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Nouvelle approche de stabilisation chimique des ionomères pour pile à hydrogène

Authors
  • Tougne, Claire
Publication Date
Mar 17, 2023
Source
HAL
Keywords
Language
French
License
Unknown
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Abstract

Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sont des dispositifs prometteurs de conversion d’énergie sans émission. Cependant, la membrane ionomère au cœur de l’appareil ne parvient pas à délivrer des performances durables (à atteindre : 8000 h pour le transport, 50000 h pour le stationnaire) à haute température (100–150 °C contre 80 °C pour le Nafion) et à faible humidité relative (30 %HR). L’objectif de ces travaux est d’améliorer des membranes commercialisées en introduisant des additifs stabilisants par chimie SolGel (SG). Les précurseurs de SG sont sélectionnés pour diffuser et autocondenser à l’intérieur des membranes permettant ainsi l’introduction et l’immobilisation de groupements stabilisants sans influencer la conductivité protonique, les propriétés mécaniques et la perméabilité des membranes. La phase SG est conçue pour limiter le vieillissement chimique (protection contre l’oxydation) et physique (limitation des variations dimensionnelles) de la membrane lors du fonctionnement en pile. Une large liste de fonctions antioxydantes existe et nous avons décidé d’étudier les fonctions thiourée, thiol, phénol encombré comme fonctions stabilisatrices sacrificielles pour leur grande réactivité déjà connue de la littérature en présence de peroxyde d’hydrogène. Une stabilisation par l’insertion d’inhibiteur radicalaire, comme les ions cérium, est également envisagée. La morphologie (taille, interaction/dispersion, connectivité) et la localisation (régions polaires/apolaires) de la phase SG dépendront de l’affinité. Ces paramètres sont cruciaux pour les propriétés (conductivité H+, absorption d’eau), la durabilité (vieillissement accéléré par H2O2 pour évaluer l’efficacité de la phase réactive SG) et les performances (fonctionnement FC) des membranes hybrides. En conséquence, cette étude propose une exploration de la morphologie obtenue (structure fractale vs agrégats sphériques dispersés vs agrégats interconnectés) à toutes les échelles de longueur pertinentes (de la centaine à quelques nanomètres) en utilisant une combinaison de techniques d’espace direct (AFM/SEM/TEM) et d’espace réciproque (variation de contraste SANS/SAXS). Les tests de vieillissement accéléré ex situ par H2O2 et les tests en pile à combustible montrent une opérabilité prometteuse des membranes hybrides et le potentiel de la phase SG à inhiber le vieillissement chimique du sPEEK.

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