Elaboration et validation de dérivés polyparaphénylène substitués sulfonés comme électrolyte solide pour piles à combustible à membrane échangeuse de protons

Synthesis and valuation of sulfonated polyparaphenylene as electrolyte for proton exchange membrane fuel cell

• Auteur / Autrice : Céline Le Ninivin
• Direction : Claude Lamy, Christophe Coutanceau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie théorique, physique, analytique
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie chimique, biologique et géologique (Poitiers2000-2008)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conduction ionique

Membranes échangeuses d'ions

Sulfonation

Copolymères greffés

Résumé

L'élaboration et l'évaluation de dérivés polyparaphénylène (PPP) sulfonés en tant qu'électrolytes solides pour pile à combustible constituent l'enjeu de ce travail. Les approches adoptées concernent les voies d'introduction de la fonction acide et leurs impacts sur les propriétés des matériaux ioniques obtenus. Trois PPP substitués par des chaînes latérales différentes ont été synthétisés et caractérisés. La post-sulfonation de deux polymères et le greffage d'un troisième par différents phénols fonctionnalisés ont été étudiés et ont permis l'obtention de copolymères ioniques aux propriétés variées. Cette approche de greffage est particulièrement originale dans le cas du phénol perfluoré sulfoné sur des polyaromatiques thermostables. Diverses caractérisations physico-chimiques (conductivité, perméabilité, tenue mécanique, conductivité et morphologie) mettent en avant des différences intéressantes entre les matériaux post sulfonés et greffés. Des relations entre structures et propriétés ont pu ainsi être observées et discutées. L'influence de différents paramètres lors de tests en pile (température de fonctionnement, épaisseur du matériau, acidité du copolymère) a également été étudiée. Les résultats obtenus désignent les polyparaphénylènes, et notamment le copolymère greffé perfluoré, comme des matériaux prometteurs pour les PEMFC. De plus, les tests en conditions réelles ont démontré une bonne cohérence avec les résultats des caractérisations physico-chimiques obtenues précédemment.

The synthesis and the valuation of sulfonated derivated polyparaphenylene (PPP) as solid electrolytes for proton exchange membrane fuel cells consist of the stake of this work. The approaches adopted concern the methods of introduction of the acid group and their influence on the properties of the ionic materials. The synthesis and characterization of three different side chains substitued PPP were realized. The study of the post sulfonation of two polymers and the grafting of another one with different fonctionnalized phenols allowed the preparation of ionic copolymers with variables properties. This grafting method is particularly original in the case of sulfonated perfluorinated phenol with thermally stable aromatic polymers. Many physico-chemical characterization (conductivity, permeability, mechanical properties and morphology) show interesting differences between post sulfonated materials and grafted materials. Some relationship between structures and properties are observed and discussed. The role of many fuel cell tests parameters like temperature, membrane thickness, copolymer acidity, was studied. The results point out that polyparaphenylene, and especially the perfluorinated grafted copolymer, are promising materials for PEMFC application. More than, the results of fuel cell tests are in good agreement with the physico-chemical characterization.