Performances et durabilité des membranes alternatives aux membranes PFSA - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2023

Performance and durability of alternative membranes to PFSA in PEM fuel cells

Performances et durabilité des membranes alternatives aux membranes PFSA

Abstract

The main objective of this thesis is to find a compromise between durability, cost, and eventually the ability to sustain high temperatures ionomer membranes used in PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). This work focused on sulfonated poly (ether ether ketone) membranes (sPEEK), which were chosen because of their good mechanical properties and high temperature resistance. However, sPEEK membranes suffer from a poor chemical stability, compared to the reference PFSA (PerFluoroSulfonic Acid) membranes. In order to overcome this problem, two approaches have been developed: pretreatment and/or hybridization of sPEEK membranes.The impact of sulfonated poly (ether ether ketone) membranes pretreatments on their functional properties, chemical structure and fuel cell performances was studied. Several physico-chemical characterization techniques as well as electrochemical diagnostic tools were used to correlate the cell performance with the sorption and transport properties of tested membranes.Subsequently, the durability of the best of these samples was studied via ex-situ and in-situ approaches. The ex-situ approach provided a first insight into the chemical stability of the membranes. In addition, the in-situ degradation tests allowed to evaluate the durability of the membranes under chemical and mechanical stresses very close from those encountered during fuel cell cells operation. For this purpose, an accelerated aging test was developed, combining potential cycling, humidity cycling and open-circuit prolonged hold.Finally, the second approach consists, in addition to the application of a pretreatment, in the hybridization of the membranes by sol-gel processes. Several precursors with sacrificial or redox functions were impregnated into the sulfonated poly (ether ether ketone) membranes. The analysis of fuel cell performances and membrane durability after applying the accelerated stress test have highlighted the efficiency of this approach: the performance and durability of some hybrid membranes even exceeded those of the reference PFSA membranes.
Le principal objectif de cette thèse est la recherche d'un compromis entre la durabilité, le coût et, à terme, la résistance à haute température des membranes ionomères utilisées dans les piles à combustible de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). À cet égard, le ionomère poly (éther éther cétone) sulfoné (sPEEK) a été choisi du fait de ses bonnes propriétés mécaniques et de sa tenue à haute température. Cependant, les membranes sPEEK offrent une faible stabilité chimique par rapport aux membranes PFSA (PerFluoroSulfonic Acid) de référence. Afin de lever ce verrou, deux approches ont été mises en place : prétraitements et/ou hybridation des membranes sPEEK. L'impact des prétraitements des membranes poly (éther éther cétone) sulfoné sur leurs propriétés fonctionnelles, leurs structures chimiques et leurs performances en pile a été étudié. Plusieurs techniques de caractérisation physico-chimiques ainsi que des outils de diagnostic électrochimiques ont permis de corréler les performances en pile aux propriétés de sorption et de transport des différentes membranes. Par la suite, la durabilité des meilleurs de ces échantillons a été étudiée via deux approches ex-situ et in-situ. L'approche ex-situ a permis d'avoir un premier aperçu de la stabilité chimique des membranes. En complément, les tests de dégradation in-situ ont permis d'évaluer la stabilité des membranes sous l'effet des sollicitations chimiques et mécaniques rencontrées dans les cellules de piles à combustible en fonctionnement. Pour cela, un test de vieillissement accéléré a été développé, associant cyclages en potentiel, cyclages en humidité, et maintiens prolongés en circuit ouvert. Enfin, la deuxième approche consiste, en plus de l'application d'un prétraitement, en l'hybridation des membranes par voie sol-gel. Plusieurs précurseurs à fonctions sacrificielles ou rédox ont été imprégnés au sein des membranes poly (éther éther cétone) sulfoné. L'analyse des performances en pile ainsi que de la durabilité des membranes en appliquant le test de dégradation accéléré ont mis en évidence l'efficacité de cette approche : les performances et la durabilité de certaines membranes hybrides ont même dépassées celles des membranes PFSA de référence.
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Dates and versions

tel-04099734 , version 1 (17-05-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04099734 , version 1

Cite

Meriem Daoudi. Performances et durabilité des membranes alternatives aux membranes PFSA. Sciences de l'ingénieur [physics]. Université de Lorraine, 2023. Français. ⟨NNT : 2023LORR0011⟩. ⟨tel-04099734⟩
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