Étant une des nouvelles sources délivrant des énergies électrique et thermique décentralisées, les piles à combustible offrent une meilleure efficacité énergétique et des émissions réduites pour un développement durable. Ce mémoire est axé particulièrement sur l’étude des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM), et sur les phénomènes physico-chimiques dont elles sont le siège. Un modèle 2D dynamique a été développé et résolu numériquement par la méthode des éléments finis au moyen du logiciel COMSOL Multiphysics. Les caractéristiques statiques et dynamiques simulées sont confrontées aux mesures effectuées sur un banc de test équipé d’une monocellule de type PEM de 100cm2 du laboratoire GREEN. Des études paramétriques, telles que l’influence des conditions opératoires, différentes sollicitations en courant, ont été simulées et expérimentées. Le comportement dynamique de la monocellule à un échelon de courant, et plus particulièrement à un couplage direct sur une capacité, a souligné l’importance du phénomène de la double couche électrique aux interfaces membrane/électrode dans la description précise des transitoires rapides. Enfin, la spectroscopie d’impédance, très répandue comme outil de caractérisation de la pile, a été mise en œuvre en simulation, permettant ainsi l’analyse des effets de cette méthode de mesure sur les grandeurs locales du cœur de pile / Being a new source of supplying electrical and thermal decentralized energy, the fuel cells offer better energy efficiency and reduced emissions for sustainable development. This thesis deals with the physicochemical phenomena that occur in a single cell of fuel cell proton exchange membrane. A 2Ddynamic model was developed and solved numerically by the finite element method using thesoftware COMSOL Multiphysics. The simulated static and dynamic polarization curves are confronted with measurements made on a 100cm² single cell test bench that belongs to GREEN Laboratory. Aparametric study, such as the influence of operating conditions, different stress current has been simulated and tested. The single cell dynamic behavior to a current step and more particularly to adirect connection to capacitor has underlined the importance of the electrical double layer phenomenon, located at the membrane / electrode interfaces, to describe precisely fast transients.Finally, spectroscopy impedance as a tool widely used to characterize the cell has been implemented in simulation allowing the analysis of the effects of this measurement method on the local parameters

L’hydrogène comme vecteur énergétique est une solution prometteuse pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. En effet, l’hydrogène permet de stocker de grandes quantités d’énergie de façon totalement décarbonée. Pour favoriser l’utilisation à grande échelle de l’énergie hydrogène, il est essentiel de réduire le coût des piles à combustible et d‘augmenter leur durabilité et leurs performances. Les matériaux situés au coeur des piles à combustible ont un impact fort sur leurs performances et leur durabilité. Dans ce contexte, optimiser les matériaux est crucial. Nous développons dans cette thèse une démarche de modélisation des matériaux poreux des piles à combustible à membrane échangeuse de protons. Nous nous concentrons sur un matériau en particulier, celui intervenant dans les couches de diffusion des gaz (GDL). Les GDL ont de multiples fonctions, notamment de permettre en leur sein des transports simultanés de gaz, d’électrons, de chaleur et d’eau sous forme vapeur et liquide. Pour permettre ces transports, les GDL sont composées d’une phase fluide et d’une phase solide, elle-même constituée de plusieurs matériaux. La microstructure des GDL joue un rôle crucial sur les compromis entre les fonctions des GDL et l’efficacité des transports. Nous utilisons la tomographie aux rayons X pour imager la structure interne des GDL à l’échelle micrométrique, et développons des outils numériques pour simuler les transports sur les microstructures. Nous montrons que des simulations sur des images de grandes tailles sont réalisables en temps raisonnables. Nous validons les simulations de transports dans les GDL numériquement et expérimentalement. Le premier chapitre est consacré à la modélisation d’une expérience ex-situ d’injection d’eau dans les GDL. Nous développons un modèle réseau de pores extrait d’images tomographiques, pour simuler les écoulements d’eau dans les GDL en présence de forces capillaires. Nous validons les simulations réseaux de pores en utilisant des images tomographiques montrant l’eau liquide dans une GDL lors d’une expérience d’injection d’eau. Nous montrons que les courbes de pression capillaire peuvent être déterminées par simulations réseau de pores ou par simulations full morphology sur des images tomographiques. Le deuxième chapitre est consacré à la simulation des transports de gaz et d’électrons dans les GDL. Nous développons une méthode de simulation réseau de pores, consistant à décomposer l’image en régions de formes simples et à calibrer des modèles physiques sur ces régions. Cette approche à deux échelles est économe en temps de calcul. Nous comparons ces simulations à des simulations directes et à des formules analytiques. Une seconde partie concerne la comparaison des simulations directes à des mesures expérimentales. Nous montrons que les transports dans la phase fluide peuvent être déterminés avec fiabilité par simulation directe sur les images tomographiques, tandis que la simulation des transports dans la phase solide nécessite des informations non fournies par la tomographie aux rayons X. Le troisième chapitre est consacré à la modélisation de la condensation de l’eau dans les GDL. La vapeur d’eau produite par la réaction du dihydrogène avec le dioxygène traverse les GDL et condense dans les zones froides des GDL. Un modèle réseau de pores couplant diffusion de la vapeur d’eau, changement de phase et forces capillaires est développé. Nous étudions ce modèle sur des réseaux de pores générés virtuellement. Le dernier chapitre est consacré à l’étude de microstructures conçues virtuellement. Nous montrons qu’il est possible de produire virtuellement des microstructures proches de celles de matériaux réels, de chercher des microstructures optimales, et d’étudier des effets physiques par simulation sur matériaux virtuels. / 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 de thèse a été consacré à l'élaboration d'un nouveau type de membranes de nanofiltration efficaces avec des propriétés améliorées (flux élevé et rétention élevée, et de bonnes propriétés mécaniques) en déposant un revêtement assemblé couche-par-couche (LbL) sur des supports poreux. Après avoir systématiquement étudié le mécanisme de croissance des films assemblés couche par couche des polyélectrolytes choisis et la relation entre les structures de ces films et les performances des membranes résultant, nous avons identifié avec succès les meilleures structures multicouches pour la construction de membranes de nanofiltration de référence avec des performances optimales. En outre, en prenant avantage de la technique LbL, nous avons introduit une couche de diffusion latérale assemblée soit de nanofibrilles de cellulose ou de nanotubes de carbone, qui permet d’augmenter le flux de 30% tout en conservant la même rétention par rapport à la membrane de référence. En plus, les films assemblés à base de chitosan et nanofibrils de cellulose ont montré une forte résistance à la traction allant jusqu’à 450 MPa et un module d’Young jusqu’à 50 GPa. / This thesis work was devoted to the development of a novel and efficient nanofiltration membrane with improved properties (high flux and high retention, good mechanical strength) by coating Layer-by-Layer (LbL) assembled films onto porous membrane support. After having systematically studied the growth mechanism of LbL-assembled films of chosen polyelectrolytes and the relationship between the structures of these films and the membrane performance of the resulting NF membranes, we successfully identified the best multilayer structures for constructing nanofiltration membranes (NF) of reference with optimal membrane performance. Furthermore, taking advantages of the LbL-assembly, we successfully introduced LbL-assembled lateral diffusion layer that is made of either cellulose nanofibrils or carbon nanotubes, which in turn led to membranes with 30% higher flux. In addition, the LbL-assembled films of chitosan and cellulose nanofibrils showed surprisingly strong tensile strength of up to 450 MPa and a high Young modulus of up to 50 GPa.