Dans cette thèse, l'interaction de l'hydrogène avec la structure cristalline d'alliages de palladium contenant du cérium et du zirconium a été étudié. Les alliages synthétisés dans un four à arc, dans les compositions Pd0.97Ce0.03; Pd0.97Zr0.03 et Pd0.97Zr0.015Ce0.015, ont été laminés à froid et un échantillon de chaque alliage a été soumis à une oxydation interne par traitement thermique sous différentes conditions.<br />L'oxydation interne promeut la formation de précipités d'oxydes de cérium et zirconium dans les alliages. Ceux-ci ont été caractérisés par microscopie électronique à balayage et par transmission. Les alliages ont aussi été testés par perméation à l'hydrogène pour caractériser l'influence de la microstructure sur la diffusivité et solubilité de l'hydrogène ainsi que sur la formation d'hydrures dans ces alliages. Les alliages oxydés internement à 1073 K pendant 24 h présentent des valeurs de diffusivité d'hydrogène plus faibles (0,3 x 10-11m^2s^-1 pour l'alliage Pd0,97Zr0,03) et des valeurs de solubilité d'hydrogène plus grands (5672 molHm-3 pour l'alliage Pd0,97Zr0,015Ce0,015) par rapport aux autres échantillons traités dans d'autres conditions, à cause de la formation de précipites nanométriques de CeO2 et ZrO2 provenant de l'oxydation interne. Ces précipités sont cohérents avec la matrice de palladium, distordent beaucoup la matrice et, pour cette raison, interagissent effectivement avec l'hydrogène. Avec l'augmentation de la taille des précipités, l'interaction avec l'hydrogène diminue, les valeurs de diffusivité augmentent et les valeurs de solubilité de l'hydrogène diminuent dans les alliages. En relation à la formation de phase hydrure, les échantillons sans traitement d'oxydation interne présentent une plus grande difficulté à former des hydrures par rapport à ceux oxydés internement, à cause de la présence d'atomes en solution solide et de grandes quantités de dislocations et lacunes dans la matrice de palladium, qui ne permettent pas à la matrice de former une phase hydrure.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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Le développement d'une méthode efficace de séparation/purification d'hydrogène représente une nécessité primordiale pour améliorer les rendements de production des systèmes énergétiques futurs. En effet, le procédé de reformage classique de production d'hydrogène conduit à un mélange complexe de gaz à haute température (au-delà de 523 K) qui limite l'utilisation de H2 dans diverses applications. La réalisation de membranes hautement sélectives à l'hydrogène apparaît alors comme un point essentiel pour augmenter la production d'hydrogène. Les membranes à base de silice ont largement été étudiées en vue de répondre à cette problématique. Malgré leurs excellentes performances, elles ne pourraient être compétitives à l'échelle industrielle qu'après amélioration de leur résistance à la vapeur d'eau en température (lixiviation). Des travaux antérieurs menés à l'IEM ont montré les performances de membranes « SiCN » en termes de perméance et de permsélectivité. Sur la base de ces résultats, nous avons développé des membranes non-oxydes autour du quaternaire « SiZrCN ». L'incorporation de Zr avait pour objectif d'améliorer la tenue en température des membranes et de fait leur sélectivité. Ce projet de thèse a été divisé en trois tâches principales : la première a consisté en la synthèse d'un précurseur moléculaire contenant les éléments Si, Zr, C, N ; la seconde a porté sur la préparation par PECVD de membranes denses non oxydes et la dernière partie a permis d'évaluer les performances de ces membranes en séparation de gaz. Un précurseur moléculaire « single source » a été synthétisé avec succès autour du quaternaire « SiZrCN », de tension de vapeur adéquate pour un dépôt par PECVD. Des films minces ont ainsi été déposés sur des supports variés afin d'obtenir des membranes sans défauts de surface conduisant à une perméance à He de 1,7.10-7 mol.m-2.s-1.Pa -1 et à une sélectivité idéale He/N2 (estimée) de 1300 à T = 423 K et Delta p = 1,105 Pa. / The development of an efficient hydrogen separation/purification method represents a tremendous requirement to enhance the production yields of future energy systems. Indeed, the reforming process commonly used for hydrogen production leads to a complex gas mixture at high temperature (beyond 523 K) that limits the H2 use in various applications. The elaboration of highly hydrogen selective membranes appears to be a determining step to expand hydrogen production. Silica-based membranes have been largely studied to respond this problematics. In spite of their excellent performances, they could only be competitive from an industrial point of view after improvement of their low resistance to water vapor at high temperature (lixiviation). Previous works completed at IEM have demonstrated the good performances of “SiZrCN” membranes in terms of permeance and permselectivity. Based on these results, we developed new non-oxide membranes in the quaternary system “SiZCN”. The incorporation of Zr aimed to enhance the temperature resistance of the membranes and then their selectivity. This thesis project was divided into three major tasks : the first one has consisted in the synthesis of a molecular precursor containing the Si, Zr, C, N elements ; the second one was focused on the preparation by PECVD of dense non-oxide membranes and the last one was meant to evaluate the performances of these membranes in gas separation. A single source molecular precursor was successfully obtained in the system “SiZrCN” usable for PECVD. Thin films were thus deposited over various supports to obtain defect free membranes presenting a He permeance of 1,7.10-7 mol.m-2.s-1.Pa-1 and a (estimated) He/N2 ideal selectivity of 1300 at T = 423 K and Delta p = 1.105 Pa.

Cette thèse porte sur l'écophysiologie et la physiologie d'une bactérie hyperthermophile et microaérophile, Aquifex aeolicus, cultivée dans différentes conditions d'oxygénation. Au cours de ce travail, trois systèmes expérimentaux (jarres, microcosmes et fermenteur) ont été testés : (1) le nouveau système de jarres qui été mis au point est muni de microplaques de 24 puits couplé à un robot. Il permet d'étudier un grand nombre de facteurs trophiques ou de formulations de milieux de cultures tout en conservant une atmosphère de composition constante, (2) pour l'étude de facteurs trophiques gazeux, l'utilisation des microcosmes a été montrée peu adaptée, amenant même dans certains cas, à des interprétations erronées, et, 3) le fermenteur reste le meilleur outil pour étudier l'influence de la concentration en O2 dissous (pO2) sur le métabolisme d'A. aeolicus. A partir des cinétiques de croissance obtenues en fermenteur, il a été établi que la densité de biomasse est constante et que la vitesse de croissance est maximale pour une pO2 comprise, respectivement, entre 0.006 et 6 mg/L et, entre 1 et 2 mg/L. Pour des pO2 supérieures à 2 mg/L, il a été montré que l'oxygène a un effet toxique sur la croissance d'A. aeolicus. Pour des conditions optimales d'oxygénation (pO2=1.5 mg/L) et lorsque l'H2 (100 mL/min) limite la croissance, le catabolisme énergétique est alors dévié vers la consommation du thiosulfate. En effet, pour les débits d'H2 de 450 et 100 mL/min, d'une part 97 et 79 % de l'O2 sont respectivement réduits par l'hydrogène et d'autre part 3 et 21 % de l'O2 sont respectivement réduits par le thiosulfate. / This manuscript addresses the physiology and ecophysiology of the microaerophilic hyperthermophilic bacterium Aquifex aeolicus, grown under different oxygen-supply conditions. Three experimental systems, jar, microcosm and fermentor were tested in those experiments: (1) a newly-engineered jar system containing 24-well microplates coupled to an automated controller. This system allows to study a broad spectrum of trophic factors or culture media formulations while maintaining a constant atmospheric composition; (2) microcosm systems were, here, proved ill-adapted to studying gas-phase trophic factors, and in some cases even to leading to false interpretations; 3) the fermentor system remains the best tool to studying the influence of dissolved O2 concentration (pO2) on A. aeolicus metabolism. Based on in-fermentor growth kinetic curves, we established that biomass density was maximum and constant at a pO2 in the range 0.006 to 6 mg/L and growth rate was maximum at a pO2 of about 2 mg/L. At a pO2 over 2 mg/L, oxygen level had a toxic effect on A. aeolicus growth. Under optimal oxygen supply (pO2 = 1.5 mg/L) and when H2 (100 mL/min) is the growth-limiting factor, energy catabolism is diverted towards thiosulfate consumption: at H2 flow-rates of 450 and 100 mL/min, 97% and 79% of O2 is reduced by hydrogen while 3% and 21% of O2 is reduced by thiosulfate, respectively. Under over-oxygenation conditions (pO2 = 10.5 and 12 mg/L), growth was correlated to high thiosulfate consumption whereas the expression of genes encoding hydrogenases was significantly downregulated and hydrogenase activity was null.

La Fragilisation par l’hydrogène (FPH) est un phénomène complexe de dégradation des matériaux métalliques dont les mécanismes sont dépendants de nombreux paramètres tels que la nature du matériau (composition chimique, traitement thermique), l’environnement ou l’état de contrainte. L’objectif de ce travail est d’apporter des éléments de compréhension sur les mécanismes de transport et de ségrégation de l’hydrogène dans les aciers martensitiques trempés et revenus à haute limite d’élasticité utilisés pour les applications « Oil and Gas ». Notons que cette étude se situe en amont de la problématique endommagement. Dans ce contexte, il s’agit d’identifier les sites de piégeage de l’hydrogène en regard de la métallurgie des matériaux. La mise au point d’un montage de perméation électrochimique et d’un protocole de dépouillement des résultats a permis une nouvelle approche critique dans l’exploitation des résultats issus des essais électrochimiques. De cette procédure, plusieurs aspects ont été considérés : les rôles de l’épaisseur de la membrane, de l’état de surface de la face de détection, de la microstructure et enfin, d’un état mécanique. La mise en relation de l’évolution de la microstructure avec les paramètres physiques associés aux phénomènes de diffusion et de piégeage de l’hydrogène permettront de conduire une première réflexion « vers l’endommagement ». / Hydrogen Embrittlement (HE) is a complex phenomen on responsible of metal degradation. It mainly depends on the material (chemical composition, heat treatment), the environment or the mechanical state. The main goal of this study is to give new elements to understand hydrogen diffusion and trapping mechanisms in High Strength Low Alloy martensitic steels used in the field of “Oil and Gas” applications. In this way, the purpose is to identify hydrogen trapping sites related to microstructural features as a basis for a better knowledge concerning HE. Thus, accurate electrochemical permeation set-up (with or without a mechanical state) were developed as well as a procedure to thoroughly analyze experimental data. An original approach on how to interpret electrochemical permeation results has been there fore performed. Afterward, the effect of different critical parameters has been assessedi.e. the membrane thickness, the surface state of the detection side as well as the microstructure and the mechanical state. The relationship between physical parameters associated to diffusion and trapping with the microstructure evolution will give rise to a first thought “toward the embrittlement”.

L'examen de la filière EVHT (Electrolyse de Vapeur d'eau à Haute Température) montre qu'elle est en train de passer de la phase de recherche à la phase de développement. Il devient maintenant nécessaire de prouver et si possible d'améliorer la compétitivité de cette technologie. Pour cela nous avons fait ressortir le besoin de posséder un outil capable de faire le lien entre les producteurs d'hydrogène, propriétaires d'usine, et les fabricants d'empilements de cellules d'électrolyse. Pour répondre à cet objectif principal, deux contraintes fortes sont identifiées : être insérable dans un schéma usine (logiciel de simulation de procédé), et être représentatif de la technologie de cellule et du stack utilisée. La modélisation d'un objet dans un logiciel de simulation de procédé implique généralement une représentation très simplifiée de celui-ci. Pour pouvoir satisfaire ces contraintes, nous avons bâti une chaîne de modèles partant des modèles d'électrodes et aboutissant finalement à une modélisation de procédé représentative de la technologie EVHT utilisée. Le travail et la valeur ajoutée de cette thèse sont focalisés sur cette démarche d'optimisation énergétique globale et locale, qui permet, à chaque échelle, une analyse adaptée des phénomènes principaux se déroulant dans chaque objet et le chiffrage de l'impact énergétique et économique de la technologie utilisée. Cette démarche permet d'aboutir à un outil capable de réaliser une optimisation technico-économique poussée sur une unité de production EVHT / HTSE field (High Temperature Steam Electrolysis) is moving from the research phase to development phase. It?s now necessary to prove and to possibly improve the technology competitiveness. Therefore we need a tool able to allow communication between hydrogen producers and electrolysis cell stack designers. Designers seek where their efforts have to focus, for example by searching what are the operating best conditions for HTSE (voltage, temperature). On the contrary, the producer wants to choose the most suitable stack for its needs and under the best conditions: hydrogen has to be produced at the lowest price. Two main constraints have been identified to reach this objective: the tool has to be inserted into a process simulation software and needs to be representative of the cell and stack used technology. These constraints are antagonistic. Making an object model in a process simulation usually involves a highly simplified representation of it. To meet these constraints, we have built a model chain starting from the electrode models and leading to a representative model of the HTSE technology used process. Work and added value of this thesis mainly concern a global and local energy optimization approach. Our model allows at each scale an appropriate analysis of the main phenomena occurring in each object and a quantification of the energy and economic impacts of the technology used. This approach leads to a tool able to achieve the technical and economic optimization of a HTSE production unit.