Mise en forme par extrusion de polymères fonctionnels conducteurs protoniques : polysulfones sulfones/liquides ioniques : application dans le domaine des piles à combustible

Elaboration by extrusion of functional proton conducting polymers : sulfonated polysulfones / ionic liquids : application in fuel cells

• Auteur / Autrice : Yannick Molmeret
• Direction : Nadia El Kissi, Jean-Yves Sanchez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Grenoble INPG
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire rhéologie et procédés (Grenoble) - Laboratoire d'électrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (Grenoble ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Vito Di Noto
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Gebel, Cristina Iojoiu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Carrot, Lionel Flandin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Liquides ioniques

Extrusion

Polymères -- Propriétés thermiques

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons

Mots clés libres

Pan-h

Clippac

Pemfc

Pile à combustible polymère haute température

Membrane

Polysulfone sulfoné

Psus

Conducteur liquide ionique protique

Clip

Extrusion

Pan-h

Clippac

Pemfc

High temperature fuell cell

Membrane

Sulfonated polysulfone

Qpqu

Protonic conductive ionic liquid

Pcil

Extrusion

Résumé

Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse s’inscrivent de manière plus générale dans le projet CLIPPAC financé par le « plan d’action national pour l’hydrogène » (PAN-H) en 2005. Ce projet ambitieux réunissait neuf laboratoires et un industriel pour tenter de passer outre un des principaux verrous qui s’opposent au développement des piles à combustible à membrane polymère (PEMFC) : la température de fonctionnement. Pour ce faire, le développement de nouveaux matériaux est une piste ambitieuse, mais qui permet à la fois de viser une augmentation de la résistance thermique des polymères, et également d’envisager de façon plus globale la réduction de leur prix de fabrication ainsi que leur mode de mise en forme. La piste que nous avons explorée dans ces travaux s’intéresse à l’utilisation conjointe d’un conducteur liquide ionique protique (CLIP) inséré dans une membrane polymère également conductrice, à base de polysulfone sulfoné (PSuS). Le CLIP a pour but de doper la conductivité du matériau, tandis que la membrane polymère assurera la tenue mécanique de l’ensemble. L’étude des CLIPs a permis d’identifier des paramètres influençant leurs propriétés électrochimiques, tels que la taille de l’anion ou la force de l’acide utilisé. Le mode de mise en forme des membranes est également innovant, puisque nous avons pu fabriquer des membranes par extrusion. Ce procédé est courant dans l’industrie pour les polymères de grande consommation, mais peut rarement être utilisé pour des polymères de haute technologie qui sont le plus souvent dégradés pendant la mise en forme. Le procédé que nous avons pu valider consiste à mettre en forme la membrane en une seule étape, en utilisant le CLIP comme plastifiant permanent du PSuS

The research presented here was conducted in the CLIPPAC project that was a part of the national French project National Plan for Hydrogen (PAN-H) in 2005. This ambitious study was conducted between nine labotaries and an industrial partner, with the objective of finding an innovative solution to one of the main obstacles found in the PEMFC development : the working temperature. New material development that could be used in high temperature PEMFC is ambitious, but it would allow to increase the thermal resistance of the polymers used and at the same time would allow us to try to decrease the price of such material by integrating the question of their elaboration and processing in the same study. The path we followed consists in the joint used of Protonic Conductive Ionic Liquids (PCILs) incorporated in a conductive polymer membrane made of sulfonated polysulfone (SPSu). The PCIL should boost the conductivity of the material, while the polymeric membrane will maintain good mechanical properties. The PCILs study showed that different parameters are linked to good conductivity performances, such as the anion strength and size. We then chose to use the extrusion process to produce the membrane. This process well used in the polymers industry is innovative in the field of high properties polymers, since it is hard to maintain the polymers properties throughout the extrusion. The modus operandi we chose was to use the PCIL as a permanent aid-process plasticizer that allows us to produce in a single operation a membrane filled with a conductive ionic liquid