Résumé :
Actuellement, l'hydrogène est considéré comme un vecteur d'énergie prometteur. Cependant, il est préalablement produit par une électrolyse, une photo-catalyse, ou des procédés thermochimiques, biologiques. En suit une étape de stockage/conditionnement se réalisant par une compression, une liquéfaction, une physisorption ou une chimisorption. Enfin, la conversion quand elle est électrochimique et a lieu dans les piles à combustible. L'hydrogène remplit les principales caractéristiques pour atteindre les performances requises comme vecteur énergétique efficace, mais sa faible densité volumique reste un point faible. L’étape de compression reste nécessaire et doit avoir un rendement énergétique élevé. De plus, la purification est également essentielle notamment pour des applications comme la mobilité. Le but de ce travail est d'étudier les dispositifs à électrolyte type membrane polymère (PEM : proton exchange membrane) que l’on retrouve fréquemment dans la filière hydrogène. Plus précisément, l'électrolyse de l'eau (PEMWE, Proton exchange Membrane Water Electrolysis) pour la production d'hydrogène et le compresseur/concentrateur électrochimique d'hydrogène (EHC, Eletrochemical Hydrogen Compressor) pour le stockage et la purification de l'hydrogène.
Dans un premier temps, une étude préliminaire a été réalisée à l'aide d'un modèle adimensionnel analytique en régime permanent. Ce dernier a été appliqué aux cellules d'électrolyse fonctionnant avec un gradient de pression important. Cette approche permet l'estimation des performances à l'aide de trois nombres adimensionnels qui sont régi par la cinétique électrochimique au niveau de la couche active et le transport de matière dans la membrane. Les nombres adimensionnels sont : (i) un nombre de type Wagner à l’anode et à la cathode qui représente le rapport entre la conductivité protonique et la cinétique électrochimique au niveau de la couche active. (ii) un nombre similaire au module de Thiele au niveau des couches actives qui décrit la conductivité protonique effective et la densité de courant opérationnel, (iii) un rapport sans dimension décrivant le processus de transport de l'eau à travers la membrane. Le modèle a été appliqué à l'électrolyse de l'eau et le modèle est en bonne adéquation avec les résultats expérimentaux. Dans un second temps, une
