Modeling charge transfer in fuel cells

• Auteur / Autrice : Giuseppe Mangiatordi
• Direction : Carlo Adamo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Informatique et Théorique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique moléculaire

Imidazole

Conduction protonique

Résumé

Les performances des piles à combustible à échange de protons (PEMFC) sont fortement influencées par la conductivité protonique de l'électrolyte solide. Les polymères à base d'azole sont parmi les matériaux les plus prometteurs pour améliorer l'efficacité de ces systèmes. Une étude théorique de réaction du transfert de protons (PT) en dimères protonée du imidazole, 1,2,3-triazole et tétrazole a été effectuée. Le protocole DFT mis au point a été appliqué sur des systèmes plus complexes. Les résultats obtenus à partir de l'étude réalisée sur le poly(4-vinyl-imidazole) (P4VI) suggèrent que le mécanisme de conduction communément admis (Grotthuss) pourrait être entravé dans ce système en raison de l'effet de la matrice polymérique. Cette étude, réalisée par le biais d'une approche combinée théorie du fonctionnelle de la densité (DFT) / simulations de Dynamique Moléculaire (MD), a permis de proposer un mécanisme alternatif de conduction. Une étude supplémentaire réalisée sur des modèles avec du acide phosphorique (H3PO4) a révélé que faibles concentrations de H3PO4 pourrait permettre le mécanisme de Grotthuss malgré la matrice polymérique. Le rôle crucial joué par la matrice polymérique sur la conductivité a été ensuite confirmée par l'étude menée sur un second polymère : la position d'attache du imidazole peut fortement affecter le mécanisme de conduction. En bref, les simulations obtenus montrent comment la matrice polymérique jouent un rôle crucial dans le mécanisme de la conductivité. La présente recherche représente une première tentative pour une étude plus systématique de la relation entre la connectivité de la matrice polymère et l'efficacité du transport de charge

The performances of Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs) are strongly influenced by the proton conductivity of the solid electrolyte. The azole-based polymers are among the most promising materials to improve the effectiveness of these systems. A theoretical study of proton transfer (PT) reaction in protonated imidazole, 1,2,3-triazole, and tetrazole dimers has been performed. The developed DFT protocol has been applied on more complex systems. The results obtained from the investigation performed on Poly(4-vinyl-imidazole) (P4VI) suggest that the commonly accepted (Grotthuss) conduction mechanism, based on a sequential proton transfer between imidazole moieties, could be impeded in this system because of the backbone constraint. Such a study, performed through a combined Density Functional Theory (DFT) / Molecular Dynamics simulations (MD) approach, allowed to hypothesize an alternative mechanism of conduction. A further study performed on phosphoric-acid (H3PO4) included models has revealed as low concentrations of H3PO4 could allow for the Grotthuss mechanism despite the polymeric constraint. The underpinning role played by the backbone topology on the conductivity has been then confirmed by the investigation carried out on a second polymer: the wire tethering position can strongly affect the mechanism of conduction. In short, the obtained simulations show how the polymeric matrix play a crucial role in the conductivity mechanism. The present research represents a first effort for a more systematic study of the relationship between backbone connectivity and efficiency of the charge transport