Des scientifiques développent une membrane de pile à combustible de nouvelle génération avec une conductivité inégalée

Des chercheurs de l’Université de Nagoya au Japon, dans le cadre d’un projet commandé par la New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO), ont créé du poly(styrènesulfonique

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>acide[{“attribute=””>acid) à base de PEM à forte densité de groupements acide sulfonique.

Un élément crucial des piles à combustible à électrolyte polymère respectueuses de l’environnement est une membrane électrolyte polymère (PEM), qui produit de l’énergie électrique grâce à l’interaction des gaz hydrogène et oxygène. Les applications pratiques des piles à combustible comprennent les véhicules à pile à combustible (FCV) et les systèmes de production combinée de chaleur et d’électricité (CHP) à pile à combustible.

Le PEM le plus connu est une membrane à base d’un polymère d’acide perfluorosulfonique, tel que le Nafion, qui a été développé par DuPont dans les années 1960. Il a une bonne conductivité protonique de 0,1 S/cm à 70-90 °C dans des conditions humidifiées. Dans ces conditions, des protons peuvent être libérés des groupes acide sulfonique.

La conduction des protons dans de telles membranes dépend généralement du mécanisme de transport des protons entre les protons, les groupes d’acide sulfonique et les molécules d’eau.

Typiquement, plus la densité des groupes acide sulfonique dans la membrane est élevée, plus la densité des protons qui peuvent être libérés des groupes acide sulfonique est élevée ; par conséquent, la densité plus élevée des groupes acide sulfonique entraîne généralement des conductivités protoniques plus élevées.

Cependant, en utilisant un procédé de synthèse classique, il est difficile de synthétiser des PEM avec une densité élevée de groupes acide sulfonique. Par exemple, pour augmenter la densité de groupements acide sulfonique dans un PEM à base de poly(acide styrènesulfonique), la réaction de sulfonation doit être réalisée sur de longues heures ou dans des conditions sévères. Il utilise généralement des substances hautement oxydantes, telles que l’acide sulfurique fumant et l’acide chlorosulfonique.

Malheureusement, cela conduit à des réactions secondaires indésirables, telles que le clivage des chaînes du squelette du polymère. Par conséquent, pour éviter les réactions secondaires indésirables lors de la synthèse des polymères, les PEM disponibles dans le commerce sont généralement synthétisés pour avoir une faible densité de groupes acide sulfonique.

Pour les PEM à base de Nafion ou de poly (acide styrènesulfonique) disponibles dans le commerce, tels que Selemion par AGC, la capacité d’échange d’ions (IEC), un indice de la densité des groupes acides, est généralement inférieure à 1,0 meq./g.

Dans l’article, Atsushi Noro et ses collègues de la Graduate School of Engineering,

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>UniversitédeNagoya[{“attribute=””>NagoyaUniversityet des Institutes of Innovation for Future Society également de l’Université de Nagoya, ont développé des PEM à base de poly(acide styrènesulfonique) avec une densité ultra élevée de groupes acide sulfonique.

L’IEC du PEM était de 5,0 mequiv./g. C’est cinq fois plus élevé que l’IEC des PEM typiques disponibles dans le commerce tels que Nafion ou Selemion. Sa conductivité protonique à 80 °C sous 90 % HR (une condition de fonctionnement courante pour les piles à combustible à électrolyte polymère) était de 0,93 S/cm. Celle-ci est six fois supérieure à la conductivité du Nafion (0,15 S/cm) ou du Sélemion (0,091 S/cm) dans les mêmes conditions de mesure.

Les futures piles à combustible doivent fonctionner dans des conditions de fonctionnement plus sévères telles que des températures plus élevées et des taux d’humidité plus faibles.

Cette étude contribuera à la synthèse et au développement de PEM de nouvelle génération plus performants présentant une bonne conductivité de 0,1 S/cm ou plus dans des conditions aussi sévères. L’étude contribuera également à l’objectif d’atteindre une société à zéro carbone net.

Référence : « Synthesis of a Cross-Linked Polymer Electrolyte Membrane with an Ultra-High Density of Sulfonic Acid Groups » par Katsumi Sato, Takato Kajita et Atsushi Noro, 19 avril 2023, Matériaux polymères appliqués ACS.
DOI : 10.1021/acsapm.3c00150