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Membranes composites pour PEMFC

		Mermbrane composite Nafion-Sépiolite sulfonée (10 %m)																												Mermbrane composite Nafion-Sépiolite sulfonée (10 %m)

Du fait de leur large domaine applicatif (transport, mobile ou stationnaire), les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) comptent parmis les piles les plus étudiées. Néanmoins, malgré de nombreuses avancées, elles souffrent encore de limitations. L’une d’elles concerne la membrane électrolytique qui limite leur température d’utilisation. Augmenter cette température permettrait entre autre de mieux valoriser la chaleur produite, de réduire la taille des systèmes de refroidissement ou encore de limiter les problèmes d’empoisonnement du catalyseur. Cela nécessite de développer des membranes alternatives au Nafion largement employée aujourd’hui.

L’objectif de ces travaux, menés dans le cadre d’une action du groupe Nanomines, était donc de préparer et évaluer des membranes composites, Nafion-sépiolite, capables de fonctionner a haute température et faible humidité relative pour éviter de devoir augmenter la pression de fonctionnement des systèmes, alors que la conduction protonique nécessite que la membrane soit humidifiée.

La sépiolite est une argile fibreuse fortement hydrophile. Ajoutée au Nafion elle permet de retenir l’eau au sein de la membrane. Sa fonctionnalisation (sulfonation) est rendue inévitable par la nécessité de conserver une bonne conduction protonique assurée dans le Nafion par les groupements sulfoniques. Cette étape a fait l’objet d’une étude ciblée, en collaboration avec le Centre des Matériaux de Grande Diffusion de l'Ecole des Mines l'Alès.

Les membranes ont été préparées par évaporation de solvant à partir d’une dispersion de Nafion dans l’alcool additionnée de sépiolite fonctionnalisée. Elles ont été insérées dans des assemblages membrane-électrodes (AMEs) et testées sur banc de test monocellule dans les conditions de fonctionnement des piles à combustible. Outre une résistance mécanique améliorée, gage d'une durée de vie allongée, les performances enregistrées en monocellule sont significativement supérieures à celles du Nafion, à 100 °C, entre 25 et 75% d’humidité relative. Le gain de puissance à 0.6 V est de 50% à 50% d’humidité relative.

Ces travaux sont actuellement poursuivis dans le cadre du projet MOISE, retenu pour financement par l'ANR (AAP-Generique 2015).

 

Contact :

Christian BEAUGER

Publications :
  • BEAUGER, Christian, LAINE, Guillaume, BURR, Alain, TAGUET, Aurélie, OTAZAGHINE, Belkacem, RIGACCI, Arnaud, Nafion®-sepiolite membranes for improved proton exchange membrane fuel cell performance, Journal of Membrane Science 430 (2013) 167-179 (http://dx.doi.org/10.1016/j.memsci.2012.11.037).
  • BEAUGER, Christian, LAINE, Guillaume, BURR, Alain, TAGUET, Aurélie, OTAZAGHINE, Belkacem, RIGACCI, Improvement of Nafion®-sepiolite composite membranes for PEMFC with sulfo-fluorinated sepiolite, Journal of Membrane Science495 (2015) 392-403 (http://dx.doi.org/10.1016/j.memsci.2015.08.014).
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