Élaboration par extrusion de membranes polymères pour piles à combustible

Elaboration of membrane for fuel cell by extrusion

• Auteur / Autrice : France Chabert
• Direction : Jean-Yves Sanchez, Nadia El Kissi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Grenoble INPG
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale matériaux et génie des procédés (Grenoble199.-2008)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire rhéologie et procédés (Grenoble) - Laboratoire d'électrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (Grenoble1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Yves Piffard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Régis Mercier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc J.M. Abadie, Vincent Verney

Mots clés

Mots clés contrôlés

Extrusion

Polymères

Piles à combustible

Extrusion réactive

Mots clés libres

Pile à combustible

Électrolyte

Extrusion

Membrane

Résumé

Dans le cadre de la diversification des sources énergétiques, les piles à combustible apparaissent comme une technologie prometteuse. La pile à combustible est un système électrochimique qui convertit l'énergie chimique d'une réaction d'oxydoréduction en énergie électrique, avec production simultanée d'eau et de chaleur. La membrane électrolyte polymère est l'un des verrous technologiques sur lesquels bute le développement des piles à combustible, avec des impératifs de performance, de longévité, de recyclage et de coût. Des études précédentes proposaient comme alternative au Nafion®, le matériau utilisé actuellement, des membranes à base d'un polyélectrolyte thermoplastique polyéthersulfone, associé éventuellement à une charge inorganique. L'objectif de ce travail était d'élaborer à partir de ce matériau des membranes par extrusion alors que les polymères fonctionnels de ce type sont généralement mis en forme par des techniques de coulée-évaporation polluantes, ce qui les rend difficilement transposables à l'échelle industrielle. L'extrusion, procédé largement utilisé dans l'industrie de transformation des matériaux, n'avait pas été utilisée jusqu'à présent pour la mise en forme de polymères ioniques porteurs de fonctions arylsulfoniques. Pour extruder ce type de polymère sans risque de dégradation, il a fallu vérifier l'adéquation entre le matériau et le procédé de mise en forme. Plusieurs types de polysulfones, commerciaux, sulfonés ou synthétisés par les partenaires du projet, ont été caractérisés d'un point de vue physico-chimique par la détermination des masses molaires, des transitions thermiques, et d'un point de vue rhéométrique sur une large gamme de températures et de gradients de cisaillement, de manière à connaître leur comportement en écoulement et prévoir les conditions d'extrusion. Des films ont été extrudés, leurs conductivités sont similaires à celles des membranes élaborées par coulée-évaporation et proches de celle du Nafion®. Par ailleurs, nous avons montré que l'incorporation d'une charge conductrice protonique permet de moins sulfoner le polysulfone pour un même niveau de conductivité, tout en maintenant un niveau de viscosité suffisamment faible pour permettre d'extruder ces matériaux composites. L'incorporation de charges de renfort a été également envisagée, l'extrusion de ces composites a été validée. Ce travail pourra être étendu à d'autres polymères conducteurs protoniques, comme les polyétheréthercétones et les polyétherimides, dont les membranes réalisées par coulée-évaporation ont déjà démontré leurs performances en pile à combustible

The aim of these studies was to process membranes by extrusion to be used in fuel cells. The functional polymers used are generally processed by polluting techniques like casting-evaporation, which are not easily transposable on industrial scale. Extrusion is a widely used shaping operation in the polymer processing industry. However, extrusion had not been used until now for arylsulfonic ionic polymers. In order to avoid any risk of degradation of the polymer during extrusion, it was necessary to define the best processing conditions. On one hand, the physicochemical characterization of the polysulfones (commercial) and sulfonated polysulfones (or synthesized by the project partners), were performed by determining their molecular weights and their thermal transitions. On the order hand, their flow behaviour was characterized over a wide range of temperatures and shearing rates using rheometric techniques. The combination of these two characterizations allowed to define the appropriate extrusion conditions. For the extruded films, the conductivities, measured by impedance spectroscopy were found to be similar with those of the membranes processed by casting-evaporation and close to those of Nafion® membranes. In addition, the incorporation of a proton-conducting filler and reinforcing fibres was also considered and the extrusion of these composite materials was validated. This work could be extended to other proton-conducting polymers, like polyetherethercetones and polyetherimides, whose membranes produced by casting-evaporation have already shown their performances in the fuel cells