Soutenance de thèse Gautier Allusse

Les technologies hydrogènes, essentielles à la transition énergétique, nécessitent des Piles à Combustible (PAC) légères, compactes et performantes pour la mobilité décarbonée. L’optimisation des plaques bipolaires, qui représentent 70 % de la masse d’une PAC, constitue donc un axe de développement crucial pour relever le défi sociétal de la réduction des émissions de gaz à effet de serre. La société HYCCO développe une nouvelle génération de plaques bipolaires, fines et légères en matériau composite à matrice thermoplastique (TP) renforcées de feutres de fibres de carbone (CF), fabriquées par thermocompression. Ce renfort, non-tissé, se distingue par ses filaments unitaires, sans mèche, offrant des caractéristiques uniques par rapport aux mats classiques. Cependant, les faibles épaisseurs de renfort ainsi que la haute viscosité de la matrice TP rendent l’imprégnation complexe. Les travaux de cette thèse ont visé, d'une part, à améliorer la compréhension du processus d’imprégnation lors de la thermocompression, et d'autre part à évaluer l’influence des conditions de fabrication sur les performances des plaques bipolaires que sont la conductivité électrique et la perméabilité aux gaz. Le comportement mécanique en compression du renfort a tout d’abord été déterminé, révélant la rupture des fibres pendant la compression du feutre de carbone. La perméabilité transverse du renfort fonction du niveau de compression a ensuite été caractérisée et modélisée. En intégrant les données rhéologiques de la matrice, un modèle avancé de consolidation des composites TP basé sur la loi de Darcy a alors été proposé. Ce modèle, capable de prédire l’avancement de l’imprégnation en tenant compte des interactions fluide-structure, révèle que la compression du renfort de carbone est un facteur prépondérant pendant l’imprégnation. Le lien entre la consolidation et les propriétés d’usage des plaques bipolaires a enfin été étudié. Il apparaît que les propriétés sont grandement liées à la qualité de l’imprégnation et notamment à la présence de porosités dans la microstructure, mais qu’elles dépendent également de l’évolution de l’architecture du renfort au cours du procédé de thermocompression et de sa tendance à se déformer et/ou rompre sous l’augmentation de la contrainte. D’autre part, la nucléation et la cristallisation de la matrice TP à la surface des CF s’est révélée être un facteur déterminant de la perméabilité aux gaz. L’étanchéité des interfaces fibre- matrice et donc du composite dépend donc certainement de l’affinité entre la matrice polymère et le renfort dans les composites à matrice thermoplastique semi-cristalline.