Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) constituent une alternative aux moteurs thermiques utilisés dans le cadre d’applications transport ou dans le cadre d’applications stationnaires. Cependant, une large commercialisation des PEMFC dépend des progrès qui peuvent être réalisés pour améliorer leur fiabilité et leur durabilité. La PEMFC est sujette à plusieurs types de dégradations complexes et non entièrement maitrisées qui varient en fonction des conditions de fonctionnement. Cependant, il est admis qu’il est souhaitable de faire fonctionner la PEMFC à distributions de courant uniformes car des distributions de courant hétérogènes entraînent une mauvaise utilisation des réactifs et des catalyseurs, une diminution des performances globales et une possible dégradation des matériaux constitutifs du coeur de la pile. De nouvelles stratégies de diagnostic doivent donc être proposées en s’appuyant sur les distributions de courant. Mes travaux de recherche consistent à développer un nouvel outil de diagnostic s’appuyant sur une mesure du champ électromagnétique externe (non invasive) rayonné par la pile PEMFC. Le champ magnétique possède l’intérêt d’être corrélé à la distribution locale du courant circulant à l’intérieur de la pile, et permet d’avoir des informations sur les performances locales. Cette distribution est liée aux conditions opératoires de la pile. Il est alors possible, à partir d’une signature magnétique de remonter à une information locale et à la cause des distributions de courant non uniformes. Des bases (vecteurs) qui contiennent les données des champs magnétiques issues des 30 capteurs disposés autour de la PAC sont construites à partir de distributions de courant spécifiques. Ces bases constituent un espace de représentation du comportement anormal de la PEMFC et permettront de d’élaborer des signatures caractérisant les fonctionnements indésirables. Ainsi, deux méthodes ont été développées pour permettre : (i) d’extraire des paramètres pertinents sur la répartition de la densité de courant traduisant les performances locales de la PAC, (ii) de classifier les différents modes de fonctionnements indésirables. La première méthode consiste à générer des résidus vectoriels en comparant le comportement réel du système (caractérisé par un vecteur mesure) avec les bases générées. Des variables qualitatives ont été élaborées pour classifier les modes de fonctionnement indésirables de la pile. La deuxième méthode consiste à extraire des paramètres à partir de la projection du vecteur mesure dans la direction des bases. La classification est réalisée dans des espaces 2D. Une validation des deux méthodes proposées a été effectuée à partir de mesures expérimentales sur une PEMFC de taille industrielle (stack GENEPAC de 40 cellules construit par le CEA et PSA). La pertinence des paramètres extraits a été vérifiée en s’appuyant sur des distributions de courant mesurées directement. Les modes de fonctionnement indésirables prédéfinis permettent de localiser les paramètres opératoires ayant conduit à l’évolution de la distribution de courant. Les outils ainsi réalisés sont très facilement transposables à d’autres piles PEMFC. / Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is a potential alternative energy conversion device for stationary and automotive applications. Wide commercialization of PEMFC depends on progress that can be achieved to enhance its reliability and durability. The PEM fuel cell is subject to several types of complex and not fully mastered degradations which vary with operating conditions. It is desirable to operate the PEMFC at uniform current distribution because non uniform current distribution over the MEA could result in poor reactant and catalyst utilization, overall cell performance degradation as well as corrosion processes inside the PEM fuel cell. Therefore, new diagnostic strategies must be proposed, including choice of information gathered on the system and the fuel cell operation representation. My research is to develop a new diagnostic tool based on a measure of the external electromagnetic field (non-invasive) radiated by the fuel cell. The magnetic field has the advantage of being correlated to the local distribution of the current flowing inside the fuel cell (a physical indicator to obtain information on local performance of a fuel cell); it is linked to the local operating conditions: relative humidity level, temperature etc. It is then possible, from a magnetic signature to trace local information. Baselines (vectors) which contain the magnetic fields data generated by specific current distribution are built to characterize the magnetic field generated by the undesirable operation of the fuel cell. Baselines constitute a representation space of abnormal system behavior. Two methods have been developed to enable: (i) to extract the relevant parameters on the distribution of the current density resulting from PEM fuel cell stack local performance, (ii) to classify different types of undesirables operations. The first method is to generate vector residuals by comparing the actual behavior of the system (characterized by a measurement vector) with the baselines generated. Qualitative variables were created to classify the undesirable modes of PEM fuel cell stack operation. The second method is to extract parameters from the projection of the vector in the direction of measurement baselines. The classification is performed in 2D space. Validation from experimental measurements of the two proposed methods has been carried out on a commercial scale PEMFC (GENEPAC stack of 40 cells built by the CEA and PSA). The relevance of the extracted parameters was verified based on current density distributions measured directly. The undesirable predefined operating modes were used to locate the operating conditions parameters that led to the evolution of the current density distribution. The tools are made easily transferable to other PEMFC stack.

Avec les avancées technologiques et la miniaturisation, le réseau d'interconnexions est devenu de plus en plus dense et complexe. Pour les domaines qui utilisent des applications à forts courants, comme l'automobile, les très fortes densités de courant dans les lignes métalliques peuvent conduire à des phénomènes comme l'électromigration, le voltage drop ou encore les surcharges électriques. La conception des circuits doit donc être réalisée en prenant en compte ces contraintes et en adaptant la largeur des lignes aux courants. Ce travail de thèse a eu comme objectif de développer des solutions pour la prise en compte des contraintes en courant lors de la phase de routage de blocs analogiques fort courants. Après une présentation des phénomènes impliqués et de l'état de l'art, une approche algorithmique pour l'aide au routage est introduite. Une méthode de caractérisation du courant est définie, un algorithme exhaustif de routage est présenté, puis utilisé pour effectuer des recherches de critères d'une bonne topologie. Deux algorithmes sont ensuite étudiés et comparés, un algorithme glouton, servant de référence, et un « Divide & Conquer » original. Il présente une amélioration d'environ 10% pour l'aire, et presque 27% en temps CPU par rapport à l'algorithme glouton. La section suivante s'intéresse à la correction du current crowding, avec une méthode basée sur un ensemble de modèles mathématiques. Enfin, un flot basé sur les solutions développées durant la thèse est présenté et validé. / In deep submicron VLSI circuits, excessive current density in interconnects is a major concern for analog high current application. If current over maximum density is not effectively mitigated, this can lead to phenomena like electromigration, voltage drop and electrical overload. It is a hot topic of interest in modern circuits due to the decrease of metal track sizes while high currents are necessary in automotive or mobile applications. This thesis had as goal to develop solutions for the consideration of the constraints in the current phase of routing analog blocks strong currents. After a presentation of the phenomena and the state of the art, an algorithmic approach to current driven net generation is introduced. A method to characterize the current is defined. Then an exhaustive routing algorithm is presented and used to search criteria for a good topology. Next, two algorithms are studied and compared, first a greedy algorithm, used as a reference, and a "Divide & Conquer" original algorithm. It shows results improved on average by about 10% for area and almost 27% for CPU time compared with existing solution. The next section focuses on current crowding correction, with a method based on a set of mathematical models. Finally, a conception flow based on the developed solutions is introduced and validated.

L'amiante est un matériau connu et utilisé par l'homme depuis près de 5000 ans, sa définition commerciale comprend six différents types de minéraux fibreux. En raison de leurs nombreuses propriétés thermiques et mécaniques, l'amiante a été exploité intensivement pour un usage industriel au cours du siècle dernier. Il est maintenant bien reconnu que l'exposition à l'amiante peut causer des dommages sévères pour la santé, son usage et exploitation sont donc bannis dans de nombreux pays et son exposition est strictement réglementée. L'application de ces divers règlements nécessite des méthodes d'analyse pour les soutenir. La microscopie électronique en transmission (MET) est l'outil le plus puissant et efficace pour l'analyse des fibres d'amiante. Des erreurs d’identifications causées par l’endommagement des fibres d'amiante peuvent cependant se produire, cette problématique a été étudiée en profondeur. Des fibres d'amiante amosite ont été initialement étudiées pour évaluer les dommages causés par le faisceau d'électrons du microscope électronique à transmission. Puisque les rapports d'intensité de rayons X élémentaires, obtenus par spectroscopie des rayons X en dispersion des énergies (EDS), sont couramment utilisés pour l'identification de l'amiante, l'impact de l’endommagement sur ces rapports a été mesuré. Il a été déterminé que le rapport magnésium/silicium était le plus sensible à l’endommagement causé par le faisceau d'électrons. Différents essais ont montré que la plupart des fibres ont un seuil de densité de courant au-dessus duquel la composition chimique de la fibre est modifiée. La valeur de ce seuil de densité de courant varie en fonction de la fibre. L'existence d'une valeur seuil de dose électronique a également été démontrée. Cette valeur est dépendante de la densité de courant utilisée, et peut être augmentée lorsqu’une période de récupération entre les expositions au faisceau d'électrons est octroyée. Cette étude a également permis d’établir que le courant du faisceau d'électrons est directement lié au taux d’endommagement au-dessus d'une densité de courant de 165 A/cm2. Des lignes directrices ont été établies afin de veiller à ce que les fibres d'amosite ne soient pas endommagées pendant l’analyse. Il a été déterminé que l'analyse doit être effectuée en dessous d'une densité de courant de 100 A/cm2. Dans la deuxième partie de cette étude, l'objectif principal était d'évaluer si la température est un facteur influençant l’endommagement des fibres d'amiante et, si oui, comment il peut être utilisé pour minimiser cet endommagement. Il a été constaté que l'abaissement de la température jusqu’à 123 K peut inhiber, pendant un temps donné, la manifestation de l’endommagement. La diminution significative de la diffusion des atomes à basse température empêche momentanément la perte de masse, ce qui réduit considérablement la possibilité d'une identification erronée des fibres d'amiante anthophyllite. Les résultats obtenus dans cette étude suggèrent fortement que le mécanisme d’endommagement prédominant est probablement lié au modèle d’endommagement par un champ électrique induit (DIEF). Dans un troisième temps, l'effet de la tension d'accélération sur l’endommagement de quatre types de fibres d'amiante différents; chrysotile, amosite, crocidolite et anthophyllite a été étudié. Les résultats démontrent que, contrairement à ce qui est généralement recommandé, il est préférable d'utiliser une tension d'accélération de 200 kV à 100 kV afin d'éviter l’endommagement. Les résultats mettent en lumière les mécanismes d'endommagement possibles; le plus prédominant semble être causé par un champ électrique induit, la radiolyse n’est toutefois pas exclue, mais semble de moindre importance et le « knock-on » est considéré comme négligeable dans les conditions utilisées. / Asbestos is a material known and used by man for nearly 5000 years, its commercial definition includes six different types of fibrous mineral. Because of their numerous thermal and mechanical properties, asbestos has been mined intensively for commercial use in the last century. It is now well recognized that asbestos exposure can cause severe damage to health and thus its use and exploitation is therefore banned in many countries and its exposure is strictly regulated. The application of those regulations requires rigorous analytical methods to support it. Transmission electron microscopy (TEM) is the most powerful and efficient tool for the analysis of asbestos fibers. However, identification errors caused by damage to asbestos fibers can occur and this problem has been investigated in depth. Asbestos amosite fibers were initially investigated to evaluate the damage caused by a transmission electron microscope electron beam. Since elemental x-ray intensity ratios obtained by energy dispersive x-ray spectroscopy (EDS) are commonly used for asbestos identification, the impact of beam damage on these ratios was measured. It was determined that the magnesium/silicon ratio was the most sensitive to damage caused by the electron beam. Various tests showed that most fibers have a current density threshold above which the chemical composition of the fiber is modified. The value of this threshold current density varied depending on the fiber. The existence of a threshold electron dose was also demonstrated. This value was dependent on the current density used and can be increased by providing a recovery period between exposures to the electron beam. This study also established that the electron beam current is directly related to the damage rate above a current density of 165 A/cm2. Guidelines were established in order to ensure that the amosite fibers are not damaged. It was determined that analysis should be conducted below a current density of 100 A/cm2. In the second part of this study, the main objective was to assess whether temperature is a factor influencing damage to asbestos fibers and, if so, how it can be used to minimize damage. It was found that lowering the temperature to 123 K can inhibit, for a given time, the manifestation of the damage. The significant decrease of atom diffusion at low temperature momentarily prevents mass loss, greatly reducing the possibility of misidentification of vi anthophyllite asbestos fibers. The results obtained in this study strongly suggest that the predominant mechanism damage is probably related to the induced-electric-field model. In a third part, the effect of the acceleration voltage on the damage of four different types of asbestos fibers; chrysotile, amosite, crocidolite and anthophyllite, was investigated. The results support the conclusion that contrary to what is usually recommended, it is best to use an acceleration voltage of 200 kV than 100 kV in order to avoid damage. The findings shed light on possible damage mechanisms; the most predominant seems to be caused by an induced electric field, radiolysis is not excluded but seems less important and knock-on is thought to be negligible for the conditions used.

La pile à combustible PEMFC est un convertisseur d'énergie qui présente des avantages indéniables pour faire partie des solutions mises en œuvre pour assurer un mixte énergétique décarbonné. Les nombreux auxiliaires du système de la pile génèrent des perturbations qui sont responsables directement ou indirectement des conditions défavorables sur le cœur de pile. Les performances et durée de vie de la pile peuvent être impactées. Dans l'objectif d'améliorer la co-conception de la pile avec son système, les interactions entre deux groupes du système et la pile sont étudiées dans ce travail : les interactions entre le groupe air et le cœur de pile. En particulier, l'étude s'est focalisée sur l'impact d'un fonctionnement en sous stœchiométrie en oxygène sur la performance et la durabilité de la pile et sur l'évolution des conditions locales du cœur de pile. Le couplage des différents essais expérimentaux (mesures de densité de courant, tests de vieillissement, études post-mortem) avec le modèle dynamique 2D a permis de mettre en évidence différentes zones de fonctionnement dans la pile. En effet, en entrée cathodique, durant un appauvrissement en oxygène, l'augmentation de la densité de courant peut devenir très importante impliquant une modification des conditions locales qui peuvent être très néfastes pour la pile. les interactions entre le convertisseur statique électrique et le cœur de pile. Plus particulièrement, les conséquences des oscillations de courant hautes fréquences générées par le convertisseur DC/DC sur la durabilité de la pile ont été étudiées. Des essais spécifiques de vieillissement longue durée ont permis de mettre en évidence une interaction entre les oscillations de courant et les dégradations réversibles de la pile.

Ce travail porte sur l'analyse du comportement en durabilité d'une cellule à oxydes solides en fonctionnement en mode Electrolyse de la vapeur d'eau à Haute Température (EHT). Il s'agit plus particulièrement d'identifier les paramètres influant sur la durabilité de la cellule et de comprendre les mécanismes associés, de manière à établir le meilleur compromis durabilité-performance. Un premier axe de recherche correspond à la caractérisation électrochimique initiale de la mono-cellule choisie pour l'étude, à savoir une cellule à électrode support de type LSFC/YDC/8YSZ/Ni-YSZ dont le comportement électrochimique est étudié sous diverses températures, conditions de gaz et densités de courant. Ensuite, la dégradation des performances est étudiée in situ par spectroscopie d'impédance électrochimique et voltampérométrie lors de diverses études séquentielles par paliers de 200 heures. L'influence du taux de conversion et de la densité de courant sur la dégradation des performances est ainsi analysée. Pour compléter cette étude, des analyses physico-chimiques et microstructurales post tests ont été réalisées sur des échantillons ayant fonctionné 1000 heures afin de faire le lien entre les modifications électrochimiques observées et les changements de structure et de composition des matériaux de cellule. Des hypothèses de mécanismes de dégradation ont ainsi pu être formulées.

Cette thèse est consacré à l’évaluation et l’amélioration de la performance de la machine synchrone à réluctance variable pour des applications à vitesse variable en général et pour les applications automobiles en particulier. Les deux axes de développement sont la conception de la machine et l’injection des harmoniques de courants de phase. Le rotor est un élément important dans la conception de la machine, et un intérêt particulier est dédié à la conception et l’évaluation du rotor pour améliorer la performance de la machine. Une méthode analytique est proposée dans la thèse pour concevoir le rotor. Plusieurs éléments tels que les ponts qui maintiennent le rotor mécaniquement résistant, ainsi que le rapport d’isolation d’axe q (rapport air-acier) sont étudiés. Une étude de conception assistée par ordinateur basé sur un problème d’optimisation paramétrique est présentée aussi. Les trois familles des algorithmes d’optimisation sont évaluées pour la procédure d’optimisation: un algorithme à base de gradient (algorithme de Newton Quasi), un algorithme non-évolutionnaire sur la base de non-gradient (Nelder Mead Simplex) et un algorithme évolutif sur la base non-gradient (algorithme génétique). Les designs de machines basées sur la procédure analytique et la procédure d’optimisation sont testés sur un banc d’essai. Le deuxième axe d’études de la thèse est l’injection d’harmoniques dans les courants de phase de la machine à réluctance variable synchrone. L’interaction des harmoniques de courant avec les harmoniques spatiales des inductances est étudiée et formalisée pour une machine à m-phases. Ensuite, le concept d’injection d’harmoniques est évalué dans le cas particulier d’une machine à deux phases. Cette étude montre l’avantage de l’injection d’harmoniques dans la réduction de l’ondulation de couple de la machine. Un design d’une machine est finalement développé pour une application automobile sur la base de l’optimisation paramétrique du stator et du rotor. Cette conception est évaluée pour les spécifications imposées électromagnétiques par une application de traction à puissance moyenne / This thesis is dedicated to the evaluation and the improvement of the synchronous reluctance machine’s performance for variable speed drive applications in general and for automotive applications in particular. The two axes of development are machine design and phase current harmonics injection. The rotor is an important element in the machine design and particular emphasis is placed to the design and evaluation of the rotor for enhancing the machine performance. An analytical procedure is proposed for the rotor design. The rotor elements like the ribs and the bridges that maintain the rotor mechanically strong as well as the q-axis insulation ratio (air-to-steel ratio) are studied. A computer-aided design study based on a parametric optimization problem is presented as well. The main three families of the optimization algorithms are evaluated for the optimization procedure: a gradient-based algorithm (Quasi Newton Algorithm), a non-gradient based non-evolutionary algorithm (Nelder Mead Simplex) and a non-gradient based evolutionary algorithm (Genetic Algorithm). The machine designs based on the analytical procedure and the optimization procedure are both manufactured and tested on a bench. The second axis of study of the thesis is the injection of harmonics in the phase currents of the synchronous reluctance machine. The interaction of current harmonics with the spatial inductance harmonics is studied and formalized for an m-phase machine. Then, the harmonics injection concept is evaluated in the particular case of a 2-phase machine. This study shows the benefi t of harmonics injection in the reduction of the machine torque ripple. A synchronous reluctance machine design is fi nally developed for an automotive application based on parametric optimization of the stator and rotor. This design is evaluated for the electromagnetic specifi cations imposed by a mid-power electric vehicle traction application