Academic literature on the topic 'Matériaux – Modèles mathématiques – Piles à combustible'

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Dissertations / Theses on the topic "Matériaux – Modèles mathématiques – Piles à combustible":

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Costa, Rémi. "Contribution à l'étude et à la mise en forme d'une cellule de pile à combustible à conduction protonique P. C. F. C." Paris, ENMP, 2009. http://www.theses.fr/2009ENMP0024.

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Abstract:
La filière hydrogène et la pile à combustible apparaissent aujourd’hui comme une alternative crédible à l’utilisation massive des énergies fossiles. Dans le cadre d’un projet ANR piloté par EDF, un consortium s’est intéressé à la réalisation d’une cellule de type P. C. F. C. (Proton Conducting Fuel Cell) opérant à 600° avec BaCe0,9Y0,1O3-α comme électrolyte à conduction protonique. Cette thèse s’inscrit dans ce cadre, et présente l’objectif d’étudier le comportement de ce matériau au frittage et d’évaluer le co-coulage en bande et le co-frittage comme procédé de mise en forme bas coût pour la réalisation d’une demi-cellule anode-électrolyte de type anode support. Le composé BaCe0,9Y0,1O3-α peut être produit aisément par chimie douce. En revanche, le caractère réfractaire de ce matériau impose des paramètres de frittage très sévères entraînant sa dégradation, et l’altération de ses propriétés de transport. Il s’agit de l’endommagement thermique dont nous proposons un premier modèle. L’étude des interactions entre BaCe0,9Y0,1O3-α et NiO, utilisé comme précurseur de nickel dans les cermets d’anode, s’est avérée particulièrement complexe. Elle a permis de mettre en évidence à la fois des effets bénéfiques (agent de frittage) et néfastes (altération des propriétés de conductions) de la diffusion des cations Ni2+. Concernant la mise en forme, la sédimentation des poudres liée à l’instabilité des barbotines et les interactions avec NiO conduisent lors du co-frittage de la demi-cellule à des déformations rédhibitoires. Nous proposons donc une architecture alternative de type « métal support », fondée sur l’utilisation d’une mouse de nickel aux premiers résultats encourageants
Hydrogen and fuel cells are now considered as a potential and credible alternative to the massive use of fossil fuels. In a French project led by EDF, a consortium focused its research on the achievement of a Proton Conducting Fuel Cell (P. C. F. C. ) operating at 600°C for residential use with BaCe0,9Y0,1O3-α as proton conductor. This study was led in this framework and aimed to understand the behaviour of this material during sintering and to assess tape casting and co-sintering as low cost process to shape anode-electrolyte half cells. BaCe0,9Y0,1O3-α can be easily prepared by soft chemistry. However, the refractory behaviour of this material imposes strong sintering parameters which led to its thermal decomposition and the degradation of its transport properties. We propose a model on this thermal damaging. The study of interactions between BaCe0,9Y0,1O3-α and NiO, generally used as nickel precursor in anode cermet, has been particularly complex, and highlighted both benefits (reduction of sintering temperature) and drawbacks (impaired transport properties) of Ni2+ diffusion. About shaping process, sedimentation of powders due to a lack of stability of slurries and interactions with NiO led to prohibitive deformations during co-sintering. As a consequence, a new metal supported approach based on the use of a nickel foam was developed, giving encouraging results
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Bouloré, Antoine. "Etude et modélisation de la densification en pile des oxydes nucléaires UO2 et MOX." Grenoble INPG, 2001. http://www.theses.fr/2001INPG4203.

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Abstract:
Durant l'irradiation en réacteurs à eau sous pression du combustible nucléaire UO2 ou (U, Pu)O2, plusieurs phénomènes physiques interviennent. L'un d'eux consiste en la disparition d'une partie de la porosité initiale sous l'effet de l'irradiation, cette densification pouvant atteindre jusqu'à 2,5%. D'après la littérature, l'amplitude de ce phénomène ainsi que sa cinétique, sont fortement liés à la microstructure initiale du combustible. C'est pourquoi des méthodes de caractérisation de la microstructure ont été développées à l'aide d'outils d'analyse d'images. Ces méthodes ont pour objectif de rendre les résultats obtenus sur différents types de combustibles comparables. Ces analyses ont permis entre autres de déterminer l'influence du taux de fission local et de la température sur le phénomène de densification. De plus, sous irradiation, on note une disparition importante de la porosité de diamètre inférieur à 3 µm. A l'aide de ces données, deux types de modélisation ont été mis en place. La première est semi-empirique, c'est-à-dire qu'elle s'appuie sur des résultats expérimentaux et n'a aucune valeur prédictive. En effet, l'amplitude maximale de densification doit être ajustée pour chaque type de combustible par une constante multiplicative impossible à déterminer a priori. Mais elle a été appliquée avec succès au recalcul d'une expérience de densification en pile menée dans le réacteur expérimental de Halden (Norvège). Le second modèle est mécaniste, c'est-à-dire basé sur l'écriture mathématique des phénomènes physiques intervenant dans le combustible sous l'effet de l'irradiation, dont les principaux sont l'interaction entre un fragment de fission et une porosité, et la création de paires de Frenkel sous l'effet du ralentissement des produits de fission. Ce modèle calcule les évolutions de populations de pores et a été appliqué avec succès sur un crayon caractérisé avant et après irradiation
Amongst the many phenomena which take place in the course of the irradiation of UO2 or (U, Pu)O2 nuclear fuels, one of them involves the elimination of a fraction of the as-fabricated porosity. In-pile densification or sintering can reach 2. 5%, i. E. Approximately half the initial volume of pores is likely to disappear. Our literature survey indicates that the amplitude and kinetics of the phenomenon are both heavily dependent on the initial fuel microstructure. Micro-structural characterisation techniques of oxide fuels have therefore been developed in conjunction with quantitative image analysis methods. The ensuing methodology enables a quantitative comparison of micro-structural features in different fuels and has been applied to ascertaining the influence of the local fission rate and temperature on in-pile densification. It is thus revealed that in-pile operation eliminates a significant fraction of pores smaller than 3 microns in diameter. The experimental data generated has been used to set up a semi-empirical and a mechanistic model. The former is based on experimental results and is not essentially predictive. The inability of this model to predict the in-pile densification of oxide fuels is illustrated by the fact that the maximum fraction of pores that disappears is proportional to an empirical function of fission rate, and temperature. The proportionality factor appears to be difficult to correlate quantitatively to any given micro-structural feature. The model has however been applied to the interpretation of an in-pile densification experiment carried out in the Halden reactor (Norway). The latter model is mechanistic, i. E. It is based on the solution to a set of equations that describe the coupled temperature and radiation induced phenomena which occur in-pile. These can broadly be broken down into three categories : the fission fragment-pore interaction, the creation of point defects as the fission fragments slow down, and the diffusion of these point defects to sinks. The model calculates the evolution of the pore size distribution and has successfully been applied to modelling the in-pile densification behaviour of a fuel pellet characterised before and after irradiation
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Mathieu-Potvin, François. "Modélisation et optimisation des canaux réactifs de microréacteurs et des piles à combustible à hydrogène." Thesis, Université Laval, 2014. http://www.theses.ulaval.ca/2014/30552/30552.pdf.

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Abstract:
Les piles à combustible à l’hydrogène (PACH) sont des engins qui produisent de l’énergie électrique à l’aide d’une réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène. Ces dispositifs sont des candidats potentiels pour le remplacement des moteurs à combustion interne conventionnels. Cependant, les PACH ne sont toujours pas compétitives sur le plan commercial, car leur coût, leur poids et leur volume sont encore trop élevés. Un défi est donc d’améliorer l’efficacité des PACH en améliorant leur design. L’objectif de ce projet est de développer des outils de modélisation mathématique et de simulation numérique, pour ensuite optimiser le design des piles à combustible à l’hydrogène. Dans un premier temps, les phénomènes de transport à très petite échelle dans les milieux poreux qui constituent les PACH sont formulés mathématiquement, et une stratégie de lissage spatial est appliquée à ces équations pour les transformer en équations lissées valides à l’échelle macroscopique. Le nouveau modèle développé démontre que l’équation de conservation de la masse contient un terme volumique additionnel, tandis que l’équation de la quantité de mouvement reste similaire à la loi de Darcy. Dans un second temps, un modèle numérique est développé pour optimiser la géométrie des canaux catalytiques dans lesquels un fluide réagit chimiquement. Ce type d’écoulement peut représenter, entre autres, les réactants qui circulent dans les canaux se trouvant dans les PACH. Des corrélations sont développées analytiquement pour prédire les designs optimaux, et ces corrélations sont corroborées par des résultats numériques. Dans un troisième temps, un modèle mathématique et numérique complet de PACH est développé et validé. Ce modèle est utilisé pour optimiser l’allocation de catalyseur entre l’anode et la cathode, et pour optimiser la distribution de catalyseur dans la cathode. Les résultats montrent qu’une allocation inégale de catalyseur entre anode et cathode permet d’augmenter le courant généré par une PACH, et une distribution non-uniforme de catalyseur dans la cathode mène aux courants les plus élevés. Enfin, les paramètres les plus influents du modèle numérique ont été identifiés par une analyse de sensibilité.
Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) are devices that produce electricity by means of a chemical reaction between hydrogen and oxygen. These devices are possible alternatives for the replacement of internal combustion engines. However, they are not yet competitive, because their cost, weight and volume are still too large. A challenge is thus to increase PEMFC efficiency by optimizing their design. The main objective of the present project is to develop mathematical and numerical modeling tools in order to optimize the PEMFC design. First, small-scale transport phenomena in the porous media of PEMFC are formulated mathematically, and then a volume averaging method is used to transform these equations into equations that are valid at a larger scale in the porous media. The new mathematical model obtained with this strategy shows that the mass conservation equation contains an additional term, while the momentum equation remains similar to Darcy’s Law. Second, a numerical model is developed in order to optimize the geometry of catalytic channels in which a fluid undergoes chemical reactions. This kind of flow may represent, for example, the reacting species that move in PEMFC channels. Correlations are developed analytically in order to predict the optimal designs for these channels. These correlations were validated with numerical simulations. The results obtained may be applied to several different devices (e.g., microreactors, monolith, PEMFC). Finally, the mathematical and numerical model of a PEMFC are developed and validated. This model is used to optimize catalyst allocation between the anode and cathode sides of the fuel cell, and also to optimize catalyst distribution within the cathode catalyst layer. The analysis shows that an unequal allocation of catalyst between the anode and cathode sides results in a higher electric current. It was also shown that a non-uniform catalyst distribution within the cathode layer yields higher electric current. Finally, the most influential parameters of the numerical model were identified by a sensitivity analysis.
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Levesque, Caillol Noémie. "Elaboration, caractérisation et modélisation de cathode sérigraphiée, La₀. ₈Sr₀. ₂MnO₃, pour pile à combustible SOFC." Saint-Etienne, EMSE, 2006. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00165173.

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Abstract:
Le travail porte sur l'étude des propriétés de cathodes à base de LSM, élaborées par sérigraphie sur électrolyte YSZ et sur la modélisation de la réduction de l'oxygène. Une revue bibliographique des nombreux travaux publiés sur LSM et l'interface LSM/YSZ, met en exergue le manque de consensus sur les mécanismes de l'interaction LSM/oxygène. Les différents modèles théoriques possibles et les lois cinétiques associées sont présentés afin de servir de base à la modélisation cinétique. Des caractérisations microstructurales ont permis de vérifier la bonne adaptabilité de la technique d'élaboration pour notre étude et pour la réalisation de cellules en général. Les couches d'épaisseur de l'ordre de 15 à 100 µm sont stables dans le temps et reproductibles. Leur microstructure est homogène et régulière avec une porosité d'environ 0,6. Des caractérisations physico-chimiques ont été réalisées par diverses techniques. Les analyses par spectrométrie infra-rouge et thermodésorption sur poudre ont permis d'observer différentes espèces oxygène adsorbées. Une étude calorimétrique a mis en évidence une modification des quantités de chaleur dégagées lors de l'adsorption d'oxygène à différentes températures. Les analyses par XPS de la surface des couches ont révélé d'important phénomènes de ségrégation du strontium en surface, selon les conditions de pression, de température et de polarisation. A partir des caractérisations électrochimiques réalisées par spectroscopie d'impédance, trois contributions résistives ont été identifiées. Seule la contribution basse fréquence de cette impédance, qui est sensible aux variations de pression, est attribuée à un phénomène d'électrode. Suite à l'étude méthodique des différentes hypothèses de modélisation, il a été possible de remonter à un mécanisme réactionnel. Le modèle proposé est assez complexe. Il est composé de trois chemins de conduction parallèles (deux en surface et un en volume), impliquant deux espèces oxygènes adsorbées différentes et dont la prépondérance les uns par rapport aux autres est fonction des conditions de pression, de température et de polarisation. Une étude de l'influence de la vapeur d'eau vient compléter ce travail afin de comprendre son impact sur les performances de la cathode. L'effet bénéfique de la vapeur d'eau n'est pas dû à un effet catalytique direct puisqu'il ne modifie pas l'énergie d'activation apparente du processus à la cathode. Les expériences semblent indiquer qu'il est relié aux phénomènes de ségrégation en strontium en surface des grains. Il permettrait de conserver et de régénérer les propriétés initiales de la couche
The properties of LSM screen-printed cathodes on YSZ electrolytes and the modelling of oxygen reduction have been studied. A bibliographic review of published works on LSM and LSM/YSZ interface reveals the lack of consensus over the mechanism proposed between oxygen and LSM. The different theoretic models possible and their associated kinetic laws are presented to serve as the basis for the kinetic modelling. Microstructural characterisations proved the adaptability of the screen-printing technique for making electrodes. The layers are stable in time and well reproducible. Their microstructure is homogenous and regular with a porosity of 0. 6. Physico-chemical characterisations were carried out. Infra-red spectrometry analysis and thermo-programmed desorptions have shown the existence of different kinds of oxygen-adsorbed species on LSM powder. A calorimetric study has revealed a change in the quantity of heat released during oxygen adsorption as a function of temperature. By XPS analysis on screen-printed layers, important strontium segregation was observed depending on pressure, temperature and polarisation conditions. From electrochemical characterisations made by impedance spectroscopy, three resistive contributions have been identified. Only the low frequency contribution, which is the only pressure sensitive contribution, was considered to correspond to an electrode phenomenon. Following a methodical study of the different modelling hypothesis, a mechanism for the cathodic reaction was obtained. The proposed model is complex. It is composed of three conductivity paths running in parallel (two surface paths and one bulk path). These paths involve two different oxygen species and their preponderance depends on pressure, temperature and polarisation conditions. A study of water vapour influence completes this work, to understand its impact on the cathode electrical performance. The benefits brought by water vapour are not linked to a direct catalytic effect, as it does not affect the apparent activation energy of the cathode's process. The experiments seem to indicate that the benefits are linked to the strontium segregation at the surface of grains. It seems water vapour helps maintain and regenerate the initial properties of the layer
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Friede, Klaus Wolfgang. "Modélisation et caractérisation d'une pile à combustible du type PEM." Vandoeuvre-les-Nancy, INPL, 2003. http://www.theses.fr/2003INPL044N.

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Abstract:
Cette thèse décrit le fonctionnement d'une pile à combustible sous l'aspect de son intégration dans un système de production d'énergie. Son utilisation est difficile dû au grand nombre de paramètres de fonctionnement à contrôler et nécessite une connaissance détaillée du fonctionnement interne. Pour cela, les relations entre les conditions de fonctionnement et les grandeurs électriques sont présentées. Le modèle décrit les différents effets internes de la pile tout en restant suffisamment restreint pour permettre une résolution rapide en régime stationnaire et transitoire. La pile a été décomposée en couches selon les différents matériaux utilisés. Une approche monodimensionnelle a été choisie. Selon un axe perpendiculaire à la membrane, chaque couche est discrétisée en plusieurs éléments. Le modèle mathématique d'une cellule de pile à combustible présenté est basé sur des équations de flux de gaz et de l'eau à l'intérieur. La description de la réaction chimique ainsi que son couplage avec les autres grandeurs est traitée ainsi que le comportement fréquentiel de la pile. La résolution des équations sous Matlab-Simulink permet de localiser des phénomènes dans la pile et de visualiser le comportement en transitoire, notamment concernant la gestion d'eau à l'intérieur de la pile, le plus grand défi du contrôle des conditions de fonctionnement. La présentation d'un banc de test avec une pile à combustible de 500 W et des mesures stationnaires et transitoires montrent les performances de la pile et sa sensibilité aux paramètres. Notamment les mesures de la résistance interne et des valeurs de l'impédance sont interprétées pour trouver des informations concernant les phénomènes physiques dans la pile
In this work, the behaviour of a fuel cell is described in regard of its integration into a power production system. Its use is difficult as a great number of operating parameters has to be controlled and internal behaviour has to be known. Therefore, the relations between the operating conditions and the electrical parameters are presented. The model describes the internal phenomena in the fuel cell while staying restricted enough to allow a fast resolution in stationary and transient operation. The fuel cell is divided into layers. Each layer consists of a different material. A mono-dimensional approach has been chosen. Following an axis that is perpendicular to the membrane surface, every layer is discretised into several elements. This work is dealing with a mathematical model of a single fuel cell, based on gas and water flow equations. The electrochemical reactions are described while taking into account the mutual influence with other values. The description of the cell impedance is of special interest. The model shows the evolution of electrical values as a function of operating conditions. The resolution of the equations using Matlab-Simuling software allows to localise the internai phenomena and to visualise the transient behaviour. Special attention is given to water management, which is one of the biggest challenges in operating low temperature fuel cells. The presentation of a test hench with a 500 W PEM fuel cell and stationary and transient measurements show the cell's performance and its sensibility to parameter changes. In particular, membrane resistance and impedance values are interpreted to get more information about the internal physical phenomena of the fuel cell
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Bouhala, Lyazid. "Endommagement des piles à combustible type SOFC : simulation de la propagation des fissures par EFG étendue." Strasbourg, 2011. http://www.theses.fr/2011STRA6011.

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Abstract:
L’objectif principal de cette thèse est la modélisation de la rupture thermomécanique dans une cellule de pile à combustible et la simulation efficace du processus de propagation des fissures. L’étude est réalisée par la méthode sans maillage « Element Free Galerkin étendue (XEFG) ». Après avoir implémenté la méthode sans maillage pour un problème mécanique sans fissure, nous avons introduit par le principe de partition d’unité la méthode en mécanique de rupture. L’intégration est réalisée par la technique de fragmentation de cellules de fond associe à l’intégration de Gauss. La deuxième partie de ce travail était consacrée à l’application de la méthode sans maillage à la simulation de la propagation d’une fissure dans un solide pré fissuré. La problématique de fissuration en présence d’une interface d’une bicouche assimilée à une cellule de pile à combustible était abordée. Nous avons détaillé ensuite la technique utilisée pour le calcul des facteurs d’intensité de contraintes et le critère utilisé pour la propagation des fissures. Une étude paramétrique est proposée pour illustrer l’effet de la géométrie, des propriétés mécaniques et de l’interface sur le chemin de la propagation. La troisième partie de la thèse élargit le concept de la méthode XEFG à la thermo-élasticité selon la nature de la fissure. La dernière partie de la thèse est consacrée à l’extension de la méthode sans maillage EFG à la rupture interfaciale
The thesis objective is the modeling of thermo mechanical failure in Solid Oxide Fuel Cells and the simulation of crack propagation. The study is conducted by extended Element Free Galerkin method (XEFG). After implementing the meshless method for a mechanical problem without crack, we introduced the method by partition of unity principle in fracture mechanics. The second part of this work was devoted to the application of the meshless method to simulate crack propagation in a pre-cracked solid. The problem of cracking in the presence of an interface of a bi-layered material like fuel cell unit was discussed. We then detailed the technique used for calculating stress intensity factors and the criterion for crack propagation. A parametric study is given to illustrate the effect of geometry and mechanical properties of the interface on the crack propagation path. The third part of the thesis extends the concept of the method XEFG to thermo-elasticity according to the crack nature. The last part of the thesis is devoted to extending the meshless method to interfacial fracture
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Bencherif, Karim. "Modélisation mathématique d'une pile à combustible et d'un reformeur essence en vue de la commande." Paris 9, 2004. https://portail.bu.dauphine.fr/fileviewer/index.php?doc=2004PA090072.

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Abstract:
Dans cette étude, on s'est intéressé à la modélisation d'une pile à combustible et d'un reformeur essence utilisés pour des applications de traction automobile. La mise en équation des phénomènes physico-chimiques mis en jeu par chacun de ces organes nous a montré qu'ils peuvent être tous décrits par une même classe de modèles mathématiques, ils viennent donc enrichir une collection déjà existante. Il s'agit d'un système particulier de type réaction-transport-diffusion de dimension 1 en espace. Une fois cette classe de modèles mise en évidence, nous avons pu déployer plusieurs méthodes de réduction : la séparation des échelles de temps, l'agrégation de variables et la semi-discrétisation. Une partie des modèles réduits obtenus par application de ces méthodes a ensuite été utilisée dans plusieurs applications en simulation, estimation et commande
The goal of this study is to develop mathematical models for a fuel cell and a gasoline reformer used in a fuel cell vehicle. Mathematical modeling of the physicochemical phenomena involved by the fuel cell and the reformer shows us that a single class of mathematical models can be used : particular reaction-transport-diffusion system of dimension 1 in space. Once this class of models made precise, it is possible to use several methods of reduction : time-scales separation, variables aggregation and particular space in semi-discretization. Some reduced models obtained by this way were used in many applications in simulation, estimation and control
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Bernier, Michel. "Modélisation d'un coeur de pile au gaz naturel." Aix-Marseille 1, 1999. http://www.theses.fr/1999AIX11034.

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Abstract:
Une pile a combustible est un generateur d'energie electrique qui permet de transformer directement l'energie chimique du combustible en energie electrique. L'attrait des piles a combustible reside principalement dans les hauts rendements thermodynamiques des processus electrochimiques mis en oeuvre (de l'ordre de 80-90%) en cogeneration electricite-chaleur. Le developpement et le test de piles a oxydes solides met en oeuvre des materiaux couteux et des techniques experimentales pointues. Comme toujours dans pareil cas, la simulation est un outil attrayant. A partir de travaux existant sur la simulation d'une cellule unite, nous proposons un modele etendu a un empilement constitue d'un grand nombre de cellules. La simulation peut ainsi etre utilisee pour le developpement de systemes complets. Pour ce faire, on ne peut resoudre les equations fines utilisees sur la cellule unite en raison de la puissance de calcul des ordinateurs actuels et de leur capacite memoire limitees. Deux approches ont ete etudiees et comparees : l'utilisation des techniques d'homogeneisation, ou la cellule unite est vue comme un point ou un materiau homogene. La determination d'un comportement effectif d'une cellule unite, a partir d'un modele numerique de celle ci. La discretisation des equations obtenues par les deux approches a permis le developpement informatique d'un modele tenant compte des principaux phenomenes electrochimiques et thermiques mis en jeu. Le code resultant permet la simulation numerique en 3 dimensions d'espace du fonctionnement d'un coeur de pile au gaz naturel.
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Rabih, Samer. "Contribution à la modélisation de systèmes réversibles de types électrolyseur et pile à hydrogène en vue de leur couplage aux générateurs photovoltaïques." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2008. http://oatao.univ-toulouse.fr/7731/1/rabih.pdf.

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Abstract:
Une réponse aux préoccupations actuelles suscitées par un bouquet énergétique principalement constitué de combustibles fossiles épuisables et nuisibles à l'environnement est de leur substituer peu à peu des sources d'énergies renouvelables, notamment solaires ou éoliennes. Cependant, ces énergies de flux à caractère intermittent posent un problème de valorisation. Elles sont souvent la source d'une électricité qui hérite de leurs fluctuations, dont le transport requiert un réseau, et qui constitue un vecteur peu aisé à stocker. Dans ce contexte l'hydrogène synthétisé à partir de cette électricité renouvelable pour la stocker est considéré comme un vecteur de stock prometteur pour le futur. Divers composants et procédés électrochimiques sont associés à cette perspective : électrolyseurs, piles à combustibles, associations des deux fonctions combinées dans le système ou intégrées dans un unique composant réversible. Notre travail se situe dans cette perspective. Il a contribué au développement de modèles avancés de composants électrochimiques de type électrolyseur ou piles à combustible, en intégrant la réversibilité en vue de l'étude de leur couplage aux générateurs photovoltaïques. Les modèles développés suivant une approche énergétique unifiée exploitent la représentation en bond graph. Après une analyse du contexte énergétique, un état de l’art des composants électrochimiques couplant hydrogène et électricité est présenté, plus particulièrement sur les électrolyseurs et sur les piles à combustible réversibles. Puis, après un rappel des principes de la représentation en Bond Graph, nous exploitons ce formalisme pour développer un modèle énergétique réversible de composant « électrolyseur et/ou pile à combustible», représentant au niveau macroscopique les phénomènes de conversion réactionnels et dissipatifs, couplés dans les domaines chimique, thermodynamique, électrique, fluidique et thermique. Des essais de caractérisation et de validation menés sur des petits dispositifs expérimentaux sont ensuite décrits. Ils permettent d'illustrer l’influence des paramètres opératoires sur les performances de ces composants. Enfin le modèle Bond Graph est exploité pour étudier la modularité des composants, notamment les déséquilibres électriques et thermiques dans les associations séries ou parallèles de piles à combustible ou d’électrolyseurs. Une architecture couplant ces éléments  avec un générateur photovoltaïque pour alimenter une charge isolée ou un réseau électrique est enfin présentée.
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Berrod, Quentin. "Relation structure - transport dans des membranes et matériaux modèles pour pile à combustible." Phd thesis, Université de Grenoble, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00981913.

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Abstract:
L'optimisation des performances d'une pile à combustible (PEMFC) requiert la compréhension microscopique des mécanismes de transport de l'eau et du proton confinés au sein de la membrane électrolyte polymère. La membrane est un matériau nanostructuré chargé, caractérisé par une dynamique de l'eau et du proton complexe et multi-échelle étroitement corrélée à la morphologie confinante. Nous nous sommes intéressés à la relation structure - transport dans i) L'Aquivion, un ionomère perfluorosulfonique récent présentant de bonnes performances en pile, ii) des systèmes " modèles " auto-assemblés de tensioactifs perfluorés formant des phases lamellaires et hexagonales et iii) une nouvelle membrane hybride préparée par dopage en tensioactif. La nano-structuration des différents systèmes a été étudiée par diffusion de rayonnement (X et neutrons), pour caractériser l'évolution de la structure (géométrie de la matrice hôte, taille de confinement) avec l'hydratation. Ensuite, nous avons sondé la dynamique de l'eau à l'échelle moléculaire (de la picoseconde à la nanoseconde) par diffusion quasi-élastique des neutrons (QENS) et à l'échelle micrométrique par RMN à gradients de champs pulsés. La comparaison membranes commerciales / systèmes modèles permet de discuter l'impact de la connectivité, du confinement et de la géométrie sur le transport ionique. Enfin, des membranes hybrides à fort potentiel ont été obtenues par dopage du Nafion et de l'Aquivion avec des tensioactifs. Ces nouveaux matériaux ouvrent une voie prometteuse pour la préparation de membranes polymères fortement anisotropes avec des chemins de conduction préférentiellement orientés.

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