Les ionomères aromatiques sont considérés comme une alternative prometteuse à Nafion pour les PEMFCs en raison de leur bonne stabilité à l'oxydation, d'excellentes propriétés thermomécaniques et de faibles coûts, etc. La plupart des ionomères aromatiques sulfonés rapportés au cours des dernières décennies présentent cependant des performances inférieures à celles de Nafion. Avec une capacité d'échange ionique (CEI) similaire, d'une part, les ionomères aromatiques sont beaucoup moins conducteurs que Nafion, notamment à faible humidité relative. Les ionomères aromatiques ayant une CEI suffisante pour donner une conductivité équivalente à celle de Nafion, d'autre part, présentent un comportement excessivement gonflant dans l'eau. Les inconvénients des ionomères aromatiques sulfonés proviennent de (i) la répartition aléatoire de groupes acides sur un squelette de polymère rigide conduisant à une séparation hydrophile-hydrophobe faible, (ii) la proximité de fractions conductrices de protons à la chaîne principale de polymère conduisant à une nanostructure basse de composés ioniques, et (iii) la faible acidité de l'acide arylsulfonique. Dans le but de surmonter ces inconvénients, mon travail de doctorat se concentre sur le développement de nouveaux ionomères aromatiques avec une morphologie et des propriétés améliorées grâce à la conception de l'architecture moléculaire, en combinaison avec une condition optimisée de traitement de la membrane. A base de cet objectif, deux séries d'ionomères aromatiques à base de copoly (arylène éther sulfone) partiellement fluoré portant des chaînes latérales pendantes d'acide perfluorosulfonique (séries InX/Y) ou perfluorosulfonimide (SiX/Y) ont été développées et caractérisées. De plus, les PEM basés sur le mélange Nafion/InX/Y ont également été ciblés. Une grande attention a été portée à l'optimisation de l'état de traitement des membranes et à l'élucidation de la relation structure-morphologie-propriété des matériaux. / Aromatic ionomers are considered as a promising alternative to Nafion for PEMFCs due to their good oxidative stability, excellent thermomechanical properties, and low cost, etc. Most sulfonated aromatic ionomers reported over the past decades, however, show lower performance than that of Nafion. With similar ion-exchange capacity (IEC), on one hand, aromatic ionomers are much less conductive than Nafion, notably at low relative humidity. Aromatic ionomers with sufficient IEC to give equivalent conduction to that of Nafion, on the other hand, exhibit excessively swelling behavior in water. The shortcomings of sulfonated aromatic ionomers derive from (i) the random distribution of acidic groups on rigid polymer backbone leading to poor hydrophilic-hydrophobic separation, (ii) the proximity of proton-conducting moieties to the polymer main chain resulting in low nanostructure of ionic clusters, and (iii) the low acidity of aryl sulfonic acid. With the aim of overcoming these drawbacks, my PhD work focuses on developing new aromatic ionomers with improved morphology and properties via molecular architecture design, in combination with optimized membrane processing condition. Based on this objective, two series of aromatic ionomers based on partially-fluorinated multi-block copoly(arylene ether sulfone)s bearing pendant perfluorosulfonic acid (InX/Y series) or perfluorosulfonimide (SiX/Y series) side chains have been developed and characterized. Moreover, PEMs based on Nafion/InX/Y blend have also been focused. Much attention has been paid to optimizing the membrane processing condition and elucidating the structure-morphology-property relation in these materials.

La problématique développée dans cette thèse est le diagnostic des piles à combustible (PAC) de type « Proton Exchange Membrane » (PEM). Nous avons choisi d’axer ces travaux sur différentes méthodes de diagnostic, séparées en deux grandes thématiques, relativement différentes et donc indépendantes, qui forment les deux parties de cette thèse. Dans la première partie, intitulée « Méthodes de diagnostic des fuites internes », nous nous focaliserons sur un type de dégradation des PAC, celle de la membrane, et de sa conséquence principale, l’augmentation des fuites internes. Après avoir fait l’inventaire des différentes techniques de diagnostic possibles, nous avons eu l’opportunité d’en tester certaines sur un stack (empilement de cellules élémentaires) dégradé dont nous disposions. La voltammétrie cyclique semble la plus intéressante en terme de précision. Cependant, pour le diagnostic complet d’un stack, le niveau de fuite de chaque cellule doit être évalué. Il apparaît que cette opération est extrêmement chronophage ; nous avons donc dû mettre au point des méthodes alternatives à celles rencontrées fréquemment dans la littérature. Nous avons d’une part appliqué la voltammétrie cyclique directement aux bornes du stack et parallèlement nous avons mis au point une technique nouvelle de diagnostic des fuites internes d’une PAC. Ces méthodes seront testées sur trois stacks comportant chacun un nombre différent de cellules. La deuxième partie de ce manuscrit est intitulée « Méthodes de diagnostic en gaz actifs ». Nous aborderons dans un premier temps une méthode bien connue, la Spectroscopie d’Impédance Electrochimique (SIE). L’utilisation de cette technique soulève deux problématiques : le choix d’un modèle approprié pour décrire des phénomènes physico-chimiques variés puis la difficulté de converger vers un jeu unique de paramètres une fois le modèle établi. Partant de ce constat, nous avons développé une technique originale d’exploitation des SIE, basée sur un modèle électrique sans a priori, dont la construction va se faire automatiquement étape par étape. Cet algorithme sera validé de manière théorique sur des simulations, puis nous confirmerons son potentiel sur des données expérimentales issues d’essais de vieillissement de monocellules. Parallèlement, nous avons développé une technique alternative à la spectroscopie d’impédance, basée sur l’exploitation d’échelons de courant. Cette méthode permet d’extraire un spectre de constantes de temps sans passer par de l’identification paramétrique. Après une première validation théorique grâce à des simulations, nous avons éprouvé cette technique avec d’une part les données de vieillissement mentionnées précédemment ainsi qu’avec des données issues d’un essai d’engorgement d’une monocellule. Nous confirmerons que cette technique est bien adaptée pour effectuer du diagnostic en cours de fonctionnement. / This thesis deals with Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) diagnosis. Several methods will be treated, that have been divided into two main issues. These issues are quite independent and constitute the two parts of the manuscript. The first part, entitled “internal leakage detection methods”, concerns a major fault in PEMFC: membrane permeation. The consequence is the increase of internal leakage, or crossover. First, several diagnosis techniques are listed, and some of them are tested on a faulty stack. Cyclic voltammetry seems to be a good choice, but needs a lot of time to be performed on a large scale stack. Indeed, to achieve a satisfying level of diagnosis, the crossover of every cell in the stack has to be evaluated. New diagnosis techniques are needed to shorten the test phase. Cyclic voltammetry is performed directly at the stack level, while concurrently a new method is investigated to measure all cell crossovers simultaneously. Validation is done by experiments on three different stacks with different numbers of cells. The second part is entitled “diagnosis methods with active gases”. In a first time the well-known Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) technique has been used as a characterization tool. But two issues arise from the EIS use: the choice of an appropriate model that describes all the electrochemical phenomena and the difficulty to obtain a unique set of parameters after the fitting stage. To solve these issues, an algorithm has been developed. It is based on an electrical circuit model built automatically step by step, which does not require the knowledge of every phenomenon of the studied system. The algorithm is validated theoretically by numerical simulations and then by experimental data collected from ageing tests with single cells. Secondly, a method alternative to EIS has been investigated, based on the fuel cell voltage response to current steps. A time-constant spectrum can be extracted from this response without the need of parameter identification process. After a first validation thanks to numerical simulations, this algorithm has been tested with the ageing data previously mentioned and also with a flooding experiment performed on a single cell. The time-constant spectrum seems to be an appropriate tool for fuel cell online diagnosis.

L’utilisation des plusieurs sources d’énergies de caractéristiques différentes, à bord du véhicule électrique VE) nécessite l’adoption de convertisseurs statiques. Ces derniers peuvent avoir la fonction de conditionneur ’énergie des différentes sources et/ou commander les machines électriques du véhicule.Généralement les VE disposent d’un bus continu « de quelques centaines de volts » dont la stabilité est assurée par un groupe de convertisseurs élévateurs de tension (du fait que les sources ont généralement un niveau de tension faible ; quelques dizaines de volts). Lors des démarrages/arrêts très fréquents du VE en mode urbain, les sources pourraient alimenter directement le moteur de traction sans avoir recours aux convertisseurs élévateurs de tension. Afin d’exploiter cette fonctionnalité, nous proposons d’explorer une deuxième architecture de convertisseur basée sur l’adoption d’un niveau de tension variable du bus continu. Dans cette approche, la tension minimale de ce dernier est fixée en fonction des niveaux de tensions disponibles du côté des sources et de la vitesse requise (niveau des f.é.m du moteur de traction). Ainsi, le rapport variable d’élévation de la tension est minimal à faible vitesse du véhicule en mode urbain et il est maximal à grande vitesse, en modes route et autoroute. Ceci apportera une amélioration du rendement énergétique de l’ensemble sources-moteurs notamment en mode urbain. Par ailleurs, l’utilisation grand public de ces véhicules exige des contraintes maximales de disponibilité (continuité de service) des fonctions principales notamment l’alimentation embarquée. A travers le travail de cette thèse nous proposons une nouvelle topologie du convertisseur de puissance entre les sources (une Pile à combustibles associée à un pack de super-condensateurs) et les charges (moteur de traction et réseau de bord alimentant les auxiliaires du véhicule). Ce convertisseur adopte une tension variable du bus continu et une redondance de l’alimentation du moteur de traction. Après la présentation du convertisseur proposé et son positionnement par rapport à la littérature, une analyse du fonctionnement et la modélisation de sa partie DC-DC est détaillée notamment à travers des résultats de simulation de ses différents modes. A ce titre un programme de simulation fine (à l’échelle des impulsions de commande) du système entier a été développé. Dans un deuxième temps, la commande automatique et rapprochée des interrupteurs de puissance a été développée en se basant respectivement sur la méthode de contrôle par petits signaux et la commande hystérésis de courant, triangulaire-rapport cyclique et triangulaire-sinus. Les résultats de simulation des fonctionnalités principales attendues mettent en évidence la faisabilité de l’architecture du convertisseur de puissance proposée. Enfin, une maquette expérimentale à échelle réduite a été développée dans le but de valider l’étude théorique. Les premiers tests expérimentaux de la partie DC-DC du convertisseur donnent des résultats satisfaisant et valident ainsi le processus de conception. Le travail futur sera la réalisation d’une maquette à échelle 1 dans laquelle la conception du refroidisseur sera intégrée en amont de la réalisation du plan de masse dudit convertisseur. Nous pensons que cela permettra une meilleure optimisation de l’espace à bord du véhicule et améliorera le rendement énergétique de la chaine de traction. / The use of many energy sources of different kind in a electrical vehicle (EV) needs the adoption of static converters. These can have the function of either conditioning energy or driving the electrical machines of the vehicle. EV’s generally have a DC bus of some hundred volts, whose stability is ensured by a set of boost converters, since the voltage level of the several sources is as low as about some tens of volts. During frequent start/stop phases of EV’s in urban mode, energy sources can feed the motors directly without using the converters. On the basis of this consideration this thesis proposes a novel converter topology adopting a variable DC voltage level. In this approach the lowest level of the DC bus is determined as a function of the voltages available from the sources and of the required speed (back fem of the traction motor). In this way the variable step-up voltage ratio is minimal at low speeds of the EV in urban mode and maximal at higher speeds in motorway modes. This would result in an energy efficiency improvement of the sources-motors system, especially in urban mode. On the other hand the use of this EV demands some constraints as for the service continuity of the main functions of the EV, particularly the energy supply.This thesis proposes a novel power converter topology between the sources (a Fuel Cell System associated with a pack of Super-capacitors) and the loads ( traction motor and auxiliary supply system). This converter adopts a variable DC bus voltage and a redundant supply of the traction motor. After presenting the proposed converter in the framework of the state of the art, the analysis and modelling of its DC/DC part is presented, especially with simulation results of the different modes of operation. With this regard a complete simulation program has been developed down to the scale of switching pulses. Afterwards the control of the power devices has been developed by using the small signal control and the hysteresis control, triangular duty cycle and triangular sine. The simulation results of the main modes show the feasibility of the proposed power converter architecture. Finally an experimental rig has been set up, at reduced scale, for assessing the theoretical analysis. The experimental results of the DC/DC part yield satisfactory results thus proving the effectiveness of the design. Future work will focus on setting up e real scale converter, where the cooling system design will be added before realizing the mass board of the converter. This should lead up to the optimization of the volume occupied in the EV and to the improvement of the energy efficiency of the traction chain.

Cette étude apporte des données sur l'intérêt des chromites de lanthane strontium dopés au ruthénium La1-xSrxCr1-yRuyO3δ (LSCrRu) comme anode de pile à combustible ITSOFC. La synthèse sous champ micro-onde d'oxydes mixtes a permis la mise en forme de demi-cellules et cellules complètes modèles par pulvérisation cathodique magnétron et par sérigraphie. Les propriétés de reformage de CH4 ont pu être étudiées dans un dispositif mono-chambre couplé à un spectromètre de masse en collaboration avec l'Institut de REcherche Hydro-Québec. La réactivité à l'interface anode/électrolyte a été analysée par SIMS et XRD sur demi-cellules modèles vieillies sous H2 à 800°C. Elle a permis de préciser la chimie du film après traitement. Les cellules complètes, testées en condition de fonctionnement, ont mis en évidence, après dissolution sélective de LSCrRu, une modification de la microstructure à l'interface anode/électrolyte. Des analyses XPS et SEM-EDX n'ont pas montré de réactivité chimique.

Cette thèse propose une technique innovante de diagnostic non invasive pour les systèmes piles à combustible. Cette technique s'appuie sur la mesure de la signature magnétique générée par ces systèmes. A l'aide de ces champs magnétiques externes, il est possible d'obtenir une cartographie de la densité de courant interne par résolution d'un problème inverse. Ce problème est néanmoins mal posé : la solution est non unique et est extrêmement sensible au bruit. Des techniques de régularisation ont ainsi été mises en place pour filtrer les erreurs de mesures et obtenir une solution physiquement acceptable. Afin d'augmenter la qualité de reconstruction des courants, nous avons conçu notre outil de diagnostic de manière à ce qu'il soit uniquement sensible aux défaillances de la pile (capteur de défauts). De plus, cette reconstruction se base sur un nombre extrêmement faible de mesures. Une telle approche facilite l'instrumentation du système et augmente la précision et la rapidité de celui-ci. La sensibilité de notre outil à certaines défaillances (assèchements, appauvrissement en réactifs, dégradations) est démontrée.

L'utilisation des plusieurs sources d'énergies de caractéristiques différentes, à bord du véhicule électrique VE) nécessite l'adoption de convertisseurs statiques. Ces derniers peuvent avoir la fonction de conditionneur 'énergie des différentes sources et/ou commander les machines électriques du véhicule.Généralement les VE disposent d'un bus continu " de quelques centaines de volts " dont la stabilité est assurée par un groupe de convertisseurs élévateurs de tension (du fait que les sources ont généralement un niveau de tension faible ; quelques dizaines de volts). Lors des démarrages/arrêts très fréquents du VE en mode urbain, les sources pourraient alimenter directement le moteur de traction sans avoir recours aux convertisseurs élévateurs de tension. Afin d'exploiter cette fonctionnalité, nous proposons d'explorer une deuxième architecture de convertisseur basée sur l'adoption d'un niveau de tension variable du bus continu. Dans cette approche, la tension minimale de ce dernier est fixée en fonction des niveaux de tensions disponibles du côté des sources et de la vitesse requise (niveau des f.é.m du moteur de traction). Ainsi, le rapport variable d'élévation de la tension est minimal à faible vitesse du véhicule en mode urbain et il est maximal à grande vitesse, en modes route et autoroute. Ceci apportera une amélioration du rendement énergétique de l'ensemble sources-moteurs notamment en mode urbain. Par ailleurs, l'utilisation grand public de ces véhicules exige des contraintes maximales de disponibilité (continuité de service) des fonctions principales notamment l'alimentation embarquée. A travers le travail de cette thèse nous proposons une nouvelle topologie du convertisseur de puissance entre les sources (une Pile à combustibles associée à un pack de super-condensateurs) et les charges (moteur de traction et réseau de bord alimentant les auxiliaires du véhicule). Ce convertisseur adopte une tension variable du bus continu et une redondance de l'alimentation du moteur de traction. Après la présentation du convertisseur proposé et son positionnement par rapport à la littérature, une analyse du fonctionnement et la modélisation de sa partie DC-DC est détaillée notamment à travers des résultats de simulation de ses différents modes. A ce titre un programme de simulation fine (à l'échelle des impulsions de commande) du système entier a été développé. Dans un deuxième temps, la commande automatique et rapprochée des interrupteurs de puissance a été développée en se basant respectivement sur la méthode de contrôle par petits signaux et la commande hystérésis de courant, triangulaire-rapport cyclique et triangulaire-sinus. Les résultats de simulation des fonctionnalités principales attendues mettent en évidence la faisabilité de l'architecture du convertisseur de puissance proposée. Enfin, une maquette expérimentale à échelle réduite a été développée dans le but de valider l'étude théorique. Les premiers tests expérimentaux de la partie DC-DC du convertisseur donnent des résultats satisfaisant et valident ainsi le processus de conception. Le travail futur sera la réalisation d'une maquette à échelle 1 dans laquelle la conception du refroidisseur sera intégrée en amont de la réalisation du plan de masse dudit convertisseur. Nous pensons que cela permettra une meilleure optimisation de l'espace à bord du véhicule et améliorera le rendement énergétique de la chaine de traction.

Les Piles à Combustible Microbiennes (PCMs) mettent en oeuvre le métabolisme de micro-organismes et utilisent de la matière organique pour générer de l'énergie électrique. Les applications potentielles incluent le traitement d'eau usée autonome en énergie, les bio-batteries, et le grappillage d'énergie ambiante. Les PCMs sont des équipements basse-tension et basse-puissance dont le comportement est influencé par la vitesse à laquelle l'énergie électrique est récupérée. Dans cette thèse, on étudie des méthodes pour récupérer l'énergie électrique de façon efficace. La tension à laquelle l'énergie est récupérée des PCMs influence leur fonctionnement et leurs performances électriques. La puissance délivrée est maximum pour une tension spécifique (environ 1/3 de la tension en circuit-ouvert). Les PCMs ont été testées à ce point en utilisant une charge contrôlée automatiquement qui inclut un algorithme de recherche de puissance maximale. Un tel outil a été utilisé pour évaluer la puissance maximum, la vitesse de consommation du combustible, le rendement Coulombic et le rendement de conversion de 10 PCMs à chambre unique de 1.3 L, construites de façon similaire. Bien que d'autres choix structurels et opératoires peuvent permettre d'améliorer ces performances, ces résultats ont étudié pour la première fois les performances des PCMs en condition de production d'énergie de point de puissance maximal et les PCMs ont été testées avec des conditions de récupération d'énergie réalistes. Récupérer un maximum d'énergie des PCMs est la ligne directrice de ce rapport. Cela est rendu possible par des circuits dédiés de gestion de l'énergie qui embarquent un contrôle contre-réactif pour réguler la tension des PCMs à une valeur de référence qui est égale à une fraction de leur tension en circuit ouvert. Deux scénarios typiques sont développés dans la suite. Une application critique des PCMs concerne le grappillage autonome de petites énergies, pour alimenter des équipements électroniques basse-puissance (e.g. capteurs sans fil). Dans ce cas, les contraintes basse-puissance et basse-tension imposées par les PCMs nécessitent des fonctionnalités de démarrage autonomes. L'oscillateur d'Armstrong, composé d'inductances couplées à fort rapport d'enroulement et d'un interrupteur normalement-fermé permet d'élever des tensions de façon autonome à partir de sources basse-tension continues comme les PCMs. Ce circuit a été associé à des convertisseurs d'électronique de puissance AC/DC et DC/DC pour réaliser respectivement un élévateur-de-tension et une unité de gestion de l'énergie (UGE) auto-démarrante basée sur une architecture flyback. La première est adaptée pour les puissances inférieures à 1 mW, alors que la seconde peut être dimensionnée pour des niveaux de puissance de quelques mW et permet de mettre en oeuvre une commande qui recherche le point de puissance maximal du générateur. Une seconde application d'intérêt concerne le cas où de l'énergie est récupérée depuis plusieurs PCMs. L'association série peut être utilisée pour élever la tension de sortie mais elle peut avoir des conséquences négatives en terme de performances à cause des non-uniformités entre cellules. Cet aspect peut être résolu avec des circuits d'équilibrage de tension. Trois de ces circuits ont été analysés et évalués. Le circuit " complete disconnection " déconnecte une cellule défectueuse de l'association pour s'assurer qu'elle ne diminue pas le rendement global. Le circuit " switched-capacitor " transfère de l'énergie depuis les MFCs fortes vers les faibles pour équilibrer les tensions de toutes les cellules de l'association. Le circuit " switched-MFCs " connecte les PCMs en parallèle et en série de façon alternée. Chacune des trois méthodes peut être mise en oeuvre à bas prix et à haut rendement, la plus efficace étant la " switched-capacitor " qui permet de récupérer plus de 85 % de la puissance maximum idéale d'une association très largement non uniforme

L'un des principaux freins au développement des piles à combustible de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) est lié aux phénomènes de dégradation des performances qui les pénalisent encore en termes de durée de vie. L'étude de ces phénomènes au niveau des composants de l’AME est un thème abordé aujourd'hui par de nombreuses équipes de recherche, mais une étude à une échelle d’un stack est nécessaire pour mieux comprendre les mécanismes en jeu. En effet, dans un stack les conditions de fonctionnement ne sont pas homogènes comme dans les cellules de laboratoire, notamment au niveau thermique. Ceci est particulièrement exacerbé dans les piles pour application automobile, dont la compacité contraint fortement la conception du circuit de refroidissement. De plus, les exigences en termes de démarrage à froid sont à prendre en compte, avec notamment la limitation de l'inertie thermique de l'empilement ou l'apparition d'hétérogénéités plus fortes pendant les phases transitoires.Ce travail de thèse se propose d'étudier l'effet d'hétérogénéités de température sur la performance d'une pile en application automobile et sa dégradation. L'étude est menée dans différentes conditions de fonctionnement: fonctionnement nominal, cyclage thermique et cyclage NEDC (New European Driving Cycles).Cette étude comporte une partie expérimentale, centrée sur des essais de vieillissement en pile et un travail sur le diagnostic électrochimique global et local. Elle est complétée par des expertises post-mortem des assemblages membrane-électrodes et des plaques testées. En parallèle, un travail de modélisation est mené pour relier les constatations expérimentales à une description des phénomènes en présence. L'influence du design des canaux de réactifs et de caloporteur sur le fonctionnement des piles est étudiée. Enfin, l’effet de la gestion thermique sur la dégradation des performances et sur la détérioration des composants de la pile est étudié. / One of the main challenges for Proton Exchange Membrane Fuel Cells development is the performance loss, which largely limits the durability. The study of the degradation phenomena of the different MEA components is a challenge addressed by many researchers, but a study at a stack scale is needed in order to better understand the ageing mechanisms. Indeed, in an industrial fuel cell the operating conditions are not homogeneous as for laboratory fuel cells, especially as regards thermal aspects. The heterogeneities are particularly emphasized for automotive fuel cells, because of the compactness constraint of the cooling circuit. Moreover, the requirements of cold start should be considered, as well as the inertial effects of the stacks and the increased heterogeneities during the driving cycles.In this work, the effects of the temperature heterogeneities and hot spots on the automotive fuel cell performances and degradations are investigated. The study is conducted in different conditions: nominal conditions, load/thermal cycling and New European Driving Cycles (NEDC).The work is composed of an experimental study, which consists of ageing tests on fuel cells and on-line diagnosis at both global and local scales. At the end of the tests, post-mortem analyses of the aged components are conducted. In parallel, a physic-based model is developed in order to predict the local temperature and humidity in the different components of the cell. Then, the impact of the reactive gases and cooling flow fields design on the thermal and water management of the cell is investigated. Finally, the experimental and modeling results are coupled in order to investigate the correlation between heat management, water management and degradations.

L'eau est partout et joue un rôle déterminant dans une multitude deprocessus. Cependant, on la trouve souvent au sein de minusculescellules, pores, ou canaux. En de tels cas, les proprietés“macroscopiques” de l'eau sont modifiées par les restrictions spatialeset les interactions entre les molécules d'eau et le matériau confinant.Elucider les propriétés de l'eau en confinement est crucial, et unecompréhension générale peut seulement être obtenue à traversl'utilisation de modèles. Alors que l'eau confinée dans des matériauxdurs tels que les nanotubes de carbone est bien documentée, nous n'avonspas trouvé de modèle général pour l'étude de l'eau confinée a desmatériaux mous, et ce en dépit de décénies de recherches sur de nombreuxmodèles spécifiques à une biomolécule ou un polymère en particulier.Dans cette thèse, nous présentons un modèle numérique d'eau confinéedans des géométries molles, générées par auto-assemblage. Nouscomprenons la manière dont les interactions réciproques entre l'eau etla matrice confinante déterminent la structure des assemblages et lespropriétés de transport de l'eau. Nous avons choisi un modèle desurfactant ioniques, matériaux très versatiles qui sont capables des'auto-assembler en diverses géométries confinantes.Nous nous concentrons sur l'effet des interfaces sur la formation de lananostructure et sur les propriétés de transport à l'échelle de lananoseconde. Nous nous distancons de l'approche traditionnelle auproblème du transport de l'eau dans des nanomatériaux. Nous montrons quel'hypothèse habituelle du transport diffusif est invalide car la matriceconfinante piège les molécules d'eau à l'interface. Nous proposons deremplacer cette hypothèse par celle du transport sous-diffusif, et nousmettons en évidence le rôle de l'échelle de taille et des propriétéstopologiques du confinement. Nous montrons que cette approche expliquedes résultats expérimentaux pour léau confinée dans des matériaux desynthèse, et qu'elle est compatible avec les développements récents liésà l'eau biologique. / Water is omnipresent and plays a decisive role in a myriad of processes.However, it is often found hidden in tiny cells, pores, or channels. Insuch cases, the usual “bulk” features of water are modified by thelimited available space and the interactions of individual moleculeswith the confining material. Elucidating the properties of water in suchconfined states is critical and general understanding can only beachieved through models. While water confined in model hard materialssuch as carbon nanotubes is well documented, we found that there existno general model to study water confined in soft materials, althoughthis has been an active research topic for decades and despite thenumerous models specific to one biomolecule or polymer that have beendeveloped. In this thesis, we present a numerical model of waterconfined in soft self-assembled environments, and we provide anunderstanding of how the interplay between water and the confiningmatrix affects the structure of the assemblies and transport propertiesof water. Our model confining matrix is composed of ionic surfactants.This versatile model is able to self-assemble to a wide variety ofconfining geometries.We focus on the role of interfaces in shaping the nanometer scalestructure, and nanosecond scale transport properties. This work is adeparture from the traditional approach to the problem of transport ofwater confined in soft nanomaterials. We show that the usual hypothesisof diffusive water transport does not hold due to trapping of moleculesat the interface with the confining matrix. Instead, we support apicture where transport is sub-diffusive, and we highlight the role ofthe length-scale of the confinement and of its topological features. Wefind that this rationale explains experimental results for waterconfined in synthetic materials, and that it is compatible with recentadvances in the understanding of biological water.

Ce projet se place dans le cadre du développement des nouvelles technologies de l'énergie respectueuses de l'environnement. Les piles à combustibles à oxydes solides (SOFC) permettent, pour les applications stationnaires, la génération de puissance de 1kW à 2MW avec un rendement électrique pouvant atteindre 70%. Elles fonctionnent à très hautes températures, typiquement entre 700-1000°C. La cellule d'une SOFC est constituée d'un électrolyte dense pris en sandwich entre deux électrodes poreuses (anode et cathode). Les électrodes poreuses, élaborées à partir de poudres céramiques, représentent un élément critique de l'assemblage. En effet, elles doivent être suffisamment poreuses pour optimiser à la fois la diffusion des gaz et les réactions électrochimiques. Cette nécessité est en contradiction avec l'exigence d'une bonne tenue mécanique. Cette contradiction doit pouvoir être résolue en proposant des microstructures d'électrodes poreuses hiérarchisées ou anisotropes. L'objectif de cette thèse est de montrer différentes voies possibles pour optimiser l'électrode en s'appuyant en particulier sur des simulations numériques et sur des caractérisations tomographiques. Les électrodes sont élaborées en utilisant deux protocoles différents conduisant à des porosités isotropes et anisotropes. Les échantillons anisotropes sont préparés en utilisant la méthode de moulage par congélation à partir de poudres YSZ/LSM, typiques de matériaux d'électrode. Cette méthode de fabrication conduit à une porosité hiérarchisée. La porosité totale est définie par le taux de chargement dans la barbotine initiale. La microporosité diminue avec la température de frittage et la taille des macropores est fonction de la vitesse de solidification. Les échantillons isotropes sont préparés en utilisant des agents porogènes avec des caractéristiques identiques aux échantillons anisotropes. Ces électrodes sont caractérisées par la technique d'Archimède pour déterminer les taux de porosités (macro et micro) et par microscopie à balayage pour connaître la taille des macroporosités. Des images tridimensionnelles des microstructures sont obtenues par FIB-SEM (Focused Ion Beam, 15µm³) et par nanotomographie-X (75µm³), avec des résolutions de 10nm et 75nm, respectivement. Le rendement énergétique d'une électrode dépend de différents paramètres : composition YSZ/LSM, taux de porosité, taille des particules, conductivités électronique/ionique et résistance électrochimique. Ces paramètres sont étudiés en utilisant des microstructures numériques associées à un réseau de résistance. Les simulations permettent de déterminer les facteurs qui contrôlent la conductivité effective. Ces microstructures numériques sont élaborées à l'échelle de la taille des particules en utilisant le code dp3D basé sur la méthode des éléments discrets (DEM) et développé au sein du laboratoire SIMaP. Nous montrons par exemple qu'en dessous d'une certaine épaisseur, la composition YSZ/LSM a très peu d'influence sur la conductivité effective. Une méthode a également été développée pour calculer cette conductivité effective à partir d'une image de FIB prenant en compte la résistance électrochimique aux points triples (gaz, YSZ, LSM). La tenue mécanique des différentes microstructures est testée en compression jusqu'à la rupture. En parallèle, des calculs sur image, couplés à la DEM sont effectués pour simuler les propriétés mécaniques. Nous comparons le comportement des microstructures homogènes (obtenues avec des agents porogènes) et celui des microstructures anisotropes. Les modules et les contraintes à rupture sont surestimés par les simulations. Qualitativement, les résultats expérimentaux et de simulation montrent des mécanismes de rupture cohérents entre eux. Par ailleurs, les modules et les contraintes à rupture sont différents entre les deux types d'échantillon (anisotrope et isotrope). Cette anisotropie peut être utilisée pour optimiser les propriétés mécaniques suivant une direction. / This project is involved in the development of new green power sources. Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) can achieve an output power of 1kW to 2MW and an energy conversion of up to 70%. Temperatures between 700 and 1000°C are required. A typical cell is made of an electrolyte sandwiched between two porous electrodes (anode and cathode). Porous electrodes are elaborated from ceramic powders and are critical components of the whole structure. These electrodes need to be porous enough to optimize gaz diffusion and electrochemical reactions. This requirement is antagonist to the need of a good mechanical strength. This conflict could be solved using hierarchical or anisotropic electrode microstructures. The aim of this thesis is to investigate possible ways to optimize an electrode. Numerical simulations and nanotomography characterizations are used for this purpose. Electrodes are elaborated using two different protocoles leading to anisotropic and isotropic porosities. Anisotropic samples are prepared by freeze-casting from a slurry of YSZ and LSM, which are typical materials for SOFCs. Freze-casting leads to a hierarchical porosity. The overall porosity is controlled by the loading of the slurry. The microporosity decreases with sintering temperature and the macropore size is function of the freezing rate. Isotropic samples are processed using pore formers. The size and the amount of pore formers are selected to match the characteristics of the anisotropic samples. These electrodes are characterized with Archimedes technique to determine the porosity, and with scanning electron microscope (SEM) to obtain the size of macropores. Three dimensional images of the microstructures are captured using focused ion beam (FIB-SEM tomography) technique (10nm} resolution) and using X-ray nanotomography (75nm} resolution). The overpotentials in an electrode depend on different parameters: composition of YSZ/LSM, porosity, particle sizes, electronic/ionic conductivities and electrochemical resistance. These parameters are studied on numerical microstructures coupled with a resistor network. These numerical microstructures have been generated at th scale of particles, using a numerical code based on the discrete element method (DEM). Simulations can be used to determine the limiting factor on the effective conductivity. For example, we show that the composition of YSZ/LSM in a sample matters little for electrodes below a certain thickness. A new method has also been developed to compute the effective conductivity from a FIB-SEM image taking into account the electrochemical resistance at the triple point boundaries between gaz, YSZ and LSM. The mechanical response of the elaborated microstructures are tested in compression up to the fracture. In parallel, DEM simulations are performed to simulate mechanical properties based on 3D images. The mechanical behaviours of homogeneous samples (with pore formers) and anisotropic samples are compared. The yield strength and stiffness are overestimated by simulations. Qualitatively, experimental results and simulations show consistent failure mecanisms. Moreover, the yield strength and stiffness are different in the two types of sample (anisotropic and isotropic). Such an anisotropy could be used to optimize mechanical properties in one direction.