Cette thèse présente une étude expérimentale des mécanismes contrôlant la réponse macroscopique d’une interface sable-pieu sous sollicitations axiales monotones et cycliques. Une approche innovante associant la tomographie rayons X à des outils avancés d’analyses d’images en trois dimensions (3D) est utilisée dans le but d’extraire des informations à différentes échelles, notamment à l’échelle micro. L’analyse quantitative du comportement individuel des grains situés au voisinage du pieu fournit une collection de données 3D qui pourraient être utilisées pour la validation de modèles numériques ou théoriques.Une série de tests est réalisée sur un pieu instrumenté à pointe conique installé par vérinage monotone dans un échantillon dense de sable calcaire. Après l’installation, le pieu est soumis à un grand nombre de cycles axiaux contrôlés en déplacements (jusqu’à 2000 cycles), à contraintes constantes. Ces essais ont été conduits dans une mini chambre de calibration qui permet d’acquérir des tomographies rayons X à haute résolution après différentes étapes de chargement. Il est admis que le dispositif expérimental n’est pas représentatif des conditions d’essais sur pieux in-situ pour les raisons principales suivantes : le ratio entre le diamètre de la chambre le diamètre du pieu et le ratio entre le diamètre du pieu et la taille moyenne des grains sont bien inférieurs aux ratios recommandés dans la littérature afin de limiter les effets d’échelle. Par conséquent, les résultats obtenus dans ce travail ne peuvent et ne doivent pas être directement extrapolés pour le design de pieux réels. Cependant, un tel dispositif permet de reproduire qualitativement des tendances similaires à celles observées à l’échelle macro sur des essais à grande échelle et d’observer des mécanismes se déroulant à l’échelle micro.Les images 3D obtenues par reconstruction des tomographies rayons X sont utilisées afin d’identifier et de suivre l’évolution des grains individuels. Le champ cinématique complet en 3D est mesuré grâce à un code de corrélation d’images numériques 3D (DIC), « TomoWarp2 ». Des outils de traitement d’image sont également employés pour suivre les changements de porosité et la production de fines par broyage des grains à l’interface.Pendant la mise en place du pieu, plusieurs zones où les déplacements se concentrent sont identifiées. Une recirculation des grains le long du fût du pieu est mise en évidence. Globalement, le sable a un comportement dilatant à l’exception d’une fine couche (épaisseur d’environ 3 à 4·D50) autour du pieu où les fines sont produites. Pendant les cycles, la réponse macroscopique de l’interface montre une évolution en deux phases, avec une augmentation non négligeable de la résistance du fût dans la seconde phase. Pour ces deux phases, la mesure de la cinématique granulaire révèle un comportement du sol différent associé à une densification importante à l’interface. Dans la première phase, le sol se contracte radialement dans une zone de 4·D50 d’épaisseur. Ce phénomène est certainement dû au réarrangement granulaire mesuré par DIC. Dans la seconde phase, les grains de sables se déplacent difficilement et la densité à l’interface atteint un seuil pour lequel le frottement sur le pieu augmente de manière significative. / This doctoral work presents an experimental investigation into the mechanisms governing the macroscopic response of sand-pile interface during monotonic installation and subsequent axial cyclic loading. An innovative approach combining x-ray tomography and advanced image analysis tools is employed to extract information at different scales, including the micro-scale. A quantitative analysis of the behavior of individual sand grains in the vicinity of the pile offers valuable three-dimensional (3D) data set against which theoretical or numerical approaches could be tested.A series of tests is run on an instrumented close-ended conical model pile installed by monotonic jacking in a dense calcareous sand sample. Following the installation, the model pile is submitted to a large number of axial displacement-controlled loading cycles (a few thousands cycles) under constant normal stress. The tests are performed in a mini-calibration chamber that allows the acquisition of high resolution x-ray images at different stages of the loading. The chamber is admittedly not representative of field pile testing conditions for the main following reasons: the calibration chamber-to-pile diameter ratio and the sand particle-to-pile diameter ratio are far below the ratios recommended in the literature to limit scale effects on the interface response. Consequently, the results presented in this work can not, and should not, be directly extrapolated to field pile design. Yet, such a setup is able to reproduce qualitatively trends that are similar to those obtained at the macro-scale on large-scale experiments and allows the observation of full-field mechanisms taking place at the micro-scale.3D images resulting from the reconstruction of the x-ray scans are used to identify and follow the evolution of individual sand grains. Full-kinematics are measured thanks to a 3D Digital image Correlation (DIC) code, “TomoWarp2”. Image processing tools are also employed to measure local porosity changes and the production of fines by grain crushing at the interface.During pile installation, different zones where grains displacements concentrate are identified. A recirculation of the grains alongside the pile is also observed. Globally, the sand mass exhibits a dilative behavior except within a relatively thin layer (about 3 to 4·D50 thickness) around the model pile where grain crushing occurs. During subsequent loading cycles, the macroscopic response of sand-pile interface shows a two-phases evolution, with a non negligible increase of shaft resistance in the latter phase. For these two phases, the measurement of grain kinematics reveals a different behavior of the sand mass associated with a significant densification at the interface. In the first phase, the sand mass contracts radially within a region of thickness 4·D50. This mechanism is likely due to inter-granular rearrangement as measure by DIC. In the second phase, sand grains hardly move and the sand mass reaches a threshold density for which the friction on the shaft starts to increase substantially.

Cette thèse a pour but de contribuer à la mise au point et le développement, de plaques mono ou bipolaires composites pour piles à combustibles à membranes échangeuses de protons (ou PEMFC). Les plaques mono ou bipolaires (selon le type de refroidissement choisi) sont un élément essentiel au fonctionnement des piles car elles l’alimentent en gaz réactifs (hydrogène et oxygène de l’air), assurent la tenue mécanique des cellules, la séparation des compartiments anodique et cathodique, le collectage des électrons, et l’évacuation des « sous-produits » eau et chaleur. L’optimisation des propriétés physico-chimiques et mécaniques des plaques, et de leur procédé d’élaboration, permettra de rendre de ce fait la technologie pile à combustible plus accessible Après une étude bibliographique centrée sur les systèmes composites à taux de charges ou de renforts élevé et leurs propriétés physicochimiques, mécaniques et électriques, la 2ème phase sera axée sur une contribution à l’optimisation des formulations par des analyses morphologiques, physiques et physicochimiques pertinentes. La 3ème phase sera dédiée à l’analyse des plaques mono ou bipolaires après tests en piles afin de permettre des choix entre les différentes formulations ou procédés de mise en œuvre des plaques mono et bipolaires et dégager des paramètres pertinents reliés aux propriétés d’usage et à leur évolution au cours du temps en conditions réelles d’utilisation. / The objective of this work is to design carbon polymer composites for bipolar plates, with high and homogeneous electrical and mechanical properties. A method was designed in order to analyze the electrical conductivity homogeneity of the bipolar plates. Several designs of experiments were formulated after optimization of the most influencing formulation parameters on the use properties. This first step enhanced the use properties of the resulting materials, though insufficiently. The plates characterization showed highly heterogeneous and anisotropic use properties. The fabrication process conditions optimization (thermosets formulations) and the addition of an annealing step (thermoplastic formulations) then improved significantly the use properties and their homogeneity.

L’objectif de la thèse est d’évaluer la faisabilité de la technologie de pile à combustible microbienne pour la production d’électricité couplée au traitement d’effluents de l’industrie papetière. La première partie du travail montre que de nombreux effluents papetiers permettent de former des biofilms anodiques efficaces. Lorsque les effluents sont complémentés en acétate et l’anode polarisée à -0,3V/ECS des densités de courant de 12 A/m² et des rendements faradiques de 90% ont été obtenus. Lorsque les effluents sont utilisés comme seuls substrats, les densités de courant atteignent 6 A/m² et les rendements faradiques 30%, avec des abattements de DCO jusqu’à 50%. Les biofilms anodiques optimaux ont été associées à des cathodes à air abiotiques pour concevoir des piles complètes. Des puissances surfaciques de 294 mW/m² à 596 mW/m² ont été obtenues avec deux effluents différents. / The objective of this thesis was to assess the feasibility of the microbial fuel cell technology for the production of electrical energy coupled with the treatment of pulp and paper effluents. The first part of work showed that various pulp and paper effluents are suitable to form efficient anodic biofilms. When the effluent was supplemented with acetate and the anode polarized between at -0.3 V/SCE, current densities of 12 A/m² and Coulombic efficiencies up to 90% were obtained. When effluents were provided as the sole substrate, current densities reached 6 A/m² and Coulombic efficiencies 30%, with COD removal around 50%. The optimal anodic biofilms were associated with associated with abiotic air cathodes to design complete microbial fuel cells. Power densities from 294 mW/m² to 596 mW/m² were obtained with two different effluents.

1. Membranes échangeuses de protons à haute température (HT-PEM) pour application dans les piles à combustible:Le succès des piles à combustible à base de HT-PEM dépend fortement du matériau membranaire. D’importants progrès ont été accomplis dans la conception de PEMs à transport facilité de protons. L'objectif de la première partie de ce travail de thèse était de fabriquer des membranes électrolytes à haute conductivité, capables de fonctionner au-dessus de 120°C dans des conditions anhydres, sans acides minéraux, et sans sacrifier la résistance mécanique. La stratégie suivie combine l’utilisation de micro-filtres (support) à base de polybenzimidazole (PBI) présentant un réseau de pores ordonnés, et de liquides ioniques (ILs)à base de polyimidazolium comme phase conductrice. Deux types de micro-filtres de PBI ont été préparés: avec un réseau de pores droits (SPBI), ou avec une structure poreuse hiérarchique (HPBI). Les ILs polymérisés (PIL) suscitent un grand intérêt comme tous les électrolytes flexibles à l'état solide en raison de leur sécurité d’utilisation et de leur bonne stabilité thermique, chimique et électrochimique. Dans ce travail, un IL monomèrique protique 1-H-3-vinylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide a été choisi pour sa conductivité protonique élevée, sa faible rétention d'eau et sa bonne stabilité thermique. Puisque les performances d’une PEM formée par immersion d’un support poreux dans un IL dépendent surtout de la structure poreuse du support, il est essentiel d’optimiser l’architecture des pores réservoirs. Ainsi, nos travaux visent à améliorer à la fois la conductivité ionique et la stabilité dimensionnelle des PEMs à base de PIL par une conception appropriée de l'architecture poreuse. En effet, la faible stabilité dimensionnelle et mécanique du poly[1-(3H-imidazolium)éthylène] bis(trifluorométhanesulfonyl) imide est améliorée grâce à son infiltration dans un support PBI architecturé. La configuration d'infiltration, l'addition d’agent réticulant et les conditions de polymérisation UV "in situ" ont été considérées comme paramètres d'optimisation pour les deux types de micro-tamis en PBI.2. Membranes à base de liquide ionique supporté (SILM) pour la valorisation du méthane:La valorisation du gaz naturel, intégrant l'élimination de CO2 et N2, est l’une des applications de séparation des gaz industriels où les membranes sont une alternative prometteuse à petite échelle. L'objectif de nos travaux était de développer des membranes de type SILM, sélectives au CH4. Notre stratégie combine des micro-tamis à base polybenzimidazole (PBI) comme supports présentant une bonne endurance et de bonnes propriétés thermiques, et des liquides ioniques (ILs) protiques avec des ions imidazolium et trifluorométhane sulfonylimide pour la solubilité du CH4. Bien que la faible pression de vapeur du IL protique atténue sa volatilité dans les SILMs traditionnels, son expulsion hors des pores reste une préoccupation majeure. Un design approprié du support, avec des pores submicroniques, combiné à un IL de tension superficielle élevée, devrait générer des SILMs plus stables, adaptées aux applications à pression transmembranaire modérée ou élevée. Ainsi, des supports PBI à porosité aléatoire (RPBI), obtenus par séparation de phase, ont été largement utilisés. En outre, la polymérisation des RTILs peut fournir d’autres avantages en termes de sécurité, de stabilité et de propriétés mécaniques. Dans cette étude, trois classes de SILMs à base de PBI, avec le IL protique 1-H-3-methylimidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide (IL), le monomérique 1-H-3-vinyllimidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide (MIL) et le polymérique poly[1-(3H-imidazolium)ethylene] bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (PIL) ont été fabriqués avec succès et caractérisées en perméation de gaz purs. Des membranes hautement permsélectives au méthane ont été obtenues, qui sont très prometteuses pour la séparation de mélanges de gaz tels que CH4/N2 / 1. High temperature Proton Exchange Membranes (HT-PEMs) for Fuel Cell applications:The success of the High temperature proton exchange membrane fuel cell (HT-PEMFC) direction is very much dependent on the development of the membrane material. With facilitated proton transport chemistries, great progresses in designing and fabricating facilitated PEMs have been accomplished. The objective of this first part of the PhD work was to fabricate highly conductive electrolyte membranes capable to operate above 120°C under anhydrous conditions and in the absence of mineral acids, without sacrificing the mechanical behavior. The followed rationale is based on the combination of polybenzimidazole (PBI) microsieves as structural supports and poly-imidazolium based ionic liquid (IL) moieties as conducting phase. Two types of PBI microsieves have been prepared following two different microfabrication processes: straight porous PBI and hierarchically structured PBI microsieves.Polymeric ionic liquids (PILs) have triggered great interest as all solid-state flexible electrolytes because of safety and superior thermal, chemical and electrochemical stability. In this part, the 1-H-3-vinylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide has been mainly selected due to its high proton conductivity, low water uptake values as well as thermal stability.The consecution of a polymeric container with optimized pore architecture is extremely essential since the performance of PEM based on immersing a porous support into ILs, mainly depends on the porous structure. Thus, our research efforts have been directed to improve both, the ion conductivity and the dimensional stability of the PIL supported PEMs by a proper design of the porous architecture. Herein, the diminished dimensional and mechanical stability of poly[1-(3H-imidazolium)ethylene]bis(trifluoromethanesulfonyl)imide has been improved thanks to its infiltration on a PBI support with specific pore architecture. The infiltration configuration, cross-linker addition and “in situ” UV polymerization conditions were taken as optimization parameters for both PBI type microsieves.2. Supported Ionic liquid membranes (SILMs) for methane upgrading:The natural gas upgrading, i.e. removal of CO2 and N2, is one of the major industrial gas separation application where membranes arise as promising alternative at small scale.The objective of this second part of the work was to develop CH4 selective Supported Ionic Liquid Membranes (SILMs). Once again, the rationale followed is based on the combination of PBI microsieves as structural supports, to take advantage of its endurance and thermal properties, and protic ILs with imidazolium and trifluoromethane sulfonyl)imide ions due to their CH4 solubility properties. Although the negligible protic IL vapor pressure alleviates one of the problems associated with traditional SILMs, namely liquid volatility; expulsion of the liquid from the membrane pores is a major concern. A proper design of the support, with sub-micron pores, combined with IL having high surface tension could lead to SILM with adequate physical stability for applications involving moderate to high trans-membrane pressures. Therefore, random porous PBI supports, obtained by phase separation method, have been extensively used. In addition, polymerization of RTILs could provide additional advantages in terms of safety, stability and mechanical properties.In this study, three classes of SILMs, based on PBI with the 1-H-3-methylimidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide, the 1-H-3-vinylimidazolium bis(trifluoromethane sulfonyl)imide and the poly[1-(3H-imidazolium)ethylene] bis(trifluoromethanesulfonyl)imide have been successfully fabricated and characterized by single gas permeation measurements. Results revealed that the prepared membranes were highly selective to CH4 and thus very promising for CH4/N2 gas mixture separation.

L’essor de l’électrification du secteur du transport facilite le développement de nouvelles technologies. La pile à combustible n’est pas une technologie récemment développée mais elle en profite également. Toutefois, malgré les efforts entrepris jusqu’à présent, elle reste trop couteuse et peu durable par rapport aux exigences du marché. Pour cela, augmenter le rendement du système, réduire le nombre d’auxiliaire et obtenir une meilleure compréhension des phénomènes de dégradation semblent être les pistes les plus pertinentes. Les thématiques, non centrés sur les matériaux, étudiées dans le but de pallier ces différentes barrières technologiques sont principalement orientées sur la gestion du système et la définition et le pilotage d’auxiliaires ad-hoc. En parallèle, une part grandissante de la communauté scientifique s’intéresse également aux systèmes composés de plusieurs piles à combustible, lesquels pourraient permettre de lever également ces barrières technologiques. Dans le cadre de cette thèse, c’est la gestion et le dimensionnement de systèmes multipiles hybridés avec une batterie qui sera étudié. Premièrement, nous comparerons les performances des systèmes multipiles à celles des systèmes monopiles conventionnels. Pour cela, une étude basée sur l'optimisation de la gestion énergétique du système en fonction du dimensionnement est effectuée en utilisant la programmation dynamique. La variable optimisé est le coût d’exploitation. Il prend en compte le coût du carburant et de la dégradation du système. Les résultats obtenus indiquent une nette augmentation des performances au niveau de la consommation et de la durée de vie du système en faveur des systèmes multipiles et ce quel que soit le dimensionnement envisagé. Ensuite, nous concevrons une stratégie de gestion en ligne basée sur la théorie de décision bayésienne. Cette stratégie a pour but d’optimiser la consommation et la durée de vie en se basant sur la connaissance du comportement du conducteur. Trois modules la composent. Le premier module identifie les similarités du parcours en cours à ceux déjà effectués par le conducteur. Le deuxième se sert de cette connaissance pour déterminer le nombre de systèmes piles à combustible à démarrer. Finalement, la dernière partie détermine le niveau de puissance pour chacune des sources composant le système. L’approche proposée a été comparée à d’autres méthodes de gestion énergétique et permet d’obtenir un gain de performance au niveau de la consommation et de la durée de vie du système multipile dans la plupart des cas d’utilisation. / The electrification of the transportation industry is on the rise. This rise drives the development of new technologies. Although the fuel cell is not a recently developed technology, it benefits from it. However, it is still too expensive and not durable enough compared to the market's expectations. Scientific research has been focused primarily on their management and its ancillaries. Nevertheless, the interest in multistack fuel cell systems has been rising in the community.The energy management and the sizing of multistack system hybrized with a battery is the focus of this thesis. First, the performances of such systems is compared to that of single stack systems. To that end, a study based on the determination of the optimal management strategy depending on the sizing has been completed. The main tool used in this study was optimization through dynamic programming. Results show a significant increase in performance in favor of multistack systems. Then, an online energy management strategy is designed based on Bayesian decision theory. Its goal is to optimize consumption and lifetime by using driver behavior knowledge. This approach has been compared to other energy management strategies and enables performances gains in consumption and lifetime for the multistack system.

A análise e projeto de grandes estruturas de engenharia requerem, geralmente, a utilização de fundações profundas baseadas em estacas de aço ou concreto armado. Sendo o problema de natureza tridimensional pelas condições de contorno e a variação espacial das propriedades do solo, necessita-se de uma ferramenta computacional capaz de simular esse tipo de problema em situações de interesse, tais como carregamento sísmico ou quase-estático por consolidação. Neste trabalho, propõe-se um modelo numérico tridimensional baseado no método dos elementos finitos sob pequenas deformações para a modelagem do problema de interação solo-estaca sob carregamento estático, quase-estático e dinâmico. Elementos finitos hexaédricos são utilizados para representar o meio poroso saturado e as estacas de concreto armado. Considera-se a interação parcial entre ambos meios, mediante a inclusão de elementos de interface capazes de simular separação e escorregamento. A não-linearidade física de todos os materiais envolvidos é considerada mediante a utilização da teoria de plasticidade, onde esquemas de integração explícita são utilizados. Um modelo constitutivo baseado na teoria de plasticidade generalizada é utilizado para simular o fenômeno de liquefação em areias. No caso da estaca de concreto armado, utilizou-se um modelo de fissuras distribuídas para representar o processo de fissuração, enquanto a armadura de reforço pode ser representada por uma camada distribuída equivalente ou por um modelo discreto incorporado. Exemplos numéricos são apresentados para validar a correta implementação do modelo numérico. / Deep foundations using steel or reinforced concrete piles are conmmonly used in large civil engineering structures. Due to the three-dimensional nature of the problem, its boundary conditions and spatial variability of soil properties, it is necessary to employ numerical models that must be able to simulate this problem under seismic loading as well as under quasi static consolidation processes. A three-dimensional numerical model based on the finite element method, for the static, quase-static and dynamic analysis of the soil-pile interaction problem under the small strain assumption is proposed in this work. For this purpose, coupled hexahedral finite elements are used to represent soil and concrete piles. Interface elements are used to simulate slip, bonding and opening processes at the soil-pile interface. Material nonlinear behaviour of the soil and concrete are considered by using the theory of plasticity, where explicit integration schemes are used. A suitable constitutive model based on the generalized theory of plasticity is employed to represent the liquefaction phenomena in sands under cyclic loading. For the concrete pile, a smeared approach is used to represent concrete cracking due to traction stresses, while both an equivalent smeared layer representation or a discrete unidimensional representation can be used for modeling the reinforcing steel. Numerical examples are presented in order to validate the implementation of the numerical model.

Regulations with respect to the storage and handling of animal waste by livestock operations state that no person shall keep animals in a permanent confinement area unless there is a nutrient management strategy. Various studies indicate that constructed wetlands and vegetative filters are effective add-on technologies to supplement the treatment provided by conventional sedimentation pond systems in livestock operations. Seven months of data from a Pond/Wetland/Vegetative Filter system receiving cattle feedlot runoff were used to i) evaluate its efficiency removing organic matter, solids and nutrients from water, (ii) quantify constructed wetland kinetic removal rates described by the P-C-k model and examine the impact of temperature, (iii) evaluate and compare the performance of a two types of vegetative filter systems at different hydraulic loading rates; and (iv) recommend an optimum management option with design loading for beef producers. Results indicate that the effect of isolated rain events on the performance of the wetland showed to be contingent on the intensity of the event, former humidity conditions of the feedlot and the hydraulic capacity of the wetland. This experiment suggests that even relatively small VFSs or short FPs can markedly improve quality of runoff from livestock operations, and that it is possible to achieve significant mass and concentration removals if they are properly operated and maintained in conjunction with a pre-treatment system. The Pond/Wetland/Vegetative Filter system was effective at reducing Chemical Oxygen Demand COD (+92%), Total Phosphorus (+93%), Orthophosphate as P (+91%), Total Inorganic Nitrogen (+96%), Ammonia as N (+97%) and Nitrate as N (+82%) from manure and exercise yard runoff, providing a cost-effective treatment option for beef producers.

L’hydrogène comme vecteur énergétique est une solution prometteuse pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. En effet, l’hydrogène permet de stocker de grandes quantités d’énergie de façon totalement décarbonée. Pour favoriser l’utilisation à grande échelle de l’énergie hydrogène, il est essentiel de réduire le coût des piles à combustible et d‘augmenter leur durabilité et leurs performances. Les matériaux situés au coeur des piles à combustible ont un impact fort sur leurs performances et leur durabilité. Dans ce contexte, optimiser les matériaux est crucial. Nous développons dans cette thèse une démarche de modélisation des matériaux poreux des piles à combustible à membrane échangeuse de protons. Nous nous concentrons sur un matériau en particulier, celui intervenant dans les couches de diffusion des gaz (GDL). Les GDL ont de multiples fonctions, notamment de permettre en leur sein des transports simultanés de gaz, d’électrons, de chaleur et d’eau sous forme vapeur et liquide. Pour permettre ces transports, les GDL sont composées d’une phase fluide et d’une phase solide, elle-même constituée de plusieurs matériaux. La microstructure des GDL joue un rôle crucial sur les compromis entre les fonctions des GDL et l’efficacité des transports. Nous utilisons la tomographie aux rayons X pour imager la structure interne des GDL à l’échelle micrométrique, et développons des outils numériques pour simuler les transports sur les microstructures. Nous montrons que des simulations sur des images de grandes tailles sont réalisables en temps raisonnables. Nous validons les simulations de transports dans les GDL numériquement et expérimentalement. Le premier chapitre est consacré à la modélisation d’une expérience ex-situ d’injection d’eau dans les GDL. Nous développons un modèle réseau de pores extrait d’images tomographiques, pour simuler les écoulements d’eau dans les GDL en présence de forces capillaires. Nous validons les simulations réseaux de pores en utilisant des images tomographiques montrant l’eau liquide dans une GDL lors d’une expérience d’injection d’eau. Nous montrons que les courbes de pression capillaire peuvent être déterminées par simulations réseau de pores ou par simulations full morphology sur des images tomographiques. Le deuxième chapitre est consacré à la simulation des transports de gaz et d’électrons dans les GDL. Nous développons une méthode de simulation réseau de pores, consistant à décomposer l’image en régions de formes simples et à calibrer des modèles physiques sur ces régions. Cette approche à deux échelles est économe en temps de calcul. Nous comparons ces simulations à des simulations directes et à des formules analytiques. Une seconde partie concerne la comparaison des simulations directes à des mesures expérimentales. Nous montrons que les transports dans la phase fluide peuvent être déterminés avec fiabilité par simulation directe sur les images tomographiques, tandis que la simulation des transports dans la phase solide nécessite des informations non fournies par la tomographie aux rayons X. Le troisième chapitre est consacré à la modélisation de la condensation de l’eau dans les GDL. La vapeur d’eau produite par la réaction du dihydrogène avec le dioxygène traverse les GDL et condense dans les zones froides des GDL. Un modèle réseau de pores couplant diffusion de la vapeur d’eau, changement de phase et forces capillaires est développé. Nous étudions ce modèle sur des réseaux de pores générés virtuellement. Le dernier chapitre est consacré à l’étude de microstructures conçues virtuellement. Nous montrons qu’il est possible de produire virtuellement des microstructures proches de celles de matériaux réels, de chercher des microstructures optimales, et d’étudier des effets physiques par simulation sur matériaux virtuels. / Hydrogen as an energy carrier is a promising solution for reducing emissions of greenhouse gases. Indeed, hydrogen can be used to store large amounts of energy in a completely carbon-free way. To promote the widespread use of hydrogen energy, it is essential to reduce the cost of fuel cells and increase their durability and performance. The materials in the heart of fuel cells have a strong impact on their performance and durability. In this context, opti-mizing the materials is crucial. We develop in this thesis a modeling approach of porous materials in proton exchange membrane fuel cells. We focus on a specific material that takes part in the gas diffusion layers (GDL). The gas diffusion layers are crossed by gas, electron, heat and water fluxes. To allow such multiple transports, GDL are composed of a fluid phase and a solid phase, itself consisting of several materials. The microstructure of the GDL plays an essential role on the tradeoffs between transports. To model these tradeoffs, we use X-ray tomography to image the microstructure at micrometer scales, and develop digital tools to simulate the transport on tomographic images. We validate the simulations with experimental characterizations and tomographic images of GDL. Great care has been taken in the computer performance of the numerical tools, because tomographic images in three dimensions are a challenge because of the size of the data. The first chapter of this thesis is devoted to modeling of an ex-situ water injection experiment in a GDL. We develop a pore network model extracted from tomographic images, to simulate liquid water flows in GDL in the presence of ca-pillary forces. We validate pore networks simulations using tomographic images showing the liquid water in a GDL dur-ing a water injection experiment. We show that the capillary pressure curves can be determined reliably by pore net-work simulations or full morphology simulations on tomographic images. The second chapter is devoted to one-phase transport simulations in GDL. The first part of this chapter is devoted to the development of pore networks simulations for the diffusivity and the electrical conductivities of the GDL. We de-velop a two-scale simulation methodology, which consists of decomposing the image into elements having simple shapes, and to calibrate physical models on these elements. This method considers the effect of the microstructure on the physical transfers in an economical way, reducing the computing time. We compare the pore network simulations to direct simulation on microstructures and to analytical formulas. The second part is devoted to the comparison of transport simulations with experimental measurements. We show that the transports in the fluid phase can be deter-mined reliably by direct simulations on the tomographic images, while transports in the solid phase require additional information not provided by X-ray tomography. The third chapter is devoted to modeling of the condensation of water in the GDL. The steam produced by the reaction of the hydrogen with the oxygen passes through the GDL and condenses in the cold areas of the GDL. A pore network model coupling diffusion of steam, phase change and capillary forces is developed. We study this model on virtually generated pore networks. The last chapter is devoted to the study of virtually designed microstructures. Virtually exploring new materials designs has advantages over the experimental approach, in terms of speed, cost and control over the microstructures. We show that it is possible to virtually produce microstructures close to those of real materials, to seek optimal microstructures, and control the microstructure to better study some physical effects using simulation.

Cette thèse présente une contribution à l’étude des transferts d’eau au sein des piles à combustible de type PEMFC, un aspect clé de cette technologie. Une approche de simulation numérique est développée en couplant un modèle de type réseau de pores dans la couche de diffusion (DM), une approche mixte continue –réseau de pore dans la couche microporeuse (MPL) et une modélisation par compartiments dans la couche active. L’approche développée prend en compte les transferts couplés de chaleur et d’eau via notamment la modélisation des phénomènes de changement de phase dans la DM et la MPL (évaporation et condensation). Dans une première partie, nous étudions le cas où l’eau migre dans l’assemblage MPL-DM directement en phase liquide. L’impact de la variation de pression dans la phase gazeuse sur la distribution de la phase liquide est étudié. L’épaisseur optimale de la MPL est également étudiée. Dans une seconde partie, nous étudions des situations où l’eau se forme par condensation dans la couche de diffusion. Nous étudions tout d’abord l’impact des propriétés de la couche de diffusion et de la MPL sur le diagramme de condensation. Ensuite nous analysons l’impact de la formation de l’eau liquide sur la distribution de courant locale. Enfin, l’impact de la mouillabilité sur les figures de condensation est étudié. Cette dernière étude est vue comme un premier pas vers l’étude des mécanismes de dégradation dans le régime de condensation. / This thesis is a contribution to the study water transfers within PEM fuel cell, a key element of this technology. A numerical simulation tool is developed coupling a pore network model in the gas diffusion layer (DM), a mixed continuum – pore network approach in the microporous layer (MPL) and a model by compartments in the catalyst layer. The developed approach takes into account the coupled heat and water transfers through the modeling of phase change phenomena (evaporation – condensation) in the DM and in the MPL. In the first part, we study the case where water migrates into the MPL-DM assembly directly in liquid phase. The impact of gas pressure variation on liquid phase distribution is studied. The optimal thickness of MPL is studied too. In the second part we study situations where liquid water essentially formed by condensation in the diffusion layer. We first study the impact of DM and MPL properties on the condensation diagram. Then we analyze the impact of liquid water formation on the local current density distribution. Finally the impact of wettability modifications on the liquid water patterns is studied. This last study is considered as a first step toward the study of degradation mechanisms in the condensation regime.

La faisabilité des applications à piles à combustible (PAC) a été largement démontrée à travers le monde. Les efforts de recherche portent actuellement sur l'amélioration de la durée de vie des PAC et la diminution de leur coût. A ce jour, une PAC ne tolère pas les variations rapides de charges qui entraînent très souvent son vieillissement prématuré. Pour pallier cette faiblesse, une hybridation avec un composant électrochimique de stockage (typiquement des supercondensateurs) est généralement proposée via un ou deux convertisseurs statiques, nécessitant l'implantation d'une gestion énergétique. Une partie de ces travaux se situe dans le contexte aéronautique et fait suite au projet européen CELINA piloté par AIRBUS. Le projet européen CELINA (2005-2008) a posé la problématique du remplacement de l'éolienne (RAT) actuelle par une pile à combustible pour le réseau électrique de dernier secours sollicité en cas de perte totale des moteurs ou de la génération électrique. Il alimente les charges essentielles : auxiliaires de puissances presque constantes (calculateurs de bord, …) et les actionneurs de vol (EHA, EMA) qui constituent les principaux consommateurs à caractères très intermittents. Cette étude a permis une classification de trois architectures, dont la validation expérimentale se situant dans le cadre du projet français ISS ayant débuté en 2010 sera exposée. L'hybridation directe entre une PAC et des supercondensateurs présente les avantages de ne pas mettre en jeu de convertisseur statique et d'une autogestion énergétique naturelle. Partant du constat que toutes les applications embarquées utilisant des PAC sont hybridées et qu'un développement d'architecture et de stratégies est effectué pour chaque cas (mise au point de convertisseurs, lois de commande, etc.). Ceci représente un travail considérable et systématique, ce qui freine l'implantation des systèmes PAC dans les applications embarquées. L'objectif est alors d'étudier la faisabilité d'un composant hybride unique jouant le rôle de source de puissance et d'énergie dont la gestion énergétique est transparente pour l'utilisateur et ne nécessitant pas l'ajout d'une hybridation supplémentaire pour ces applications. Cette thématique fait l'objet de ces travaux de thèse en collaboration avec la société française HELION Hydrogen Power. Après une présentation de l'introduction des systèmes PAC en aéronautique centrée autour de l'hybridation directe, la suite des travaux regroupe deux grandes thématiques : la première concerne l'étude des interactions entre PAC et supercondensateurs lors d'une association directe selon trois approches : théorique, expérimentale et par simulation. La seconde concerne la validation expérimentale de trois architectures d'hybridation d'un système PAC retenues pour un contexte aéronautique lors d'études précédentes au laboratoire : une architecture indirecte pour laquelle le stockage possède son convertisseur, une architecture indirecte avec stockage sur le bus DC et une architecture directe. L'objectif de ces travaux étant d'augmenter le niveau de maturité technologique de ces concepts, ainsi que de comparer les différents moyens retenus pour parvenir à l'hybridation d'un système PAC suivant des critères précis. / The feasibility of fuel cell (FC) applications has been demonstrated throughout the world. Research efforts are currently focused on improving the lifetime of the FC and reducing their cost. Until today, a FC does not tolerate rapid variations of load that cause in most cases lifetime reducing. To reduce this defect, hybridization with electrochemical storage component (typically ultracapacitors) is generally suggested via one or two static converters, requiring the implementation of an energy management. Aeronautic applications constitute the framework of these studies. They are the prolongation of studies initiated within the European project CELINA piloted by AIRBUS. The CELINA project (2005-2008) dealt with the replacement of the Ram Air Turbine (RAT) which is currently used for the last emergency electrical network in the case of total losses of engines or electrical generation. This emergency network has to supply the essential loads: the piloting auxiliaries (calculators…) consume a quasi-constant power, and the flight actuators (EHA, EMA) which are the main loads whose consumption is very intermittent. This study resulted in a classification of three architectures for which experimental validation in the framework of the French ISS project started since 2010 will be exposed. The direct hybridization between a FC and ultracapacitors has the advantages of not involving static converter and provide a natural energy management. The statement of facts is that all embedded applications using FC are hybridized, architecture and strategies development is performed for each case (development of converters, control laws, etc.). This represents a significant and systematic work, which limits the implementation of FC in embedded applications. In this work, the objective is to study the feasibility of a single hybrid component acting as a power and energy source for which energy management is transparent to the user and does not require the addition of another hybridization. This work is part of collaboration with the French company HELION Hydrogen Power. After a presentation of the insertion of FC in aeronautics centered on the direct hybridization, two major themes are approached: The first concerns the study of interactions between FC and ultracapacitors in a direct association according to three approaches: theoretical, experimental and simulation. The second concerns the experimental validation of three hybridization architectures for FC considered in previous studies in the laboratory: an architecture for which the indirect storage has its converter, an architecture with indirect storage on the DC bus and a direct hybridization architecture. The objective of this work is to increase the level of technological Readiness level of these concepts, and to compare the different ways considered to achieve the hybridization of a fuel cell system according to specific standards.