Dans un contexte industriel en évolution permanente, les aciers austénitiques Fe-Mn-C sont développés afin d’obtenir une résistance mécanique élevée tout en conservant une ductilité considérable. Cependant, ces aciers présentent une sensibilité à différentes formes d'endommagement par l'hydrogène, notamment la corrosion sous contrainte. L'objectif de cette étude est de caractériser l'influence de la composition chimique et de l'état microstructural de ces alliages sur leur sensibilité aux phénomènes de fragilisation par l’hydrogène (FPH), lorsqu’ils sont soumis à des phénomènes de corrosion aqueuse. Ce travail est introduit par une présentation générale de la métallurgie des aciers austénitiques Fe-Mn-C ainsi que des méthodes expérimentales utilisées. Le traçage isotopique de l’hydrogène avec du deutérium par analyse SIMS a permis d’étudier les mécanismes de diffusion de l’hydrogène dans ces alliages. L’étude du comportement en corrosion aqueuse de ces alliages, par des tests électrochimiques et des immersions au potentiel libre dans des environnements aqueux deutérés, a mis en évidence l’influence des éléments d’addition sur la prise d’hydrogène associée à la corrosion.La sensibilité à la FPH de ces aciers a été caractérisée par des essais de traction in situ. Ils montrent que les interactions hydrogène-plasticité ont un rôle essentiel sur les mécanismes régissant la FPH. Cette étude a également montré une forte influence des éléments d’addition sur la FPH. Finalement, les résultats de cette étude nous ont permis de discuter des mécanismes associés à l’influence des éléments d’addition sur la sensibilité à la FPH de ces aciers. / The automotive industry is a sector in constant evolution, in which the lightening of structures by the use of new alloys, in order to save energy, is one of the main objectives. In this context, austenitic Fe-Mn-C steels are developed in order to obtain high mechanical strength associated with considerable ductility. However, these steels are sensitive to different forms of hydrogen damage, in particular stress corrosion cracking. The objective of this study is to characterize the influence of the chemical composition and the microstructural state of these alloys on their sensitivity to hydrogen embrittlement (HE) phenomena associated with corrosion process in aqueous media. This work starts with a general presentation of the metallurgical properties of austenitic Fe-Mn-C steels and of the experimental techniques. Then, the isotopic tracing of hydrogen with deuterium by SIMS analysis allowed studying hydrogen diffusion mechanisms in these alloys. The corrosion of these steels in aqueous media have been studied by electrochemical tests and immersions at the rest potential in deuterated solution ; the influence of alloying elements on the hydrogen absorption during corrosion war characterized in detail. In situ tensile tests were used to characterize the HE susceptibility of these steels. They show that hydrogen-plasticity interactions play a predominant role in the HE mechanisms. This study also showed a strong influence of alloying elements on HE. Finally, the results of this study allowed discussing the mechanism involved in the role of alloying elements on the HE susceptibility of these steels.

This work presents theoretical and experimental findings pertaining to the possible replacement of conventional, automotive fuels by solid, light alkaline-metal borohydrides (EM+,B3+/H-). On a complete oxidation basis, and under certain arrangements, the latter fuels have volumetric energy capacities that exceed the most recognized, automotive constraints; furthermore, the solid metal oxide products (EM+,B3+/02-) have the potential to be regenerated off-board to their respective hydrides via electrolytic reverse complete oxidation processes. Electrolytic reverse complete oxidation processes are conceptualized as water electrolysis and electrolytic reverse combustion or electrolytic reverse hydrolysis unit operations in series. To more clearly express these mostly electrochemical fuel-cycles, a thermodynamic reaction model was contrived. To investigate the electrolytic reverse hydrolysis hypothesis, attempts were made to prepare metal-supported, electrolytic reverse hydrolysis anode compartments. The glycine nitrate process facilitated the synthesis of nickel iron oxide (anode) and select doped ceria fluorite and double-doped LaGaO3 perovskite (solid oxygen anion electrolytes) powders. Hydridic electrolyte compositions belonging to the Na2BH5-Na413205 quasi-binary system were synthesized from NaH, NaBH4 and NaB02. Analyses for the materials' compatibilities and solubilities studies (823 + 10 °K, 1.00 f 0.01 MPa) included induction coupled plasma, inert x-ray diffraction, and scanning electron microscopy. NaH reduces magnetite to austenite; hence, the most promising solid oxygen anion electrolyte, Lao7Sro3GauFeo3Mgo 103.6 (LSGFM), cannot be in direct contact with these hydridic electrolytes. The other oxides of Lao8Sro2Ga08Mg0203.6 are significantly soluble in these melts, but either a quenching or an electrochemical technique will be required to more accurately assess their values. For the preparation of small, metal-supported, electrolytic reverse hydrolysis anode compartments, suspension plasma spraying was used for the depositions of the anode and solid oxygen anion electrolyte layers. Energy dispersive x-ray spectroscopy, scanning electron microscopy, and x-ray diffraction were used for the analyses of the resultant coatings' characteristics. In consequence of LSGFM's remarkable specific conductivity at — 673 °K, a solid oxygen anion electrolyte-supported, electrolytic reverse combustion or electrolytic reverse hydrolysis anode compartment design may be considered, but this will require the addition of a protective, solid oxygen anion electrolyte layer. The thermodynamic analyses has identified scandia stabilized zirconia as the most auspicious solid oxygen anion electrolyte; hence, understanding the nature of the anhydrous Sc)+,Zr4*,B3+,Na+,H+/H",02" system at 723 ± 50 °K and < 1.0 MPa is paramount to further efforts regarding electrolytic reverse hydrolysis or electrolytic reverse combustion proof-of-concept studies. [symboles non conformes]

L’utilisation des combustibles fossiles (énergies non renouvelables) est responsable de l’augmentation de la concentration en gaz à effet de serre dans l’atmosphère. Parmi les solutions de remplacement envisagées, l’hydrogène apparaît comme le vecteur énergétique le plus séduisant. Son stockage dans des intermétalliques permet d’obtenir des capacités massiques et volumiques (e.g. 140 g/L) supérieures à celles obtenues en voie liquide ou sous pression (respectivement 71 et 40 g/L). Nous avons élaboré des composés à base de Mg et de terres rares (e.g. Y, Ce et Gd) dérivant des phases de Laves cubiques AB2. Leurs propriétés physico-chimiques ont été étudiées (hydruration, électrochimie, magnétisme, …). Les conditions de sorption (P et T) se sont révélées particulièrement favorables (i.e. absorption à température ambiante et pression atmosphérique). Par ailleurs, afin d’améliorer la cinétique de sorption du magnésium métallique, les composés précédemment élaborés ont été utilisés comme catalyseurs. Ainsi, GdMgNi4 a été co-broyé avec du magnésium et les vitesses d’absorption et de désorption du composite sont supérieures à celles obtenues pour les composites Mg+Ni ou Mg+V qui sont des références. Une approche théorique (DFT) a permis de modéliser la structure électronique des composés ternaires (i.e. TRMgNi4) et ainsi de prédire ou de confirmer les résultats expérimentaux. Enfin nous avons étudié de nouveaux intermétalliques riches en terre rare (TR4MgNi) dont les capacités d’absorption en hydrogène sont élevées (2H/M). / The use of fossil fuels (non-renewable energy) is responsible for increasing the concentration of greenhouse gases in the atmosphere. Among the considered alternatives, hydrogen is seen as the most attractive energy vector. The storage in intermetallics makes it possible to obtain mass and volume capacities (e.g. 140 g/L) higher than those obtained by liquid form or under pressure (respectively 71 and 40 g/L). We have synthesised Mg and Rare Earth based compounds (RE = Y, Ce and Gd), derived from the cubic Laves phases AB2. Their physical and chemical properties have been studied (hydrogenation, electrochemistry, magnetism, ...). The conditions of sorption (P and T) are particularly favorable (i.e. absorption at room temperature and atmospheric pressure). Besides, to improve the sorption kinetics of metallic magnesium, the compounds developed previously were used as catalysts. Thus, GdMgNi4 was milled with magnesium and the speeds of absorption and desorption of the mixture are found higher than those obtained for the composites Mg+Ni or Mg+V, which are reference systems. A theoretical approach (DFT) was used to model the electronic structure of the ternary compounds (i.e. REMgNi4) and thus to predict or confirm the experimental results. Finally we have studied new intermetallics rich in rare earth (RE4MgNi) whose hydrogen absorption capacities are high (2H/M).

L'utilisation des combustibles fossiles (énergies non renouvelables) est responsable de l'augmentation de la concentration en gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Parmi les solutions de remplacement envisagées, l'hydrogène apparaît comme le vecteur énergétique le plus séduisant. Son stockage dans des intermétalliques permet d'obtenir des capacités massiques et volumiques (e.g. 140 g/L) supérieures à celles obtenues en voie liquide ou sous pression (respectivement 71 et 40 g/L). Nous avons élaboré des composés à base de Mg et de terres rares (e.g. Y, Ce et Gd) dérivant des phases de Laves cubiques AB2. Leurs propriétés physico-chimiques ont été étudiées (hydruration, électrochimie, magnétisme, ...). Les conditions de sorption (P et T) se sont révélées particulièrement favorables (i.e. absorption à température ambiante et pression atmosphérique). Par ailleurs, afin d'améliorer la cinétique de sorption du magnésium métallique, les composés précédemment élaborés ont été utilisés comme catalyseurs. Ainsi, GdMgNi4 a été co-broyé avec du magnésium et les vitesses d'absorption et de désorption du composite sont supérieures à celles obtenues pour les composites Mg+Ni ou Mg+V qui sont des références. Une approche théorique (DFT) a permis de modéliser la structure électronique des composés ternaires (i.e. TRMgNi4) et ainsi de prédire ou de confirmer les résultats expérimentaux.

Les aciers THLE ont la particularité de posséder à la fois une bonne ductilité et de hautes caractéristiques mécaniques. Ceci les rend particulièrement adaptés pour l'industrie automobile, dont les principales exigences sont l'allègement du véhicule et la sécurité des passagers. Toutefois, il est bien connu que l'augmentation des caractéristiques mécaniques accroît la susceptibilité à la fragilisation par l'hydrogène. Ce travail de thèse est consacré à l'étude de la susceptibilité vis-à-vis de la fragilisation par l'hydrogène de quatre aciers THLE : un DP, un TRIP, un CP et le BAS 100, un acier enrichi en vanadium et chrome. Un acier aux propriétés mécaniques plus modestes, dénommé HE (Haute Elasticité) a servi de référence. Les caractéristiques de transport de l'hydrogène dans ces aciers ont été étudiées, grâce à des essais de perméation électrochimique avec chargement en milieu acide, éventuellement additionné d'un promoteur d'hydrogénation (l'arsenic). Comme observé sur d'autres aciers, il faut souligner l'absence de conditions d'entrée stationnaires, dont il faut tenir compte dans l'évaluation des caractéristiques de diffusion. La diffusivité à température ambiante est apparue élevée pour tous les aciers, et une corrélation a été établie entre la microstructure et la diffusivité de l'hydrogène dans le matériau : plus la microstructure est fine et complexe, moins la diffusivité est élevée. De plus, l'évaluation des concentrations subsurfaciques sur les courbes en présence d'arsenic a révélé des valeurs relativement élevées pour les trois aciers aux caractéristiques mécaniques les plus élevées (TRIP 800, CP 800 et BAS 100). Ces valeurs sont conformes avec les teneurs en hydrogène diffusible mesurées par dosage juste après la perméation. Les dosages d'hydrogène résiduel, réalisés par désorption thermique sous vide après perméation, ont par ailleurs indiqué que le piégeage profond dans ces aciers était peu important, même après chargement sous polarisation et en présence d'arsenic. Ceci peut s'expliquer par des structures très bien élaborées, très fines et comportant peu de défauts. Des essais de traction ont montré qu'une hydrogénation sévère (en présence d'un promoteur) était nécessaire pour obtenir une fragilisation notable des aciers THLE. Hormis les cas extrêmes de dégradation spontanée par HIC (cloquage, fissuration), la fragilisation est imputable à l'hydrogène diffusible ou faiblement piégé car les teneurs en hydrogène piégé profondément restent négligeables. Dans les conditions industrielles, en décapage acide HCl en présence d'inhibiteurs, les résultats de perméation, de dosage et de traction s'accordent à montrer l'absence de fragilisation sur ce type d'acier. Les inhibiteurs testés semblent jouer un rôle de barrière physique, par adsorption sur le métal nu, limitant ainsi tant l'entrée d'hydrogène que la corrosion.

Les matériaux à base de bore et d'azote présentent un grand potentiel et donc un grand intérêt pour des applications énergétique et en particulier dans le domaine du stockage de l'hydrogène. L'ammoniaborane (NH3BH3) s'est révélé, au milieu des années 2000, comme un matériau avec une grande capacité gravimétrique (19,6%m) et volumétrique (140 g.L-1) en hydrogène. Au cours de l'analyse de la bibliographie nous nous sommes aperçus que tous les travaux sur l'ammoniaborane portés sur sa déstabilisation thermique, nous avons donc choisi une approche originale en nous concentrant sur la stabilisation thermique de l'ammoniaborane. Mon travail de thèse a consisté à revisiter la synthèse de l'ammoniaborane pour en dégager les meilleurs paramètres de synthèse (précurseurs de bore et d'azote, solvant et température) possible en vue d'obtenir une température de début de déshydrogénation la plus haute possible. En effet, en faisant varier certains précurseurs nous avons pu observer une modification de la température de début de déshydrogénation et donc de la stabilité thermique de l'ammoniaborane. Après avoir déterminé les meilleurs paramètres de synthèses nous avons entrepris une étude thermique et thermolytique afin de comprendre quel(s) facteur(s) étai(en)t à l'origine de cette différence de stabilisation. Pour cela nous avons effectué une étude d'analyse thermogravimétrique couplée à un spectromètre de masse afin de déterminer le mécanisme de déshydrogénation et une étude en conditions isotherme afin de vérifier la stabilité des ammoniaboranes que nous avons synthétisés. Dans un troisième temps nous avons effectué une étude spectroscopique de surface, grâce à l'XPS et du matériau dans son ensemble, grâce à la RMN-MAS à l'état solide des noyaux de bore 11 et d'azote 15. Ces études nous ont permis de déterminer un nouveau mécanisme de déshydrogénation de l'ammoniaborane pour des expériences en conditions isotherme. / Boron and nitrogen based-materials offer a great potential and interest in energy applications and in particular in the field of hydrogen storage. The ammonia borane (NH3BH3) was revealed, in the mid 2000s, as a material with high gravimetric (19.6%m) and volumetric (140 g.L-1) capacities in hydrogen. During the analysis of the literature we realized that all studies on ammonia borane treated on its thermal destabilization, so we chose an original approach by focusing our work on the thermal stabilization of ammonia borane. My thesis work focused on the synthesis of ammonia borane to identify the best synthesis parameters (boron and nitrogen precursors, solvent, and temperature) for the highest possible onset temperature. Indeed, by varying some precursors we observed a change in the onset temperature and therefore in the thermal stability of the ammonia borane. After determining the best synthesis parameters we undertook thermal and thermolytic studies to understand which factor(s) is(are) responsible for the stabilization's differences. For this, we performed thermogravimetric analysis coupled to mass spectrometer studies to determine the dehydrogenation mechanism and studies in isothermal conditions to verify the stability of our ammonia boranes. Thirdly we performed a spectroscopic study by XPS and solid state MAS-NMR of boron 11 and nitrogen 15. These studies allowed us to identify a new mechanism of dehydrogenation of ammonia borane for experiments in isothermal conditions.

La croissance des unités de distribution des ressources énergétiques ainsi que l'intégration des nouvelles technologies dans la production et le stockage d'énergie, ont imposé un contrôle nouveau et de nouvelles stratégies opérationnelles. Grâce à sa capacité de stockage et étant considérée comme une énergie propre; la pile à combustible (Pac) est l'une des technologies les plus prometteuse en tant que source d'énergie stationnaire dans les réseaux micro et aussi dans les applications de transport. Par conséquent, deux sujets principaux sont abordés dans cet ouvrage, la conception et l'installation d'un banc d'essai complet instrumenté a membrane échangeuse de polymère (PEM) Pac et de conception et l'essai expérimental d'une nouvelle stratégie de contrôle dynamique d'échange de l'énergie pour les systèmes multi - source et multi - charge. Pour définir le test instruments banc exigences, un examen complet de modèle dynamique est donné dans la première partie. Dans la prochaine section seront inclues, les renseignements concernant la configuration de la conception et la mise en œuvre de banc d'essai de Pac, i.e., critères de spécification des instruments, acquisition, et affichage des données du système. Des résultats expérimentaux sont réalisés afin de démontrer les potentialités de l'installation. Dans le chapitre suivant, une nouvelle stratégie de contrôle dynamique de l'énergie d'échange (DSER) sera introduite et testée par simulation et expérimentalement dans un système à deux ports. Afin d'établir une comparaison et d'intégrer la DSER dans une application Pac, un système à trois ports - y compris un modèle statique de Pac - et deux différentes approches de contrôle, seront testés par simulation dans le cinquième chapitre. La thèse s’achèvera par quelques conclusions et quelques thèmes de recherche potentiels générés à partir de ce travail. / The growth of distributed energy resources together with the incorporation of new technologies in the generation and storage of energy are imposing new control and operational strategies. Due to its storage capability and that it is considered to be clean energy; fuel cell (FC) is one of the most promissory technologies as a stationary energy source in micro grids and also in transportation applications. Therefore, two main issues are addressed in this work; the conception, design, and setup of a fully instrumented test bench for proton exchange membrane (PEM) FC stacks and the design and experimental test of a new dynamic energy-exchange control strategy for multi source and multi load systems. To define the test bench instrument requirements, in the first part a complete dynamic model review is given. In the next section, relevant information regarding the setup of the FC test bench design and implementation is included, i.e., specification criteria of the instruments and acquisition and data display system. Some experimental results are performed in order to demonstrate the potentialities of the setup. In the following chapter, a new dynamic energy exchange control strategy (DSER) is introduced and tested in a two port system via simulation and experimentation. In order to establish a comparison and integrate the DSER in a FC application, in the fifth chapter a three port system – including a static model of FC – and two different control approaches, are tested via simulation. The thesis is closed with some concluding remarks and some potential research topics generated from this work.

Aujourd'hui, la diminution des ressources d'énergies fossiles corrélée à l'augmentation des besoins et à l'augmentation du taux de CO2 dans l'atmosphère nous poussent à développer de nouvelles énergies.L'utilisation de l'hydrogène comme vecteur énergétique est une solution. En effet, celui-ci est abondant et sa combustion est très énergétique (3 fois supérieure au pétrole). Cependant, son utilisation se heurte à des problèmes de production, de stockage et d'utilisation. Nous nous sommes ici intéressés au problème du stockage de l'hydrogène à l'état solide. Celui-ci permet d'obtenir des capacités volumiques de stockage importantes (environ 140 g/L) mais est freiné par des capacités massiques et des cinétiques de réaction faibles. Le magnésium se présentant comme un bon candidat en terme de capacité massique (7,6 %), nous nous sommes intéressés aux intermétalliques ternaires TR-M-Mg (TR = terres rares, M = métaux de transition). L'objectif était double : conserver la bonne capacité du magnésium et diminuer l'enthalpie de formation de l'hydrure. Le système TR4NiMg (avec TR = Y et Gd) et les solutions solides dérivées ont été étudiées. Un stockage irréversible de l'hydrogène de 2,5% massique ainsi qu'une transition d'antiferromagnétique à verre de spin ont été observés. Un travail plus exploratoire a permis de découvrir deux nouveaux composés riches en magnésium : LaCuMg8 et Gd13Ni9,5Mg77,5. Ils permettent tous deux l'obtention d'un mélange de phases issu de leur décomposition lors de la première absorption. Ce mélange permet une amélioration significative des propriétés de sorption de l'hydrogène par du magnésium.

Les applications portables et stationnaires des accumulateurs Ni-MH nécessitent sans cesse des autonomies de plus en plus importantes. Cet accroissement d'autonomie peut être obtenu en développant de nouveaux composés intermétalliques hydrurables de type ABx (3

Afin d'enrayer le dérèglement climatique actuel dû à l'utilisation à grande échelle de combustibles fossiles comme source d'énergie, une transition vers des énergies non émettrices de dioxyde de carbone est nécessaire. L'hydrogène, vecteur d'énergie neutre en dioxyde de carbone, pourrait y jouer un rôle important. Cependant, ses propriétés thermodynamiques interdisent de le stocker pur à des pressions modérées dans un volume raisonnable pour alimenter un véhicule. Le stockage solide sous forme d'hydrure métallique semble être une solution prometteuse à ce problème. Les alliages de structure cubique centrée à base de vanadium étant légers comparés aux alliages à base de terres rares étudiés depuis les années 1970, cette thèse a pour objet l'étude des propriétés d'hydrogénation (pression d'équilibre et capacité d'absorption notamment) d'alliages du système Fe Ti-V. Les composés à étudier devant être de structure cubique centrée et la limite de solubilité du fer dans cette phase du système Fe-Ti-V n'étant pas documentée de manière fiable, la première partie du travail a consisté en l'approfondissement des connaissances sur le diagramme d'équilibre grâce notamment à la détermination des sections isothermes à 1000 °C et 1200 °C. Pour cela, des échantillons massifs ont été synthétisés par fusion en four à arc puis recuit en four résistif. Les relations de phases ont été systématiquement analysées par diffraction des rayons X sur poudre et microsonde électronique. Grâce à ces techniques, nous avons pu montrer qu'après recuit à 1000 °C, la limite de solubilité du fer dans un alliage Ti-V dépasse 15 at.% pour tout rapport Ti/V. Lorsque la température de recuit est portée à 1200 °C, cette limite de solubilité dépasse 20 at.% de fer quel que soit le rapport Ti/V < 1. Une réaction quasi-péritectique a également pu être mise en évidence à 1140 °C et une projection de la surface liquidus est proposée, basée sur l'analyse de la microstrucure des échantillons. La seconde partie de notre travail a consisté en l'étude sur banc manométrique des propriétés d'hydrogénation d'échantillons de structure cubique centrée. Il en ressort que la majorité des composés étudiés ont une capacité totale à température ambiante de 1,7H/M, soit 3,4 wt.%, ou 140 g_L-1, la capacité réversible s'élevant à 0,98H/M, soit 1,93 wt.%, ou 82,5 g_L-1 (densité supérieure à celle du dihydrogène liquide) pour l'échantillon de compositionTi10V88Fe2. La dépendance entre l'enthalpie d'hydrogénation et la compositiondes échantillons est linéaire et a été déterminée. On peut ainsi, en fonction de la composition choisie, obtenir des pressions d'équilibre allant de 0,1 bar à plus de 100 bar. Une étude structurale par diffraction des rayons X pour de faibles concentrations en hydrogène a mis en évidence la déformation de la maille cubique en maille quadratique lorsque la quantité d'hydrogène absorbé augmente. La cinétique d'absorption des échantillons de structure cubique centrée est par ailleurs très avantageuse, puisqu'une minute suffit pour que 90% de la capacité totale soit atteinte. En revanche, on observe un ralentissement de la cinétique en fonction du nombre de cycles appliqués. Toutefois, ce type d'alliage reste prometteur pour des applications de stockage de l'hydrogène