Chemical stabilization of polymer electrolytes used in Fuel Cells

Stabilisation chimique des électrolytes polymères pour pile à combustible

Guillaume Monin (1)

1 LEPMI - Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-chimie des Matériaux et des Interfaces

One of the origins of the accelerated aging of proton exchange membranes used in Fuel Cells is the oxidation induced by H2O2 formation. This work concerns the development of a new way to chemically stabilize a sPEEK membrane by the addition of stabilizing nano-fillers. Four fillers were synthesized by grafting organosulfur functions (disulfide, tetrasulfide and thiourea) onto silica nanoparticles. A specific protocol to prepare hybrid membranes led to materials with suitable mechanical properties and proton conductivity for fuel cells application. Polysulfides allow a significant decrease of the matrix degradation occurring during membrane processing and also a large increase of the proton conductivity of this matrix during ex-situ aging tests (H2O2). A membrane containing tetrasulfide nano-fillers could withstand 1200h in OCV condition at 70°C and 100%RH, without showing any sign of degradation.

La dégradation accélérée des membranes conductrices protoniques en pile est en partie due à une oxydation induite par la production d'H2O2. Cette étude présente une stratégie originale de stabilisation chimique d'une matrice de sPEEK par l'inclusion de nano-charges stabilisantes. Quatre nano-charges ont été préparées par fonctionnalisation de nanoparticules de silice avec des fonctions chimiques organosoufrées (disulfure, tétrasulfure et thiourée). Un protocole spécifique de mise en forme des membranes hybrides a permis d'obtenir des composites présentant des propriétés mécaniques et une conductivité protonique compatibles avec l'application pile. Les fonctions polysulfures permettent de ralentir la dégradation de la matrice de sPEEK durant l'étape de mise en œuvre et d'augmenter sa conductivité au cours d'un vieillissement ex-situ (H2O2). En présence de fonctions tétrasulfures, la membrane sPEEK ne se dégrade pas durant un test de 1200h en OCV à 70°C et 100%HR.

Mots clés: Polymer electrolyte; Degradation; Stabilization; Hybrid membrane; Silica nanoparticles; Organosulfur compounds

Mots clés: Electrolyte polymère; Dégradation; Stabilisation; Membrane hybride; Nanoparticules de silice; Composés organosoufrés

Domaines: Autre

Guillaume Monin. Stabilisation chimique des électrolytes polymères pour pile à combustible. Autre. Université de Grenoble, 2012. Français. ⟨NNT : 2012GRENI001⟩. ⟨tel-00728176⟩