L'examen de la filière EVHT (Electrolyse de Vapeur d'eau à Haute Température) montre qu'elle est en train de passer de la phase de recherche à la phase de développement. Il devient maintenant nécessaire de prouver et si possible d'améliorer la compétitivité de cette technologie. Pour cela nous avons fait ressortir le besoin de posséder un outil capable de faire le lien entre les producteurs d'hydrogène, propriétaires d'usine, et les fabricants d'empilements de cellules d'électrolyse. Pour répondre à cet objectif principal, deux contraintes fortes sont identifiées : être insérable dans un schéma usine (logiciel de simulation de procédé), et être représentatif de la technologie de cellule et du stack utilisée. La modélisation d'un objet dans un logiciel de simulation de procédé implique généralement une représentation très simplifiée de celui-ci. Pour pouvoir satisfaire ces contraintes, nous avons bâti une chaîne de modèles partant des modèles d'électrodes et aboutissant finalement à une modélisation de procédé représentative de la technologie EVHT utilisée. Le travail et la valeur ajoutée de cette thèse sont focalisés sur cette démarche d'optimisation énergétique globale et locale, qui permet, à chaque échelle, une analyse adaptée des phénomènes principaux se déroulant dans chaque objet et le chiffrage de l'impact énergétique et économique de la technologie utilisée. Cette démarche permet d'aboutir à un outil capable de réaliser une optimisation technico-économique poussée sur une unité de production EVHT / HTSE field (High Temperature Steam Electrolysis) is moving from the research phase to development phase. It?s now necessary to prove and to possibly improve the technology competitiveness. Therefore we need a tool able to allow communication between hydrogen producers and electrolysis cell stack designers. Designers seek where their efforts have to focus, for example by searching what are the operating best conditions for HTSE (voltage, temperature). On the contrary, the producer wants to choose the most suitable stack for its needs and under the best conditions: hydrogen has to be produced at the lowest price. Two main constraints have been identified to reach this objective: the tool has to be inserted into a process simulation software and needs to be representative of the cell and stack used technology. These constraints are antagonistic. Making an object model in a process simulation usually involves a highly simplified representation of it. To meet these constraints, we have built a model chain starting from the electrode models and leading to a representative model of the HTSE technology used process. Work and added value of this thesis mainly concern a global and local energy optimization approach. Our model allows at each scale an appropriate analysis of the main phenomena occurring in each object and a quantification of the energy and economic impacts of the technology used. This approach leads to a tool able to achieve the technical and economic optimization of a HTSE production unit.

L'Electrolyse de la Vapeur d'eau à Haute Température (EVHT) est l'un des procédésde production d'hydrogène les plus prometteurs. Dans l'optique d'une économie del'hydrogène produit par EVHT, de nombreux verrous restent à lever. L'un d'entre euxporte sur l'étanchéité. En effet, dans un EVHT, la gestion des gaz est primordiale. Ilfaut pouvoir gérer et prévoir dans le temps le comportement des joints afin d'éviter unedégradation des performances. Or, en EVHT, les températures de fonctionnement sontélevées (classiquement autour de 800 °C), des phénomènes de fluage ou de relaxationapparaissent, le différentiel de dilatation thermique entre les cellules électrochimiques encéramique et les interconnecteurs métalliques doit être pris en compte. Enfin, il convientde maintenir l'étanchéité de l'empilement à faible niveau d'effort pour ne pas risquerd'endommager la partie céramique.L'objet du travail de cette thèse démarre par un constat simple : nous ne disposons pasd'outils de prédimensionnement des joints à haute température permettant de prévoirun débit de fuite. Dès lors que l'on est amené à changer un paramètre de fonctionnement,comme la température, la pression, la stratégie de chargement, la géométrie ou la naturedu joint, une nouvelle expérience doit être menée.A partir d'essais d'étanchéité et de simulations numériques aux éléments finis, un modèleoriginal est proposé. Ce modèle qui a été validé en fonction de différents paramètresexpérimentaux permet d'estimer le débit de fuite associé à un joint en Fecralloy (Fe-CrAl) selon sa forme, ses conditions de serrage et du temps de maintien. Offrant ainsila possibilité de concevoir à moindre coût des joints spécifiques pour l'application visée.

La réponse thermique, électrochimique et mécanique d'un électrolyseur de la vapeur d'eau à haute température (EVHT) a été analysée dans ce travail. Pour ce faire, une approche de modélisation multi-physique et multi-échelle a été employée : • Un modèle local, à l'échelle de la microstructure des électrodes, a été utilisé pour analyser le comportement électrochimique apparent des électrodes de la cellule d'électrolyse étudiée. Le fonctionnement du système au sein d'un empilement de plusieurs cellules a ensuite été analysé grâce à un modèle thermoélectrochimique à l'échelle macroscopique de l'EVHT. Un élément de validation expérimentale du modèle accompagne les résultats. • Un modèle thermomécanique pour le calcul de l'état de contrainte de l'EVHT a été développé. Celui-ci tient compte des phénomènes physiques intrinsèques à la cellule et à son fonctionnement sous courant à hautes températures et à ceux imputables aux interactions mécaniques entre la cellule et son environnement. Les données manquantes nécessaires à l'exécution des modèles ont été obtenues par la caractérisation et par des calculs d'homogénéisation de la microstructure tridimensionnelle des électrodes. Par ailleurs le comportement viscoplastique du matériau de la cathode a été mis évidence par des essais de fluage en flexion quatre points. L'étude a permis de définir un domaine de fonctionnement optimal garantissant des performances électrochimiques élevées avec des niveaux de température acceptables. Des propositions visant à réduire l'endommagement mécanique du système ont également été produites. / The thermal, electrochemical and mechanical response of a high temperature steam electrolyzer (HTSE) has been analyzed in this work. To this end, a multi-physics and multi-scale modelling approach has been employed: • A local model, at the microstructure scale of the electrodes, has been used to analyze the apparent electrochemical behavior of the electrodes related to the studied electrolysis cell. System operation, in a stack of several cells, has been then analyzed using a thermoelectrochemical model at the macroscopic scale of the HTSE. An element of experimental validation of the model comes with the results. • A thermomechanical model for the calculation of the stress state of the HTSE has been developed. In this model, the intrinsic physical phenomena of the cell, of its operation under current at high temperatures and those ascribable to the mechanical interactions between the cell and its environment have been considered. The unknown data required for the models have been obtained by the characterization and homogenization calculations of the three-dimensional microstructure of the electrodes. Besides, the viscoplastic behavior of the cathode material has been determined by a four-point bending creep test. The study made it possible to define an optimal operating zone, ensuring both high electrochemical performances and acceptable temperature levels. Proposals aiming to reduce the mechanical damage of the system have been also produced.

L'Electrolyse de la Vapeur d'eau à Haute Température (EVHT) est l'un des procédésde production d'hydrogène les plus prometteurs. Dans l'optique d'une économie del'hydrogène produit par EVHT, de nombreux verrous restent à lever. L'un d'entre euxporte sur l'étanchéité. En effet, dans un EVHT, la gestion des gaz est primordiale. Ilfaut pouvoir gérer et prévoir dans le temps le comportement des joints afin d'éviter unedégradation des performances. Or, en EVHT, les températures de fonctionnement sontélevées (classiquement autour de 800 °C), des phénomènes de fluage ou de relaxationapparaissent, le différentiel de dilatation thermique entre les cellules électrochimiques encéramique et les interconnecteurs métalliques doit être pris en compte. Enfin, il convientde maintenir l'étanchéité de l'empilement à faible niveau d'effort pour ne pas risquerd'endommager la partie céramique.L'objet du travail de cette thèse démarre par un constat simple : nous ne disposons pasd'outils de prédimensionnement des joints à haute température permettant de prévoirun débit de fuite. Dès lors que l'on est amené à changer un paramètre de fonctionnement,comme la température, la pression, la stratégie de chargement, la géométrie ou la naturedu joint, une nouvelle expérience doit être menée.A partir d'essais d'étanchéité et de simulations numériques aux éléments finis, un modèleoriginal est proposé. Ce modèle qui a été validé en fonction de différents paramètresexpérimentaux permet d'estimer le débit de fuite associé à un joint en Fecralloy (Fe-CrAl) selon sa forme, ses conditions de serrage et du temps de maintien. Offrant ainsila possibilité de concevoir à moindre coût des joints spécifiques pour l'application visée. / High Temperature Steam Electrolysis (HTSE), is one of the most promising processfor hydrogen production. In a hydrogen economy produced via HTSE, many problemshave to be overcome. One of them is related to sealing. Actually, in a HTSE, gasmanagement is very important. The behavior of the seal has to be predicted in time toavoid a deterioration of the performances. But, in a HTSE, the fuctioning temperaturesare important (typically around 800 °C), creep or relaxation may occur, the differencebetween the thermal expansion of the ceramic cells and the metallic interconnectorsmust be taken into account. Finally, the sealing has to be maintain with low effortsprotect the ceramic.This thesis started from the noticing that we don't have any designing tool for hightemperature seals that may help to foresee a leak rate. Since we have to change anyexperimental parameter, such as the temperature, the pressure, the loading strategy, thegeometry or the material of the seal, another experiment has to be done.From sealing tests and finite element modelisation, an original model is presented.This model that has been validated for different experimental parameters allows toestimate the leak rate of a Fecralloy (FeCrAl) seal depending on its shape, the loadingconditions and tightening time. This may help to design specific low cost seals for thedesired applications.