Ce travail marque le départ d'une nouvelle thématique au sein du laboratoire dans le domaine des piles à combustible à oxydes solides planaires. Fort de son expérience dans le domaine des capteurs, l'objectif a été de réaliser des prototypes avec des technologies "bas coûts" comme la sérigraphie à partir de matériaux classiques pour les piles, plutôt que de rechercher des nouveaux matériaux avec des propriétés optimales, mais qui peuvent être amoindries lors de la réalisation d'un dispositif complet. Ces matériaux sont la zircone yttriée (YSZ) pour l'électrolyte, un manganite de lanthane dopé au strontium (LSM) pour la cathode et d'un cermet à base d'oxyde de nickel et de zircone yttriée (Nio-YSZ) pour l'anode.<br />la première partie des travaux a consisté à caractériser les propriétés physico-chimiques et électriques des matériaux choisis, sur des frittés d'abord et ensuite sur des couches sérigraphiées de YSZ, LSM ou NiO-YSZ. Ces caractérisations ont montré une bonne adaptabilité de nos matériaux pour une application pile à combustible.<br />La seconde partie a consisté à tester les prototypes réalisés sur l'électrolyte support, et sur anode support avec les électrodes et l'électrolyte déposé par sérigraphie. Les faibles performances obtenues sont surtout dues à la faible température de fonctionnement (800°C), à l'épaisseur de l'électrolyte support (environ 1mm)ou à la porosité des couches de YSZ par sérigraphie. Enfin, nous avons en même temps testé un dispositif original qui consiste à exposer les deux électrodes à un mélange de combustible et du comburant. Ce dispositif mono-chambre prometteur inspiré de l'expérience des capteurs potentiométriques développés au laboratoire par Nicolas Guillet (2001), permet de s'affranchir des problèmes d'étanchéité des deux compartiments gazeux. De plus, les performances obtenues ne sont que deux fois moindres par rapport à celles obtenues avec une pile conventionnelel à deux chambres gazeuses.

Les piles à combustible à électrolyte membranaire utilisent actuellement une membrane perfluorée sulfonée commercialisée par Dupont : la membrane Nafion. L'objectif de cette thèse consiste à préparer des membranes fluorées par modification chimique de copolymères poly(VDF-co-HFP) commerciaux. De part leurs remarquables propriétés, ces copolymères greffés par des amines semblent être d'excellents candidats pour cette application. Une première étude a consisté à réticuler par une diamine aliphatique de tels copolymères conduisant à de bonnes propriétés thermiques, chimiques et mécaniques. L'étude du greffage d'amines contenant un cycle aromatique (aniline, benzylamine, phénylpropylamine) a permis d'une part d'identifier les sites de greffage des amines, mais également d'étudier la cinétique de greffage de ces trois amines et d'évaluer l'influence de divers paramètres expérimentaux. Finalement, l'influence du bras espaceur entre le cycle aromatique et le groupe amino, sur la cinétique de greffage a montré l'intérêt d'avoir au moins deux groupements méthylénés. L'étude suivante concernant la déshydrofluoration puis l'addition de phényléthylamine sur une molécule modèle fluorée a permis de mieux comprendre le mécanisme de greffage des amines sur des copolymères poly(VDF-co-HFP). Une amine originale contenant un cycle aromatique sulfoné a été synthétisée par télomérisation du styrène sulfoné avec un mercaptan comme agent de transfert. Après modification, cette amine originale a été greffée sur des copolymères poly(VDF-co-HFP) commerciaux. Les propriétés des membranes obtenues sont convenables pour une application comme électrolyte pour PAC, même si la conductivité protonique reste faible. Finalement, nous avons étudié le greffage d'un phénol sulfoné sur des copolymères poly(VDF-co-HFP) commerciaux et avons montré des propriétés équivalentes à celles de copolymères greffé par l ‘amine, avec des taux de gonflements à l'eau plus faibles et plus proches de ceux de la membrane Nafion.

L'imagerie médicale moderne génère des données considérables pouvant rapidement saturer les systèmes de transmission et de stockage. La nécessité de compresser les images apparaît donc aujourd'hui incontournable. Actuellement, la seule compression tolérée par les médecins est celle sans pertes. Cependant ce type de compression n'offre que des gains limités. Dans ce contexte, la compression "avec pertes" maîtrisées peut être la réponse la plus appropriée.<br />Ainsi, nous proposons une méthode de compression avec pertes basée sur une transformée en ondelettes 3D suivie d'une Quantification Vectorielle Algébrique avec Zone Morte 3D (QVAZM 3D) pour les images radiologiques. La principale contribution de ce travail réside dans la conception d'une zone morte multidimensionnelle qui permet de prendre en compte les corrélations entre les voxels voisins. Les résultats sur une base d'IRM et scanner couramment utilisés montrent une supériorité visuelle et numérique de notre méthode par rapport à plusieurs des meilleurs codeurs. Ces résultats visuels prometteurs sont confirmés sur des scanners ORL à travers une évaluation de deux spécialistes du domaine.<br />La seconde contribution de cette thèse concerne l'évaluation de l'impact d'une compression avec pertes sur les performances d'un CAD (outil d'aide à la décision) performant pour la détection automatique de nodules pulmonaires. Ce travail original sur une population significative de 120 scanners de poumons a montré que la détection n'était pas détériorée par la compression jusqu'à un niveau de compression de 48 : 1 et restait robuste jusqu'à 96 : 1.<br />La dernière contribution de cette thèse traite de la réduction de la complexité de notre schéma de compression. Nous proposons deux méthodes d'allocations de débits pour les images naturelles et médicales. La première allocation consacrée à la QVAZM 2D s'appuie sur un ajustement précis des courbes débit-distorsion (R-D) en les approximant par un simple modèle exponentiel. La seconde allocation proposée pour les images naturelles 2D et médicales 3D utilise des modèles statistiques par blocs pour modéliser les courbes R-D. Ces modèles R-D s'appuient sur une modélisation de la distribution conjointe des vecteurs de coefficients d'ondelettes par un mélange de gaussiennes généralisées (multidimensionnelles).

L'étude, le dimensionnement et le test d'un dispositif de stockage d'énergie, à base de<br />supercondensateurs, destiné à fonctionner dans un véhicule à pile à combustible sont<br />présentés dans cette thèse. Deux modes de commande sont détaillés. Leur but est de permettre<br />un fonctionnement en quasi-statique de la pile à combustible afin de limiter les contraintes<br />mécaniques sur la pile en accordant les débits de gaz à la demande en courant. Les<br />supercapacités interviennent lors du non-fonctionnement de la pile, lors de régimes<br />transitoires ou de régimes de récupération.<br />Le dispositif développé utilise deux modules de supercapacités SAFT. Il est connecté à un bus<br />continu 42 V par un convertisseur continu-continu deux quadrants, la pile à combustible étant<br />connectée au bus continu par un convertisseur élévateur. Le contrôle des courants est réalisé<br />de manière analogique. Le contrôle des tensions et les algorithmes d'estimation utilisent une<br />carte numérique dSPACE. Les résultats expérimentaux présentés, obtenus avec une pile de<br />500 W, ont souligné la lenteur naturelle des réponses de la pile à combustible et l'apport des<br />supercapacités pour des applications automobiles. Celles-ci améliorent grandement la<br />dynamique et le contrôle énergétique du système.

Ce travail s'inscrit dans le domaine des piles à combustible miniatures destinées aux applications portables (téléphones, assistants électroniques) et consiste dans la réalisation d'une pile complète (assemblage électrodes – membrane) de type PEMFC. L'usage du silicium pour la fabrication de la pile permet l'utilisation des technologies liées au silicium et un couplage facilité avec d'autres composants électroniques. La membrane de la pile est faite de silicium microporeux traité pour assurer la conduction protonique. Deux voies ont été explorées : imprégnation par un ionomère de type Nafion® et greffage de molécules en surface des porosités. Elles ont été validées par des assemblages en pile et ont montré des performances similaires (18 mW/cm2). Un travail important de caractérisation a été effectué sur la structure du silicium poreux (M.E.B., mesures de conductivité, de perméabilité, spectroscopie) et les traitements réalisés sur la membrane (M.E.B., spectrométrie de masse (SIMS)).

Les travaux présentés sont une contribution à l'étude des polyélectrolytes pour piles à combustible à mem-brane échangeuse de protons. Ils s'appuient sur deux outils d'investigation, l'étude de molécules modèles et des mesures précises de conductivité. Sur le plan des matériaux, l'optimisation du protocole de sulfonation de polysulfones a permis de réduire voire d'éliminer les coupures de chaîne tout en obtenant des taux de sulfonation reproductibles. Il est ainsi possible d'améliorer les propriétés mécaniques des membranes denses élaborées à partir de ces polyélectroly-tes avant test en pile d'EME (Électrode/Membrane/Électrode). En parallèle, la fonctionnalisation de silicium microporeux a permis de préparer des polyélectrolytes bénéficiant de la tenue mécanique du séparateur de silicium. Sur le plan des caractérisations physicochimiques et électrochimiques, les molécules modèles, porteuses des mêmes fonctions et groupes que ceux des polymères associés, permettent d'amplifier les réponses à des solli-citations électrochimiques ou thermiques. En ce sens, elles simulent un vieillissement accéléré des polyélec-trolytes. Enfin, les mesures de conductivité apportent un éclairage nouveau sur cette caractérisation. Le sys-tème de mesure mis au point permet d'obtenir des valeurs de conductivité dans une large gamme de tempéra-ture et d'humidité relative et ce avec une incertitude réduite.

En vue du développement des piles à combustible à électrolyte oxyde solide (SOFC), l'une des priorités actuelles est d'abaisser leur température de fonctionnement de 900 - 1000ʿC jusqu'à 650 - 700ʿC. Néanmoins, à ces températures, des problèmes surgissent et notamment l'accroissement des chutes ohmiques et surtensions au niveau des divers composants. Concernant la cathode, il semble indispensable d'améliorer sinon de trouver de nouveaux matériaux permettant une meilleure cinétique de réduction de l'oxygène à plus basse température. Dans ce contexte, une nouvelle famille de composés conducteurs mixtes (c'est-à-dire à la fois conducteurs électroniques et ioniques) a été recherchée et étudiée. Ceux-ci, formulés A2MO4+d (A = La, Pr, Nd, Ca et M = Ni, Cu), sont sur-stœchiométriques en oxygène. Après avoir été préparés et caractérisés d'un point de vue cristallographique et physico-chimique, leurs propriétés de transport et leurs propriétés électrocatalytiques ont été déterminées. Des mesures de résistance de polarisation ont été réalisées sur des demi-piles symétriques par impédance complexe (afin de se rapprocher de l'application), et la réactivité des matériaux avec les électrolytes classiques a été étudiée. L'ensemble des résultats obtenus a montré que cette famille de matériaux est prometteuse pour l'application cathode de pile à combustible SOFC.

Les alliages ferritiques à base de chrome sont utilisés en tant qu'interconnecteur de pile à combustible à oxyde solide (SOFC). Ces alliages forment à haute température, sous conditions oxydantes, une double couche d'oxydes de MnCr2O4| Cr2O3. L'évaporation des espèces volatiles de chrome provenant de cette double couche d'oxydes peut entraîner l'empoisonnement de la cathode et par conséquent conduire à une dégradation des performances de la cellule SOFC. Une solution pour limiter les pertes de performances du système est d'appliquer une couche barrière contre le chrome sur l'interconnecteur. Le travail de thèse s'intéresse au développement de ces couches de protection pour un alliage ferritique commercial d'ArcelorMittal K41X. Dans un premier temps, une étude sur le comportement en corrosion de l'alliage a été réalisée. Ensuite, l'électrodéposition, de par sa simplicité et sa rapidité de mise en œuvre a permis l'identification des compositions de revêtements les plus prometteurs. Les couches formulées sont des oxydes spinelle à base de métaux de transition (Co, Mn, Cu, Ni, Fe). Enfin, les différentes compositions de couches retenues ont été déposées par in-situ et par ex-situ. En in-situ, les dépôts sont réalisés sous forme métallique, par électrodéposition (dépôt multicouches) et par pulvérisation cathodique (dépôt d'alliage). Un traitement thermique est nécessaire afin d'oxyder le dépôt métallique et de former l'oxyde spinelle jouant le rôle de couche barrière du chrome. En ex-situ la couche de protection est directement déposée sur le substrat par projection atmosphérique plasma. Les différentes couches ont été caractérisées par des analyses MEB, EDX et DRX ainsi que par des mesures de résistances spécifiques de surface ASR. Nous montrons que les couches de protection étudiées réduisent l'ASR (<50 mΩ.cm2) et inhibent la diffusion du chrome. Le travail conclut sur une étude comparative des avantages et des inconvénients des trois procédés industriels utilisés pour le dépôt d'une couche de protection.

La pile à combustible à oxyde solide qui permet de transformer l'énergie chimique en énergie électrique, est l'une des solutions envisagées pour résoudre la crise énergétique grâce à son rendement global élevé et son fonctionnement sans aucun rejet dans l'environnement. Ces dernières années, des apatites dont la formule est La9,33+x(SiO4)6O2+3x /2 ont été développées en tant qu'électrolyte pour la pile de type SOFC fonctionnant à température intermédiaire. Il est possible d'améliorer les propriétés électriques des apatites par le dopage en site de Si4+. Parmi ces matériaux, le matériau La10Si5,8Mg0,2O26,8 présente une bonne propriété électrique. Les objectifs de cette étude sont d'étudier les processus de synthèse du matériau La10Si5,8Mg0,2O26,8 , d'utiliser ce matériau synthétisé pour élaborer par projection plasma l'électrolyte de la pile à combustible et enfin de rechercher les procédés les mieux adaptés pour préparer des cellules complètes de pile combustible de type SOFC comprenant cet électrolyte. Le matériau La10Si5.8Mg0.2O26.8 a été synthétisé à partir des poudres d'oxydes (La2O3, SiO2 et MgO) par voie solide et a été utilisé ensuite en tant que précurseur pour la projection thermique. Les paramètres de frittage ont été optimisés et une gamme de procédures a été établie pour élaborer ce matériau. La réalisation du dépôt par différents procédés de projection plasma (APS, LPPS et VLPPS) a été étudié afin les optimiser pour élaborer cet électrolyte. La recristallisation du dépôt après projection a été étudiée et un processus de traitement thermique est proposé pour obtenir des dépôts cristallisés et denses. Des cellules complètes de structure planaire avec l'électrolyte La10Si5,8Mg0,2O26,8 supporté par le cermet de Ni/Al2O3 ont été finalement élaborées par projection thermique. Les performances électriques des cellules ont été mesurées à température variant de 600°C à 900°C.

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la production et de l'utilisation du vecteur énergétique hydrogène dont le potentiel est très prometteur dans un paysage énergétique renouvelé. Plus exactement, cette étude traite des électrolyseurs et des piles à combustible de technologie PEM (membranes échanges de protons) fonctionnant à basse température. Dans une très large majorité, les études présentées ici se sont inscrites en partenariat étroit avec HELION Hydrogen Power, notamment dans le cadre du projet ANR AIRELLES (2008- 2011). Tout d'abord sont posées les bases de modèles (quasi-statique, dynamique petits signaux, dynamique forts signaux) génériques et applicables à une pile à combustible et à un électrolyseur. Les méthodologies de caractérisation ainsi que les techniques de paramétrisation de ces modèles utilisées sont ensuite exposées. L'intérêt de croiser toutes ces approches pour caractériser au plus juste les composants est illustré. A partir de cette vision commune des deux composants, le document est scindé en trois parties : - Une première partie porte sur une validation et une exploitation des modèles proposés via différentes études sur des piles à combustible alimentées en H 2 /air : 1) La recherche de signatures d'un engorgement et d'un assèchement d'une pile alimentée en H 2 /air. Ces signatures sont comparées à celles d'une pile alimentée en H 2 /0 2 . 2) L'analyse des impacts d'harmoniques de courant hautes fréquences (représentatives d'un convertisseur continu-continu de type boost) sur un cœur de pile. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre d'une collaboration avec le laboratoire FEMTO-ST/FCLAB (projet CNRS CO-CONPAC). - Une seconde partie porte sur la validation et la paramétrisation des modèles proposés pour l'électrolyseur. Deux techniques originales ont été proposées et testées : la première consiste en une approche multispectres d'impédance et la seconde en une approche multibalayages basses fréquences. - Une troisième partie décrit les moyens d'essais qui ont été conçus et déployés au cours de cette thèse aboutissant à une plateforme significative de tests dédiée à l'hydrogène sur le site l'INPT (Toulouse Labège).