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UNIVERSITÉ DU QUÉBEC MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À TROIS-RIVIÈRES

UNIVERSITÉ DU QUÉBEC MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À TROIS-RIVIÈRES COMME EXIGENCE PARTIELLE DE LA MAÎTRISE EN SCIENCES DE L'ÉNERGIE ET DES MATÉRIAUX OFFERTE EN EXTENSION PAR L'INSTITUT NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE PAR MANUEL TOUSIGNANT L'EFFET DU LAMINAGE À FROID SUR LES PROPRIÉTÉS DE SORPTION DE L'HYDROGÈNE DU LANIs JUIN 2014 Université du Québec à Trois-Rivières Service de la bibliothèque Avertissement L’auteur de ce mémoire ou de cette thèse a autorisé l’Université du Québec à Trois-Rivières à diffuser, à des fins non lucratives, une copie de son mémoire ou de sa thèse. Cette diffusion n’entraîne pas une renonciation de la part de l’auteur à ses droits de propriété intellectuelle, incluant le droit d’auteur, sur ce mémoire ou cette thèse. Notamment, la reproduction ou la publication de la totalité ou d’une partie importante de ce mémoire ou de cette thèse requiert son autorisation. Résumé Ce travail de recherche a été mené sous la supervision du Professeur Jacques Huot dans les laboratoires de l'Institut de recherche sur l'hydrogène à l'Université du Québec à Trois-Rivières. L'objectif premier était d'étudier l'effet du laminage à froid sur les propriétés de sorption de l'hydrogène du LaNis et de le comparer avec l'action du broyage mécanique. De la poudre de LaNis a été laminée 5x, 12x et 25x ainsi que broyée mécaniquement 15 et 60 minutes, toute sous argon. La morphologie et les structures cristallines de ces échantillons ont été obtenues respectivement à l'aide d'un microscope électronique à balayage et d'un diffractomètre à rayons X. C'est avec un appareil de titration de l'hydrogène que les mesures d'absorption et de désorption ont été effectuées. Le laminage réduit considérablement la taille des particules et des cristallites. La première hydruration (activation) du LaNis est beaucoup plus rapide après quelques laminages à froid consécutifs et elle est comparable à 15 minutes de broyage. Un broyage de 60 minutes a un impact négatif sur la cinétique et la capacité d'absorption d'hydrogène. Il s'est avéré que l'échantillon laminé 5x a la meilleure capacité et le temps d'incubation le plus court. Finalement, quatre différents échantillons laminés 12x à l'air ont été collectés afin de comparer leurs cinétiques de sorption de l'hydrogène. La morphologie de ces échantillons laminés affecte la première absorption et ce sont les plus petites plaquettes qui ont montré la meilleure cinétique. Dans ce mémoire, il a été démontré que le laminage à froid réduit le temps d'activation du LaNis. Donc, dans une perspective industrielle utilisant cet alliage comme hydrure, il serait très avantageux de le laminer pour sauver le temps et l'énergie nécessaire à l'activation. Manuel T ousignant Étudiant 11 Jacques Huot Directeur de recherche Avant-propos Pour commencer, je désire adresser mes plus sincères remerciements à toutes les personnes et les organismes qui ont participé ou contribué à l'élaboration de ce travail de recherche. C'est grâce à l'Institut de recherche sur l'hydrogène et spécialement au Professeur Jacques Huot, qui m'a donné ma première chance, que j'ai pu m'initier à la recherche dès le premier été de mon baccalauréat. Cette expérience m'a apporté la passion de la recherche et le désir de me surpasser. Après mon baccalauréat et une interruption d'une année pour vivre une expérience d'études à l'étranger, j'ai décidé d'entreprendre une maîtrise dans le même domaine de recherche à l'Institut de recherche sur l'hydrogène. Je tiens sincèrement à remercier mon directeur de recherche, le Professeur Jacques Huot qui a toujours été disponible et d'une aide remarquable tout au long de ce projet et de mes années en recherche. Il m'a permis de développer ma rigueur scientifique et mon esprit d'analyse, tout en me laissant une part d'autonomie. Je veux remercier les membres de l'Institut de recherche sur l'hydrogène qui ont collaboré avec moi lors de ces années à l'Université du Québec à Trois-Rivières, plus particulièrement le Professeur Jacques Goyette ainsi que les étudiants du groupe de Jacques Huot, principalement Julien Lang et Thomas Bibienne. Je tiens également à remercier ma famille et mes amis qui m'ont soutenu et encouragé lors de ces années d'études. L'Université du Québec à Trois- Rivières ne m'a pas seulement permis d'obtenir un diplôme, elle m'a apporté les connaissances et l'apprentissage nécessaires pour me préparer à une vie professionnelle. Je tiens personnellement à remerCIer aUSSI tous les organIsmes qUI ont contribué financièrement à ce projet de maîtrise, soit Hydro-Québec, le Conseil de Recherches en Sciences Naturelles et en Génie du Canada, la Fondation de l'Université du Québec à Trois-Rivières ainsi que le réseau H2CAN. 111 Table des matières Liste des figures ................................................................................................. V Liste des tableaux .............................................................................................. vi Introduction ........................................................................................................ 1 Chapitre 1 : Les énergies alternatives et l'hydrogène ........................................ 3 1.1 Les énergies vertes ................................................................................... 4 1.2 Pourquoi l'hydrogène? ............................................................................. 6 Chapitre 2 : Le stockage de l'hydrogène ........................................................... 9 2.1 Stockage gazeux ..................................................................................... 10 2.2 Stockage liquide ..................................................................................... 12 2.3 Stockage solide ...................................................................................... 14 2.3.1 Matériaux à haute surface spécifique .............................................. 14 2.3.2 Hydrures complexes ........................................................................ 17 2.3.3 Hydrures métalliques ...................................................................... 18 2.3.3.1 Les déformations plastiques sévères ........................................ 25 Chapitre 3 : Méthodologie et présentation des résultats .................................. 28 3.1 Synthèse et caractérisation des matériaux .............................................. 28 3.1 .1 Le broyage mécanique .................................................................... 28 3.1.2 Le laminage à froid ......................................................................... 31 3.1.3 La titration de l'hydrogène .............................................................. 35 3.1.4 La diffractométrie des rayons X ...................................................... 37 3.1.5 La microscopie électronique à balayage ........................................ .40 3.2 Résultats ................................................................................................. 42 3.2.1 Morphologie .................................................................................... 42 3.2.2 Cristallographie ............................................................................... 44 3.2.3 Cinétiques d'absorption et de désorption de l'hydrogène .............. .48 3.2.4 Cinétiques de sorption de l'hydrogène pour différents échantillons laminés 12x à l'air .................................................................................... 50 Chapitre 4 : Résumé de l'article ....................................................................... 53 4.1 Résumé de l'article ................................................................................ 53 4.2 L'article .................................................................................................. 54 Conclusion ....................................................................................................... 60 Bibliographie .................................................................................................... 62 Appendice A : Structure hexagonale compacte ............................................... 68 IV Liste des figures Figure 1: Réservoirs de stockage de l'hydrogène sous différentes formes ....... 9 Figure 2 : Cylindre de stockage d'hydrogène gazeux ..................................... 10 Figure 3 : Cylindre de stockage d'hydrogène liquide ..................................... 13 Figure 4: Représentation de l'adsorption ....................................................... 15 Figure 5 : Diagramme PCT avec sa courbe de Van't Hoff associée ............... 19 Figure 6 : Courbes d'énergie potentielle de 1 'hydrogène sous forme moléculaire et atomique à l'approche d'un métal ........................................... 21 Figure 7 : Mécanisme de déformation du broyage mécanique à billes ........... 30 Figure 8 : Broyeur mécanique à billes « SPEX 8000M » ............................... 31 Figure 9 : Schéma du laminage ....................................................................... 32 Figure 10 : Appareil de laminage à froid sous argon ....................................... 34 Figure Il : Interface du logiciel représentant la partie tuyauterie d'un appareil de titration de l'hydrogène ............................................................................... 36 Figure 12 : Diffractomètre « Bruker D8 F ocus » ............................................. 39 Figure 13 : Images de microscopie électronique des échantillons de LaNi5 : tel que reçu, laminés et broyés. L'échelle en bas de chaque image représente 50 ~m et le grossissement est de 500x ................................................................. .43 Figure 14 : Patrons de diffraction des échantillons de LaNis tel que reçu, laminés et broyés mécaniquement (a) avant hydrogénation (b) après deux cycles d'hydrogénation .................................................................................... 44 Figure 15 : Évolution de la taille des cristallites .............................................. 45 Figure 16 : Évolution de la microdéformation ................................................ .46 Figure 17 : Évolution des paramètres de maille du LaNis tel que synthétisé et après deux cycles d'hydrogénation: (a) paramètres de maille « a »(b) paramètres de maille « C » ................................................................................ 47 Figure 18 : (a) Courbes de première absorption à 323 K sous 1 500 kPa d'hydrogène (b) Courbes de première désorption à 323 K sous 5 kPa d'hydrogène ..................................................................................................... 49 Figure 19 : (a) Courbes de deuxième absorption à 323 K sous 1 500 kPa d'hydrogène (b) Courbes de deuxième désorption à 323 K sous 5 kPa d'hydrogène ..................................................................................................... 49 Figure 20 : (a) Courbes de première absorption à 323 K sous 1 500 kPa d'hydrogène des échantillons laminés 12x à l'air (b) Courbes de première désorption à 323 K sous 5 kPa d'hydrogène des échantillons laminés 12x à l'air ................................................................................................................... 52 v Liste des tableaux Tableau 1 : Principales méthodes de déformations plastiques sévères ......... 27 Tableau 2 : Taille des cristallites du LaNi5 avant et après hydrogénation ..... .45 Tableau 3 : Microdéformation du LaNi5 .......... ........ .......... ............... .46 Tableau 4: Différents échantillons de LaNi5laminés 12x dans l'air. ..... ..... 51 VI Introduction L'hydrogène est un vecteur énergétique qui pourra éventuellement contribuer à diminuer notre dépendance aux énergies polluantes et non renouvelables. Mais, pour l'utiliser, il faut absolument le stocker de manière sécuritaire et optimale. Dans le domaine du stockage de l'hydrogène, les hydrures métalliques (alliages de métaux absorbant et désorbant l'hydrogène) ont un bon potentiel. Ils représentent un moyen sécuritaire et pratique de stocker de l'énergie. Cependant, pour être utilisés de façon commerciale, les hydrures métalliques doivent répondre à certains critères. Par exemple, pour des applications portables, ils doivent s'opérer à la température ambiante et avoir un faible coût. Selon la littérature, les alliages de types ABs sont considérés comme de bons candidats pour le stockage de l'hydrogène. Le LaNis est l'un des plus étudiés en raison uploads/Science et Technologie/ 030827054.pdf