Morphologie de membranes hybrides stabilisantes très prometteuses pour pile à combustible

Publié par Redbran le 06/05/2021 à 13:00
Source: CEA IRIG

[/i]
Les chercheurs de l'Irig ont élaboré une nouvelle génération de membranes échangeuses de protons pour pile à combustible aboutissant à des performances et une durabilité prometteuses. Le lien entre propriétés fonctionnelles et morphologie a été établi en explorant la nanostructure à toutes les échelles pertinentes, par une combinaison (Une combinaison peut être :) de techniques d'espace direct et d'espace réciproque (En physique, on utilise souvent des espaces abstraits pour caractériser les...) (AFM et 3D FIB SEM ; SANS et WAXS).

La pile à combustible (Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait...) à membrane échangeuse de protons, PEMFC en anglais, convertit l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) chimique en électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...) pour la prochaine génération de véhicules propres. Parmi les nombreuses caractéristiques attrayantes des PEMFC, les constructeurs apprécient une densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) élevée et un démarrage rapide. Cette révolution nécessite de remplacer le coeur des piles actuellement constitué d'une membrane perfluorée sulfonée, telle que le Nafion®, qui ne répond plus aux exigences: le coût de la nouvelle membrane, son impact environnemental (L'impact environnemental est l'ensemble des modifications de l'environnement, qu'elles soient...) et le maintien de ses propriétés mécaniques au-delà de 80-100 °C sont au coeur des recherches actuelles. Or, les membranes alternatives, comme par exemple le [i]sPEEK
, présentent deux inconvénients majeurs par rapport aux membranes perfluorées: leur durée de vie (La vie est le nom donné :) est plus courte et leurs performances sont moindres. Cette problématique est actuellement étudiée par les chercheurs de l'Irig dans l'optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) de développer une membrane qui permettra un déploiement généralisé des piles à combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se...).


Figure 1. Image AFM en module d'une membrane hybride contenant environ 30 % de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) sol-gel (haut). Sous la loupe (Une loupe est un instrument d'optique subjectif constitué d'une lentille convexe permettant...), un agrégat de sol-gel sphérique constitué de particules élémentaires sphériques.

Le sPEEK, bien que résistant aux températures élevées grâce à ses excellentes propriétés thermomécaniques, reste cependant trop sensible à l'oxydation chimique pendant le fonctionnement en pile. Cette sensibilité entraîne une dégradation drastique de sa durée de vie (quelques centaines d'heures (L'heure est une unité de mesure  :), à comparer aux dizaines de milliers d'heures pour le Nafion®). Toutefois, le sPEEK est un bon candidat pour évaluer rapidement des stratégies de stabilisation. Ainsi, les chercheurs de l'Irig ont employé une méthode jusqu'alors très peu explorée qui consiste à stabiliser chimiquement les membranes. Pour cela, l'hybridation a été appliquée avec succès aux membranes sPEEK [1], ce qui améliore leur stabilité chimique. Une phase sol-gel a été développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...) par auto-condensation du MPTMS au sein de la membrane hôte sPEEK afin de la protéger des espèces oxydantes générées lors de l'utilisation en pile. Il s'agit d'une voie stabilisante sacrificielle où les groupes thiols SH, portés par la phase sol-gel, peuvent être oxydés jusqu'à la formation de groupes acides sulfoniques SO3H. Cette stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie...), en rupture avec les approches traditionnelles, a permis de concevoir une nouvelle génération de membranes hybrides dotées de capacités d'auto-protection et d'auto-amélioration operando.

Les équipes ont cherché à comprendre la structure complexe de ces membranes afin de la corréler aux propriétés fonctionnelles et à la durabilité pour, in fine, en optimiser le design (Le design (la stylique en français) est un domaine visant à la création d'objets,...) [2]. La nanostructure a été explorée à une échelle allant du nanomètre à la centaine de nanomètres, en combinant des techniques de caractérisation AFM/3D FIB-SEM (espace réel) et de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...) des neutrons aux petits angles (SANS) / et des rayons X aux grands angles (WAXS) (espace réciproque). Les images AFM en module ont montré que la phase sol-gel est distribuée en grands domaines sphériques dont la taille varie de 100 nm à 200 nm selon la teneur en sol-gel. Le SANS (Institut Laue-Langevin à Grenoble), combiné à la technique de variation de contraste, a permis deux observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) importantes: d'une part, les canaux ioniques du sPEEK ne sont pas obstrués (conduction ionique préservée) car ils sont seulement comprimés par l'insertion de la phase sol-gel ; d'autre part cette phase a une structure de type multi-échelle, comme des agrégats constitués de particules élémentaires (Figure 1). Ces observations montrent que les nanoparticules de sol-gel se développent dans les zones appelées "interbundles" de la membrane sPEEK hôte (Figure 2).


Figure 2. Modèle structural multi-échelle des membranes hybrides.

Cette étude expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...) pluridisciplinaire et multi-échelle a permis d'aborder la question de la distribution et de la localisation idéale de la phase sol-gel pour une efficacité de la stabilisation chimique. Les perspectives de ces travaux consistent à explorer l'hybridation par une phase sol-gel stabilisante régénérative, une voie très prometteuse pour accroître la durée de vie des membranes.

Note:
PEMFC: proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire...) exchange membrane fuel cells.
sPEEK: polyéther-éther-cétone sulfoné. Une alternative (Alternatives (titre original : Destiny Three Times) est un roman de Fritz Leiber publié...) possible au Nafion® pour les piles à combustible à membrane échangeuse de protons, en raison de ses nombreuses propriétés, notamment son faible coût et sa faible perméabilité aux gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...), sa disponibilité (La disponibilité d'un équipement ou d'un système est une mesure de performance qu'on...), sa bonne conductivité protonique, sa grande stabilité thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) mais une stabilité chimique médiocre.
MPTMS: 3-(mercaptopropyl)triméthoxysilane.
SANS: Small Angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...) Neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.) Scattering.
WAXS: Wide Angle X-Ray Scattering.

Références:
[1] Huynh N, Fernandes JPC, Bayle PA, Bardet M, Espuche E, Dillet J, Perrin JC, El Kaddouri A, Lottin O, Mareau VH, Mendil-Jakani H and Gonon L. Sol-gel route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie...): An original strategy to chemically stabilize proton exchange membranes for fuel cell, Journal of Power Sources, 2020.
[2] Huynh N, Cosas Fernandes JP, Mareau VH, Gonon L, Pouget S, Jouneau PH, Porcard L and Mendil-Jakani H. Unveiling the multiscale morphology of chemically stabilized proton exchange membranes for fuel cells by means of Fourier and real space studies. Nanoscale Advances, 2021.
Cet article vous a plu ? Vous souhaitez nous soutenir ? Partagez-le sur les réseaux sociaux avec vos amis et/ou commentez-le, ceci nous encouragera à publier davantage de sujets similaires !
Page générée en 0.168 seconde(s) - site hébergé chez Contabo
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique