Face à la diminution des ressources énergétiques et à l’augmentation de la pollution des énergies fossiles, de très nombreuses recherches sont actuellement menées pour produire de l’énergie propre et durable et pour réduire l’utilisation des sources d’énergies fossiles caractérisées par leur production intrinsèque des gaz à effet de serre. La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est une technologie qui prend de plus en plus d’ampleur pour produire l’énergie qui s’inscrit dans un contexte de développement durable. La PEMFC est un dispositif électrochimique qui fonctionne selon le principe inverse de l’électrolyse de l’eau. Elle convertit l’énergie de la réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène (ou l’air) en puissance électrique, chaleur et eau; son seul rejet dans l’atmosphère est de la vapeur d’eau. Une pile de type PEMFC est constituée d’un empilement Électrode-Membrane-Électrode (EME) où la membrane consiste en un électrolyte polymère solide séparant les deux électrodes (l’anode et la cathode). Cet ensemble est intégré entre deux plaques bipolaires (BP) qui permettent de collecter le courant électrique et de distribuer les gaz grâce à des chemins de circulation gravés sur chacune de ses deux faces. La plupart des recherches focalisent sur la PEMFC afin d’améliorer ses performances électriques et sa durabilité et aussi de réduire son coût de production. Ces recherches portent sur le développement et la caractérisation des divers éléments de ce type de pile; y compris les éléments les plus coûteux et les plus massifs, tels que les plaques bipolaires. La conception de ces plaques doit tenir compte de plusieurs paramètres : elles doivent posséder une bonne perméabilité aux gaz et doivent combiner les propriétés de résistance mécanique, de stabilité chimique et thermique ainsi qu’une conductivité électrique élevée. Elles doivent aussi permettre d’évacuer adéquatement la chaleur générée dans le cœur de la cellule. Les plaques bipolaires métalliques sont pénalisées par leur faible résistance à la corrosion et celles en graphite sont fragiles et leur coût de fabrication est élevé (dû aux phases d’usinage des canaux de cheminement des gaz). C’est pourquoi de nombreuses recherches sont orientées vers le développement d’un nouveau concept de plaques bipolaires. La voie la plus prometteuse est de remplacer les matériaux métalliques et le graphite par des composites à matrice polymère. Les plaques bipolaires composites apparaissent attrayantes en raison de leur facilité de mise en œuvre et leur faible coût de production mais nécessitent une amélioration de leurs propriétés électriques et mécaniques, d’où l’objectif principal de cette thèse dans laquelle on propose: i) un matériau nanocomposite développé par extrusion bi-vis qui est à base de polymères chargés d’additifs solides conducteurs, incluant des nanotubes de carbone. ii) fabriquer un prototype de plaque bipolaire à partir de ces matériaux en utilisant le procédé de compression à chaud avec un refroidissement contrôlé. Dans ce projet, deux polymères thermoplastiques ont été utilisés, le polyfluorure de vinylidène (PVDF) et le polyéthylène téréphtalate (PET). Les charges électriquement conductrices sélectionnées sont: le noir de carbone, le graphite et les nanotubes de carbones. La combinaison de ces charges conductrices a été aussi étudiée visant à obtenir des formulations optimisées. La conductivité électrique à travers l’épaisseur des échantillons développés ainsi que leurs propriétés mécaniques ont été soigneusement caractérisées. Les résultats ont montré que non seulement la combinaison entre les charges conductrices influence les propriétés électriques et mécaniques des prototypes développés, mais aussi la distribution de ces charges (qui de son côté dépend de leur nature, leur taille et leurs propriétés de surface), avait aidé à améliorer les propriétés visées. Il a été observé que le traitement de surface des nanotubes de carbone avait aidé à l’amélioration de la conductivité électrique et la résistance mécanique des prototypes. Le taux de cristallinité généré durant le procédé de moulage par compression des prototypes de plaques bipolaires ainsi que la cinétique de cristallisation jouent un rôle important pour l’optimisation des propriétés électriques et mécaniques visées. / Faced to the declining of energy resources and the increase of energy pollution, many researches are focused on the production of clean and sustainable energy in order to reduce the use of fossil sources energy since they are the main source of greenhouse gases production. The Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) is a technology that is becoming increasingly important for clean and sustainable energy production. The PEMFC is an electrochemical device that operates according to the principle of inverse electrolysis of water. A PEMFC converts the chemical reaction between hydrogen and oxygen (or air) into electrical power, heat and water, while releasing only water steam into the atmosphere. A PEMFC consists of a bended multilayer Electrode-Membrane-Electrode (EME), where the membrane is a solid polymer electrolyte separating the anode and the cathode. This set is built between two bipolar plates used for collecting the electrical current and distributing the gas (hydrogen or oxygen) through gas flow paths etched on each face of the bipolar plates. Most of the recent research focused on the improvement of PEMFC performances, their durability and the reduction of their production cost. A lot of work was done on the development and characterization of the different elements of PEMFCs, including the bipolar plates, considered as one of the most expensive and most massive parts. The design of the bipolar plates must consider several parameters. They should combine good mechanical strength, good chemical and thermal stability, sufficient electrical conductivity and good ability to remove heat generated in the heart of the cell. Metal bipolar plates are penalized by their corrosion resistance, which causes a reduction of the cell life. Those obtained from graphite are brittle and their manufacturing cost is high (mainly due to channels machining cost). Therefore, much research is focused on the development of new concepts of bipolar plates in order to replace metals and graphite by new polymer based composites. The latter appear to be more attractive because of their good processing ability that could help reducing the production cost of PEMFCs. However, much more research has to be done on the improvement of their electrical and mechanical properties, which is the main objective of the present thesis in which we propose: i) To develop by twin-screw extrusion process an optimized polymer nanocomposite material in which conductive solid additives are incorporated, including carbon nanotubes. ii) Fabricate a bipolar plate prototype from theses optimized nanocomposites by using the compression molding process under controlled cooling. In this project, two thermoplastic polymers have been used as the matrix: polyvinylidene fluoride (PVDF) and polyethylene terephthalate (PET). Three electrically conductive fillers were also used: carbon black, graphite and carbon nanotubes. Various combinations of these conductive additives were also studied in order to develop optimized nanocomposite formulations. Through-plane electrical conductivity of the developed nanocomposites as well as their mechanical properties have been carefully characterized. The obtained results showed that not only the combination of the conductive additives influences the nanocomposites through-plane conductivity and their mechanical properties, but also the distribution of these solid additives (which in turn depends on their nature, their size and their surface properties) helped to improve these properties. It has been observed that the surface treatment of the carbon nanotubes used in this study helped to increase both through-plane conductivity and mechanical strength of the developed bipolar plate prototypes. It was also observed that the crystallinity generated during bipolar plate cooling inside the compression mold as well as the crystallization rate play an important role in the optimization of the through-plane electrical conductivity and mechanical properties.

La recherche d'énergies propres et renouvelables est un enjeu de premier plan pour lutter contre les changements climatiques. La recherche scientifique sur les piles à combustibles est en constante croissance. Le caractère non polluant et l'efficacité énergétique des piles à combustibles en font une candidate très prometteuse pour un large éventail d'applications (production d'électricité, aérospatial, transport, etc.). Avant que ce type de pile ne soit produit à grande échelle, son coût de production doit être diminué. Or, cette diminution de prix passe par la recherche de matériaux performants, à faible coût et faciles à mettre en oeuvre. La PEMFC (pile à combustible à membrane échangeuse de protons) est une pile à combustible à electrolyte solide constituée d'une membrane de polymère acide. Son principe de fonctionnement est de transformer l'énergie chimique en énergie électrique par le biais de réactions électrochimiques. Cette pile a une vie utile de plusieurs milliers d'heures, du fait que c'est une pile à électrodes non consommables. La PEMFC est alimentée par de l'hydrogène et de l'oxygène moléculaire; son seul rejet est de l'eau. Cette pile est formée de plusieurs unités individuelles connectées en série et séparées entre elles par des plaques bipolaires. Ces plaques bipolaires ont plusieurs rôles au sein de la PEMFC: elles conduisent les électrons entre les différentes unités, assurent la distribution des gaz réactifs sur la surface des électrodes et procurent un support mécanique à la pile. Le coût élevé des PEMFC est son principal désavantage par rapport au moteur à combustion. C'est entre autre pour cette raison que la PEMFC est le sujet d'intenses recherches. D'énormes efforts sont faits pour trouver des matériaux moins coûteux aux performances élevées et des procédés de mise en oeuvre plus rentables. Ainsi, il sera possible de produire des PEMFC économiquement concurrentielles par rapport aux autres modes de propulsion automobile. Le sujet de cette étude est de produire une plaque bipolaire à base de matériaux peu onéreux par un procédé de mise en oeuvre simple. De plus, les paramètres de mise en oeuvre devront être optimisés de façon à obtenir un matériau aux propriétés améliorées. L'ultime étape de ce projet est de comparer les performances de la plaque bipolaire produite à celles d'une plaque bipolaire commerciale dans une PEMFC. La conception d'une plaque bipolaire doit tenir compte des conditions d'opération de la PEMFC: température, pression et présence de gaz corrosifs. Les matériaux utilisés pour la fabrication de plaques bipolaires doivent rencontrer certaines exigences en matière de conductivité électrique, perméabilité aux gaz et résistance mécanique et chimique. C'est pour cette raison que le matériau développé doit subir une étroite caractérisation avant d'être employé dans la PEMFC. Le graphite et l'acier sont les matériaux les plus couramment utilisés pour la fabrication des plaques bipolaires grâce à leur excellente conductivité électrique. Par contre, ils présentent certains désavantages: le graphite est massif et fragile alors que l'acier est sujet à la corrosion. De plus, ces deux matériaux nécessitent de l'usinage mécanique, ce qui en augmente le coût et diminue la cadence de production. Les polymères sont des candidats très intéressants pour la fabrication de cette pièce de la PEMFC puisque ces derniers ont une faible densité, sont peu onéreux, faciles à mettre en oeuvre par des procédés industriels continus et ne se corrodent pas. Par contre, ils sont des isolants électriques. Pour palier à ce désavantage par rapport au graphite et à l'acier, il faut incorporer des charges solides conductrices lors de leur mise en oeuvre. Ainsi, il est possible de fabriquer une plaque bipolaire de polymère contenant des charges conductrices par le procédé d'extrusion et de pressage à chaud. L'extrudeuse permet de produire une plaque mince sur laquelle le design de la plaque bipolaire est obtenu par compression à chaud. Ces opérations sont suivies par une étape de découpe pour obtenir une plaque bipolaire. Pour ce projet, une extrudeuse bi-vis co-rotative a été utilisée pour effectuer divers mélanges à base de polymères et de charges conductrices. Ces types de mélanges sont appelés composites, ils sont composés d'une matrice de polymère et de charges solides. Le mélange obtenu a ensuite été moulé par compression à chaud dans un moule ayant les empreintes du design de la plaque bipolaire. Divers mélanges ont été caractérisés : ? Polyvinilidiène fluorure (PVDF) avec noir de carbone (CB). ? Polyvinilidiène fluorure avec noir de carbone et graphite (GR). ? Polyethylene téréphthalate (PET) avec noir de carbone. ? Polyethylene téréphthalate avec noir de carbone et graphite. ? Polyvinilidiène fluorure, polyethylene téréphthalate avec noir de carbone. ? Polyvinilidiène fluorure, polyethylene téréphthalate avec noir de carbone et graphite. Afin de caractériser les matériaux développés dans le cadre de ce projet, les propriétés électriques, les propriétés mécaniques et la perméabilité aux gaz ont été caractérisées. La plaque bipolaire finale a été développée à partir d'un mélange de PVDF et de deux types de charges conductrices, du CB et du GR. Les performances dans une PEMFC de cette plaque bipolaire ont été comparées à celle d'une plaque bipolaire commerciale fournie avec la pile.

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'un des principaux freins au développement des piles à combustible de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) est lié aux phénomènes de dégradation des performances qui les pénalisent encore en termes de durée de vie. L'étude de ces phénomènes au niveau des composants de l’AME est un thème abordé aujourd'hui par de nombreuses équipes de recherche, mais une étude à une échelle d’un stack est nécessaire pour mieux comprendre les mécanismes en jeu. En effet, dans un stack les conditions de fonctionnement ne sont pas homogènes comme dans les cellules de laboratoire, notamment au niveau thermique. Ceci est particulièrement exacerbé dans les piles pour application automobile, dont la compacité contraint fortement la conception du circuit de refroidissement. De plus, les exigences en termes de démarrage à froid sont à prendre en compte, avec notamment la limitation de l'inertie thermique de l'empilement ou l'apparition d'hétérogénéités plus fortes pendant les phases transitoires.Ce travail de thèse se propose d'étudier l'effet d'hétérogénéités de température sur la performance d'une pile en application automobile et sa dégradation. L'étude est menée dans différentes conditions de fonctionnement: fonctionnement nominal, cyclage thermique et cyclage NEDC (New European Driving Cycles).Cette étude comporte une partie expérimentale, centrée sur des essais de vieillissement en pile et un travail sur le diagnostic électrochimique global et local. Elle est complétée par des expertises post-mortem des assemblages membrane-électrodes et des plaques testées. En parallèle, un travail de modélisation est mené pour relier les constatations expérimentales à une description des phénomènes en présence. L'influence du design des canaux de réactifs et de caloporteur sur le fonctionnement des piles est étudiée. Enfin, l’effet de la gestion thermique sur la dégradation des performances et sur la détérioration des composants de la pile est étudié. / One of the main challenges for Proton Exchange Membrane Fuel Cells development is the performance loss, which largely limits the durability. The study of the degradation phenomena of the different MEA components is a challenge addressed by many researchers, but a study at a stack scale is needed in order to better understand the ageing mechanisms. Indeed, in an industrial fuel cell the operating conditions are not homogeneous as for laboratory fuel cells, especially as regards thermal aspects. The heterogeneities are particularly emphasized for automotive fuel cells, because of the compactness constraint of the cooling circuit. Moreover, the requirements of cold start should be considered, as well as the inertial effects of the stacks and the increased heterogeneities during the driving cycles.In this work, the effects of the temperature heterogeneities and hot spots on the automotive fuel cell performances and degradations are investigated. The study is conducted in different conditions: nominal conditions, load/thermal cycling and New European Driving Cycles (NEDC).The work is composed of an experimental study, which consists of ageing tests on fuel cells and on-line diagnosis at both global and local scales. At the end of the tests, post-mortem analyses of the aged components are conducted. In parallel, a physic-based model is developed in order to predict the local temperature and humidity in the different components of the cell. Then, the impact of the reactive gases and cooling flow fields design on the thermal and water management of the cell is investigated. Finally, the experimental and modeling results are coupled in order to investigate the correlation between heat management, water management and degradations.

Les piles à combustible sont considérées comme l'une des sources d'énergie du futur. En effet, pour répondre aux enjeux économiques et aux défis écologiques, les chercheurs considèrent que ce type de piles serait une sérieuse alternative aux sources énergétiques actuelles et ce dans un avenir proche. Les piles à combustibles trouvent déjà place dans plusieurs applications industrielles notamment les transports (surtout automobile mais aussi maritime et aérien), les téléphones et ordinateurs portables et la production d'électricité. La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est considérée comme la plus prometteuse. Elle est constituée de plusieurs unités consommant de l'hydrogène et de l'air pour produire de l'électricité en continu et ne rejeter que de la vapeur d'eau. Propre et performante, elle présente cependant l'inconvénient de coûter cher. Un coût élevé dû aux matériaux et procédés utilisés dans sa fabrication. Pour palier à ce problème, la recherche s'est orientée vers deux voies : le développement de nouveaux matériaux peu onéreux et l'innovation dans la mise en oeuvre. Le but du présent travail est le développement d'un matériau nanocomposite à base de polymères efficace pour la fabrication d'une composante importante de la PEMFC : les plaques bipolaires (BPP). Ces dernières constituent les extrémités de chaque unité de la pile et assurent le passage des électrons entres les unités adjacentes ainsi qu'une distribution homogène de l'hydrogène ou de l'oxygène sur toute la surface des électrodes de chaque unité. Opérant dans des conditions thermiques et mécaniques assez rudes, les BPP doivent répondre à des caractéristiques électriques et mécaniques très élevées. Dans la littérature, plusieurs matériaux ont été explorés pour fabriquer les BPP : le graphite et les métaux (inoxydables ou revêtus) étaient les plus étudiés mais pour des problèmes de coût ou de performances, ces deux alternatives sont de moins en mois utilisées. Aujourd'hui, l'option qui suscite l'intérêt des chercheurs est celle des matériaux polymères. Les procédés de mise en oeuvre ont été aussi largement étudiés, les plus abordés sont l'extrusion et le moulage par compression. Dans cette étude, le développement d'un matériau composite pour la fabrication des BPP a reposé sur une matrice composée d'un mélange de deux polymères : le polyfluorure de vinylidène (PVDF) et le polyethylene téréphtalate (PET) associés à un oligomère : le cyclo-butylène téréphtalate (c-BT). L'ajout du c-BT représente l'originalité de ce travail et a pour but de profiter de ses différentes propriétés notamment la faible viscosité. Il se polymerise rapidement en poly-butylène téréphtalate (PBT) sans donner lieu à de produits secondaires. Des charges ont aussi été ajoutées afin d'améliorer la conductivité électrique et la viscosité. Ainsi, du noir de carbone à haute surface spécifique (CB) a été systématiquement ajouté en combinaison avec d'autres charges : le graphite synthétique en forme de feuillets (GR) et les nanotubes multi-feuillets de carbone (MWCNT). Ce choix de matériaux a été effectué suite à des travaux précédents réalisés par le roupe de recherche du professeur Mighri. Un mélangeur interne a permis de mélanger les polymères et les charges (déjà mélangés à sec) pour donner un matériau composite homogène. Une presse à compression a été ensuite utilisée pour mouler la plaque et graver les chemins de circulation des gaz à l'aide d'un moule spécifique. Plusieurs propriétés des matériaux composites produits ont été caractérisées. Il s'agit principalement de la conductivité électrique, de la viscosité complexe ainsi que de la morphologie des matériaux nanocomposites développés. Les tests menés ont montré que l'ajout du c-BT dans les mélanges polymères ne permettait pas de diminuer les résistivités des composites obtenus alors qu'il améliorait le comportement visqueux ce qui se traduisit dans la pratique par une facilité relative de la mise en oeuvre. Cependant, ce travail a rencontré une contrainte majeure lors de la fabrication des plaques bipolaires et qui pourrait être due à la géométrie du moule spécifique. En effet, les plaques obtenues ont été toutes cassantes.