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Theses Year : 2021

Impact of degradation and aging on properties of PFSA membranes for fuel cells

Impact des dégradations et du vieillissement sur les propriétés des membranes PFSA pour piles à combustible

Abstract

Although proton-exchange membrane fuel cells (PEMFC) are nowadays considered as a safe and clean energy technology, they still suffer from durability and reliability issues restricting their widespread commercialization. Innumerable studies have already led to a better understanding of aging phenomena and highlighted membrane degradation as one of the main factors limiting PEMFC lifetime. This study aims at bringing some clarifications on the chemical and mechanical degradation mechanisms of membranes through ex-situ aging protocols as well as understanding the impact of these degradations on the membrane structure and functional properties. First, it was necessary to clarify the influence of Fenton’s reaction, an ex-situ aging protocol widely recognized in the literature, on the chemical degradation of Nafion™ membranes. The results confirmed that Fenton’s reagents concentration significantly influenced polymer chemical decomposition, both from a chemical and morphological point of view. Subsequently, we chose to monitor the evolution of pure chemical degradation of Nafion™ membranes as a function of time and to study its impact on the membrane structure, water sorption and diffusion properties, as well as operability in fuel cells. In that respect, various characterization techniques such as 19F or 1H-NMR as well as FTIR spectroscopies allowed us to correlate physico-chemical properties of the membrane to its structural characteristics and to thus highlight several indicators of chemical degradation. Finally, a custom-made device has been developed to study the impact of conjoint mechanical and chemical stress on Nafion™ membranes. The objective of this device was to replicate aging conditions close to those encountered during fuel cell operation.
Bien que déjà présentées comme une technologie sûre et propre, les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) restent confrontées à de solides verrous en termes de durabilité et de fiabilité, limitant leur commercialisation à large échelle. De nombreuses études ont déjà permis d’affiner la compréhension des phénomènes de vieillissement et ont permis de désigner la dégradation de la membrane comme l’un des principaux facteurs limitant la durée de vie des PEMFC. Cette étude vise à apporter des éléments de compréhension sur les mécanismes de dégradations chimique et mécanique par l’intermédiaire de protocoles de vieillissement ex-situ, ainsi qu’à comprendre l’impact de ces dégradations sur la structure et les propriétés fonctionnelles des membranes. Dans un premier temps, il a été nécessaire de clarifier l’influence de la réaction de Fenton, un protocole de vieillissement ex-situ largement reconnu dans la littérature, sur la dégradation chimique des membranes Nafion™. Les résultats ont confirmé que la concentration en réactifs de Fenton influençait significativement la décomposition chimique du polymère, à la fois d’un point de vue chimique et morphologique. Par la suite, nous avons choisi de suivre l’évolution de la dégradation chimique des membranes Nafion™ en fonction du temps et d’étudier son impact sur la structure de la membrane, ses propriétés de sorption et de diffusion de l’eau ainsi que son fonctionnement en pile. À cet égard, différentes techniques de caractérisation telles que la spectroscopie RMN 19F ou 1H ainsi que la spectroscopie FTIR ont permis de corréler les propriétés physico-chimiques de la membrane à ses caractéristiques structurelles et de mettre ainsi en évidence plusieurs marqueurs de la dégradation chimique. Enfin, un dispositif sur-mesure a été conçu afin d’étudier l’impact des contraintes mécanique et chimique conjointes sur les membranes Nafion™. L’objectif de ce dispositif était de reproduire des conditions de vieillissement proches de celles rencontrées lors du fonctionnement en pile.
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tel-03203250 , version 1 (20-04-2021)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03203250 , version 1

Cite

Mylène Robert. Impact of degradation and aging on properties of PFSA membranes for fuel cells. Mechanics of materials [physics.class-ph]. Université de Lorraine, 2021. English. ⟨NNT : 2021LORR0004⟩. ⟨tel-03203250⟩
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