Des dispersions d’ionomère et suspensions de noir de carbone aux encres catalytiques : formulation, structure et rhéologie pour la fabrication d’électrodes de piles à combustible

From ionomer dispersions and carbon black suspensions to catalyst inks : formulation, structure and rheology for fuel cell electrodes manufacturing

• Auteur / Autrice : Jackie Burghart
• Direction : Yaocihuatl Medina-Gonzalez, Guillaume Ovarlez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 17/03/2026
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire du Futur (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Martine Meireles
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Chevalier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Martine Meireles, Arnaud Morin
• DOI : 10.70675/f16abed1z1ef3z42e3z9c50zaca1d9c0d6c7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piles à combustible à membrane échangeuse de protons

Analyse multiéchelle

Rhéologie

Ionomères

Encre polymère

Mots clés libres

Encre catalytique

Ionomère

Rhéologie

Structuration multi-échelle

PEMFC

Catalyst ink

Ionomer

Rheology

Multi-scale structuring

PEMFC

Résumé

Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons sont des technologies clés pour la transition énergétique, notamment dans le secteur des transports. La performance de ces dispositifs dépend fortement de la qualité des électrodes, et en particulier de la couche catalytique, obtenue par dépôt d’une encre catalytique complexe. Malgré les avancées récentes, la compréhension de liens entre formulation, structuration multi-échelle et rhéologie des encres catalytiques demeure incomplète, limitant l’optimisation rationnelle des procédés de fabrication. Cette thèse vise à élucider les mécanismes physico-chimiques gouvernant la structuration et le comportement rhéologique de ces encres. L’approche adoptée repose sur l’étude progressive des principaux constituants des encres : un ionomère et un noir de carbone, analysés séparément puis en combinaison dans une gamme de solvants. Des techniques complémentaires de caractérisation structurale (diffusion des rayons X aux petits angles, diffusion dynamique de la lumière, cryo-microscopie électronique en transmission, microscopie, rhéo-microscopie), d’adsorption et de rhéologie ont été mobilisées pour explorer l’influence des paramètres de formulation (solvant, concentration, ratio ionomère / noir de carbone, protocoles de préparation) sur la structuration interne et les propriétés d’écoulement. L’étude des dispersions d’ionomère a révélé l’impact du solvant, de la concentration et du traitement thermique sur la formation d’agrégats et d’agglomérats, ainsi que sur la dynamique de structuration, avec des conséquences directes sur la viscosité. L’approche adoptée a également permis de montrer, pour les suspensions de noir de carbone, le rôle du solvant et de la concentration dans la formation de réseaux percolants et la modulation du seuil d’écoulement, ainsi qu’une forte sensibilité à l’histoire de cisaillement. L’analyse des encres catalytiques complètes a montré que l’ajout d’ionomère module la dispersion du noir de carbone et contrôle, au-delà d’un certain seuil, la rhéologie du système. Les études d’adsorption ont mis en lumière le double rôle de l’ionomère comme dispersant et matrice continue, tandis qu’une première exploration de la cinétique de séchage ouvre des perspectives sur le lien entre formulation et dépôt. Ce travail se distingue par la mise en oeuvre d’une approche intégrative et multi-échelle, combinant l’analyse approfondie de la structuration interne et des propriétés d’écoulement des différents composants d’une encre catalytique, étudiés séparément puis conjointement. Cette démarche permet de relier de façon systématique les phénomènes de dispersion, d’agrégation et d’interaction à la rhéologie des encres, offrant ainsi une compréhension nouvelle et globale de ces systèmes. Les connaissances acquises constituent une base pour rationaliser les étapes ultérieures de la fabrication des couches catalytiques et ouvrent la voie à des études futures sur le lien entre rhéologie, microstructure des couches et performances électrochimiques.

Proton exchange membrane fuel cells are key technologies for the energy transition, particularly in the transport sector. The performance of these devices strongly depends on the quality of the electrodes, and especially on the catalytic layer, which is obtained by depositing a complex catalyst ink. Despite recent advances, the understanding of the links between formulation, multi-scale structuring, and rheology of catalyst ink remains incomplete, limiting the rational optimization of manufacturing processes. This thesis aims to elucidate the physicochemical mechanisms governing the structuring and rheological behavior of these inks. The approach is based on the progressive study of the main ink components: an ionomer and a carbon black, analyzed separately and then in combination in a range of solvent mixtures. Complementary structural characterization techniques (small-angle X-ray scattering, dynamic light scattering, cryo-transmission electron microscopy, microscopy, rheo-microscopy), adsorption studies, and rheological measurements were used to explore the influence of formulation parameters (solvent, concentration, ionomer / carbon black ratio, preparation protocols) on internal structuring and flow properties. The study of ionomer dispersions revealed the impact of solvent, concentration, and thermal treatment on the formation of aggregates and agglomerates, as well as on the dynamics of structuring, with direct consequences on viscosity. The adopted approach also showed, for carbon black suspensions, the role of solvent and concentration in the formation of percolating networks and the modulation of yield stress, as well as a strong sensitivity to shear history. The analysis of complete catalyst inks demonstrated that the addition of ionomer modulates the dispersion of carbon black and, above a certain threshold, controls the rheology of the system. Adsorption studies highlighted the dual role of the ionomer as both dispersant and continuous matrix, while a first exploration of drying kinetics opens perspectives on the link between formulation and deposition. This work stands out for its implementation of an integrative and multi-scale approach, combining in-depth analysis of the internal structuring and flow properties of the different ink components, studied separately and then together. This methodology enables a systematic connection between dispersion, aggregation, and interaction phenomena and the rheology of the inks, thus providing a new and comprehensive understanding of these systems. The knowledge acquired provides a foundation for rationalizing subsequent steps in the fabrication of catalytic layers and paves the way for future studies on the relationship between rheology, layer microstructure and electrochemical performance.