Résumé
Les piles à combustibles à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sont apparues comme une alternative prometteuse aux combustibles fossiles. Ces dernières, composées de deux électrodes et une membrane, permettent de transformer l’énergie chimique en énergie électrique. Ainsi la membrane est un composant clé de ce dispositif, car elle pilote la réaction d’oxydo-réduction au sein de la cellule et donc les performances d’une PEMFC. Les propriétés exigées pour ce composant sont une conductivité protonique élevée [1], une stabilité thermomécanique et chimie, et une faible perméabilité aux gaz [2].Les membranes majoritairement utilisées dans les PEMFC, fonctionnant à 80°C, sont à base de polymères perfluorosulfonés (PFSA) tels que le Nafion, l’Aquivion [3]. Lors de fonctionnement dans la PEMFC, la membrane est soumise à différentes contraintes qui peuvent induire une dégradation assez précoce même si celle-ci est renforcée. Ces contraintes peuvent être de différente nature : chimiques due à la formation des peroxydes (radicaux libre) lors de fonctionnement de la pile [4], ii) thermiques, et iii) mécaniques du fait du fonctionnement en température et des phénomènes de gonflement/dégonflement par l’eau. Une dégradation chimique irréversible est souvent observée comme des microfissures [5], ou de fluage [6] de la membrane qui affectent significativement l’efficacité de la pile. Par ailleurs, pour répondre à des besoins de mobilités lourdes (trains, camions, bus), la puissance délivrée par ces systèmes doit être augmentée, ainsi que la température de fonctionnement qui doit atteindre 95°C [7]. Cependant, dans ces conditions de fonctionnement, la stabilité de la membrane est encore plus affectée. Ainsi, l’objectif de ce travail est le développement de membranes composites à base de PFSA et de polymères aromatiques fonctionnalisés (PAF), car ceux-ci sont connus pour leur haute tenue mécanique. Cette étude a été focalisée sur deux types de polymères : le polyphénylène oxyde et le poly alkyl phénylène. Ils ont été fonctionnalisés, à différents degrés, avec des fonctions de type triazole ou imidazolium capables de réagir et piéger les radicaux libres [8]. Des membranes ont déjà été obtenues à partir de mélanges d’Aquivion et de PAF en différentes proportions. La corrélation entre la concentration de PAF, son degré de fonctionnalisation, la structure du squelette polymère, la nature de la fonction greffée sur la morphologie et les propriétés de la membrane (thermique, mécanique, sorption d’eau, conductivité et stabilité chimique) ont étudiées et seront discutés dans cette présentation. Il est intéressant de mentionner que des membranes très homogènes ont été obtenues pour des mélanges à base de PAF fonctionnalisés avec l’imidazolium, et que malgré leur plus faible prise en eau la conductivité protonique reste similaire à celle d’Aquivion.References :[1] : K. Kreuer, «Solid State Ionics, vol. 136‑137, 2000, no 1‑2, p. 149‑160.[2] : M. Zatoń, J. Rozière, et D. J. Jones, Sustainable Energy Fuels, 2017, vol. 1, no 3, p. 409‑438.[3] : Q. Li, R. He, J. O. Jensen, et N. J. Bjerrum, Chem. Mater.,2003, vol. 15, no 26, p. 4896‑4915.[4] : M. Zatoń, J. Rozière, et D. J. Jones, Sustainable Energy Fuels, 2017, vol. 1, no 3, p. 409‑438.[5] : G. Gavello, J. Zeng, C. Francia, U. A. Icardi, A. Graizzaro, et S. Specchia, International Journal of Hydrogen Energy, 2011, vol. 36, no 13, p. 8070‑8081.[6] : C. Francia, V. S. Ijeri, S. Specchia, et P. Spinelli, Journal of Power Sources, 2011, vol. 196, no 4, p. 1833‑1839.[7] : D. Hu, Y. Wang, J. Li, Q. Yang, et J. Wang, Energy Conversion and Management, 2021, vol. 249, p. 114842.[8] : K. Reybier et al., Free Radical Research, 2006, vol. 40, no 1, p. 11‑20.