Optimisation des conditions de synthèse par CVD plasma de membranes conductrices de protons pour piles à combustible

Optimization of synthesis conditions by plasma CVD of proton conductive membranes for fuel cells

• Auteur / Autrice : Aboubakr Ennajdaoui
• Direction : Pascal Brault, Stéphanie Roualdes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des plasmas
• Date : Soutenance le 09/12/2009
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies (Orléans ; 2009-2012)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherches sur l'énergétique des milieux ionisés (Orléans ; 1996-2011)
• Jury : Président / Présidente : Jean Durand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Brault, Stéphanie Roualdes, Jean Durand, Fabienne Poncin-Epaillard, Thierry Belmonte, Marjorie Cavarroc, Christophe Coutanceau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabienne Poncin-Epaillard, Thierry Belmonte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrodes

Polymérisation sous plasma

Membranes (technologie)

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons

Mots clés libres

Membranes polymères plasma

Pulvérisation magnétron

Plasma membranes

Magnetron sputtering

Résumé

Cette thèse, réalisée dans le cadre du projet PCP (Piles à Combustible par Procédés Plasma) est le fruit d’une collaboration de plusieurs années : Dreux Agglomération, les laboratoires GREMI et IEM, et l’industriel MHS Equipment. L’objectif de ce travail étant la fabrication par procédé plasma, d’un coeur de pile à combustible, dans un réacteur prototype préindustriel. Pour ce faire, deux études de faisabilités ont été menées en parallèle. La première étude, à l’IEM, porte sur la synthèse, par polymérisation plasma dans un réacteur pilote, de membranes polymères conductrices de protons. Deux précurseurs ont été utilisés : le styrène et l’acide trifluorométhanesulfonique. Les membranes polymères plasma se présentent sous la forme de dépôts denses, homogènes, et très adhérents à leur support en tissu carboné. Les membranes plasma sont intrinsèquement bien moins conductrices que la membrane commerciale Nafion®, néanmoins, leur niveau de conduction reste satisfaisant du fait de leur faible épaisseur. Les membranes plasmas profitent de leur densité et de leur fort taux de réticulation pour disposer une imperméabilité au méthanol beaucoup plus importante que celle du Nafion®. La stabilité thermique des membranes plasma, également évaluée, leur permet de supporter les températures de fonctionnement des piles. La seconde étude concerne l’élaboration des électrodes par pulvérisation magnétron dans le réacteur pilote au GREMI. L’utilisation d’une configuration de dépôt à une cible de platine ou de la combinaison d’une cible de platine et d’une cible de carbone, a permis de réduire la quantité de platine déposé sur le support carboné et conduit à l’optimisation de la dispersion du platine pour une meilleure efficacité catalytique. En outre, dans un contexte industriel, l’intégration de l’assemblage membrane électrode a été transférée sur un prototype linéaire combinant en une seule fois la polymérisation plasma et la pulvérisation magnétron. Des coeurs de pile ont été fabriqués et testés en banc de pile.

This work is part of PCP (Piles à Combustible par Procédés Plasma) project with the involvement of many partners: Dreux Agglomeration Community, GREMI and IEM laboratories, and the private industrial MHS Equipment. The aim of this work is the development of pre-industrial reactor prototype in order to manufacture by plasma processes all active layers of fuel cells cores i.e. the electrodes and the membrane. Two studies were conducted at the same time. The first from IEM have focused on the preparation by plasma polymerization, in a pilot reactor, of proton conducting polymer membranes. Two precursors were used: styrene and trifluoromethanesulfonic acid. The plasma membranes obtained are dense, uniform, and very adherent on carbon cloth support. The intrinsic ionic conductivity of plasma polymerized membranes is lower than the one of Nafion® membranes but their conduction ability is observed to be competitive due to their low thickness. Due to their highly cross-linked structure and density, plasma-polymerized membranes show methanol permeability much lower than Nafion® membranes ones. The thermal stability measurements have shown that plasma membranes easily support the operating temperature of fuel cells. The second study from GREMI concerns the development of catalyst or integral catalytic electrodes by magnetron sputtering in the pilot reactor. The use of a single platinum target or the combination of both platinum and carbon targets allowed to reduce the platinum content and to control the platinum concentration profile in the electrode support leading to the optimization of the platinum dispersion for a high increase of catalyst efficiency. Furthermore, in an industrial context, MEA’s integration was transferred using a linear industrial prototype which combines plasma polymerization for the membrane deposition and plasma sputtering for Pt deposition in a single device. Compact plasma MEA are produced and characterized in mono-cells.