Développement et caractérisation de nouveaux nanocomposites polymères électriquement conductueurs pour plaques bipolaires de piles à combustible à membrane échangeuse de protons, PEMFC

Face à la diminution des ressources énergétiques et à l’augmentation de la pollution des énergies fossiles, de très nombreuses recherches sont actuellement menées pour produire de l’énergie propre et durable et pour réduire l’utilisation des sources d’énergies fossiles caractérisées par leur production intrinsèque des gaz à effet de serre. La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est une technologie qui prend de plus en plus d’ampleur pour produire l’énergie qui s’inscrit dans un contexte de développement durable. La PEMFC est un dispositif électrochimique qui fonctionne selon le principe inverse de l’électrolyse de l’eau. Elle convertit l’énergie de la réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène (ou l’air) en puissance électrique, chaleur et eau; son seul rejet dans l’atmosphère est de la vapeur d’eau. Une pile de type PEMFC est constituée d’un empilement Électrode-Membrane-Électrode (EME) où la membrane consiste en un électrolyte polymère solide séparant les deux électrodes (l’anode et la cathode). Cet ensemble est intégré entre deux plaques bipolaires (BP) qui permettent de collecter le courant électrique et de distribuer les gaz grâce à des chemins de circulation gravés sur chacune de ses deux faces. La plupart des recherches focalisent sur la PEMFC afin d’améliorer ses performances électriques et sa durabilité et aussi de réduire son coût de production. Ces recherches portent sur le développement et la caractérisation des divers éléments de ce type de pile; y compris les éléments les plus coûteux et les plus massifs, tels que les plaques bipolaires. La conception de ces plaques doit tenir compte de plusieurs paramètres : elles doivent posséder une bonne perméabilité aux gaz et doivent combiner les propriétés de résistance mécanique, de stabilité chimique et thermique ainsi qu’une conductivité électrique élevée. Elles doivent aussi permettre d’évacuer adéquatement la chaleur générée dans le cœur de la cellule. Les plaques bipolaires métalliques sont pénalisées par leur faible résistance à la corrosion et celles en graphite sont fragiles et leur coût de fabrication est élevé (dû aux phases d’usinage des canaux de cheminement des gaz). C’est pourquoi de nombreuses recherches sont orientées vers le développement d’un nouveau concept de plaques bipolaires. La voie la plus prometteuse est de remplacer les matériaux métalliques et le graphite par des composites à matrice polymère. Les plaques bipolaires composites apparaissent attrayantes en raison de leur facilité de mise en œuvre et leur faible coût de production mais nécessitent une amélioration de leurs propriétés électriques et mécaniques, d’où l’objectif principal de cette thèse dans laquelle on propose: i) un matériau nanocomposite développé par extrusion bi-vis qui est à base de polymères chargés d’additifs solides conducteurs, incluant des nanotubes de carbone. ii) fabriquer un prototype de plaque bipolaire à partir de ces matériaux en utilisant le procédé de compression à chaud avec un refroidissement contrôlé. Dans ce projet, deux polymères thermoplastiques ont été utilisés, le polyfluorure de vinylidène (PVDF) et le polyéthylène téréphtalate (PET). Les charges électriquement conductrices sélectionnées sont: le noir de carbone, le graphite et les nanotubes de carbones. La combinaison de ces charges conductrices a été aussi étudiée visant à obtenir des formulations optimisées. La conductivité électrique à travers l’épaisseur des échantillons développés ainsi que leurs propriétés mécaniques ont été soigneusement caractérisées. Les résultats ont montré que non seulement la combinaison entre les charges conductrices influence les propriétés électriques et mécaniques des prototypes développés, mais aussi la distribution de ces charges (qui de son côté dépend de leur nature, leur taille et leurs propriétés de surface), avait aidé à améliorer les propriétés visées. Il a été observé que le traitement de surface des nanotubes de carbone avait aidé à l’amélioration de la conductivité électrique et la résistance mécanique des prototypes. Le taux de cristallinité généré durant le procédé de moulage par compression des prototypes de plaques bipolaires ainsi que la cinétique de cristallisation jouent un rôle important pour l’optimisation des propriétés électriques et mécaniques visées.

Arithmetic bit recycling data compression

La compression des données est la technique informatique qui vise à réduire la taille de l’information pour minimiser l’espace de stockage nécessaire et accélérer la transmission des données dans les réseaux à bande passante limitée. Plusieurs techniques de compression telles que LZ77 et ses variantes souffrent d’un problème que nous appelons la redondance causée par la multiplicité d’encodages. La multiplicité d’encodages (ME) signifie que les données sources peuvent être encodées de différentes manières. Dans son cas le plus simple, ME se produit lorsqu’une technique de compression a la possibilité, au cours du processus d’encodage, de coder un symbole de différentes manières. La technique de compression par recyclage de bits a été introduite par D. Dubé et V. Beaudoin pour minimiser la redondance causée par ME. Des variantes de recyclage de bits ont été appliquées à LZ77 et les résultats expérimentaux obtenus conduisent à une meilleure compression (une réduction d’environ 9% de la taille des fichiers qui ont été compressés par Gzip en exploitant ME). Dubé et Beaudoin ont souligné que leur technique pourrait ne pas minimiser parfaitement la redondance causée par ME, car elle est construite sur la base du codage de Huffman qui n’a pas la capacité de traiter des mots de code (codewords) de longueurs fractionnaires, c’est-à-dire qu’elle permet de générer des mots de code de longueurs intégrales. En outre, le recyclage de bits s’appuie sur le codage de Huffman (HuBR) qui impose des contraintes supplémentaires pour éviter certaines situations qui diminuent sa performance. Contrairement aux codes de Huffman, le codage arithmétique (AC) peut manipuler des mots de code de longueurs fractionnaires. De plus, durant ces dernières décennies, les codes arithmétiques ont attiré plusieurs chercheurs vu qu’ils sont plus puissants et plus souples que les codes de Huffman. Par conséquent, ce travail vise à adapter le recyclage des bits pour les codes arithmétiques afin d’améliorer l’efficacité du codage et sa flexibilité. Nous avons abordé ce problème à travers nos quatre contributions (publiées). Ces contributions sont présentées dans cette thèse et peuvent être résumées comme suit. Premièrement, nous proposons une nouvelle technique utilisée pour adapter le recyclage de bits qui s’appuie sur les codes de Huffman (HuBR) au codage arithmétique. Cette technique est nommée recyclage de bits basé sur les codes arithmétiques (ACBR). Elle décrit le cadriciel et les principes de l’adaptation du HuBR à l’ACBR. Nous présentons aussi l’analyse théorique nécessaire pour estimer la redondance qui peut être réduite à l’aide de HuBR et ACBR pour les applications qui souffrent de ME. Cette analyse démontre que ACBR réalise un recyclage parfait dans tous les cas, tandis que HuBR ne réalise de telles performances que dans des cas très spécifiques. Deuxièmement, le problème de la technique ACBR précitée, c’est qu’elle requiert des calculs à précision arbitraire. Cela nécessite des ressources illimitées (ou infinies). Afin de bénéficier de cette dernière, nous proposons une nouvelle version à précision finie. Ladite technique devienne ainsi efficace et applicable sur les ordinateurs avec les registres classiques de taille fixe et peut être facilement interfacée avec les applications qui souffrent de ME. Troisièmement, nous proposons l’utilisation de HuBR et ACBR comme un moyen pour réduire la redondance afin d’obtenir un code binaire variable à fixe. Nous avons prouvé théoriquement et expérimentalement que les deux techniques permettent d’obtenir une amélioration significative (moins de redondance). À cet égard, ACBR surpasse HuBR et fournit une classe plus étendue des sources binaires qui pouvant bénéficier d’un dictionnaire pluriellement analysable. En outre, nous montrons qu’ACBR est plus souple que HuBR dans la pratique. Quatrièmement, nous utilisons HuBR pour réduire la redondance des codes équilibrés générés par l’algorithme de Knuth. Afin de comparer les performances de HuBR et ACBR, les résultats théoriques correspondants de HuBR et d’ACBR sont présentés. Les résultats montrent que les deux techniques réalisent presque la même réduction de redondance sur les codes équilibrés générés par l’algorithme de Knuth.