Développement d’une membrane échangeuse de protons capable de fonctionner durablement dans une PEMFC à 95 °C

Cette thèse porte sur l’élaboration et la caractérisation de Membranes Echangeuses de Protons (PEM) pour les Piles à Combustible à Membrane Polymère (PEMFC), destinées à fonctionner à 95 °C. La membrane est souvent considérée comme le maillon faible de l'assemblage membrane-électrode (AME). A ce titre, elle présente en effet plusieurs limitations : une faible résistance mécanique, une perméabilité élevée aux gaz et une forte sensibilité au fluage en milieu fortement hydraté. L'objectif principal porte donc sur l’amélioration de la durabilité de ces membranes sans sacrifier leurs performances électrochimiques.Les travaux ont porté sur des membranes composites constituées d'une matrice d'ionomères perfluorosulfonés (PFSA) et d'un polymère aromatique à haute température de transition vitreuse (Tg). Les PFSA utilisées ont des chaînes latérales courtes (PFSA SSC), comme l'Aquivion, reconnus pour leur cristallinité élevée, leur température de transition vitreuse supérieure et leur meilleure stabilité thermique comparée aux PFSA à longues chaînes (LSC), comme le Nafion. Pour renforcer leur résistance mécanique et leur durabilité, des membranes composites ont été développées par coulée-évaporation à partir d'une solution d'Aquivion et de divers polymères aromatiques fonctionnels porteurs de groupes triazole ou imidazolium. Ces polymères aromatiques fonctionnels visent à améliorer la résistance mécanique de la membrane, à optimiser l'absorption d'eau, à faciliter le transport protonique ainsi qu’à limiter la dégradation chimique du PFSA essentiellement induite par les radicaux libres in situ.Les membranes élaborées ont été caractérisées selon une approche multiéchelle, utilisant la microscopie électronique à balayage (MEB-FEG), la diffusion de neutrons aux petits angles (SANS), des mesures de sorption gravimétrique de vapeur d'eau, de conductivité protonique, ainsi que des tests mécaniques et de stabilité chimique (test de Fenton). Les résultats montrent une amélioration notable des propriétés mécaniques, une conductivité comparable voire supérieure, à celle de l'Aquivion seul, et une meilleure résistance à l'oxydation.Un second volet de l'étude a porté sur l’examen de l'impact des polymères de renfort sur l'activité catalytique des couches d'électrode. Les essais électrochimiques ont confirmé que l'intégration de ces membranes composites ne dégradait pas les performances catalytiques et pouvait même améliorer localement l'efficacité de l'interface triple (catalyseur/électrolyte/gaz).Ces travaux démontrent la pertinence des membranes composites à base de PFSA SSC et de polymères fonctionnels pour le développement de membranes performantes, capables de fonctionner dans une PEMFC à plus de 95 °C. Ils ouvrent des perspectives prometteuses pour des applications stationnaires ou embarquées, exigeant à la fois fiabilité, performance et longévité.