Electrolytes polymère nano-structurés à base de liquides ioniques pour les piles à combustible hautes températures

par Rakhi Sood

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Cristina Iojoiu et de Éliane Espuche.

Soutenue le 06-12-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-chimie des Matériaux et Interfaces (équipe de recherche) .

Le président du jury était Frederic Bossard.

Le jury était composé de Cristina Iojoiu, Éliane Espuche, Jean-marc Zanotti, Jean Le bideau, Hakima Mendil-jakani.

Les rapporteurs étaient Vito Di noto, Jacques Roziere.


  • Résumé

    Les membranes à base de liquides ioniques à conduction protonique (PCIL) sont très prometteuses comme électrolytes des piles à combustible haute température (HT- PEMFC) du fait de leur forte conductivité et stabilité à des températures supérieures à 100°C. L'objectif de cette thèse est de réaliser une étude approfondie sur l'évolution de la morphologie et des propriétés fonctionnelles, des membranes à base de liquides ioniques, avec i) la concentration en PCIL, ii) la méthode d’élaboration et iii) la structure chimique du PCIL. Afin de prouver la potentialité de ces membranes dans le HT-PEMFC, des tests préliminaires en pile sont réalisés et les phénomènes de dégradation des PCIL et des membranes en présence de peroxyde d'hydrogène sont étudiés. La première partie de ce travail est focalisée sur la caractérisation des membranes de Nafion® neutralisées avec le triéthylamine (Nafion-TEA) et gonflées avec triflate de triéthylammonium (TFTEA). Il a été montré que dans le Nafion-TEA sec, les cations présentent une organisation de type « string like » à l'interface hydrophobe-hydrophile. L’introduction du TFTEA dans la membrane Nafion-TEA ne détruit pas sa nano-structuration, mais augmente de manière significative la conductivité ionique du système. La deuxième partie de ce travail nous a permis d'établir que les membranes dopées élaborées par coulée-évaporation présentent une meilleure organisation et une meilleure tenue thermomécanique par rapport à celles obtenues par gonflement. La troisième partie de ce travail est focalisée sur l’étude de l'impact de la nature chimique du PCIL sur la morphologie et les propriétés fonctionnelles des membranes de Nafion-TEA. Il a été démontré que les PCILs avec longues chaînes perfluorées ne modifient pas la nano-structuration du Nafion-TEA. Ceci a un impact fort sur les propriétés de conductivité, de sorption d’eau et sur les propriétés thermomécaniques de la membrane. Dans la dernière partie, des Ionomères aromatiques ont été synthétisés afin de remplacer le Nafion-TEA. Malgré la structure similaire de la chaîne latérale des Ionomères aromatiques et du Nafion®, les membranes à base d’Ionomères aromatiques et TFTEA ne présentent aucune nano-structuration. De plus l’effet plastifiant du TFTEA est plus notable dans le cas des Ionomères aromatiques probablement du fait d’une distribution aléatoire des fonctions ioniques dans la membrane polymère.

  • Titre traduit

    Nano-structured polymer electrolytes based on ionic liquids for high temperature-pemfc


  • Résumé

    The polymer electrolyte membranes based on Proton Conducting Ionic liquids (PCIL) are very promising systems for the high temperature-PEMFC technology owing to their good ionic conductivity and stability at temperatures above 100oC. The objective of this thesis work is to achieve a profound study on the evolution of morphology and consequent functional properties of the PCIL based polymer electrolyte membranes in function of: i). concentration of the PCIL, ii). the method of elaboration and iii). chemical structure of the PCIL. To demonstrate the potential of these membranes in HT-PEMFC, preliminary tests have been carried out in the fuel cell stack and degradation phenomena associated with PCILs and membranes in the presence of hydrogen peroxide have been studied. The first part of this work is focused on the characterization of Nafion® membranes neutralized with triethylamine (Nafion-TEA) and swollen with triethylammonium Triflate (TFTEA). It has been shown that Nafion-TEA exhibits a single layer string-like organization of inter-digited Triethylammonium cations at the hydrophobic-hydrophilic interface when in anhydrous state. The introduction of TFTEA into Nafion-TEA membrane does not destroy its nano-structuration but significantly boosts the anhydrous ionic conductivity and hydrophilicity of the system. The second part of this work has permitted us to establish the fact that doped membranes prepared by casting method have better organization and better thermo-mechanical properties compared to those obtained by swelling method. Third part of this work focuses on the impact of the chemical nature of the PCIL on the morphology and functional properties of Nafion-TEA membranes. It has been demonstrated that the PCILs with long perfluorinated chain length do not modify the nano-structuration of Nafion-TEA membranes at all. This has a strong impact on the ion-conducting, water-sorption and thermo-mechanical properties of the membrane. In the last part, aromatic ionomers were synthesized in order to replace Nafion-TEA in such PCIL based system. Despite the similar structure of the side chain of the synthesized aromatic ionomers and Nafion®, the membranes based on aromatic ionomers and TFTEA do not present any nano-structuration. Moreover, the plasticizing effect of TFTEA is more noticeable in the case of aromatic ionomers probably due to a random distribution functions in the ionic polymer membrane.


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