Étude comparative des membranes polymères échangeuses de protons : application aux électrodes à air pour pile à combustible

Comparative study of exchanging membranes polymers of protons : application to air electrode for fuel cell

• Auteur / Autrice : Abdelkader Ayad
• Direction : Jean-François Fauvarque
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électrochimie
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Paris, CNAM

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conducteurs organiques

Membranes échangeuses d'ions

Piles à combustible

Résumé

Bien que la membrane Nafion présente toutes les caractéristiques requises pour le bon fonctionnement des piles à combustible, son coût de fabrication élevé contribue au développement des nouvelles membranes ioniques. Notre étude s’intéressera à la caractérisation physico-chimique et électrochimique de nouveaux polymères conducteurs protoniques principalement le polyimide sulfoné (PIS), le polyétheréthercétone sulfoné (Peek-s), et le polybenzimidazole non sulfoné (PBI) et l’influence de ces polymères sur la cinétique de réduction de l’oxygène sur platine. Pour chacun des polymères, excepté le PBI, la conductivité et la capacité de rétention d’eau sont de même ordre que celles de Nafion. La perméabilité de l’oxygène est supérieure dans le Nafion que dans les autres polymères. Le coefficient de diffusion dans les différentes polymères est inférieur à celui de la solution (H2SO4 0,5M). De ce fait la concentration de l’oxygène dans le polymère est supérieure à celle de la solution, ce qui est favorable à la réaction de réduction d’oxygène. Les paramètres cinétiques de la réaction de réduction de l’oxygène tels que le courant d’échange et le nombre d’électrons transférés lors de la réaction électrochimique restent inchangés que soit avec ou sans polymère. Le taux optimal de polymère incorporé dans la matière active varie suivant la nature de ce dernier, il est de l’ordre de 25% pour le Nafion, de 15% pour le Peek-s et le PIS. Les expérimentations en pile montrent la nécessité d’avoir une bonne adhérence entre la membrane et l’électrode, mais également d’intégré dans la membrane et dans l’électrode un polymère présentant des caractéristiques physico-chimiques adéquates. En conclusion, le Peek-s semble être la meilleure alternative au Nafion.

Although the Nafion membrane shows all the characteristics necessary for the correct operation of the fuel cells, its high manufacturing cost contributes to the development of the new ionic membranes. Our study will be focused en the physicochemical and electrochemical characterization of new protonic conducting polymers mainly sulfonic polyimide (PIS), the sulfonic polyetheretherketon (Peek-s), and the nonsulfonic polybenzimidazole (PBI) and the influence of these polymers on the kinetics of reduction of oxygen on platinum. For each polymer, except the PBI, the water content and the conductivity are of the same order than those of Nafion. The oxygen permeability is higher in Nafion than in other polymers. The diffusion coefficient in different polymers is lower than in solution (H2SO4 0,5M). Consequently the oxygen concentration in polymer is higher than that in solution, which is benefit to the oxygen reduction. The kinetic parameters of the oxygen reduction such as the exchange current and the number of transferred electrons remain unchanged with or without polymer. The optimal rate of polymer incorporated in the active matter evolues according to its nature: it is around 25% for Nafion, and around 15% for Peek-s and PIS. The fuel cell experiments show the need for having a good adhesion between the membrane and the electrode, but also the need for integratining a polymer presenting the appropriate physico-chemical characteristics in the membrane and the electrode. In conclusion, Peek-s seems to be the best alternative to Nafion.