Étude expérimentale multi-échelles de la dynamique de l'eau dans les membranes ionomères utilisées en pile à combustible

• Auteur / Autrice : Jean-Christophe Perrin
• Direction : Pierre Levitz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polyimides

Piles à combustible

Dynamique

Eau

Mots clés libres

Nafion

Résumé

Cette étude présente une démarche expérimentale originale permettant de sonder la dynamique de l'eau dans les membranes polymères échangeuses d'ions utilisées pour l'application pile à combustible. Grâce à l'utilisation de trois techniques complémentaires, la diffusion des molécules d'eau a été suivie à l'échelle moléculaire (diffusion quasi-élastique des neutrons ; 1 ps <τ< 1 ns), à l'échelle macroscopique (RMN à gradient de champ pulsé ; 1 ms <τ<1s) et à l'échelle dite « intermédiaire » (relaxométrie RMN ; 1 nano s <τ< 10 micro sec). Les expériences ont été menées en fonction de la quantité d'eau adsorbée, dans la membrane Nafion® et dans des polyimides sulfonés naphtaléniques. L'analyse des données expérimentales permet de préciser les échelles spatiales des ralentissements de la diffusion dans les deux matériaux, ainsi que de mettre en évidence les aspects structuraux qui permettent à l'eau d'être plus mobile dans le Nafion® que dans les polyimides sulfonés, et ce, quelle que soit la teneur en eau.

An original experimental method for probing water dynamics in ion exchange polymeric membranes used for fuel cell application is reported. Based on the use of three complementary techniques, the diffusion of water molecules was investigated on a molecular scale (quasielastic neutron scattering ; 1 pico s <τ < 1 ns), on a macroscopic scale (pulsed field gradient NMR ; 1milli s <τ < 1 s) and on an “intermediate” scale (NMR relaxometry ; 1 nano s <τ < 10 micro s). The experiments were carried out as a function of the quantity of adsorbed water, in the Nafion® membrane and in naphthalenic sulfonated polyimides. The analysis of the experimental data enables to specify the space scales of the decelerations of the diffusion in the two materials. We highlight the structural aspects which allow a better mobility of water in Nafion® than in sulfonated polyimide.