La production de membranes échangeuses de protons (PEM) robustes et présentant une conductivité élevée est essentielle pour le développement à grande échelle de dispositifs de stockage et de conversion de l’énergie tels que les piles à combustible (PEMFC) et les électrolyseurs (PEMWE). Ces travaux de thèse portent sur la préparation et la caractérisation de membranes composites préparées à partir d’acide perfluorosulfonique, à chaine latérale courte (SSC-PFSA), de type Aquivion®, et de fibres de polymères obtenues par filage électrostatique. Cette dernière technique permet de préparer des matériaux fibreux à porosité élevée, caractérisés par la présence de fibres de diamètres sub-micrométriques, et pouvant être utilisés comme renfort mécanique des membranes ionomères. Le polysulfone a été retenu comme constituant des fibres étant donné ses stabilités mécanique et chimique élevées d’une part et pour la possibilité de modifier ses propriétés physico-chimiques par fonctionnalisation, d’autre part. Ces membranes comportant une distribution homogène des nanofibres dans toute leur épaisseur ont été préparées à partir d’un procédé d’imprégnation Des membranes renforcées, Aquivion®-PSU, basées sur un PFSA dont le poids équivalent (EW) varie entre 700 et 870 g.mol-1 et dont la concentration massique de fibres varie entre 5 et 18 %, ont été préparées. Les membranes renforcées sont caractérisées par des faibles gonflements volumique et surfacique et par une rigidité plus élevée en comparaison des membranes non renforcées de même EW. La perméabilité a l’hydrogène a engluement été réduite. Les améliorations en terme de propriétés mécaniques et dimensionnelles n’ont pas amené à une diminution significatif de la conductivité protonique, qui été maintenue aux mêmes valeurs des membranes non renforcée. Les assemblage membrane-électrode (AME) préparés à partir de ces membranes composites ont montré des caractéristiques i/V intéressantes et prometteuses (1.76 V à 2 A/cm²).Des Polysulfones fonctionnalisés avec le 1,2,3 triazole portant des groupements alkyle ou aryle ont été préparés par une voie de synthèse rapide et a haute rendement assistée par micro-ondes. Les nanofibres electrofilées de PSU fonctionnalisé avec le 4-ethyl-1,2,3-triazole (PSUT), avec un degré de fonctionnalisation en espèce triazole de 0.3 et 0.9 par unité répétitive de PSUT ont été intégrées à une matrice Aquivion®. L’objectif de ces travaux est d’améliorer la stabilité mécanique des membranes composites à partir des interactions acido-basiques PFSA-PSUT (réticulation ionique). Les membranes Aquivion®-PSUT sont caractérisées par une rigidité, une dureté et une ductilité plus élevées en comparaison des membranes Aquivion® renforcées par les fibres de PSU non fonctionnalisées. Une diminution du gonflement volumique et surfacique a également été observée sans perte de la conductivité jusqu’à une concentration massique de fibres de 12 %. Les AME préparés à partir de membranes renforcées Aquivion®-PSUT (12%) sont caractérisés par les mêmes propriétés courant/tension, en monocellule de pile à combustible fonctionnant à 80 °C et 100 % d’humidité relative, que ceux préparés à partir d’Aquivion®. / The preparation of highly proton conducting and durable proton exchange membranes (PEM) for low temperature fuel cells (PEMFC) and electrolysers (PEMWE) is crucial for the large scale application of these energy conversion/storage devices. This PhD thesis focuses on the preparation and characterisation of composite membranes based on highly conducting Aquivion® short side chain perfluorosulfonic acid (PFSA) and polymer fibres obtained by electrospinning. This technique allows the preparation of highly porous mats of fibres with sub-micrometric diameters that can act as an efficient mechanical reinforcement for ionomer membranes. The chosen polymer is the mechanically robust and chemically stable polysulfone (PSU), which can also been functionalised to modify its physico-chemical properties. Reinforced PEM with fibres homogeneously dispersed through the entire membrane cross-section have been realised by a fast and efficient impregnation process.Aquivion®-PSU reinforced membranes based on PFSA with equivalent weight (EW) ranging from 700 to 870 g mol-1 and fibre loading ranging from 5 to 18 wt% have been prepared. They showed reduced volume and area swelling and higher stiffness with respect to non-reinforced membranes with the same EW. The hydrogen crossover was also reduced. The improvement in mechanical and dimensional properties was not detrimental for the in-plane proton conductivity that was kept at the same value of non-reinforced membranes. Membrane-electrode assemblies (MEA) based on these composite PEM show promising i/V characteristics in PEMWE (1.76 V at 2 A cm-2).Polysulfones functionalised with 1,2,3-triazole bearing alkyl and aryl ring substituents have been synthesized by a fast and high-yield chemical route involving the azide-alkyne cycloaddition reaction assisted by microwaves as last step. Electrospun nanofibers of polysulfone functionalised with 4-epthyl-1,2,3-triazole (PSUT) with a degree of functionalisation of 0.3 and 0.9 triazole moiety per PSUT repeat unit have been embedded into the Aquivion® matrix. The aim of this study was to further improve the mechanical properties of the membrane by PFSA-PSUT acid-base interactions (ionic crosslinking). Aquivion®-PSUT membranes showed enhanced mechanical stiffness, toughness and ductility with respect to Aquivion® membranes reinforced with the non-functionalised polymer with the same EW and fibre loading. Reduced volume and area swelling have also been observed with no drop of proton conductivity until a fibre loading of (12 wt%). MEA based on Aquivion®-PSUT reinforced membrane with 12 wt% fibre loading showed identical fuel cell polarisation curve with respect to a MEA based on Aquivion® at 80 °C and 100 % of relative humidity (RH).

et oxygène gazeux dans un électrolyte contenant principalement de la cryolithe (Na3AlF6) à ≈1000°C. Au fur et à mesure que l'aluminium liquide se forme, plus dense que le bain il se dépose au fond de la cuve d'électrolyse (la cathode) et peut induire des réactions secondaires qui vont influencer négativement l'efficacité du procédé comme la dissolution de l'Aluminium à l'interface Al/électrolyte et son transfert ultérieur dans l'électrolyte. Du fait de la température élevée et de la nature très corrosive et réactive de ces sels, la nature des espèces chimiques formées dans les bains en présence du métal fondu est difficilement accessible expérimentalement et les modèles proposés sont souvent controversés. C'est le but de l'étude décrite dans ce mémoire. Notre démarche s'est articulée selon deux directions : une approche " in situ " des bains fondus par RMN de 19F, 23Na et 27Al à haute température, suivie d'une caractérisation des phases solidifiées à température ambiante par microscopie ESEM, RMN MAS de 19F, 23Na et 27Al et DRX. Une étude par DSC a permis de suivre les modifications thermiques de la température ambiante jusqu'à 1050°C dans ces bains. Nous avons montré expérimentalement que, à haute température, le métal réagit fortement avec les bains riches en NaF par un enrichissement du bain en AlF3. L'évolution des déplacements chimiques des trois noyaux s'explique par la formation d'espèces aluminofluorées de types x AlFx −x = 3 ( 4,5,6) dans le liquide. Les analyses à température ambiante ont confirmé cet enrichissement et ont mis en évidence la présence de fines particules (<3μm) métalliques disséminées dans les bains. Dans le cas des fortes teneurs en AlF3, nous n'observons pas de réaction chimique entre le métal et le bain mais uniquement la présence de grosses particules d'Aluminium (≈ 30 μm) plus ou moins oxydées.

L'aluminium est fabriqué en phase liquide à 1000°C dans une cuve à électrolyse par réduction de l'alumine dissoute dans un bain fluoré contenant essentiellement de la cryolithe Na3AlF6. Les parois latérales des cuves d'électrolyse sont revêtues par des briques réfractaires, dites " dalles de bordure ", à base de SiC lié par Si3N4. Ces dalles, qui déterminent en grande partie la durée de vie de la cuve d'électrolyse, sont soumises à la corrosion par le bain, l'aluminium liquide et les gaz fluorés dégagés. Afin de contribuer à une meilleure connaissance des mécanismes de corrosion de ces dalles, l'étude des échantillons " post-mortem " prélevés des cuves industrielles a été effectuée. La mise au point d'un dispositif de simulation de corrosion en laboratoire a permis de suivre l'évolution du matériau en fonction de la composition de l'agent de corrosion. Ces études ont permis de mettre en évidence la forte réactivité de la phase liante de la dalle dans tous les zones de la cuve. Le rôle majeur de sodium, qui provient du bloc cathodique et la pâte de brasque, comme accélérateur de la corrosion de la dalle a été confirmé. La corrélation entre l'oxydation et la corrosion a été démontrée. La dissolution de SiO2 dans le bain fluoré a été étudiée par RMN haute température in situ et par RMN MAS à température ambiante sur les échantillons solidifiés. Nous avons montré la formation de phases aluminosilicatées (albite et néphéline) qui ont une solubilité non négligeable dans la cryolithe.

L’aluminium est fabriqué en phase liquide à 1000°C dans une cuve à électrolyse par réduction de l’alumine dissoute dans un bain fluoré contenant essentiellement de la cryolithe Na3AlF6. Les parois latérales des cuves d’électrolyse sont revêtues par des briques réfractaires, dites « dalles de bordure », à base de SiC lié par Si3N4. Ces dalles, qui déterminent en grande partie la durée de vie de la cuve d’électrolyse, sont soumises à la corrosion par le bain, l’aluminium liquide et les gaz fluorés dégagés. Afin de contribuer à une meilleure connaissance des mécanismes de corrosion de ces dalles, l’étude des échantillons « post-mortem » prélevés des cuves industrielles a été effectuée. La mise au point d’un dispositif de simulation de corrosion en laboratoire a permis de suivre l’évolution du matériau en fonction de la composition de l’agent de corrosion. Ces études ont permis de mettre en évidence la forte réactivité de la phase liante de la dalle dans tous les zones de la cuve. Le rôle majeur de sodium, qui provient du bloc cathodique et la pâte de brasque, comme accélérateur de la corrosion de la dalle a été confirmé. La corrélation entre l’oxydation et la corrosion a été démontrée. La dissolution de SiO2 dans le bain fluoré a été étudiée par RMN haute température in situ et par RMN MAS à température ambiante sur les échantillons solidifiés. Nous avons montré la formation de phases aluminosilicatées (albite et néphéline) qui ont une solubilité non négligeable dans la cryolithe. / Aluminum is produced in liquid phase at 1000 °C in an electrolysis cell by reduction of alumina dissolved in a bath containing essentially cryolite Na3AlF6. The sidewalls of the electrolysis cells are lined with refractory bricks, called « edge slabs », based on Si3N4 bonded SiC. These slabs, which largely determine the lifetime of the electrolysis cell, are submitted to corrosion by the bath, the liquid aluminum and fluoride gas released. To contribute to a better understanding of the corrosion mechanisms of these slabs, the study of postmortem samples from industrial cells has been completed. A specific furnace for corrosion measurements in molten fluorides has been developed in order to characterize the evolution of the refractory with the composition of the corrosion agent. These studies highlight the high reactivity of the binding phase of the slab in all parts of the cell. The role of sodium, which comes from the cathode block and the ramming paste, and acts as an accelerator of corrosion has been confirmed. The correlation between oxidation and corrosion has been demonstrated. The dissolution of SiO2 in the cryolitic bath has been studied in situ by NMR at high-temperature and by NMR MAS on solidified samples at room temperature. We have shown the formation of aluminosilicate phases (albite and nepheline) which have a significant solubility in cryolite.

La mise au point récente d’une nouvelle technique permettant l’enrichissement de l’eau en oxygène par électrolyse relance l’intérêt de recherches sur les bénéfices potentiels de cette modalité d’oxygénation. Dans ce contexte, nos objectifs étaient de caractériser les effets de cette eau enrichie en oxygène sur la respiration mitochondriale, l’oxygénation tissulaire périphérique lors d’un état de stabilité hémodynamique, et sur la performance et la production de stress oxydant lors d’un exercice physique. Les résultats mettent en évidence un effet de l’administration de l’eau enrichie en oxygène par électrolyse au niveau cellulaire et tissulaire.Le mécanisme, expliquant à la fois une meilleure affinité de la mitochondrie pour l’oxygène et les effets sur l’oxygénation périphérique, pourrait être dû à un effet qualitatif sur la diffusion de l’oxygène au niveau tissulaire. / The recent development of a new technique for enriching water in oxygen by electrolysis relaunch the research interest on the potential benefits of this modality of oxygenation. In this context, our objective was to characterize the effects of 02-water on mitochondrial respiration, peripheral tissue oxygenation during a state of hemodynamic stability, and on the performance and the production of oxidative stress in a sub-maximal exercise. The results show an effect of the administration of water enriched in oxygen by electrolysis at the cellular and tissue level. The mechanism explaining both a better affinity of mitochondria for oxygen and the effects on peripheral oxygenation could be due to aqualitative effect on the diffusion of oxygen at the tissue level.

Cette thèse porte sur l’étude et le développement d’électrocatalyseurs à base d’iridium pour la réaction de dégagement de dioxygène (OER) dans les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons. En raison de la dégradation marquée des électrocatalyseurs en conditions OER, nous nous sommes particulièrement intéressés à la recherche d’un compromis optimal entre activité catalytique et stabilité. Différents électrocatalyseurs (supportés sur noir de carbone, supportés sur oxydes métalliques dopés et non-supportés) ont été synthétisés et caractérisés par des méthodes électrochimiques et physico-chimiques, notamment par spectroscopie photoélectronique X, microscopie électronique en transmission à localisation identique et spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif. Les électrocatalyseurs supportés sont les moins stables en conditions OER, notamment du fait de l’agglomération, la coalescence, la dissolution et le détachement des nanoparticules d’oxyde d’iridium. Ces deux derniers mécanismes de dégradation sont exacerbés par la corrosion des supports carbonés et la dissolution des éléments composant les supports oxydes métalliques dopés. Les électrocatalyseurs non-supportés offrent ainsi le meilleur compromis entre activité et stabilité. Les degrés d’oxydation Ir(III) et Ir(V) ont été identifiés comme les plus actifs pour l’OER en électrolyte acide tandis que l’oxyde Ir(IV) est le plus stable, l’espèce la moins stable étant l’iridium métallique Ir(0). La dégradation des couches catalytiques en cellule d’électrolyse PEM ne semble impacter que très peu les performances globales d’électrolyse par rapport à la dégradation des collecteurs de courant. / This thesis focuses on the study and the development of iridium-based electrocatalysts for the oxygen evolution reaction (OER) in proton exchange membrane water electrolyzers. This work investigates in particular electrocatalyst degradation phenomena and aims at reaching an optimal OER activity-stability ratio. Various electrocatalysts (supported on high-surface area carbon, supported on doped-metal oxides and unsupported) have been synthetized and characterized by electrochemical and physico-chemical methods such as X-ray photoelectron spectroscopy, identical-location transmission electron microscopy and inductively coupled plasma mass spectrometry. Supported electrocatalysts feature stability limitations in OER conditions as revealed by agglomeration, coalescence, dissolution, and detachment of iridium oxide nanoparticles, these last two degradation mechanisms being amplified by corrosion of the carbon supports and dissolution of the elements composing the doped metal oxide supports. Unsupported electrocatalysts currently represent the best compromise between OER activity and stability. Ir(III) and Ir(V) oxides were shown to be the most active towards the OER while Ir(IV) oxide is the most stable, the least stable species being metallic iridium Ir(0). In real PEM water electrolyzers, the global electrolysis performance seems to be less impacted by the degradation of catalytic layers than the degradation of current collectors.

Ce travail s’inscrit dans le cadre de l’étude d’un système de stockage et de restitution des surplus d’énergie électrique de sources renouvelables. L’objectif de l’étude est d’évaluer la capacité du concept à absorber l’intermittence de la production électrique à travers l’analyse de la flexibilité des procédés choisis. En phase de stockage, l’unité utilise un procédé d’électrolyse basse température à membrane échangeuse de proton (PEM) pour produire l’équivalent de 200 MW d’hydrogène. Ce gaz sera combiné au dioxyde de carbone dans une série de réacteurs de méthanation pour former l’équivalent de 155 MW de substitut de gaz naturel. La phase de déstockage est réalisée au sein d’un cycle d’oxy-combustion d’une puissance installée de 480 MW. Ce cycle permet de restituer l’énergie contenue dans les gaz stockés et de produire le CO2 requis pour le procédé de méthanation. L’étude énergétique en régime stationnaire de cette installation montre que l’efficacité du procédé d’électrolyse atteint 69,3%, celle du procédé de méthanation 82,2% et celle du cycle d’oxy-combustion 51,8% sur PCS. L’analyse en régime transitoire de la phase Power-to-Gas permet d’identifier les stratégies de contrôle adaptées aux variations temporelles de conditions opératoires. Ces stratégies visent à permettre au système de couvrir des plages de fonctionnement plus larges et d’absorber plus de puissance électrique. Il s’est avéré que la production du méthane de synthèse peut s’étendre sur des plages de fonctionnement allant de 48% à 100% de la puissance nominale sans aucun apport énergétique extérieur. Le cas d’étude réalisé pour le couplage de l’unité avec un parc éolien de 300 MW permet d’évaluer les performances du Power-to-Gas en fonction de la variation de la source électrique. / The present work deals with the conceptual study and process design of a storage and recovery unit for renewable energy. The suggested concept is able to absorb the intermittency of the electrical production as a result of the flexibility of the chosen processes. During the storage phase, the unit uses a Proton Exchange Membrane electrolysis system to produce 200 MW of hydrogen, which will then be combined to carbon dioxide in a series of methanation reactors to generate up to 155 MW of Substitute Natural Gas. The recovery phase is carried out in a 480 MW oxy-combustion cycle which is not only able to restore the electrical energy but also provides the required carbon dioxide for the methanation process. The conducted steady state evaluation as well as the sensitivity analysis for the studied plant showed that the overall efficiency on HHV basis can reach up to 69.3% for the electrolysis process, 82.2% for the methanation process and 51.8% for the oxy-combustion cycle. The follow-up unsteady state analysis of the Power-to-Gas process aimed to identify the necessary control strategies adapted to operating conditions variation over time. Such strategies should enable the system to cover a wider load range and subsequently absorb more electrical power. It was found that, by making the right adjustments, the production of synthetic methane can be fulfilled at ranges between 48% and 100% of the nominal power without any external energy requirement. A case study was carried out where the unit was coupled with a 300 MW wind to assess the performance of the Power-to-Gas process under fluctuating electrical source conditions.

L'objectif de ce travail est d'étudier les différents éléments techniques et économiques pour la production massive d'hydrogène par le procédé d'Electrolyse Haute Température (EHT) et la possibilité d'utiliser différentes sources d'énergie thermique pour évaporer l'eau nécessaire au procédé. Parmi les sources d'énergie thermique envisagées, nous avons retenu les unités d'incinération de biomasse et de déchets ménagers, les réacteurs nucléaires à « Eau Pressurisée » (European Pressurised Reactor - EPR) et au sodium liquide (Sodium Fast Reactor - SFR). Pour chacune de ces sources, nous avons développé une étude technique concernant la production de la vapeur et ses caractéristiques. Ensuite, nous présentons la description du formalisme permettant le dimensionnement, l'évaluation économique et la modélisation des équipements constituant le procédé EHT, en particulier l'électrolyseur constitué par les cellules d'électrolyse à oxydes solides (anglais - SOEC). Finalement, le couplage des sources d'énergie thermiques avec le procédé EHT est réalisé et le coût de production d'hydrogène est déterminé pour chacune de ces sources. Ensuite, sont examinées successivement les influences du débit d'hydrogène produit, de la densité de courant imposée aux cellules, leur coût de production et leur durée de vie, du coût de l'électricité et des coûts de maintenance sur la compétitivité du procédé. Notre étude montre que le coût de production du kilogramme d'hydrogène est principalement influencé par le coût d'énergie thermique inhérent aux sources d'énergie, alors qu'il est moins influencé par la température de la vapeur produite. Il s'avère que le coût de l'électricité nécessaire au fonctionnement du procédé et la durée de vie des électrolyseurs constituent des paramètres clés pour rendre le procédé compétitif. En effet, l'électricité représente une contribution de plus de 70% dans le coût total de production d'hydrogène. La durée de vie maximale de l'électrolyseur de 3 ans au lieu de 1 an actuellement, permettrait de diminuer de 34% le coût de production d'hydrogène, mais des améliorations sur la durée de vie de 5 ans voire 10 ans ne permettraient que des réductions sur le coût de production d'environ 8%.

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 technologie de l'électrolyse de la vapeur d'eau à haute température (EVHT) est unesolution alternative à la production d'hydrogène. Le principe est inversé à celui d'une pile àcombustible de type SOFC : on utilise la vapeur d'eau et de l'électricité afin de produire del'hydrogène. Une difficulté technique majeure repose sur la mise au point d'interconnecteursfonctionnant efficacement sur le long terme. Sur le plan électrique, l'interconnecteur doitprésenter une valeur de résistance de contact aux électrodes la plus faible possible, car elleaffecte directement le rendement de conversion électrochimique (eau en hydrogène) et peutpénaliser le procédé. Il ne doit donc pas présenter une cinétique d'oxydation élevée ni formerdes oxydes isolants électriquement. Sur le plan chimique, l'interconnecteur doit être résistantà l'oxydation sous atmosphère riche en oxygène côté anode et riche en vapeur d'eau côtécathode. De plus, le problème de la volatilisation des oxydes de chrome, qui peuvent diffuseret empoisonner les électrodes, déterminant ainsi une réduction de l'activité électrochimique etdes performances du " stack " sur des longues durées de fonctionnement, doit être réduit. Latempérature de fonctionnement comprise entre 700 et 900°C permet l'utilisationd'interconnecteurs métalliques, qui présentent l'avantage d'une mise en oeuvre plus facile etd'un coût plus faible par rapport aux interconnecteurs céramiques.Dans cette étude, deux matériaux ont été testés en tant qu'interconnecteurs pour lessystèmes EVHT : un acier ferritique chromino-formeur K41X et un alliage Fe-Ni-Co necontenant pas de chrome. Le comportement envers la corrosion à haute température et laconductivité électrique des deux alliages ont été évalués à 800°C sous un mélange 95%O2-5%H2O, pour le côté anodique, et 10%H2-90%H2O, pour le côté cathodique. Pour l'alliageK41X, l'effet de l'état initial de la surface des échantillons sur la nature des oxydes formés àhaute température sous mélange H2-H2O a été pris en compte, à travers une comparaison desalliages bruts de laminage avec des surfaces polies miroir. L'effet d'une pré-oxydation decourte durée à 800°C sur le comportement à haute température de l'alliage K41X brut deréception sous atmosphère H2-H2O a également été évalué. Mais, le travail le plus original decette étude a consisté à effectuer des essais de marquage à l'or et des marquages isotopiquessous mélange H216O-H218O, H2-D2O et D2-H2O. Ces tests ont permis d'étudier lesmécanismes responsables de la croissance de la couche de corrosion de l'alliage K41X brut deréception et poli miroir à 800°C sous atmosphère H2-H2O et d'évaluer le rôle de la vapeurd'eau et de l'hydrogène dans le mécanisme d'oxydation