Proton conducting membranes based on sulfonated aromatic polymers for PEM fuel cells : synthesis and properties

par Emanuela Sgreccia

Thèse de doctorat en Physique et sciences de la matière

Sous la direction de Maria-Luisa Di Vona et de Philippe Knauth.

Soutenue en 2010

à Aix-Marseille 1 en cotutelle avec l'Università di Roma "Tor Vergata" , en partenariat avec Université de Provence. Section sciences (autre partenaire) .

  • Titre traduit

    Membranes conductrices protoniques basées sur des polymères aromatiques sulfonés pour piles à combustibles : synthèse et propriétés


  • Résumé

    Le membrane a scambio protonico, componenti essenziali delle celle a combustibile ad elettrolita polimerico (PEMFCs), per poter essere utilizzate efficacemente devono esibire differenti proprietà come stabilità morfologica, idrolitica, meccanica ed adeguate proprietà di conducibilità a temperature superiori a 100 °C per bassi valori d’umidità relativa. Nella presente tesi sono state esplorate due diverse strategie, basate su polimeri solfonati aromatici, per la sintesi di polimeri conduttori protonici: la formazione di ibridi organici-inorganici nanocompositi e la formazione di legami reticolati inter-catena a seguito di trattamenti termici. L'impiego di materiali ibridi permette di sfruttare l'effetto sinergico dovuto alla contemporanea presenza di una componente organica, polimerica, e di una inorganica. In particolare si è utilizzata una miscela costituita dallo S-PEEK ad alto grado di solfonazione come composto base e da un polimero sililato a base di PPSU come componente minoritario. Lo S-PEEK viene utilizzato per garantire un’elevata conducibilità, mentre l’Si-PPSU garantisce una buona stabilità meccanica (fase “ancora”). Sono stati anche studiati composti nanocompositi ibridi a base di S-PEEK in cui è stata dispersa TiO2 funzionalizzata. Anche la seconda strategia seguita, la sintesi di composti reticolati, ha dato risultati molto positivi. In particolare si è osservato, per la prima volta, che potevano essere ottenuti legami solfone inter-catena tramite l’utilizzo di opportuni trattamenti termici in presenza di DMSO come solvente di casting. Si è dimostrato che le membrane così ottenute sono in grado di resistere in acqua fino a 145 °C senza dare importanti fenomeni di swelling, mantenendo la stabilità meccanica e buone proprietà di conducibilità. Le membrane sono state caratterizzate mediante l’utilizzo di molte tecniche, tra cui: l’analisi termogravimetrica, le misure meccaniche statiche e dinamiche, le misure di assorbimento d’acqua, sia per immersione, che in fase vapore, la spettroscopie IR ed NMR, la spettroscopia di impedenza e l’analisa dielettrica.


  • Résumé

    Les membranes à échange protonique, composants essentiels des piles à combustibles à membrane polymère (PEMFC) doivent présenter différentes propriétés comme stabilité morphologique, hydrolytique, mécanique et une conductivité adéquate à une température supérieure à 100°C et pour une humidité relative basse. Dans cette thèse, nous explorons deux stratégies différentes pour la synthèse de polymères conducteurs protoniques, basées sur des polymères aromatiques sulfonatés: la formation de matériaux hybrides organiques-inorganiques nanocomposites et la formation de liaisons réticulées inter-chaines suite à des traitements thermiques. L’utilisation de matériaux hybrides permet d’utiliser l’effet synergique due à la présence d’un polymère organique et d’une part inorganique. Nous avons en particulier utilisé un mélange constitué de S-PEEK à haut degré de sulfonation comme constituant principal et d’un polymère à base de PPSU contenant des groupements silanols comme constituant minoritaire. Le S-PEEK est utilisé pour garantir une haute conductivité, tandis que le Si-PPSU maintient une bonne stabilité mécanique (phase d’”ancrage”). Nous avons également étudié des composites hybrides à base de S-PEEK, dans lequel est dispersé du TiO2 fonctionnalisé. La seconde stratégie poursuivie, la synthèse de polymères réticulés, a également donné des résultats très positifs. En particulier, on observe, pour la première fois, que l’on peut obtenir des liaisons sulfones inter-chaines en utilisant des traitements thermiques adaptés en présence de DMSO comme solvant. On a démontré que les membranes ainsi obtenues sont en mesure de résister dans l’eau jusqu’à 145°C sans phénomènes importants de gonflement, maintenant la stabilité mécanique et une bonne conductivité. Les membranes sont caractérisées par de nombreuses techniques, dont l’analyse thermogravimétrique, les mesures mécaniques statiques et dynamiques, les mesures de sorption d’eau, par immersion et en phase vapeur, la spectroscopie IR et NMR, la spectroscopie d’impédance et l’analyse diélectrique

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (V-143 p.)
  • Annexes : Bibliogr. en fin de chapitre. Glossaire

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université d'Aix-Marseille (Marseille. St Charles). Service commun de la documentation. Bibliothèque universitaire de sciences lettres et sciences humaines.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : SCT 997
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.