Our study mainly focused on the understanding of the physicochemical mechanisms involved in these materials by using impedance spectroscopy. For cobaltites, this study has led to the identification of the limiting parameters and will help the future optimization of complete stacks with better performances. For the La4Ti2O10 derived phases with the cuspidine structure, a neutron scattering study confirmed the oxygen diffusion mechanisms in these materials. However, their conductivity and catalytic properties remain insufficient to hope to use these compounds as SOFC’s anode, unlike other lanthanum titanates which display a layered perovskite structure

L'étude porte sur la gestion de la distribution instantanée de la puissance entre une pile à combustible et un élément de stockage afin d'assurer la puissance électrique nécessaire à la traction d'un véhicule électrique hybride. L'objectif visé est la minimisation de la consommation d'hydrogène sur un cycle donné. Le problème est formulé en tant que problème d'optimisation globale sous contraintes. Dans une première approche, le système est décrit sous forme d'une équation dynamique discrétisée et un algorithme de programmation dynamique est appliqué. Une seconde approche consiste à minimiser le hamiltonien après avoir approché le critère coût par une fonction polynomiale. Ces méthodes nécessitent la connaissance a priori du profil de puissance demandée et se classent parmi les méthodes d'optimisation hors ligne. Pour une gestion en ligne de l'énergie, nous avons appliqué un système de décision à base de règles floues. Les fonctions d'appartenance des entrées et sorties du système flou sont optimisés à l'aide d'un algorithme génétique. Afin d'appliquer les stratégies évoquées, un bilan énergétique du groupe électrogène formé de la pile et ses auxiliaires, de l'élément de stockage et des convertisseurs statiques est effectué.

L’objectif de cette thèse est l’optimisation énergétique d’un système de micro-cogénération et micro-tri-génération à pile à combustible. Dans un premier temps, une modélisation mathématique de tous les composants du système de cogénération à pile à combustible a été menée. L'influence de plusieurs paramètres tels que la pression et la densité de courant sur les performances de système micro-cogénération est examinée. La pertinence énergétique et environnementale du système proposé pour le contexte français est étudiée. Ensuite, une étude numérique d’un système de tri-génération composé d’une pile à combustible et d’une machine à absorption simple effet H2O/ Li-Br a été menée. L’unité de micro-tri génération est couplée à une maison unifamiliale et la performance énergétique du système est évaluée. Enfin, afin d’évaluer le potentiel de coupler le système de micro-tri-génération avec les énergies renouvelables, un système de production d’hydrogène avec les panneaux photovoltaïques «PV-H2» a été étudié. Une modélisation des différents composants du système «PV-H2» a été réalisée. Les résultats de simulation du couplage du système PV-H2 avec une maison individuelle de l’éco-quartier de la Glacerie sont présentés
The objective of this thesis is the energy optimization of the micro-cogeneration and micro-tri-generation fuel cell system. First, a mathematical modeling of all the components of the fuel cell cogeneration system was conducted. The influence of several parameters such as pressure and current density on micro-CHP system performance is examined. The energy and environmental relevance of the system for the French context is studied. Then, a numerical study of a tri-generation system consisting of a fuel cell and a single-acting H2O / Li-Br absorption machine was conducted. The micro-tri-generation unit is coupled to a single-family house and the energy performance of the system is evaluated. Finally, in order to evaluate the potential of coupling the tri-generation system with renewable energies, a hydrogen production system with photovoltaic panels «PV-H2» has been studied. A modeling of the various components of the "PV-H2" system has been carried out. The simulation results of the coupling of the «PV-H2» system with an individual house in the eco-district of La Glacerie are presented

Le comportement thermique et thermo-mécanique des pieux énergétiques est étudié par plusieurs approches : mesures au laboratoire sur des éprouvettes de sol, modélisation physique en modèle réduit, expérimentations sur pieu en vraie grandeur, et calculs numériques/analytiques. D’abord, la conductivité thermique d’un loess à l’état non saturé est mesurée en fonction de la teneur en eau et de la succion. Les résultats montrent une relation univoque entre la conductivité thermique et la teneur en eau pendant un cycle d’humidification/séchage alors qu’une boucle d’hystérésis est observée pour la relation entre la conductivité thermique et la succion. Deuxièmement, des essais thermiques sont réalisés sur un pieu énergétique expérimental en vraie grandeur pour étudier le transfert thermique à l’échelle réelle. Troisièmement, une solution analytique est proposée pour simuler la conduction thermique d’un pieu énergétique vers le sol environnant pendant un chauffage. Les tâches mentionnées ci-dessus concernant le comportant thermique sont ensuite complétées par des études sur le comportement thermo-mécanique des pieux énergétiques. D’un côté, des expérimentations sont réalisées sur un modèle réduit de pieu installé dans un sable sec ou dans une argile saturée. Trente cycles thermiques, représentant trente cycles annuels, sont appliqués au pieu sous différentes charges axiales en tête. Les résultats montrent un tassement irréversible avec les cycles thermiques ; ce tassement est plus important sous une charge axiale plus grande. De plus, le tassement est plus marqué pendant les premiers cycles thermiques et devient négligeable pour les cycles suivants. De l’autre côté, les travaux expérimentaux sur le modèle réduit de pieu sont complétés par les calculs numériques utilisant la méthode des éléments finis. Cette approche est d’abord validée avec les résultats obtenus sur le pieu modèle avant d’être utilisée pour prédire les résultats des expérimentations en vraie grandeur
The thermal and thermo-mechanical behavior of energy piles is investigated by various approaches: laboratory measurement on small soil samples, physical modeling on small-scale pile, experiments on real-scale pile, and analytical/numerical calculations. First, the thermal conductivity of unsaturated loess is measured simultaneously with moisture content and suction. The results show a unique relationship between thermal conductivity and moisture content during a wetting/drying cycle while a clear hysteresis loop can be observed on the relationship between thermal conductivity and suction. Second, thermal tests are performed on a full-scale experimental energy pile to observe heat transfer at the real scale. Third, an analytical solution is proposed to simulate conductive heat transfer from an energy pile to the surrounding soil during heating. The above-mentioned tasks related to the thermal behavior are then completed by studies on the thermo-mechanical behavior of energy piles. On one hand, experiments are performed on a small-scale pile installed either in dry sand or in saturated clay. Thirty thermal cycles, representing thirty annual cycles, are applied to the pile under various constant pile head loads. The results show irreversible pile head settlement with thermal cycles; the settlement is higher at higher pile head load. In addition, the irreversible thermal settlement is the most significant during the first cycles; it becomes negligible at high number of cycles. On the other hand, the experimental work with small-scale pile is completed with numerical calculations by using the finite element method. This approach is first validated with the results on small-scale pile prior to be used to predict the results of full-scale experiments

Les travaux de cette thèse portent sur l’investigation d’approches de commande et de supervision permettant d’aborder la problématique de gestion d’énergie des réseaux électriques multi-sources. l’objectif souhaité était de proposer une démarche de conception de lois de commande pour ce type de système en vue de réguler la tension de sortie et de gérer d’une manière optimale les flux d’énergie entre les différentes sources et les consommateurs et au vu de minimiser la consommation d’hydrogène.A cette fin, deux configurations ont été envisagées :l’application d’approches à base d’un modèle statique et des stratégies à base d’un modèle dynamique de la PàC. Dans un premier temps, trois approches de gestion énergétique ont été appliquées au système visant à minimiser la consommation de masse d’hydrogène tout en respectant les contraintes physiques du système.Tout d’abord, l’optimisation est réalisée en utilisant une méthode d’optimisation hors ligne appelée la programmation dynamique. Deuxièmement, deux approches d’optimisation en ligne sont utilisées : stratégies ECMS et MPC. Une comparaison en termes de consommation d’hydrogène et de temps de calcul est réalisée.Dans un deuxième temps, une approche décentralisée de commande a été envisagée afin de tenir compte du modèle dynamique de la PàC dans la conception du superviseur. L’avantage de cette architecture réside dans sa capacité a aborder séparément chacune des problématiques dans l’optique de répondre aux différents objectifs de commande. Dans ce cadre, la régulation du système PàC et de l’état de charge de l’ESS est réalisée séparément avec deux contrôleurs différents, tous deux conçus en utilisant l’approche (MPC-LTV). Les troisième et quatrième niveaux de la structure de contrôle décentralisée consistent en des boucles de locale des courants de la PàC et de SC et un contrôle de tension du bus continu, conçu à l’aide de contrôleurs PI. La validation de la structure de contrôle est réalisée en simulation en utilisant un modèle non linéaire du système PàC.A la fin, les approches de commande conçues à base du modèle statique de la PàC (DP, ECMS et MPC) seront appliquées sur le modèle dynamique de cette dernière afin d’évaluer les performances de ces approches et d’en déduire des conclusions sur l’apport de l’intégration de la dynamique de la PàC dans la synthèse des lois de commande
This thesis focuses on the investigation of control approaches to treat the issue of energy management of multi-source electrical networks. The considered electric motor supply system consists on a fuel cell as a main energy source and an additional element that supplies peak power and charges by regenerative braking. At first, three energy management strategies have been applied to the sypply system aiming to minimize the fuel cell hydrogen mass consumption while satisfying the system physical constraints. First, the optimization is realized using dynamic programming,an off-line optimization method that requires the knowledge of the entire power load profile. Secondly, twoon-line optimization approaches are used : ECMS and MPC strategies, for which only the current power demand is demanded.The second part of this thesis presents a decentralized control strategy applied to the power system. The dedicated control structure aims to assure an optimal operation of the FC system while respecting the compressor physical limits and to control the converter current sand network output voltage. To attain these objectives, a dynamic model of the FC system is used,in addition to the SSE and electric network dynamics. The FC system regulation and the control of the SSE state of energy are performed separately with two different controllers, both designed using (MPC-LTV) approach. The third and fourth levels of the decentralized control structure consists on inner control loops for fuel cell/supercapacitor currents and a DC bus voltage control loop, designed using PI controllers. The validation of the control structure is performed in simulation using a nonlinear models of the FC system and the SSE. To validate and compare the performance of different control methods based on a fuel cell static model, these approaches have been applied to the dynamic model of the FC and compared to the results obtained by applying the approched designed and based on an FC dynamic model. A comparison in terms of network efficiency and hydrogen consumption has been done

Les travaux présentés dans ce mémoire concernent l'étude du diagnostic de défauts simples et multiples pour des systèmes dynamiques continus et consistent à développer une stratégie de diagnostic globale pour la gestion des modes de fonctionnement en situations normale et anormale. Nous avons d'abord développé un nouveau formalisme graphique de modélisation des systèmes dynamiques émanant des BG et que nous avons appelé le BGS. Ce formalisme est très aisément interprétable grâce à un certain nombre de propriétés et de définitions que nous avons établies. L'élaboration d'un tel formalisme permet de faire appel aux propriétés structurelles et causales du BG et d'élargir leur champ d'étude pour inclure le raisonnement qualitatif. Nous avons ensuite proposé un modèle générique permettant d'intégrer les modèles Génériques de Composants (MGC) fonctionnels et les modèles BGS pour la gestion, par un automate fini, des modes de fonctionnement et des conditions de reconfiguration d'un système autonome. Enfin, nous avons proposé une méthode de diagnostic des défauts simples et multiples en utilisant une approche par abduction basée sur l'étude de la propagation de défauts sur le BGS à partir des observations. La méthodologie proposée est validée par deux systèmes de complexité différente et en l'occurrence une pile à combustible à membrane échangeuse de protons et un système électromécanique d'un véhicule électrique
The work presented in this paper deals with the diagnosis of single and multiple faults for continuous dynamic systems. It consists on developing a global diagnosis strategy for the operating modes management in both normal and abnormal situations. We first developed a new graphical formalism for dynamic system modelling. This formalism is emanating from the BG methodology and it is called Signed Bond Graph (SBG). This latter is easily understandable by a number of properties and definitions that we have established. The development of such formalism allows to use structural and causal properties of the BG and to expand its scope to include qualitative reasoning. Furthermore, we proposed a generic model for integrating functional Generic Component Models(GCM) and SBG models for the management of operating modes and reconfiguration conditions of an autonomous system using a finite automaton. Finally, we proposed a method for diagnosing both single and multiple faults using an abduction approach based on the faults propagation within the SBG by starting from a set of observations. The proposed methodology is validated by two different systems namely a proton exchange membrane fuel cell and an electromechanical system of an electric vehicle

Hydrogen as an energy carrier is a promising solution for reducing emissions of greenhouse gases. Indeed, hydrogen can be used to store large amounts of energy in a completely carbon-free way. To promote the widespread use of hydrogen energy, it is essential to reduce the cost of fuel cells and increase their durability and performance. The materials in the heart of fuel cells have a strong impact on their performance and durability. In this context, opti-mizing the materials is crucial. We develop in this thesis a modeling approach of porous materials in proton exchange membrane fuel cells. We focus on a specific material that takes part in the gas diffusion layers (GDL). The gas diffusion layers are crossed by gas, electron, heat and water fluxes. To allow such multiple transports, GDL are composed of a fluid phase and a solid phase, itself consisting of several materials. The microstructure of the GDL plays an essential role on the tradeoffs between transports. To model these tradeoffs, we use X-ray tomography to image the microstructure at micrometer scales, and develop digital tools to simulate the transport on tomographic images. We validate the simulations with experimental characterizations and tomographic images of GDL. Great care has been taken in the computer performance of the numerical tools, because tomographic images in three dimensions are a challenge because of the size of the data. The first chapter of this thesis is devoted to modeling of an ex-situ water injection experiment in a GDL. We develop a pore network model extracted from tomographic images, to simulate liquid water flows in GDL in the presence of ca-pillary forces. We validate pore networks simulations using tomographic images showing the liquid water in a GDL dur-ing a water injection experiment. We show that the capillary pressure curves can be determined reliably by pore net-work simulations or full morphology simulations on tomographic images. The second chapter is devoted to one-phase transport simulations in GDL. The first part of this chapter is devoted to the development of pore networks simulations for the diffusivity and the electrical conductivities of the GDL. We de-velop a two-scale simulation methodology, which consists of decomposing the image into elements having simple shapes, and to calibrate physical models on these elements. This method considers the effect of the microstructure on the physical transfers in an economical way, reducing the computing time. We compare the pore network simulations to direct simulation on microstructures and to analytical formulas. The second part is devoted to the comparison of transport simulations with experimental measurements. We show that the transports in the fluid phase can be deter-mined reliably by direct simulations on the tomographic images, while transports in the solid phase require additional information not provided by X-ray tomography. The third chapter is devoted to modeling of the condensation of water in the GDL. The steam produced by the reaction of the hydrogen with the oxygen passes through the GDL and condenses in the cold areas of the GDL. A pore network model coupling diffusion of steam, phase change and capillary forces is developed. We study this model on virtually generated pore networks. The last chapter is devoted to the study of virtually designed microstructures. Virtually exploring new materials designs has advantages over the experimental approach, in terms of speed, cost and control over the microstructures. We show that it is possible to virtually produce microstructures close to those of real materials, to seek optimal microstructures, and control the microstructure to better study some physical effects using simulation.

Ce travail, qui associe analyse d'image, modélisation morphologique et calculs par transformées de Fourier, s'inscrit dans la thématique classique de l'homogénéisation de milieux hétérogènes, et dans le cadre notoirement problématique de l'optimisation multifonctionnelle de matériaux multiphasiques. Les matériaux qui font l'objet de cette thèse, collecteur de courant et anode, sont des éléments critiques des piles à combustibles (PAC). Ce dispositif convertit une énergie chimique en électricité grâce à l'oxydation d'un combustible, et ne rejette que de l'eau. Les PAC développées dans le cadre du projet européen Evolve sont d'un type nouveau, combinant des architectures préexistantes. Leur performance est déterminée par la conductivité ionique et électronique d'une part, par la perméabilité et les surfaces d'échange entre phases solides et pores d'autre part. Dans le cas d'un contraste de propriétés infini entre les phases (pores et solide, milieux isolant et conducteur), les propriétés effectives dépendent fortement de la répartition spatiale (morphologie) des phases en présence. On s'intéresse, dans un premier temps, à la segmentation, à la description et à la modélisation 3D de couches de piles à combustible, à partir d'images 2D acquises en microscopie électronique à balayage. Les microstructures sont segmentées puis caractérisées par des descripteurs morphologiques. On développe des modèles de milieux aléatoires 3D multiphasiques représentatifs des milieux réels. Ceux-ci reposent sur des modèles Booléens et de Gaussiennes seuillées et sont paramétrés par des caractéristiques géométriques simples du matériau (fractions volumiques, covariances, échelles caractéristiques). Ils sont validés visuellement et quantitativement, à l'aide de données morphologiques. Dans un second temps, on s'intéresse à la prédiction des propriétés de transport, à l'aide d'outils numériques par transformées de Fourier. Un algorithme amélioré, qui s'affranchit de l'effet de Gibbs est proposé en conductivité et la méthode de Wiegman (2007) est utilisée en perméabilité. La perméabilité de milieux booléens idéaux est calculée puis comparée à divers estimateurs analytiques. La borne de Berryman-Milton, connue précédemment dans le cadre du milieu Booléen de sphères, est calculée analytiquement pour un milieu Booléen de cylindres à l'aide d'une formule exacte pour le covariogramme de cylindres. Les propriétés de conductivité ionique et électronique de l'anode, et sa perméabilité, sont ensuite prédites à l'aide des modèles de milieux aléatoires précédemment développés et validés. La perméabilité, particulièrement sensible à la morphologie, est calculée pour divers paramètres du modèle, dont les surfaces spécifiques entre phases solides et pores. Plusieurs matériaux virtuels aux propriétés améliorées sont proposés
This work, which combines image analysis, Fourier methods and morphological models, focuses on the prediction and optimization of the transport properties of fuel cell materials in the classical framework of the homogenization of random media. The materials under study are critical layers found in fuel cells.These devices produce clean electrical energy (and water) from chemical fuel oxidation.The materials studied here are novel types of fuel cells that combine several preexisting architectures. Their performance is determined by the ionic and electronic conductivity, on the one hand, and by permeability and specific surfaces exchange between the solid and porous phases. For materials with highly-contrasted properties (pores and solid, isolating and conducting media), the effective properties strongly depend on the spatial arrangement (morphology) of the various phases.Fuel cell layers are first described and modeled using 2D scanning electron microscopy images and image analysis.Microstructures are characterized by morphological descriptors and realistic random 3D media, based on Boolean and Gaussian fields, are developed to represent the materials. The latter are parametrized by simple geometrical characteristics including volume fractions and covariances.They are visually and quantitatively validated using morphological data.Second, the transport properties are predicted numerically using Fourier methods. In conductivity, a modified algorithm is proposed to suppress the Gibbs artifacts. For permeability, the scheme of Wiegman (2007) is used.The permeability of ideal Boolean models is computed and compared with various analytical estimates.The Berryman-Milton bound, previously known for the Boolean model of spheres, is computed for a Boolean model of flat cylinders, using an analytical expression for cylinder covariogramm. The ionic and electronic conductivity of anode layers, and their permeability are predicted using previously developed models. The permeability, which strongly depends on the morphology, is computed for various values of the models' parameters, including the specific surface area between solid and phases.Several virtual materials with improved properties are proposed

Dans les réacteurs nucléaires à eau sous-pression (REP), le combustible est constitué de pastilles d'oxyde d'uranium (UO2) empilées dans des tubes métalliques, l'ensemble constituant un crayon combustible. La simulation du comportement des crayons combustibles en situation nominale ou incidentelle nécessite d'avoir recours à une modélisation multi-échelle et multi-physique, les phénomènes modélisés étant regroupés en deux catégories : la thermo-mécanique et la physico-chimie relative au comportement des produits de fission gazeux. Ces dernières années l'évolution des modèles et des moyens de calcul a permis des développer les simulations thermo-mécaniques à l'échelle de la microstructure et d'accroitre les possibilités de couplage. C'est dans ce contexte d'amélioration et de raffinement de la modélisation que se situe ce sujet de thèse.

Ce travail concerne le développement d'une modélisation du comportement thermo-mécanique de l'UO2 à l'échelle du polycristal. Deux descriptions de l'agrégat sont envisagées : une approche à champ moyens (via une formulation auto-cohérente) et une approche par éléments finis, pour laquelle la géométrie du Volume Elémentaire Représentatif (VER) est décrite comme une mosaïque de Voronoï 3D-périodique.
Les mécanismes de viscoplasticité spécifiques au combustible UO2 sont modélisés à l'échelle du monocristal, en introduisant des caractéristiques de la microstructure (systèmes de glissement, densités de dislocation, décohésion aux joints de grains) dans la mise en équations du modèle.

Le comportement du VER est par la suite analysé à la fois en termes de réponse effective, qui est comparée aux données expérimentales disponibles et aux modèles mécaniques utilisés à l'échelle de la pastille, et en termes de phénomènes de localisation. En particulier, nous nous intéressons aux distributions de pression hydrostatique inter- et intragranulaire, qui pilotent le transport des produits de fission.
La robustesse des résultats obtenus en fonction du choix du maillage éléments finis est étudiée. Une série de calculs est présentée afin de trouver un compromis satisfaisant en termes de discrétisation pour une estimation correcte des contraintes locales.

Enfin, l'exploitation du modèle se déroule en deux temps. Une première étude propose de retrouver des mesures expérimentales de décohésion intergranulaire sur le combustible en introduisant des modèles de zones cohésives dans le VER.
Afin de quantifier l'effet de la microstructure sur le comportement mécanique de l'UO2 en irradiation, un chargement de type rampe de puissance similaire aux essais expérimentaux menés sur des crayons combustible est appliqué au polycristal. L'analyse des distributions locales de contraintes donne lieu à une discussion sur l'effet de l'incompatibilité de déformation entre grains voisins sur le comportement des produits de fission.

Les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons basse pression (E-PEMs) apparaissent comme une solution efficace et durable pour la production d’hydrogène. Cette technologie pourrait permettre de pallier l’intermittence des énergies renouvelables (notamment solaire et éolien) en convertissant l’énergie électrique produite en énergie chimique (hydrogène). Durant ces travaux de thèse, trois aspects ont été développés : une approche analytique, une approche numérique, ainsi que approche expérimentale. Ces trois approches ont permis de comprendre l’influence du mélange bi-phasique eau/oxygène à l’anode du système sur les performances électrochimiques des E-PEMS ainsi que déterminer les paramètres opérationnels et intrinsèques qui impactent les performances des E-PEMs. À propos de l'approche expérimentale, des mesures d'impédance électrochimique ainsi que des courbes de polarisation ont été réalisées sur deux différentes cellules d'électrolyseurs de type PEM basse pression (la cellule ITW power de l'Electrochimical innovation Lab (UCL) et la cellule réversible Q-URFC du Laboratoire d'Énergétique, d'Électronique et Procédés (LE2P). À propos de la modélisation numérique, Le modèle expérimentale conjugue une approche multi-échelle macroscopique 2D et mésoscopique 1D. Ce modèle prend en compte le transfert de matière, le transfert de chaleur, les réactions électrochimiques anodique et cathodique et le transfert de charges présents dans le cœur des E-PEMs. D’un point de vue mésoscopique, une attention particulière a été portée sur l’influence des régimes bi-phasiques anodiques (régime de bulles coalescées (BC régime) et régime de bulles non coalescées (NCB régime) sur le transfert de matière à l’anode et sur l’humidification de la membrane. Ces travaux démontrent et confirment l’hypothèse que la transition du NCB régime vers le CB régime augmente le transfert de matière anodique, diminue la résistance ohmique de la membrane et améliore l’efficacité des E-PEMs. À propos de la modèle analytique, l’étude analytique explore une approche adimensionnelle de l'assemblage membrane électrode (AME) en régime stationnaire et isotherme. À l’échelle locale, en 1D, les équations prises en compte sont la conservation du courant dans l’AME, les réactions électrochimiques au sein des couches actives et le transfert de matière à travers la membrane. La résolution a permis d’obtenir des expressions analytiques des surtensions aux électrodes, de la chute ohmique et de la teneur en eau dans la membrane. L’approche adimensionnelle a permis de quantifier analytiquement les sources d’irréversibilités (chute ohmique, surtensions d’activations anodique et cathodique, et de la surtension induite par le bouchonnement des canaux anodiques) respectivement pour les faibles densités de courant, les moyennes densités de courant et les hautes densités de courant. En outre, ce modèle analytique peut être implémenté dans une boucle de contrôle commande. Ces travaux de thèse proposent une contribution à la compréhension du fonctionnement des E-PEMs basse pression en général, et en particulier de l'impact des régimes bi-phasiques sur leurs performances électro-chimiques
Based on proton conduction of polymeric electrolyte membrane (PEM) technology, the water electrolysis (PEMWE) offers an interesting solution for efficiency hydrogen production. During the electrolysis process of water in PEMWE, the anodic side is the place where the water is splitting into oxygen, protons and electrons. The aim of this study is to recognize the link between two-phase flows (anode side) and cell performance under low pressure conditions. We have developed three approaches: the analytical approach and the numerical approach validated by the experimental data. For the numerical model, we have developed a two-dimensional stationary PEMWE model that takes into account electro-chemical reaction, mass transfer (bubbly flow), heat transfer and charges balance through the Membrane Electrodes Assembly (MEA). In order to take into account the changing electrical behavior, our model combines two scales of descriptions: at microscale within anodic active layer and MEA scale. The water management at both scales is strongly linked to the slug flow regime or the bubbly flow regime. Therefore, water content close to active surface areas depends on two-phase flow regimes. Our simulation results demonstrate that the transition from bubble to slug flow in the channel is associated with improvement in mass transport, a reduction of the ohmic resistance and an enhancement of the PEMWE efficiency. Regarding the analytical model, we have developed a one-dimensional stationary isothermal PEMWE model that takes into account electro-chemical reaction, mass transfer and charges balance through the Membrane Electrodes Assembly (MEA). The analytical approach permit to obtain mathematical solution of the activation overpotential, the ohmic losses and the bubbles overpotential respectively for the low current density, the middle current density and the high current density. This approach quantify the total overpotential of the cell, function of the operational and intrinsic numbers. In terms of perspective, the analytical model could be used for the diagnostic of the electrolyzer PEM