La production d’hydrogène par électrolyse de l’eau PEM prendra une place importante dans le paysage énergétique pour le stockage des EnR. Le changement d’échelle nécessaire ne peut s’envisager que par une augmentation significative de la puissance nominale, passant essentiellement par l’accroissement de leur taille et de la densité de courant. Dans ces conditions, un fonctionnement optimal et une durée de vie suffisante ne pourront être obtenus que par l’homogénéisation de la répartition du courant à la surface des électrodes. Au cours de cette thèse, nous avons utilisé pour la première fois un outil de cartographie des distributions de courant et de température à la surface d’AME grande surface, issus d’un design industriel. Une carte de mesure S++® conçue sur mesure et adaptée à l’utilisation envisagée a été intégrée à une monocellule PEM de 250cm². Une caractérisation électro-mécanique de la cellule a mis en évidence le lien existant entre le champ de forces de compression mécanique et de la densité de courant. Nous montrons qu’une compression mécanique optimale n’est pas suffisante pour homogénéiser la distribution de courant : le design de cellule, et plus particulièrement la distribution des fluides, joue un rôle majeur dans l’inhomogénéité de la distribution de courant, récurrente entre le centre et la périphérie de la cellule. Nous soulignons la concentration des lignes de courant vers le centre de l’AME lors de tests dynamiques, conséquence d’un vieillissement spatialement différencié. Nous avons également développé une structure d’électrode permettant de ré-homogénéiser globalement la distribution de courant, ce qui permet un meilleur maintien des performances dans le temps. Nous avons également développé un modèle numérique de la couche catalytique permettant de mieux comprendre la répartition des lignes de courant en fonction des caractéristiques géométriques des collecteurs poreux. Nous mettons en lumière le rôle majeur des surtensions dans le pouvoir répartiteur de la couche active, qui est particulièrement faible côté cathodique. Nous préconisons de densifier la couche catalytique pour une meilleure répartition du courant et pour limiter les différenciations locales de vieillissement. L’ensemble des observations en mono cellule a été confirmé par des essais sur un stack commercial. / Hydrogen production from PEM water electrolysis will take a great place in the energy landscape for RES storage. This scale shift requires a significant increase of the nominal power, and therefore an increase in size and a gain in the current density. Optimal operation (in terms of efficiency and lifetime) can be obtained only if the distribution of current lines over the electrode surface is adequately homogeneous. In this thesis, we have used for the first time a specific tool for the in-situ mapping of current and temperature in a large surface area PEM single cell. A customized S++® measuring plate, adapted to our application, has been implemented in a 250cm² PEM single cell. Electromechanical characterization of the cell has put into evidence the link between the field of clamping force and the local current density. We have shown that an optimal mechanical compression is not sufficient to homogenize current distribution. We have demonstrated that the cell design, in particular the fluid distribution, plays a major role in current distribution inhomogeneities, which recurrently form between the center and the periphery of the cell. We have also shown that during dynamic operation, current lines tend to concentrate at the center of the cell as a consequence of spatially differentiated ageing. We have developed an electrode structure that facilitates the global re-homogenization of current lines and additionally shows an increased durability. In parallel, we have developed a numerical model to calculate the distribution of current lines within the thickness of catalytic layers as a function of the geometry of the PTL. We have found that overvoltages play a major role in current distribution, and that the cathode is prone to more heterogeneities. We propose to densify the catalyst layers for a better current repartition and a lesser differentiated ageing. Key findings from single cell tests have been confirmed on a commercial stack.

Les procédés électrochimiques présentent beaucoup d’avantages dans le domaine du traitement et de la récupération de matière d’effluents industriels. Cependant, dans le cas de solutions diluées en ions métalliques, les électrodes classiques sont fortement limitées par leur efficacité ainsi que par leur taille. Dès lors, les électrodes poreuses, de par leur surface spécifique importante et de par leur structure particulière qui améliore le transport de matière et donc l’efficacité de l’électrode, représentent une alternative très intéressante aux électrodes classiques. Parmi les électrodes poreuses, celles constituées de fibres métalliques semblent les plus prometteuses. L’objectif de ce travail est de donner les relations utiles pour dimensionner une cellule contenant ce type d’électrodes en vue du traitement d’effluents industriels contenant des ions métalliques. Les électrodes étudiées ont été caractérisées par différentes techniques : microscopie électronique, méthode électrochimique, mesure de la perte de charge, conductimétrie, porosimétrie,… Cette caractérisation a permis de connaître la porosité, les surfaces spécifiques (géométrique, dynamique et électrochimique) et la tortuosité des électrodes. Ensuite, le coefficient de transport de matière moyen a été étudié par une nouvelle méthode basée sur la mesure d’un rendement électrochimique. Cette méthode présente l’avantage de pouvoir travailler avec des vitesses de circulation de l’électrolyte compatibles avec celles utilisées industriellement. Pour cela, une cellule d’électrolyse à circulation forcée a été mise au point. Afin de comprendre comment la géométrie d’une électrode poreuse de ce type influence le transport de matière local et la densité de courant et donc l’efficacité de l’électrode, le transport de matière et la densité de courant locale ont été modélisés autour d’un cylindre (représentatif d’une fibre) et validés par des mesures expérimentales. La modélisation s’est ensuite étendue à un réseau de fibres cylindriques représentatif des électrodes poreuses étudiées. Cette modélisation a permis d’obtenir une relation générale liant les nombres de Sherwood, de Reynolds et de Schmidt à des nombres sans dimension caractérisant la géométrie du réseau de fibres. Cette relation donne des résultats concordants avec ceux obtenus expérimentalement pour les électrodes poreuses étudiées. Le volume utile d’une électrode poreuse dépend fortement des conditions expérimentales (concentration de l’électrolyte, vitesse de circulation, intensité du courant appliquée,…) et de la structure de l’électrode (porosité, surface spécifique,…). Ces paramètres influencent la distribution du potentiel et de la densité de courant dans l’électrode. Différents modèles de distribution sont comparés et appliqués aux électrodes poreuses étudiées. Cette distribution de courant influence le colmatage progressif de l’électrode poreuse en cours d’électrolyse. Il s’avère que l’électrode en contrôle diffusionnel (avec un rendement électrochimique faible) optimise la distribution du courant dans l’électrode et, de ce fait, ralenti son colmatage. De plus, travailler avec une solution diluée et une vitesse de circulation de l’électrolyte importante améliore la distribution du courant. Il en est de même si l’électrode poreuse présente une grande porosité et une faible surface spécifique. Ce travail aura donc permis de proposer des relations indispensables pour le dimensionnement d’une cellule à électrodes poreuses (constituées de fibres métalliques) ainsi que les conditions opératoires idéales dans le cas du traitement d’effluents industriels contenant des ions métalliques./ Electrochemical techniques offer many advantages for the prevention of pollution problems in the industrial processes. However, flat electrodes are not ideal to treat dilute solutions containing metallic ions. With their high specific surface and open structure, which enhance mass transfer, porous electrodes are a good alternative for the treatment this kind of effluent. Fibre materials are particularly well suited as material for the production of porous electrodes. The aim of this thesis is to study an electrochemical cell with a porous electrode in order to treat dilute metallic ions solutions and to provide dimensionless equations suited to scale-up the electrode for industrial application. The porous electrodes, used in this thesis, are made of a stainless steel fibre network. The main properties and characteristics of these electrodes are studied by means of several techniques : electron microscopy, electrochemical methods (voltammetry, limiting current density measurerment), conductivity measurement, porosimetry, pressure drop measurement,… The obtained parameters are : porosity, specific surfaces (geometric, dynamic and electrochemical), fibres' diameter, tortuosity and the geometric disposition of the fibres in the electrodes. Mass transfer inside the porous electrodes is studied experimentally by a new developed method, linked to the measurement of the faradic yield as a function of different electrolysis parameters. For these measurements, an experimental electrolysis cell with high electrolyte flow rate has been designed and builds. To understand how the geometry of the porous electrode influences the local and mean mass transfer coefficients and current densities, numerical studies and simulations have been performed. The first type of simulation deals with a single wire (representative of a fibre from the porous electrode). The second type of simulation deals with the integration of individual fibres in a fibre network. A correlation between dimensionless numbers such as Sherwood's, Reynolds' and Schmidt's numbers together with numbers characteristic of the electrode’s geometry has been established for Reynolds’s numbers ranging from 0,02 to 1,4. A good agreement between simulation and experimental measurements of mass transfer is observed. The real effective electrochemical volume of the porous electrode depends on experimental conditions (current, concentration, flow velocity…) and electrode’s geometry (porosity, specific surface,…). These parameters influence the potential and current distribution inside the porous electrode. Several models of current distribution are applied to these electrodes and the theoretical simulations are compared with experimental measures. As a result of these simulations, an electrode under diffusion control with a small faradic yield appears to be the best choice in order to homogenise the current density inside the porous electrodes. Dilute solutions, high flow velocity and electrodes with high porosity improve also the current density penetration inside the electrode. These observations are confirmed by an electrode’s plugging study. In conclusion, this thesis provides mathematical relationships to scale-up a cell with porous electrodes of metallic fibre, and provides guidelines to treat, in an efficient manner industrial effluents containing metallic ions.

Le procédé de refusion sous laitier électroconducteur (ESR =Electro Slag Remelting) permet de produire des alliages à haute valeur ajoutée utilisés pour des applications critiques. Les mesures in-situ sur les fours industriels étant coûteuses, la simulation numérique est essentielle à la maitrise et à la compréhension de ce procédé complexe. L’Institut Jean Lamour a développé depuis plusieurs années un modèle 2D axisymétrique qui permet de simuler la refusion d’une électrode consommable au sein d’une lingotière considérée comme totalement isolée électriquement du reste du système. Sont alors décrit en régime transitoire les transferts couplés de chaleur et de quantité de mouvement, ainsi que le passage du courant électrique dans le laitier et le lingot lors de la croissance et de la solidification de ce dernier. Les connaissances acquises au cours des dernières années sur le procédé ESR remettent en cause l’hypothèse d’isolation électrique du moule au cours de la refusion. L’objet de cette thèse est d’intégrer et d’étudier la possibilité de passage de courant entre le laitier et la lingotière au cours de la refusion. Un premier modèle a été développé. Il consiste en un calcul électromagnétique complet dans l'ensemble du système pour une géométrie simplifiée. Il a permis de simplifier la mise au point du modèle global, tout en fournissant de premiers résultats. Par la suite, un modèle totalement couplé a été finalisé puis les modifications du code ont fait l’objet de validations avec des mesures expérimentales. Des études de sensibilité ont été menées pour tester l’influence des propriétés du laitier et des paramètres opératoires sur la qualité du lingot final. / The ElectroSlag Remelting process (ESR) is widely used to produce high added value alloys for critical applications (aerospace industry, nuclear plants, etc.). Trial-and-error based approaches being expensive, numerical simulation is fundamental to improve the knowledge and the understanding of this complex process. The Institut Jean Lamour has been developing for several years a numerical code to simulate the melting of a consumable electrode, supposedly perfectly cylindrical, within a mold assumed to be perfectly electrically insulated from the electrode-slag-ingot system. Based on these assumptions, the 2-D axisymmetrical transient-state numerical model accounts for electromagnetic phenomena and coupled heat and momentum transfers, to simulate the continuous growth of the electroslag remelted ingot and the solidification of the metal and slag. Recent studies on the ESR process are challenging the insulated mold hypothesis. Therefore, the main objective of the thesis is to acknowledge and study the existence of a mold current during an ESR remelting. A first model has been set-up, aimed to simulate the electromagnetic phenomena in the whole system for a simplified geometry. The possibility of the existence of such a mold current was confirmed. Based on this work, a fully-coupled model has then been developed and the results have been compared with experimental data to check the validity of the modifications. The influence of slag properties and operating parameters on the final quality of the ingot has been tested.

Cette thèse a été dirigée par le Professeur Kauffmann de l’Université de Franche-Comté. Le co-directeur de l’Ecole Royale Militaire était le Docteur Johan Gallant et les essais à l’Institut franco-allemande de recherches de Saint-Louis (ISL) étaient encadrés par le Docteur Markus Schneider.Un lanceur à rails conventionnel est composé de deux rails conducteur connecté par un projectile. L’interaction entre le champ magnétique induit par le courant dans les rails et le courant dans le projectile résulte en une force électromagnétique accélérant. Dans cette thèse on utilise un projectile avec deux ponts de courant. Pour un lanceur à rails conventionnel la méthode la plus efficace pour augmenter la force sur le projectile est d’augmenter le courant dans les rails. Mais la densité de courant est limitée. L’échauffement des contacts entre les rails et les ponts de courant par l’effet Joule et la force de frottement, peut résulter dans la transformation d’un contact solide dans un contact plasma, ce qui est à éviter. Une possibilité d’adresser ce problème est d’ajouter des ponts de courant pour améliorer la distribution de courant. Une autre possibilité est d’appliquer un champ magnétique extérieur généré par un circuit extérieur qui nous permet d’augmenter la force électromagnétique sans augmenter le courant dans le circuit intérieur. Dans cette thèse l’objectif est d’étudier la distribution de courant et de température dans un projectile à deux ponts de courant pour un lanceur augmenté. Comme les deux ponts de courants et les rails du circuit intérieur forment un circuit fermé, le champ augmenté va induire un courant de circulation qui influence la distribution de courant entre les brosses. Le premier modèle de simulation est un modèle global du lanceur en PSpice qui nous permet de déterminer les courants globaux, la force électromagnétique, la position et la vitesse du projectile et la température moyenne des brosses. Le modèle global prend en compte l’effet de peau dû à la vitesse et est validé par des résultats expérimentaux. Le deuxième modèle est un modèle local en ANSYS, un code à éléments finis, pour un projectile fixe. Ce modèle permet une étude locale de la distribution de courant et de température. Un modèle pour la zone de contact entre les rails et la brosse est introduit. Le modèle local est utilisé pour calculer les coefficients de l’équation de force dans le modèle global. Les résultats des deux modèles de simulation sont cohérents.Le lanceur LARA, utilisé pour les essais, a une longueur de 1.5 m et un calibre de 15 mm. On disposait de trois bancs de condensateurs pour l’alimentation du lanceur en configuration non-augmenté et augmenté. Les vitesses à la bouche obtenues varient entre 48 et 214 m/s. Pour la détermination de la distribution de courant nous avons utilisé une méthode proposée par [SCH05a]. Cette méthode est une combinaison d’une mesure de tension entre deux pins dans les rails et dans une boucle. Nous avons constaté que les signaux obtenus avec cette méthode, appliquée dans ce régime de vitesse, sont perturbés par les courants de Foucault induits avant le projectile et les résultats ne répondent pas à nos attentes. Une méthode analytique basée sur la mesure de tension dans la boucle a été développée. Les résultats expérimentaux sont comparés avec les simulations. Nous avons constaté une bonne correspondance entre les valeurs des courants maximaux dans les rails calculés avec PSpice et les valeurs expérimentales, mais le courant calculé avec PSpice est plus faible dans la phase décroissante du courant. Les erreurs sur la vitesse sont inférieures à 10 %. Les deux modèles de simulation et les essais montrent que la brosse avant porte la plus grande partie du courant. La dernière partie de cette thèse est une étude paramétrique avec ANSYS pour l’avant-projet du circuit intérieur d’un lanceur à rail existant. / This thesis was supervised by Professor Jean-Marie Kauffmann of the University of Franche-Comté. The co-director at the Royal Military Academy was Dr. Johan Gallant and the experiments at Franch-German Research Institute ISL were directed by Dr. Markus Schneider. A conventional electromagnetic railgun is composed of two conducting rails connected by a projectile. The magnetic field generated by the current in the rails interacts in the projectile resulting in an electromagnetic force accelerating the projectile. The projectile used in this thesis is two brush projectile. For a conventional railgun the most efficient way to increase the force on the projectile is to increase the current in the rails. But the current density is limited. The heating of the sliding contacts between the brushes and the rails due to the Joule losses and the friction can cause the contacts and can result in contact transition which we want to avoid. One way to reduce the heating is to add more current brushes to obtain a better current distribution between the brushes. Another way is to add an extra pair of rails and create an additional magnetic field. This augmenting field allows us to increase the electromagnetic force without increasing the current through the projectile. In this thesis the current and heat distribution in a two brush projectile in a parallel augmented railgun is studied through simulations and experiments. Because the current brushes and the inner rails form a closed loop, the augmenting field will induce a loop current and influence the current distribution between the brushes. The first simulation model is a global model of the railgun in PSice which allows us to predict the global currents as well as the average temperature in the brushes, the force on the projectile and the position and the velocity of the projectile. The model takes into account the velocity skin effect and was validated based on experiments. The second model is a finite element model in ANSYS for a fixed projectile. This model allows a local study of the current and temperature distribution in the projectile. A model for the contact between the rails and the projectile is introduced. The local model is used to calculate the time-dependent coefficients for the force equation used in the global model. Both simulation models are compared and a good correspondence is found. The LARA railgun of ISL with a length of 1.5 m and a square caliber of 15 mm has been used for the experiments. A maximum of three capacitor banks was used for the non-augmented and the augmented configuration. The muzzle velocities obtained in the experiments vary between 48 and 214 m/s. To determine the current distribution between the brushes a technique proposed by [SCH05a] has been used. It is based on the measurement of the voltage between two pins in the rails in combination with the voltage in a loop. When applied to this velocity range, the eddy currents in front of the projectile hamper the interpretation of the signals and the results are not what we expected. An analytical method for the determination of the current distribution based on the voltage in the loop was introduced. The results are then compared with the results of the simulations. The maximum current in the rails found with PSpice shows a good correspondence with the experiments, the calculated decrease of the current is slightly overestimated. The errors on the velocities are less than 10%. Both simulation models and experiments show that the brush towards the breech carries the greater part of the current for the non-augmented as well as the augmented railgun. In the last part a parametric study is carried out with ANSYS for the preliminary design of an augmenting circuit for an existing railgun.

Cette thèse a été dirigée par le Professeur Kauffmann de l'Université de Franche-Comté. Le co-directeur de l'Ecole Royale Militaire était le Docteur Johan Gallant et les essais à l'Institut franco-allemande de recherches de Saint-Louis (ISL) étaient encadrés par le Docteur Markus Schneider.Un lanceur à rails conventionnel est composé de deux rails conducteur connecté par un projectile. L'interaction entre le champ magnétique induit par le courant dans les rails et le courant dans le projectile résulte en une force électromagnétique accélérant. Dans cette thèse on utilise un projectile avec deux ponts de courant. Pour un lanceur à rails conventionnel la méthode la plus efficace pour augmenter la force sur le projectile est d'augmenter le courant dans les rails. Mais la densité de courant est limitée. L'échauffement des contacts entre les rails et les ponts de courant par l'effet Joule et la force de frottement, peut résulter dans la transformation d'un contact solide dans un contact plasma, ce qui est à éviter. Une possibilité d'adresser ce problème est d'ajouter des ponts de courant pour améliorer la distribution de courant. Une autre possibilité est d'appliquer un champ magnétique extérieur généré par un circuit extérieur qui nous permet d'augmenter la force électromagnétique sans augmenter le courant dans le circuit intérieur. Dans cette thèse l'objectif est d'étudier la distribution de courant et de température dans un projectile à deux ponts de courant pour un lanceur augmenté. Comme les deux ponts de courants et les rails du circuit intérieur forment un circuit fermé, le champ augmenté va induire un courant de circulation qui influence la distribution de courant entre les brosses. Le premier modèle de simulation est un modèle global du lanceur en PSpice qui nous permet de déterminer les courants globaux, la force électromagnétique, la position et la vitesse du projectile et la température moyenne des brosses. Le modèle global prend en compte l'effet de peau dû à la vitesse et est validé par des résultats expérimentaux. Le deuxième modèle est un modèle local en ANSYS, un code à éléments finis, pour un projectile fixe. Ce modèle permet une étude locale de la distribution de courant et de température. Un modèle pour la zone de contact entre les rails et la brosse est introduit. Le modèle local est utilisé pour calculer les coefficients de l'équation de force dans le modèle global. Les résultats des deux modèles de simulation sont cohérents.Le lanceur LARA, utilisé pour les essais, a une longueur de 1.5 m et un calibre de 15 mm. On disposait de trois bancs de condensateurs pour l'alimentation du lanceur en configuration non-augmenté et augmenté. Les vitesses à la bouche obtenues varient entre 48 et 214 m/s. Pour la détermination de la distribution de courant nous avons utilisé une méthode proposée par [SCH05a]. Cette méthode est une combinaison d'une mesure de tension entre deux pins dans les rails et dans une boucle. Nous avons constaté que les signaux obtenus avec cette méthode, appliquée dans ce régime de vitesse, sont perturbés par les courants de Foucault induits avant le projectile et les résultats ne répondent pas à nos attentes. Une méthode analytique basée sur la mesure de tension dans la boucle a été développée. Les résultats expérimentaux sont comparés avec les simulations. Nous avons constaté une bonne correspondance entre les valeurs des courants maximaux dans les rails calculés avec PSpice et les valeurs expérimentales, mais le courant calculé avec PSpice est plus faible dans la phase décroissante du courant. Les erreurs sur la vitesse sont inférieures à 10 %. Les deux modèles de simulation et les essais montrent que la brosse avant porte la plus grande partie du courant. La dernière partie de cette thèse est une étude paramétrique avec ANSYS pour l'avant-projet du circuit intérieur d'un lanceur à rail existant.

Les travaux présentés dans cette thèse se focalisent sur l'étude de l'effet de dégradations des composants de puissance, plus particulièrement au niveau de l'environnement proche des puces (métallisations, connexions, brasures puces/DCB), sur le comportement électrique et thermique des puces ainsi que de leur assemblage. Pour ce faire nous avons cherché à étudier la répartition des courants et des températures à la surface de la puce à l'aide d'un modèle électrothermique 2D distribué. Nous avons aussi évalué l'effet de la dégradation des brasures dans le volume de l'assemblage, à l'aide cette fois d'un modèle thermique relié à la constitution de l'assemblage. La première partie de cette thèse consiste à mettre en place un modèle électrothermique distribué de puce MOSFET, qui tient compte à la fois du caractère distribué de la dissipation de la puissance et du couplage électrothermique en régime transitoire. Ce modèle électrothermique s'appuie sur un modèle électrique aux variables d'états et un modèle thermique par éléments finis couplé au modèle électrique. Les modèles électriques et thermiques ont été développés respectivement sous Matlab et sous CAST3M, et le couplage des deux modèles a été fait sous Simulink. Dans une deuxième partie, pour la validation des résultats des températures et pour l'analyse de l'effet du vieillissement et des dégradations (sur la distribution et la dynamique de température de la surface supérieure de la puce), une méthodologie de mesure rapide de température et un banc expérimental pour thermographie infrarouge ont été mis en place. Les difficultés rencontrées lors des mesures thermiques IR sous variation rapide de la température nous ont poussé à envisager d'autres méthodes d'analyse thermique. Enfin, nous avons cherché à évaluer la réponse impulsionnelle du composant testé en estimant, par des simulations thermiques, la fonction de transfert dans le domaine fréquentiel à l'aide du logiciel COMSOL Multiphysics. Nous avons également étudié la pertinence de modèles RC équivalents (réseau RC de Cauer). Ces modèles ont ensuite été utilisés pour rendre compte de différents modes de dégradation notamment cette fois au niveau des couches de brasures entre puce et DCB et entre DCB et semelle. Mots clef : Modules de puissance à semi-conducteur, Vieillissement, Métallisation, Modélisation électrothermique, Court-circuit, Distribution de courant et de température, Problème inverse, Caméra IR, Réseaux de Cauer.

Avec l'apparition des systèmes PV en toiture et des véhicules électriques, le nouveau contexte énergétique au sein du bâtiment pose, sous un nouvel angle, la question de la distribution en courant continu au sein des bâtiments. Mais comment évaluer objectivement l'intérêt d'un réseau DC ? Dans un contexte où l'énergie et les impacts environnementaux prennent chaque jour plus d'importance, la quantification des performances d'un tel système selon sa seule phase d'usage ne répond pas complètement à la question son impact global. C'est pourquoi nous proposons d'aborder la question via l'éco-dimensionnement des composants constituant ce système. Pour simplifier un problème fondamentalement complexe (multi-critères), nous avons choisi d'effectuer ces dimensionnements sur la base de la minimisation de leur consommation d'énergie primaire sur l'ensemble de leur cycle de vie (pertes + énergie grise = Gross Energy Requirement GER). L'un des objectifs étant d'apporter à la fois une méthodologie mais aussi les premiers éléments qui permettront de déterminer un optimum du niveau de tension d'une distribution en courant continu dans les bâtiments.

La modélisation mathématique des systèmes électrochimiques, et en général la modélisa- tion des systèmes fluidiques réactifs en présence de champs électriques, est un problème d’une complexité telle que des solutions analytiques n’existent que dans des cas très simpli- fiés et la solution numérique est, malgré toute la puissance de calcul moderne, encore très difficile. À ce jour, les avancées dans la modélisation au niveau des modèles d’écoulement sont majeures, mais la modélisation couplée de l’écoulement, avec le champ électrique en présence de solutions concentrées demeure encore un défi de taille. Le couplage des diffé- rents champs décrits par les modèles mathématiques devient critique dans les régions où ont lieu les réactions hétérogènes aux interfaces chargées modélisées par l’équation non linéaire de Butler-Volmer. Les logiciels commerciaux modernes commencent à permettre de coupler les modules d’électrochimie avec la mécanique des fluides numérique (CFD), mais l’ impossibilité d’ac- céder au code source ne permet pas au chercheur de modifier à volonté la formulation des modèles. Par conséquent, le projet de recherche actuel vise le développement d’une plate-forme logicielle ouverte (open-source) comme OpenFOAM, qui peut garantir une complète accessibilité au code-source, la liberté des utilisateurs à faire des modifications, la transparence des détails des modèles, et tous les autres développements qui sont requis pour chaque problème rencontré par les chercheurs. Le développement de modèles reposant sur des lois physiques établies permettra la modéli- sation des systèmes électrochimiques complexes, et la compréhension des phénomènes qui s’y déroulent. Il vise la modélisation du transfert de masse d’une cellule où l’écoulement de la solution concentrée (molten salt) est turbulent, biphasique et incompressible, et les réactions électrochimiques de surface sont calculées en utilisant une distribution tertiaire de densité de courant. Le principal enjeu sur le plan scientifique, dans le cadre de ce projet, demeure donc de développer un modèle qui soit bien calé sur le problème technologique visé afin qu’il puisse reproduire de façon réaliste les systèmes électrochimiques. Il vise éga- lement à amener la modélisation à un point où l’outil pourra être utilisé comme instrument de prédiction et de validation de nouveaux concepts des systèmes électrochimiques. / Abstract: The modeling of electrochemical systems, and in general the modeling of reacting flows ex- posed to electric field, is a complex problem to the point that analytic solutions exist only for simplified cases despite the increasing computer power. The state of art shows major improvements in the fluid-dynamics of electrochemical reactors; but the full coupling of the flow with the electric field in presence of concentrated electrolytic solutions still needs to be properly investigated. The coupling gets even more critical along the charged in- terfaces where heterogeneous reactions are modeled through the non-linear Butler-Volmer equation. Commercial software are slowly try to connect electrochemical modules to the well val- idated CFDs, but most of the time costly licenses, and poor accessibility to the source code, do not allow a deep integration between the two. Instead, this research study pro- poses an open-source code implemented in OpenFOAM, that guarantees full accessibility to the source code, user’s modifications, full transparency of the model’s details, and any possible further developments required by the specificity of the problem. The final code implements the mass transfer of a cell where the concentrated solution (molten salt) is a two-phase turbulent incompressible flow and the electrochemical surface reactions consider tertiary current distributions. The aim of this work is to create an open source platform to predict and analyze industrial reactor’s performances. The advanced modeling can be later exploited and used as a validation instrument for new electrochemical concepts.

Avec l’apparition des systèmes PV en toiture et des véhicules électriques, le nouveau contexte énergétique au sein du bâtiment pose, sous un nouvel angle, la question de la distribution en courant continu au sein des bâtiments. Mais comment évaluer objectivement l’intérêt d’un réseau DC ? Dans un contexte où l’énergie et les impacts environnementaux prennent chaque jour plus d’importance, la quantification des performances d’un tel système selon sa seule phase d’usage ne répond pas complètement à la question son impact global. C’est pourquoi nous proposons d’aborder la question via l’éco-dimensionnement des composants constituant ce système. Pour simplifier un problème fondamentalement complexe (multi-critères), nous avons choisi d’effectuer ces dimensionnements sur la base de la minimisation de leur consommation d’énergie primaire sur l’ensemble de leur cycle de vie (pertes + énergie grise = Gross Energy Requirement GER). L’un des objectifs étant d’apporter à la fois une méthodologie mais aussi les premiers éléments qui permettront de déterminer un optimum du niveau de tension d’une distribution en courant continu dans les bâtiments. / Since the development of roof PV systems and electric vehicles, the use of DC distribution for building has to be explored. However, an objective criterion has to be used to evaluate the interest of such distribution. While energy consumption and environmental impact criteria gain in importance, the performance quantification of such system over the use phase is not sufficient to illustrate its whole impact. That’s why we propose to tackle this evaluation through the eco-sizing of distribution component. In order to simplify this complex problem, based on a multi-criterion approach, we propose to size the components based on the minimization of their primary energy consumption over their entire life cycle. The resulting Gross Energy Requirement GER includes the embodied energy and the losses during the use phase. The objectives are to propose a methodology to determine the optimal voltage level for the building DC distribution, and also to illustrate the proposed approach from case studies. This methodology is applied on wiring and DC/DC converters.

Les travaux présentés dans cette thèse se focalisent sur l'étude de l’effet de dégradations des composants de puissance, plus particulièrement au niveau de l’environnement proche des puces (métallisations, connexions, brasures puces/DCB), sur le comportement électrique et thermique des puces ainsi que de leur assemblage. Pour ce faire nous avons cherché à étudier la répartition des courants et des températures à la surface de la puce à l’aide d’un modèle électrothermique 2D distribué. Nous avons aussi évalué l’effet de la dégradation des brasures dans le volume de l’assemblage, à l’aide cette fois d’un modèle thermique relié à la constitution de l’assemblage. La première partie de cette thèse consiste à mettre en place un modèle électrothermique distribué de puce MOSFET, qui tient compte à la fois du caractère distribué de la dissipation de la puissance et du couplage électrothermique en régime transitoire. Ce modèle électrothermique s’appuie sur un modèle électrique aux variables d’états et un modèle thermique par éléments finis couplé au modèle électrique. Les modèles électriques et thermiques ont été développés respectivement sous Matlab et sous CAST3M, et le couplage des deux modèles a été fait sous Simulink. Dans une deuxième partie, pour la validation des résultats des températures et pour l’analyse de l’effet du vieillissement et des dégradations (sur la distribution et la dynamique de température de la surface supérieure de la puce), une méthodologie de mesure rapide de température et un banc expérimental pour thermographie infrarouge ont été mis en place. Les difficultés rencontrées lors des mesures thermiques IR sous variation rapide de la température nous ont poussé à envisager d’autres méthodes d’analyse thermique. Enfin, nous avons cherché à évaluer la réponse impulsionnelle du composant testé en estimant, par des simulations thermiques, la fonction de transfert dans le domaine fréquentiel à l’aide du logiciel COMSOL Multiphysics. Nous avons également étudié la pertinence de modèles RC équivalents (réseau RC de Cauer). Ces modèles ont ensuite été utilisés pour rendre compte de différents modes de dégradation notamment cette fois au niveau des couches de brasures entre puce et DCB et entre DCB et semelle. Mots clef : Modules de puissance à semi-conducteur, Vieillissement, Métallisation, Modélisation électrothermique, Court-circuit, Distribution de courant et de température, Problème inverse, Caméra IR, Réseaux de Cauer. / The work presented in this thesis focus on the study of the effect of degradation of power components, especially at the near environment of chips (metallization, connections, solder chips / DCB), on the electrical and thermal behavior of the chips and their assembly. As a consequence, we studied the distribution of currents and temperatures on the chip surface with a 2D electrothermal distributed model. We also evaluated the effect of solder degradation in the volume of the assembly. Firstly, we developed an electrothermal distributed model of the MOSFET chip, which takes into account both the distributed power dissipation and the electrothermal coupling transient. This electrothermal model is based on an electrical model of state variables and thermal finite element model coupled to the electric model. Electrical and thermal models were developed respectively in Matlab and CAST3M whereas the two models coupling was done in Simulink . In the second part, to validate the results of temperatures and to analyze the effect of ageing and degradation on the distribution and dynamics of temperature of the upper surface of the chip, methodology rapid temperature measurement and an experimental bench for infrared thermography were established. The difficulties encountered in IR thermal measurements with rapid temperature change led us to consider other thermal analysis methods. Eventually, we assessed the impulse response of the tested component by estimating with thermal simulations, the transfer function in the frequency domain using the COMSOL Multiphysics software. Moreover we evaluated the relevance of RC equivalent models (RC Cauer network). These models were then used to account for different modes of degradation this time especially on the solder layer between the chip and DCB and between the DCB and sole. Keywords: Power Modules semiconductor, Ageing, Metallization, electrothermal modeling, Short Circuit, Power and temperature distribution, inverse problem, IR Camera, Cauer networks.