Tagebuch des fondamentaux de l'énergie renouvelable et des applications
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ISSN: 2090-4541
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Dharmalingam Sangeetha
Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) deviennent de plus en plus une source d'énergie intéressante pour l'avenir en raison de leur portabilité, de leur fonctionnement silencieux et de leur densité de puissance élevée. Des efforts ont été faits pour améliorer leur efficacité ainsi que pour rendre la technologie abordable. Plusieurs paramètres entrent en jeu dans le contexte de l'efficacité des piles à combustible, dont la température de fonctionnement est d'une importance primordiale. Plus précisément, la pile à combustible PEM haute température (HTPEMFC) présente de plus grands mérites tels qu'une efficacité plus élevée, une meilleure tolérance des électrodes contre l'empoisonnement au monoxyde de carbone, une cinétique de réaction plus rapide et un transfert de chaleur efficace. Étant donné que la conductivité des protons des membranes perfluorées couramment utilisées, telles que le Nafion, dépend fortement de l'humidification externe, leur température de fonctionnement est limitée à 100 °C. Par conséquent, l'un des plus grands défis des PEMFC est de fabriquer une membrane thermiquement stable qui peut fonctionner à des températures supérieures à 100 °C dans des conditions anhydres.
Dans le présent travail, des membranes composites SBA-15 phosphonées/poly(styrène-éthylène-butylène-styrène) phosphoné (PSEBS) sont développées pour l'électrolyte de pile à combustible à haute température. Le mésoporeux Santa Barbara Amorphous (SBA-15) a été synthétisé et il a été greffé avec une fonctionnalité phosphonate en utilisant un processus simple en deux étapes impliquant une chlorométhylation puis une phosphonation. Le SBA-15 phosphoné (PSBA-15) a été caractérisé par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), résonance magnétique nucléaire (RMN) du 13C à l'état solide, RMN du 29Si, RMN du 31P pour confirmer la réussite de la modification. Les caractéristiques morphologiques ont été vérifiées par diffraction des rayons X aux petits angles (DRX), microscopie électronique à balayage (MEB) et analyses TEM par microscopie électronique à transmission. Le poly(styrène-éthylène-butylène-styrène) (PSEBS) a été choisi comme polymère de base et des groupes fonctionnels d'acide phosphonique ont été greffés sur le polymère en utilisant l'approche susmentionnée, où des groupes chlorométhyle (-CH2Cl) ont été attachés à la chaîne principale en utilisant l'alkylation de Friedel Craft, suivie de la phosphonation du polymère chlorométhylé par la réaction de Michaels-Arbuzov résultant en PSEBS phosphoné (PPSEBS). La fonctionnalisation a été confirmée par des études de spectroscopie RMN et FTIR. Des membranes composites PPSEBS/PSBA-15 ont été fabriquées avec différentes concentrations de charge (2, 4, 6 et 8 %) de PSBA-15. Diverses études telles que l'absorption d'eau, la capacité d'échange d'ions et la conductivité protonique des membranes composites ont été entreprises en ce qui concerne les applications des piles à combustible. Les études ont montré que la membrane PPSEBS/PSBA-15 avec 6 % en poids de charge présentait une conductivité protonique maximale de 8,62 mS/cm à 140 °C. Enfin, l'assemblage d'électrodes à membrane (MEA) a été fabriqué à l'aide d'une membrane composite PPSEBS/PSBA à 6 %, d'une anode en platine (Pt), d'une cathode en platine et a été testé dans une configuration de pile à combustible construite en interne. Une densité de puissance maximale de 226 mW/cm2 et une tension en circuit ouvert de 0,89 V ont été obtenues à 140 °C dans des conditions non humidifiées.