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Utilisation de méthodes basées sur la résonance magnétique nucléaire pour l’étude du transport d’eau dans les membranes polymères utilisées dans les piles à combustible

Jean-Christophe Perrin Université de Lorraine, LEMTA, UMR 7563, Vandoeuvre-lès-Nancy

Les piles à combustible basse température de type PEMFC deviennent
relativement bien établies dans un certain nombre de marchés où elles sont reconnues
comme une meilleure option technologique que les générateurs à combustion interne
ou les batteries. Les piles à membrane échangeuses de protons (PEMFCs) sont des
piles à combustible qui utilisent une membrane ionomère comme électrolyte. Dans
cette famille de matériaux, les ionomères perfluoro-sulfonés acides (PFSA) sont les
plus appropriés car ils combinent une bonne stabilité chimique et mécanique à une
faible perméabilité aux gaz (hydrogène, oxygène) et à d’excellentes propriétés de
transport des protons et de l’eau. La compréhension des mécanismes de transport de
l’eau dans ces polymères est de première importance puisque l’eau sert de milieu de
transfert des protons lors du fonctionnement de la cellule électrochimique. A cette fin,
l’étude du transport d’eau dans les PFSA est un domaine de recherche actif depuis plus d’une décennie. Comme les membranes PFSA peuvent adsorber une grande quantité d’eau dans leur structure grâce à la présence de sites hydrophiles les méthodes de RMN du proton sont naturellement bien adaptées à l’étude de la diffusion de l’eau et aux interactions eau/polymère.
Dans cette présentation, nous discuterons les résultats d’études concernant les liens entre la structure des membranes PFSA et leur propriétés de transport d’eau, notamment lorsqu’elles sont soumises à des contraintes mécaniques (traction, compression) ou à des gradients d’humidité. L’enjeu réside dans une meilleure compréhension de l’impact de stress mécaniques sur le vieillissement physique du matériau et sur celle de l’effet des résistances au transfert d’eau aux interfaces avec la membrane.

Figure : Profils d’eau mesurés en fonction du temps par imagerie par résonance
magnétique (IRM) au travers d’une membrane Nafion 1110 dans deux conditions
expérimentales différentes : (a) sorption d’eau symétrique de 0% à 89% d’humidité
relative (HR) sur les deux faces de la membrane et (b) sorption d’eau asymétrique de
0%HRgauche/0%HRdroite à 89%HRgauche/0%HRdroite.
La résolution spatiale est de 6 µm/point et la résolution temporelle de 68 s/profile.