La qualité de l'anode, particulièrement du point de vue de la résistivité électrique, est primordiale pour l'industrie de l'aluminium. Plus la résistivité électrique est faible, moins l'énergie serait perdue lors de l’opération. Le but du présent projet est donc d'évaluer la qualité de l'anode de ce point de vue. L’anode est composée de trois phases; particules de coke, matrice liant (pitch) et des porosités ou des fissures. La résistivité électrique de l'anode est fortement affectée par la taille (la distribution de taille) et la forme (la distribution de forme) de ces phases. Par conséquent, il est essentiel de comprendre les mécanismes de conduction de l'anode et de mettre en évidence l'effet de la microstructure de l'anode sur sa résistivité électrique. Dans la présente étude, nous avons essayé de créer une carte de résistivité électrique (ou conductivité) de l'anode et de la corréler avec la répartition de différentes phases. La possibilité d'utiliser de la tomographie par résistance électriques (ERT) a été évaluée en tant qu’une méthode pour cartographier la distribution de la résistivité électrique. La carte est une image de la distribution de la résistance électrique en 2-D des tranches d’anode. ERT est un processus d'estimation de la résistivité à partir des mesures de tension sur un domaine d'intérêt. Le procédé ERT consiste à mettre une série d’électrodes sur la surface de la pièce, puis injecter le courant dans une paire d’électrode et mesurer la tension des autres électrodes. Le processus continue jusqu'à ce que chaque électrode soit considérée une fois comme électrode d'injection. Alors que les tensions mesurées fournissent une matrice des mesures, le potentiel électrique à l'intérieur du matériau est calculé en utilisant la méthode des éléments finis (FEM). En comparant les tensions mesurées et calculées et en minimisant l'erreur des algorithmes de reconstruction, l'image de la conductivité est obtenue. Les images électriques par ERT ont été comparées avec des images obtenues par la microscopie électronique à balayage (MEB) et la microscopie de la Fluorescence de Rayons X (XRF). La comparaison a montré une certaine corrélation entre la répartition des phases dans l'anode de carbone et sa carte de la distribution de la résistance électrique. / The quality of anode especially from electrical resistivity aspect is important to the aluminum industry. The higher the current can pass through the anode by the means of lower electrical resistivity, the lower the energy would be lost. The purpose of present project is to evaluate the quality of anode from the electrical properties point of view. Anode consists of three phases; coke particles, binder matrix (pitch) and porosities or cracks. The electrical resistivity of anode is highly affected by the size (size distribution) and shape (shape distribution) of these phases. Therefore, it is essential to understand the conduction mechanisms of anode and to reveal the effect of anode microstructure on its electrical resistivity. In the present study, we attempted to create a map of electrical resistivity (or conductivity) of anode regarding the distribution of the phases. Feasibility of using Electrical Resistance Tomography (ERT) was assessed as a method for mapping the electrical resistivity distribution in carbon anode. The map is a computed image of the distribution of electrical resistance in 2-D slice through a conducting region. ERT is a process of estimating from voltage measurements at the domain of interest. ERT method involves with putting electrodes at the boundary, injecting the current to each pair and measuring the voltage from the remaining ones until each electrode once considered as the injecting electrode. While the measured voltages provide a matrix of measurements, the electrical potential inside the material would be calculated using the Finite Element Method (FEM). By comparing the measured and calculated voltages and minimizing the error and utilizing reconstruction algorithms, the conductivity image of the desired surface will be obtained. In the final analysis, the electrical images by ERT were evaluated using SEM microscope and XRF analysis. The comparison suggested a good correlation between the electrical images and the distribution of the phases in carbon anode.

Dans un contexte de changements climatiques palpables, la recherche dans le domaine des énergies ± propres ¿ devient de plus en plus valorisée. La technologie des piles à combustibles en est une voie qui intéresse les chercheurs autant que les décideurs. Pour cause, leur utilisation à grande échelle est potentiellement capable de défaire la dépendance aux combustibles fossiles. Ces derniers sont en effet accusés de dérégler l'équilibre climatique, mais aussi de créer des tensions internationales. La ± pile à combustible à membrane échangeuse de protons ¿, ou PEMFC pour ± Proton Exchange Membrane Fuel Cell ¿, est une catégorie de piles à combustibles prometteuse, surtout pour les applications mobiles et de transport. Les PEMFC sont des appareils capables de convertir une énergie stockée chimiquement en courant électrique durant des milliers d'heures. La chaîne de réactions qui le permet est respectueuse de l'environnement : son seul rejet dans l'atmosphère est de la vapeur d'eau. Une PEMFC est composée de plusieurs unités qui produisent un courant électrique continu. Les plaques bipolaires ou BPP, abréviation anglaise de ±BiPolar Plates¿ constituent les extrémités de chaque unité. Elles ont pour rôle principal d'assurer le passage des électrons entre les unités adjacentes et de distribuer l'hydrogène ou l'oxygène de façon homogène sur toute la surface des électrodes de chaque unité. Cette dernière étape est assurée grâce à des chemins de circulation de gaz gravés sur chaque face de la BPP. Il existe cependant un frein au développement de cette technologie; son coût. En effet, celui-ci reste encore élevé et empêche les fabricants d'y associer un avantage concurrentiel substantiel. Pourtant, la concrétisation de l'avenir prometteur des PEMFC passe indéniablement par une industrialisation et leur intégration dans des produits compétitifs. La présente étude concerne le développement de nouveaux matériaux pour l'un des éléments les plus massifs ± plaques bipolaires ¿. Pour réduire les coûts, un travail de recherche dans ce domaine peut explorer deux voies: trouver des matériaux alternatifs moins onéreux ou bien, innover dans la fabrication et la mise en oeuvre. Dans ce projet, les deux démarches ont été explorées. Le milieu intérieur d'une PEMFC est relativement chaud, corrosif et possède une pression spécifique. La conception des BPP doit donc tenir compte de plusieurs paramètres. Le produit doit non seulement répondre aux exigences de conductivité électrique, mais aussi de résistances chimique, thermique et mécanique. Établir un compromis entre les propriétés finales s'avère donc nécessaire, en particulier lorsque celles-ci varient de manière opposée. Traditionnellement fabriquées en graphite, les BPP sont les éléments les plus massifs et les plus coûteux dans une PEMFC. Le but de ce projet est de développer, via un procédé de mise en oeuvre viable industriellement, un matériau léger constitué d'un polymère thermoplastique chargé d'additifs solides, électriquement conducteurs. En plasturgie, la mise en oeuvre de matériaux par un processus continu est le meilleur moyen qui permet d'accéder éventuellement à une production industrielle. Dans cette étude, le procédé d'extrusion a été utilisé. Celui-ci a permis de produire en continu des surfaces plates à épaisseurs contrôlées. Pour fabriquer une BPP à base de matériaux polymères, il est possible d'associer le procédé d'extrusion à des étapes de calandrage, de découpe et de compression à chaud. La phase de compression permet alors de graver les chemins de circulation des gaz sur chaque face de la BPP. Dans cette étude, une filière plate montée sur une extrudeuse bi-vis contra-rotatives a été utilisée pour produire des feuilles d'épaisseur 2.5 mm. Les mélanges étaient formés d'une matrice Polyéthylène Téréphtalate, PET, et de plusieurs charges électriques. Ces additifs ont été choisis en fonction de leurs dimensions, de leurs formes et de leurs conductivités électriques. La combinaison de plusieurs charges visait à obtenir un effet synergétique. Deux charges ont été systématiquement utilisées: un noir de carbone à surface spécifique élevée et un graphite synthétique en forme de feuillets. Deux autres charges ont aussi été séparément testées pour examiner leurs effets sur la conductivité électrique. Il s'agit de nanotubes de carbone et de billes de verre enduites d'une mince couche d'argent. Plusieurs propriétés ont été caractérisées pour faire une comparaison avec les valeurs visées pour une BPP. Il s'agit principalement de la conductivité électrique, de la résistance mécanique, ainsi que de la perméabilité au gaz. Des observations au microscope électronique ont par ailleurs permis d'expliquer certains phénomènes électriques. Des résultats encourageants ont été obtenus grâce à la combinaison de charges.

L’objectif principal de cette thèse est le développement d’un outil numérique, en utilisant l’approche XFEM, permettant la simulation des problèmes transitoires non linéaires thermoélectriques dans un milieu fissuré en deux dimensions, avec prise en compte des échanges thermiques et électriques entre les lèvres de la fissure. La simulation numérique de la propagation de fissures présente un grand intérêt pour de nombreux secteurs industriels (production d’aluminium, aéronautique, nucléaire, etc.). De plus, c’est un problème complexe sur le plan numérique. La méthode d’éléments finis classiques présentent des contraintes importantes de raffinement de maillage en fond de fissure, de remaillage pendant la propagation de la fissure avec la projection des champs, ce qui a pour effet d’augmenter le temps de calcul et de dégrader la précision des résultats. D’autre part, la méthode des éléments finis étendue XFEM, a reçu un succès grandissant pour le traitement de problèmes avec fissures durant la dernière quinzaine d’années. Elle permet d’utiliser un maillage qui ne se conforme pas à la géométrie des fissures, ceci grâce à un enrichissement de l’approximation éléments finis. Dans cette thèse, on s’intéresse à étendre le champ d’application de la méthode XFEM pour les problèmes non linéaires thermoélectriques avec fissures. En effet, le problème thermique transitoire est couplé avec le problème électrique par la génération de la chaleur dans le solide, et la génération de chaleur à la fissure à cause de la résistance de l’interface. Les échanges thermiques et électriques entre les lèvres de la fissure sont aussi considérés, et dépendent, respectivement, du saut de la température et du potentiel électrique à la fissure. En raison de la génération de la chaleur dans le solide et aux lèvres L’objectif principal de cette thèse est le développement d’un outil numérique, en utilisant l’approche XFEM, permettant la simulation des problèmes transitoires non linéaires thermoélectriques dans un milieu fissuré en deux dimensions, avec prise en compte des échanges thermiques et électriques entre les lèvres de la fissure. La simulation numérique de la propagation de fissures présente un grand intérêt pour de nombreux secteurs industriels (production d’aluminium, aéronautique, nucléaire, etc.). De plus, c’est un problème complexe sur le plan numérique. La méthode d’éléments finis classiques présentent des contraintes importantes de raffinement de maillage en fond de fissure, de remaillage pendant la propagation de la fissure avec la projection des champs, ce qui a pour effet d’augmenter le temps de calcul et de dégrader la précision des résultats. D’autre part, la méthode des éléments finis étendue XFEM, a reçu un succès grandissant pour le traitement de problèmes avec fissures durant la dernière quinzaine d’années. Elle permet d’utiliser un maillage qui ne se conforme pas à la géométrie des fissures, ceci grâce à un enrichissement de l’approximation éléments finis. Dans cette thèse, on s’intéresse à étendre le champ d’application de la méthode XFEM pour les problèmes non linéaires thermoélectriques avec fissures. En effet, le problème thermique transitoire est couplé avec le problème électrique par la génération de la chaleur dans le solide, et la génération de chaleur à la fissure à cause de la résistance de l’interface. Les échanges thermiques et électriques entre les lèvres de la fissure sont aussi considérés, et dépendent, respectivement, du saut de la température et du potentiel électrique à la fissure. En raison de la génération de la chaleur dans le solide et aux lèvres / The main objective of this thesis is the development of a numerical tool, using the XFEM approach, for the simulation of transient nonlinear thermoelectrical problems in fractured media in two dimensions, taking into account thermal and electrical exchanges between the crack’s lips. Numerical simulations of crack propagation are of great interest for many industrial sectors (aluminum production, aerospace, nuclear, etc.). In addition, this is a numerically complex problem. The classical finite element method has important constraints of mesh refinement at the crack tip, remeshing during crack propagation and field projections, which has the effect of increasing the computation time and degrading the accuracy. On the other hand, the eXtended Finite Element Method (XFEM), has received a growing success for the treatment of the problems containing cracks in the last fifteen years. It allows using a mesh that does not conform to the geometry of the crack; this is possible by the enrichment of the finite element approximation. In this thesis, we are interested in extending application field of the XFEM method to the nonlinear thermoelectrical problems with cracks. Indeed, the transient thermal problem is coupled to the electrical problem by the heat generation in the solid, and the heat generation at the crack’s lips due to the interface resistance. The heat and electrical exchanges between the crack’s lips are also considered, and depend, respectively, on the temperature and the voltage jump at the crack. Due to the heat generation in the solid and in crack’s lips (Joule effect), and the temperature dependence of the physical parameters of the material, the problem is nonlinear and fully coupled. The discretized nonlinear system by the XFEM method is solved using the Newton-Raphson algorithm. The robustness of the proposed technique is demonstrated through the simulation of different examples, and the results shows an excellent agreement with the analytical solution, or with the finite element solution using a refined mesh.