Dissertations / Theses on the topic 'Conductivié protonique'

Cette thèse porte sur une étude de matériaux oxydes fortement désordonnés de type Brownmillerite et présentant diverses substitutions. Les aspects les plus étudiés sont la conductivité protonique des phases hydratées ainsi que les propriétés structurales des composés anhydres. L'étude repose majoritairement sur des calculs de type DFT (réalisés de manière statique à 0 K et à température élevée en utilisant la dynamique moléculaire ab initio). Elle est complétée de mesures XANES (spectroscopie d'absorption des rayons X) qui ont permi de confirmer certains résultats issus des calculs DFT. Ces approches combinées ont fourni des informations cruciales sur la préférence de coordination chimique de plusieurs substituants, sur la mobilité des protons dans divers composés en fonction de leur contenu cationique ainsi que sur les propriétés vibrationnelles. Le matériau Ba2 In2(1 − x)Ti2xO5+x (BITx) a été le centre d'intérêt de cette thèse, au vu des performances prometteuses dans des piles à combustible de type PC-SOFC. Dans une optique de comparaison et de rationalisation, des composés de formulation voisine Sr2In2(1 − x)Ti 2xO5+x (SITx), Ba2In2(1 − x)Zr2xO5+x (BIZx) et Ba2In2(1 − x)Y2xO5 (BIYx) ont également été étudiés pour préciser le rôle des différents substituants sur le comportement de la conductivité protonique (e.g. les effets de piégeage, la force des liaisons hydrogène, la distinction entre plusieurs arrangements protoniques etc...). Tous ces aspects ont été obtenus grâce à la dynamique moléculaire qui intègre naturellement les effets de température et d'entropie.

Ce travail de thèse s'inscrit dans la continuité des travaux de recherche réalisés sur le développement de nouvelles membranes échangeuses de protons pour piles à combustible de type PEMFC, porteuses de groupements protogènes acide phosphonique et pouvant fonctionner à haute température (&gt;100°C) et faible HR (&lt;50%). L'objectif de ce travail est de proposer de nouvelles membranes à partir de copolymères fluorophosphonés. Pour cela, la polymérisation radicalaire en solution de copolymères et terpolymères alternés à partir de vinyl éthers (CEVE et EVE) et de CTFE a d'abord été réalisée. Ensuite, une modification chimique à partir de la réaction de Michaelis-Arbuzov a permis d'obtenir de manière quantitative cinq copolymères fluorés porteurs de groupements phosphonates via le passage par un intermédiaire iodé. Le clivage des fonctions esters de phosphonate a enfin été réalisé par silylation pour donner lieu aux équivalents acide phosphonique dont le taux, la localisation et la répartition sont parfaitement contrôlés. Les structures de ces nouveaux copolymères fluorophosphonés ont été confirmées par la spectroscopie RMN 1H, 19F et 31P. Des membranes flexibles et stables mécaniquement ont été élaborées par le principe dit de coulée-évaporation de solution contenant 27 à 40% en poids de copolymères dans le DMSO à 120°C. La membrane contenant la CEI la plus élevée (6,88 meq/g) montre la meilleure valeur de conductivité protonique à 25°C et 98% HR (20 mS/cm). Par contre, à haute température (120°C) et faible HR (25%), cette conductivité chute de manière drastique et est de 0,25 mS/cm<br>This thesis is a continuation of research conducted on the development of new proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), bearing phosphonic acid as protogenic groups capable to work at high temperature (&gt; 100°C) and low RH (&lt;50%). The objective of this work is to propose new fluorinated copolymers bearing pendant phosphonic acid groups for fuel cell membranes. For this, the radical polymerization in solution of alternating copolymers and terpolymers from vinyl ethers (CEVE and EVE) and CTFE was first performed. Five phosphonate fluorinated copolymers were then obtained quantitatively according to Michaelis-Arbuzov reaction via an iodinated intermediate, and efficiently hydrolyzed by silylation, leading to the corresponding phosphonic acid whose rates, location and distribution are well controlled. This new fluorinated polymer was perfectly characterized by means of 1H, 19F and 31P NMR. Flexible and mechanically strong membranes were obtained by casting 27 wt % solutions of alternated fluorinated phosphonic acid copolymers in DMSO at 120°C. The membrane containing the highest IEC (6. 88 meq/g) shows the highest value of proton conductivity at 25°C and 98% RH (20 mS/cm). On the other hand, at high temperature (120°C) and low RH (25%) this conductivity decrease drastically to 0. 25 mS/cm

Cette thèse valide le concept de matériaux céramiques conducteurs mixtes protoniques/électroniques et leur utilisation en tant qu.anode pour électrolyseur de la vapeur d.eau à température intermédiaire. Les matériaux développés sont des cobaltites d.alcalino-terreux et de terre-rares couramment utilisés pour leur forte conductivité électronique dans la gamme de températures 300-600°C. La stabilité de chaque matériau a été vérifiée pendant 350h sous air et sous vapeur d.eau. Après analyse de la compatibilité chimique avec le matériau d.électrolyte BaZr0.9Y0.1O3, huit compositions ont été sélectionnées représentatives de deux structures pérovskites, classique et lacunaire : BaCoO3, LaCoO3, Sr0.5La0.5CoO3, Ba0.5La0.5CoO3, GdBaCo2O5, NdBaCo2O5, SmBaCo2O5 et PrBaCo2O5. L.évolution thermique de la st.chiométrie en oxygène de chaque matériau a été déterminée en couplant le titrage par iodométrie et ATG sous air sec. Une série d.ATG sous air humidifié a permis de sélectionner la gamme de températures optimale dans laquelle l.incorporation des protons est possible et maximale. Les profils d.incorporation des protons ont été réalisés par SIMS microanalyse nucléaire en géométrie ERDA sur deux échantillons. Les coefficients de diffusion du deutérium ont pu être déterminés confirmant la mobilité des protons dans les cobaltites. Sous air humide, le composé lacunaire NdBaCo2O5 incorpore rapidement, un nombre significatif de protons qui se distribuent de façon homogène au c.ur de l.échantillon. L.optimisation microstructurale des anodes a permis d.obtenir à 450°C et 600°C des résistances totales de cellule symétrique très prometteuses<br>This thesis validates the concept of mixed electron/proton ceramic conductors to be used as anode materials for intermediate temperature steam electrolyzer. The materials developed are based on cobaltites of alkaline-earth metals and rare earth elements commonly used for their high electronic conductivity in the temperature range of 300-600°C. The stability of each material has been assessed during 350h in air and moist air. After checking the chemical compatibility with the BaZr0.9Y0.1O3 electrolyte material, eight compositions have been selected: BaCoO3, LaCoO3, Sr0.5La0.5CoO3, Ba0.5La0.5CoO3, GdBaCo2O5, NdBaCo2O5, SmBaCo2O5 and PrBaCo2O5. The thermal evolution of the oxygen stoichiometry of each material was determined by coupling iodometric titration and TGA in dry air. TGA in moist air has allowed determining the optimum temperature range for which proton incorporation is possible and maximized. Proton incorporation profiles have been determined on two cobaltites using SIMS and nuclear microanalysis in the ERDA configuration. Deuterium diffusion coefficients have been determined confirming the proton mobility in these materials. Under moist air, NdBaCo2O5 is shown to incorporate rapidly a significant number of protons that spread homogeneously within the material bulk. Anode microstructure optimization has allowed reaching at 450°C and 600°C total resistance values on symmetrical cell highly promising

Ce travail est une contribution aux syntheses d'halogenures et de sels complexes d'hydrazinium et de dihydrazinium, a la determination precise de leur structure cristalline avec localisation des protons et a la caracterisation des proprietes electriques de ces materiaux. Leurs conductivites protoniques sont fortement dependantes de la tension de vapeur d'eau, des relations entre proprietes electriques et structures cristallines sont mises en evidence, le role des reseaux des liaisons hydrogene est precise. Un mecanisme de transfert du proton par translocation est propose

Les premiers resultats experimentaux concernant les proprietes dielectriques, dans une large bande de frequences (10**(3)-10**(10)hz), des conducteurs protoniques sont presentes entre 190 k et 420 k. Des relaxations dielectriques ont ete observees et attribuees aux processus de reorientation des especes protonees et aux sauts d'ions. Les relations entre relaxation dipolaire, transitions de phases et conductivite protonique sont discutees

À l'heure actuelle, le développement dans les piles à combustible gagne un regard considérable pour la cogénération de l'énergie propre. Plus particulièrement, les piles à combustible à conduction protonique dont leurs électrolytes sont des oxydes de type pérovskite. Nous nous sommes intéressés aux électrolytes des piles de type PCFC « Proton Ceramic Fuel Cell » dont la température de fonctionnement est intermédiaire. L'intérêt porté pour l'amélioration de la diffusion du proton au sein de ces matériaux implique une compréhension fondamentale de l'interaction du proton avec son environnement. Cette problématique a conduit à une étude systématique en appliquant l'approche de la théorie de la fonctionnelle de la densité sur les matériaux de BaMxZr1-xO3 (M=Y, In et Sc ; x=12,5, 25 et 37,5%). Dans un premier temps, la validation de la méthode appliquée sur le système idéal de BaZrO3 et BaZr0,625Y0,375O3 a été nécessaire afin de reproduire les propriétés électroniques, structurales et de vibration de phonon en bon accord avec les résultats expérimentaux. Dans un deuxième temps, la variation des propriétés électroniques et structurales en fonction de la nature du dopant accepteur (M=Y, In et Sc), sa répartition dans le réseau, et sa concentration ont été étudiées. Une distorsion locale autour de l'atome dopant dans le réseau a été obtenue. Par conséquent, une baisse de symétrie du réseau a été déterminée. Cette distorsion est remarquée quel que soit la nature du dopant. La différence la plus marquée de l'effet de la nature du dopant est trouvée sur les charges atomiques des ions oxygène selon trois environnement possible : Zr-O(1)-Zr, Zr-O(2)-M et M-O(3)-M. Une diminution de la charge (et donc diminution de la basicité) sur le site O3 est bien remarquée dans BaMxZr1-xO3. On attribue cette diminution de charge à la formation d'une liaison covalente à caractère anti-liant Y-O2 (O3). La liaison est ionique pour Sc-O2(O3) et covalente de faible caractère liant pour In-O2 (O3). Nous avons poursuivi nos investigations sur l'insertion d'hydrogène dans les matériaux étudiés. L'analyse des propriétés électroniques, structurales, des vibrations de phonon et l'énergie d'interaction de l'hydrogène des structures BaMxZr1-xO3H, nous ont permis d'établir une corrélation entre le caractère de la liaison chimique M-O, l'insertion du proton et la force de la liaison O-H. L'insertion de H sur le site O3 dans BaYxZr1-xO3 (x=0,25 et 0,375) n'est pas obtenue, probablement à cause de la faible basicité de l'ion oxygène dans la configuration Y-O3-Y. L'insertion du H sur le site O3 pour les deux configurations In-O-In et Sc-O-Sc est obtenue dans BaInxZr1-xO3 (x=0,25 et 0,375) et BaScxZr1-xO3 (x=0,25 et 0,375) respectivement. La variation de l'énergie d'interaction de l'hydrogène avec son environnement dévoile une stabilisation des défauts protoniques significativement plus importante dans le cas de l'atome dopant accepteur yttrium que dans le cas des dopants In et Sc. L'analyse des fréquences de vibration de valence de la liaison O-H a montrée que cette liaison est plus forte dans BaInxZr1-xO3 et BaScxZr1-xO3 que dans BaYxZr1-xO3. En conclusion, nos résultats démontrent que le matériau BaZrO3 dopé en Y favorise plus la formation des défauts protoniques avec une liaison O-H moins forte que dans les matériaux baryum zirconates dopés en In et Sc<br>At the present, the development of fuel cells gains a significant interest for their application in clean energy technologies, more specifically, the proton conducting fuel cells. We are interested in the perovskite oxides electrolytes used in PCFC fuel cell “Proton Ceramic Fuel Cell” which operates at intermediate temperature. The interest for the improvement of proton diffusion in these materials necessitates a fundamental systematic understanding of the proton interaction with its environment. Therefore we applied Density Functional Theory based approach on ideal BaZrO3 and doped barium zirconates BaMxZr1-xO3 (M=Y, Sc and In ; x=12.5, 25 and 37.5%), currently known among the best candidates for PCFC electrolytes. First, the validation of the method applied to the ideal system and BaY0.375Zr0.625O3 was necessary in order to reproduce the electronic, structural and phonon vibration in good agreement with the experimental results. Second, the variation of electronic and structural properties and of the phonon vibration was studied as a function of acceptor dopant nature, positions in the lattice and concentration. A local distortion around the dopant atom in the lattice was obtained. Therefore a reduction of the symmetry system has been determined. This distortion is noticeable regardless of the nature of the dopant. The most striking difference due to the dopant nature is found for the atomic charges on three possible oxygen environments : Zr-O(1)-Zr, Zr-O(2)-M and M-O(3)-M. A decrease in the atomic charge of O3 site (decrease of basicity) is well observed in BaYxZr1-xO3. This decrease in the charge can be attributed to the formation of a covalent anti-binding Y-O2(O3) bond. The binding is ionic for Sc-O2 and slightly covalent with a maximum of 15% covalency for In-O2. Our next investigations were focused on the insertion of hydrogen in the studied materials. The analysis of the computed electronic and structural properties, phonon vibrations and hydrogen interaction energies allowed us to establish a correlation between the nature of the chemical bonding M-O, the insertion energy of the proton and the O-H bond strength. The insertion of hydrogen in O3 site in BaYxZr1-xO3 (x=0.25 and 0.375) is not obtained, probably due to the low basicity of the oxygen ion in the configuration Y-O-Y. The insertion of H at the oxygen site for both In-O3-In and Sc-O3-Sc configurations found to be energetically favored in BaInxZr1-xO3 (x=0.25 and 0.375) and BaScxZr1-xO3 (x=0.25 and 0.375) respectively. The variation of hydrogen interaction energy with its environment reveals a significantly stronger stabilization of proton defects in the case of yttrium acceptor dopant than in the two other barium zirconates doped with In and Sc. The analysis of O-H stretching vibration frequencies has shown that the O-H bond is stronger in BaInxZr1-xO3 and BaScxZr1-xO3 than in BaYxZr1-xO3. In conclusion, our results show that the Y doped barium zirconate material favors the formation of proton defects, with a weaker O-H bond than in In and Sc doped oxides

Dans le cadre de ces travaux, l’objectif fixé était de développer des polymères aromatiques possédant des propriétés de conduction protonique. Pour y parvenir des motifs de type acide sulfonique ont été introduits le long des chaînes macromoléculaires. La méthodologie de synthèse de ces polymères qui a été choisie, consistait à polymériser des précurseurs contenant dans leur structure un motif perfluoroalkyle sulfoné. Quatre précurseurs originaux ont ainsi été initialement synthétisés. Différents polymères aromatiques ont été préparés à partir de ces précurseurs en faisant varier le taux de séquences perfluoroalkyles sulfonées. Ces polymères ont ensuite été mis en oeuvre sous la forme de membranes denses selon un procédé de coulée évaporation. A partir de ces membranes, des études de gonflement à l’eau et de conductivité ionique ont été réalisées<br>As part of this work, the objective was to develop aromatic polymers with proton conduction properties. To achieve this, the sulfonic acid motifs were introduced along the macromolecular chains. The methodology of synthesis of these polymers was to polymerise the precursor containing in their structure a perfluoroalkyl sulfone moieties. Four novel precursors have been initially synthesized. Different aromatic polymers were prepared from these precursors by varying the rate of perfluoroalkyl sulfonated sequences. These polymers were then used in the form of dense membranes obtained by a casting process of evaporation. From these membranes, swelling studies in water and ionic conductivity were carried out

L'elaboration et l'etude d'electrolytes solides conducteurs protoniques font l'objet de ce travail, avec en perspective la formation de membranes conducteurs protoniques susceptibles d'etre utilisees dans des dispositifs electrochimiques pouvant operer dans un domaine de temperature moyenne. Les approches adoptees consistent dans la modification de materiaux polymeres thermostables par l'addition de groupes protogenes provenant soit de conducteurs protoniques mineraux disperses dans le polymere, soit par le greffage de groupes sulfones sur la charpente du polymere. Les travaux decrits dans ce memoire s'inscrivent dans ces deux perspectives et concernent le developpement de conducteurs protoniques mineraux et la modification de polymeres organiques. Dans le chapitre ii, nous avons traite des systemes composites mineraux dans lesquels un conducteur protonique est disperse dans une phase minerale, dans les chapitre iii, iv et v, nous avons etudie les possibilites de conferer a un polymere thermostable, le polybenzimidazole, des proprietes de conduction protonique par differentes methodes : traitement par un acide, greffage de fonction sulfonique, traitement par des bases.

La synthèse et la caractérisation de nouvelles membranes à conduction protonique, pour pile à combustible à membrane échangeuse de proton, ont été réalisées. Une étude sur des molécules modèles a permis de mieux appréhender la stabilité thermique et électrochimique du polyéthersulfone sulfoné (S-PES). Des membranes à base de polyéthersulfone sulfoné greffés à l'octylamine (S-PESOS) et des membranes mixtes à base de S-PESOS et S-PES ont été caractérisées d'un point de vue physicochimique et électrochimique. L'effet de la réticulation chimique sur les propriétés des membranes a été évalué. Les membranes réticulées présentent des bonnes propriétés mécaniques, des conductivités ioniques et une stabilité chimique suffisantes pour être utilisées dans les piles à combustible à membrane échangeuse de proton. L'étude des propriétés de transport dans ces électrolytes acides a été approfondie en corrélant des mesures thermiques avec des mesures électrochimiques, thermodynamiques et les performances en pile. Mots clés: pile à combustible à membrane échangeuse de proton, conductivité ionique, taux de sulfonation, polyéthersulfone.

Afin de rendre les piles à combustible de type PEMFC réellement compétitives, un certain nombre d'inconvénients liés à l'utilisation du Nafion® restent à contourner, en particulier sa mauvaise conductivité protonique à des températures supérieures à 80°C. Dans l'optique de pouvoir opérer à plus hautes températures (jusqu'à 120°C), le développement de membranes moins sensibles à l'eau s'avère donc déterminant. Les polymères à base de fonctions acide phosphonique sont considérés comme des candidats potentiels pour une intégration en tant que matériau électrolyte dans les PEMFC « hautes températures » (&gt; 80°C) grâce à leur fort caractère amphotère qui leur confère une bonne conductivité protonique dans des conditions d'humidité réduites. Dans ce contexte, la majeure partie de ce travail de thèse concerne l'élaboration par polymérisation plasma (PECVD) de polymères à base de groupements acide phosphonique à partir du monoprécurseur diméthyl allyl phosphonate. Dans un premier temps, nous avons démontré la faisabilité d'élaborer par polymérisation plasma des polymères à base de fonctions acide phosphonique à partir d'un monoprécurseur. Nous avons confirmé par IRTF, EDX et XPS la présence des groupements acide phosphonique favorables au transport protonique et l'homogénéité de la composition chimique de la surface jusqu'au cœur du matériau plasma. Les matériaux plasma montrent une bonne stabilité thermique dans la gamme de température 80°C - 120°C. Ensuite, une optimisation des conditions de synthèse a été réalisée. Les plus importantes valeurs de vitesses de croissance (28 nm.min-1 sur plaquette de silicium, 22 nm.min-1 sur PTFE et 26 nm.min-1 sur Nafion®211), de CEI (4,65 meq.g-1) et de conductivité (0,08 mS.cm-1 à 90°C et 30% RH) sont celles de la membrane synthétisée à 60 W. Des mesures de perméabilité au méthanol, à l'éthanol et au glycérol ont été réalisées et montrent que les films plasma sont intrinsèquement 40 à 235 fois moins perméables au combustible que le Nafion®211 du fait de leur fort taux de réticulation. Les polymères ont été déposés en tant que liants sur des électrodes E-TEK® pour intégration en pile. Nous avons constaté que le liant phosphonique plasma possède une conductivité protonique suffisante pour permettre le transport des protons à l'interface membrane-électrodes. En parallèle, nous avons réalisé le traitement de surface par plasma d'une membrane phosphonique conventionnelle pour en améliorer la stabilité thermique et la rétention au combustible. Les analyses thermogravimétriques montrent une légère amélioration de la stabilité thermique suite au traitement de surface. Des tests de perméabilité au méthanol et à l'éthanol montrent que la membrane traitée par plasma est 2 à 4 fois moins perméable que la membrane vierge. Le traitement à 60 W conduit aux coefficients de diffusion les plus faibles (DMeOH = 9.10-12 m2.s-1 et DEtOH = 6.10-12 m2.s-1). Des tests en pile ont été effectués montrant de meilleures performances de la membrane traitée en comparaison de son homologue non traité<br>The proton exchange membrane is a key component in the PEMFC-type fuel cell; it plays a decisive role as electrolyte medium for proton transport and barrier to avoid the direct contact between fuel and oxygen. The Nafion® is one of the most extensively studied proton exchange membrane for PEMFC applications. However, it has a number of drawbacks that need to be overcome, especially the poor performance at temperature above 80°C. That's why the development of effective and low cost membranes for fuel cell turned to be a challenge for the membrane community in the last years. Phosphonic acid derivatives are considered suitable candidates as ionomers for application in PEMFC at high temperature (&gt; 80°C) thanks to their efficient proton transport properties under low humidity condition due to their amphoteric character.In this work, plasma polymers containing phosphonic acid groups have been successfully prepared using dimethyl allylphosphonate as a single precursor demonstrating the feasibility of plasma process for the manufacture of proton exchange membranes. Moreover, plasma polymers properties have been investigated as a function of the plasma conditions. The evolution of the films growth rate on three different supports as a function of the plasma discharge power is bimodal, with a maximum (close to 30 nm min-1 on Si) at 60 W. The chemical composition of plasma materials (investigated by FTIR, EDX and XPS) is quite homogeneous from the surface to the bulk; it is characterized by a wide variety of bond arrangements, in particular the presence of phosphonate and phosphonic acid groups which are above all concentrated in the plasma film synthesized at 60 W, characterized by the highest ion exchange capacity (4.65 meq g-1) and the highest proton conductivity (0.08 mS cm-1 at 90°C and 30% RH). TGA analysis has shown that phosphonic acid-based plasma polymers retain water and don't decompose up to 150 °C, which reveals a satisfying thermal stability for the fuel cell application. In terms of fuel retention, plasma films are intrinsically highly performing (methanol, ethanol and glycerol permeabilities being 40 to 235 lower than that of Nafion®211). The plasma films were deposited on fuel cell electrodes (E-TEK®) as binding agents. We have noticed that the phosphonic binder has a sufficient proton conductivity to allow proton transport at the electrode-membrane interface.A second part of this work concerns the surface treatment by plasma process of a conventional phosphonated membrane for improvement of thermal stability and fuel retention. TGA analysis has shown a slight improvement of the thermal stability for the treated membrane. Methanol and ethanol permeabilities tests show that the plasma-modified membrane is 2 to 4 times less permeable than the non-modified membrane. The treatment at 60 W shows the lowest fuel diffusion coefficients (DMeOH = 9.10-12 m2.s-1 and DEtOH = 6.10-12 m2.s-1). Fuel cell tests were realized showing better performance for the modified membrane compared to the non-modified one

Le Nafion a été considéré comme électrolyte modèle pour les piles à combustible (PAC), grâce à sa stabilité thermique et chimique ainsi que sa bonne conductivité protonique. Cependant, la conductivité protonique du Nafion se détériore à des taux d’humidité &lt; 50% et à des températures &gt;80°C. Pour cette raison de nouvelles membranes hybrides ont été élaborées afin d’en améliorer les performances. Plusieurs pistes ont été envisagées comme par exemple i) Membranes à base de chitosane, considéré comme le second polysaccharide le plus abondant après la cellulose. Ce polymère naturel permet d’assurer la stabilité physique et chimique de la membrane en présence d’eau, sans oublier son coût de revient qui reste moins cher en comparaison avec celui du Nafion et ii) Membranes à base de Nafion et d'argiles fibreuses (HNT), ces dernières confèrent à la membrane une conductivité protonique élevée en construisant des voies de transfert larges et continues. Cela permet aussi d'améliorer les propriétés thermiques et mécaniques des PEM. Notre étude est basée sur l'élaboration de membranes composites, nafion, chitosane et HNT. Des mesures de conductivité ont été entreprises et les valeurs obtenues comparées à celles du nafion. Des mesures d'ac-électrogravimétrie ont aussi été entreprises afin de mieux aborder les mécanismes de conduction<br>The perfluoro-sulfonated ionomer membranes are employed as separators in many industrialapplications such as fuel cells, chloro-alkali industry, electrodialysis and gaining inclininginterest in aqueous rechargeable or redox-flow batteries where the knowledge of their ionictransport and transfer properties is fundamental.Particularly, Nafion is adopted as a referencemembrane for polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells due to its thermal stability andgood proton conductivity. However, Nafion membranes have several disadvantages such as a decrease in the proton conductivity at low relative humidity (&lt;50%) and high temperatures(&gt;80°C), and excessive dimensional changes due to the swelling/deswelling, leading tomechanical instabilities.To circumvent these problems, novel proton conducting membraneshave been developed, either by completely replacing or by using organic and/or inorganiccomponents to Nafion.3 In this regard, a large spectrum of membranes have been elaboratedconsidering many attributes such as high proton conductivity, physical separation between theanode and the cathode and fuel barrier characteristics, good chemical and physical stability andlow elaboration cost of the membrane. Two types of additives were examined to improve the performances, particularly : Membranes based on Nafion with Chitosan biopolymer. This naturel polymer is consideredas the second most abundant polysaccharide after cellulose.6 Chitosan improves the physical andchemical stability of the membrane in the presence of water, and it is considered as a less costlyadditive to Nafion7.The improvement of the proton conductivity with pristine chitosan isessentially challenging. Previous studies demonstrated that vehicularandGrotthuss mechanismjointly govern the proton transfer in chitosan membranes.In the vehicular mechanism, the protons diffuse together with solvent molecules in the form of hydronium ions byforming acomplex such as H5O2+ and H9O4+. In the Grotthuss mechanism, however, the protons jump fromone solvent molecule or functional group to the next by the continuous formation and breakingof hydrogen bonds. Membranes based on Nafion with Halloysite nanotubes (HNT). These clays confer to themembrane high proton conductivity by constructing large and continuous conductionpathways.These inorganic additives also improve the thermal and mechanical properties of PEM. Composite membranes of Nafion/Chitosan- SO3H and Nafion/HNT-SO3H are prepared. Theresulting composite membranes were studied by various conventional structural characterizationtechniques. H+ conductivity measurements were performed and the values obtained are higherthan those of pristine Nafion at various relative humidity (RH%) levels and temperatures (30°C-80°C). Our results highlight the beneficial character of functionalized chitosan biopolymer andHalloysite nanotube clays as additives to improve PEM performances

Récemment perçues comme une Alternative aux énergies fossiles, les Piles à combustible reçoivent un grand intérêt. Les Piles à combustible à membrane échangeuse de proton sont commercialisées avec un électrolyte composé d'un polymère perfluoré, le Nafion. Ce dernier, au prix prohibitif ainsi qu'aux propriétés réduites à forte température, est un frein au développement industriel de cette catégorie de PAC. Cette thèse présente une alternative originale. Une membrane électrolyte, associant propriétés pertinentes de la chimie du sol-gel (chimie douce, aisément paramétrable) au procédé electrospinning. Une formulation idéale a été trouvée au travers d'une maitrise des paramètres de synthèse et de procédé ; une membrane hybride associant domaines Organique et Inorganique. Le travail s'axe ensuite autour de la compréhension de la diffusion protonique au sein de ce matériau multi-échelle. Clés des performances des membranes, une analyse microstructurale complète a été effectuée (MEB, FTIR, ATG, RMN). Elle a permis une corrélation aux différentes échelles de la structure de la membrane et du transport protonique. Le travail de compréhension s'est alors concentré sur les phénomènes multi-échelles, par mesure diélectriques à large bande, révélant différentes échelles de diffusion du proton (mis en avant par spectroscopie d'impédance électrochimique, par RMN à gradient de champ et par diffusion quasi-élastique de neutrons)<br>Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has recently received increasing attention as a clean renewable power source due to its high operational efficiency and minimal environmental impact. The currently well-developed PEMFC technology is based on perfluorosulfonic polymers acid membranes as electrolyte. The reference membrane is Nafion due to their excellent chemical, mechanical, and thermal stability. However, Nafion presents several drawbacks as high cost and relative low operational temperatures. An alternative to replace commercials membranes is the development of organic-inorganic hybrid membranes for fuel cell applications. The advantage of these membranes is the decoupling of the proton transport from the mechanical properties. This hybrid membrane combines the intrinsic physical and chemical properties of both the inorganic and organic components allowing desirable properties. The swelling of the membrane can be adjusted via the composition of the membrane. A new hybrid membrane composed of silica and polymer PVDF-HFP is synthesised by combining sol gel chemistry and electrospinning. The association between the sol gel process and electrospinning permits the creation of an inorganic network within the polymer membrane, and morphological control to tune the proton pathway. This process recreated the nanoseparation observed in hydrated Nafion while being in dependent of water quantity. This organisation is strongly correlated with high conductivity of nafion. These news membranes are made of polymer fibbers surrounded by a functionalized (-SO3H) inorganic network. This microstructure conduces to membranes with conductivity values comparable to Nafion. To optimize the sol-gel chemistry and the electrospinning parameters, there is a need to understand proton mechanisms in these multiscale materials. Several characterisation techniques are used to explain the microstructure and to understand the link with conductivity values

Preparation par une methode sol-gel permettant d'obtenir des materiaux de grande purete; mise en evidence de differences structurales importantes, d'une tres grande homogeneite morphologique et d'une difference importante de la taille des cristallites. Confirmation par rmn de l'existence de plusieurs especes protonees. Etude des variations de la conductivite en fonction de la temperature; influence de la teneur en eau. Mise en evidence de la relation entre la conductivite electrique et la mobilite protonique a partir de mesures des temps de relaxation et proposition d'un mecanisme de type grotthus. Elaboration de couches epaisses par serigraphie; possibilites d'application dans des dispositifs microioniques. Essais d'utilisation pour la detection de h::(2)

Au cours de cette étude, nous nous sommes intéressés à l’influence de l’acide (sa force, sa structure, sa taille, sa nature, etc. ) et de l’ajout d’eau sur les caractéristiques des CLIPs. Nous avons pu démontrer que la stabilité thermique dépend fortement de la basicité et de la nature de l’anion (Td &gt; 300°C). Les conductivités sont plutôt influencées par la structure et la taille de l’anion, les meilleures conductivités étant obtenues pour des anions de super acide de petite taille. Pour ce qui est des membranes, celles à base de Nafion® ont démontré une très bonne conduction protonique mais une tenue mécanique insuffisante. Les membranes denses à base de polysulfone ont des propriétés très insuffisantes tant du point de vue mécanique que de la conduction. Les dernières membranes étudiées à base de polymères macropreux de type polyimide ont montré les meilleures performances dans tous les domaines étudiés et semblent les mieux adaptées pour l’application PEMFC « Haute température »<br>The purpose of this thesis was to study the effect of the starting acid (strength, structure, size, type…) and of the water concentration on the CLIP’s properties. We showed that thermal stability was controlled by the anion’s basicity and its nature (Td &gt; 300°C). On the other hand, conductivity has been found dependent on the size and the type of the anion (best conductivities for small sized super acid anion). Membranes are based on the association of a CLIP with a polymer (Nafion®, sulfonate polysulfone, polyimide). Nafion® based membranes showed good conductivities but poor mechanical properties at high temperature. Sulfonated polysulfone based membranes have both low toughness and low conductivities. The last studied electrolyte, based on macroporous polyimide, exhibited the highest conductivities and the best thermomechanical properties; they seem to be the most adapted membranes for the PEMFC application

L'état d'hydratation des électrolytes polymères pour piles à combustibles de type PEMFC et donc, la conductivité protonique de ce type d'électrolytes, est le point crucial pour comprendre et expliquer les performances électrochimiques de ce type de système. Le fonctionnement de la pile (création, absorption, diffusion, migration et désorption d'eau) conduit à une forte hétérogénéité de l'état d'hydratation du matériau polymère et donc de sa conductivité.La conductivité protonique des membranes actuellement utilisées comme électrolyte est le fait de la structure du matériau, des mécanismes de diffusion de l'eau et du proton, et des interactions eau-polymère au sein de la membrane. Nous nous sommes intéressés à ces problèmes et avons étudié les mécanismes d'hydratation et de diffusion par les techniques de spectroscopies vibrationnelles Infra-Rouge et Raman.Ce travail démontrera, entre autres, l'apport particulièrement intéressant des spectroscopies vibrationnelles in-situ pour la résolution de la problématique de la distribution de l'eau au sein de la membrane et son influence sur les performances de la pile. Nous proposons ici une étude de deux polymères perfluorosulfonés, le Nafion et l'Aquivion.Les propriétés d'absorption d'eau, de diffusion d'eau et de transport du proton dans ces deux membranes sont étudiées dans diverses conditions d'hydratation : dans les conditions d'équilibre, sous gradient d'activité chimique de l'eau (mesure in situ) et sous l'effet d'un champ électrique (mesure in situ et operando dans une pile en fonctionnement). La spectroscopie Infra-Rouge est utilisée pour étudier les changements structuraux des polymères ainsi que l'état de confinement de l'eau au cours de l'hydratation des membranes soumises à différentes valeurs de pression partielle d'eau et de température. Elle permet également d'étudier les interactions entre l'eau et les différents groupements chimiques présents dans la structure du polymère. L'ensemble des résultats est utilisé pour proposer des mécanismes d'absorption de l'eau ainsi que de dissociation des groupements acides de la membrane. La micro-spectroscopie Raman confocale, grâce à sa résolution spatiale micrométrique, permet de sonder l'épaisseur de la membrane et de déterminer le gradient d'eau transverse. Une cellule micro-fluidique a été développée pour l'étude des phénomènes de transport diffusif. Cette technique est actuellement la seule permettant de calculer les coefficients de diffusion équivalente à partir des gradients de concentration d'eau interne.Une pile à combustible spécialement adaptée aux mesures Raman, nous a permis, pour la première fois avec cette technique, de déterminer la distribution de l'eau à travers l'épaisseur de la membrane dans le système électrochimique en fonctionnement. Les informations ainsi obtenues sont des données primordiales pour comprendre, expliquer et prévoir l'impact de la distribution de l'eau au sein du cœur de pile sur les performances globales de ce système<br>The water content of polymer electrolytes for Proton Exchange Membrane Fuel Cells and, thus, their proton conductivity, is the key issue to understand and to explain the electrochemical performances of the PEMFC electrochemical device. The fuel cell operation (creation, absorption, diffusion, migration and desorption of water) leads the hydration state of the membrane strongly heterogeneous. The proton conductivity of state-of-art polymer electrolytes results from the material structure, the water and proton diffusion mechanisms and the interactions between water and the polymer phase within the membrane. This work deals with these issues and uses vibrational spectroscopy techniques (Infra-Red and Raman) to study hydration and diffusion phenomena. Among others, this work shows the contribution of in-situ vibrational spectroscopies to the understanding of the water management issue and relationships between the water distribution throughout the membrane and the fuel cell electrochemical performances. Two perfluorosulfonated polymers, Nafion and Aquivion, are investigated.The water absorption and diffusion properties of these two membranes are studied under several hydration conditions: at the equilibrium, under external gradient of the water chemical activity and under the effect of an electric gradient (in-situ and operando measurements with the working fuel cell).Infrared spectroscopy is used to study structural modifications of the polymer phase occurring during the hydration process as well as the confinement state of water sorbed within the membrane. The last is submitted to different water vapor pressures and temperatures. This spectroscopy also allows to study interactions between water and the different chemical groups belonging to the polymer structure. Results are used to describe water absorption as well as the proton dissociation mechanism involving the sulfonic groups.Confocal Raman Micro-spectroscopy allows, by the spatial resolution at the micrometric scale, to probe the thickness of the membrane and to measure the inner, through-plane, water gradient. A micro-fluidic cell has been developed for the study of diffusion transport phenomena. This method is currently the only one by which equivalent diffusion coefficients can be calculated from internal water concentration gradients.A fuel cell especially designed for Raman measurements allowed us, for the first time by means of this technique, to determine the water distribution through the thickness of the membrane working in the electrochemical device. The new insights so obtained are essential for understanding, explaining and predicting the effects of the heterogeneous water distribution throughout the fuel cell heart on the electrochemical behavior

L'objet de cette thèse a été l'étude de la structuration et de la fonctionnalisation de matériaux hybrides organiques-inorganiques par le procédé sol-gel.La synthèse et la caractérisation de nouvelles membranes à conduction protonique, pour pile à combustible à membrane échangeuse de protons, ont été réalisées dans la première partie. Des membranes hybrides à base de polyéthylène glycol hautement fonctionnalisées par de l'acide sulfonique ont été synthétisées et caractérisées d'un point de vue physicochimique et conductivité protonique. Elles présentent des bonnes propriétés mécaniques, une stabilité chimique suffisante et une conductivité protonique pertinente pour être utilisées comme électrolyte dans les piles à combustible à membrane échangeuse de proton.Dans une seconde partie, nous avons développé des matériaux hybrides mésoporeux et multifonctionnalisés dans les pores en présence de tensioactif de type copolymère block non-ionique (P123). Deux sondes ont été utilisées pour cette étude: la capacité d'échange protonique et le contrôle de la croissance des nanoparticules d'or dans les pores<br>The aim of this work was focused on the structuration and the functionalization of organic-inorganic hybrid materials by the sol-gel process.The synthesis and characterization of new proton conductive membranes for fuel cell proton exchange membrane (PMFC), was prepared in the first part. Hybrid membranes based on polyethylene glycol highly functionalized with sulfonic acid have been synthesized and characterized through a physicochemical and proton conductivity. They have good mechanical properties, a sufficient chemical stability and a performant proton conductivity to be used as an electrolyte in fuel cell proton exchange membrane.In the second part, we have developed hybrid mesoporous materials with porous multifunctionalized in the presence of surfactant nonionic block copolymer (P123). Two probes were used for this study: the proton exchange capacity and the control of the growth of gold nanoparticles in the pores

Face aux demandes croissantes en énergie, la tendance mondiale est au développement des énergies non émettrices de gaz à effets de serre. Dans ce contexte, plusieurs technologies de piles à combustibles utilisant l’hydrogène ont été développées. Le souhait d’abaisser les températures de fonctionnement des SOFC a conduit à s’intéresser au concept des piles PCFC dont la conduction ionique de l’électrolyte est assurée par l’hydrogène au lieu des anions oxydes. Les composés pyrochlores A₂B₂O₇ sont des candidats prometteurs comme matériaux d’électrolyte de PCFC.Il s’avère toutefois indispensable de comprendre les mécanismes de diffusion de l’hydrogène dans ces matériaux avant d’orienter les recherches vers la mise au point d’un matériau électrolyte performant. Dans ce travail, une approche multi-échelle est employée pour étudier l’impact de microstructure sur les propriétés de conduction protonique du matériau modèle La₂Zr₂O₇ dopé Sr. Pour ce faire, plusieurs voies de synthèse ont été utilisées afin d’obtenir des morphologies de poudres différentes.A l’échelle nanométrique, les études structurales menées par diffraction des rayons X puis des études par spectroscopie Raman et spectroscopie de pertes d’énergie des électrons (EELS) ont montré que la structure basse température étaient une structure pyrochlore désordonnée. Cette dernière s’ordonne lors de recuit thermique.Les techniques d’analyses par faisceau d’ions ont permis de sonder à l’échelle micrométrique les profils de concentration en hydrogène des matériaux préalablement hydratés. La quantité d’hydrogène incorporé dépend de la densification de la pastille.Les mesures par spectroscopie d’impédance ont permis d’obtenir des informations à l’échelle macroscopique du comportement électrique des matériaux. Une conductivité protonique a été mise en évidence sous atmosphère humide. Cette conductivité est fortement dépendante non seulement de la méthode d’élaboration des matériaux mais aussi des procédés de densification utilisés<br>Due to the increase of energy demand and environmental issues of fossil energy, many researches are moving towards green energy. In this context, several technologies using hydrogen have been developed. To reduce the working temperature of SOFC fuel cell, the concept of PCFC is emerging. The ionic conductivity is due to hydrogen instead of oxide anions. The A₂B₂O₇ compounds are promising candidates as electrolyte materials for PCFC. However, it appears necessary to understand the hydrogen diffusion mechanisms in these materials before to investigate news materials with best properties. In this work, a multi-scale approach is performed to study the impact of microstructure on proton-conducting properties in Sr doped La₂Zr₂O₇ as model material. Several synthetic routes have been used to obtain powders with different morphologies.At the nanometric scale, studies by X-ray diffraction, then by Raman spectroscopy and electron energy loss spectroscopy (EELS) have shown that the low temperature structure were disordered a pyrochlore structure. The latter is ordered during thermal annealing. At the micrometric scale, ion beam techniques allowed us to get the hydrogen concentration profiles on the previously hydrated materials. The amount of incorporated hydrogen depends on the densification processes. At the macroscopic scale, impedance spectroscopy measurements were used to obtain information on the electrical behavior of materials. Evidence of proton conductivity has been demonstrated in wet atmosphere. This conductivity is highly dependent not only on the sample preparation but also on processes densification used

Cette thèse valide le concept de matériaux céramiques conducteurs mixtes protoniques/électroniques et leur utilisation en tant qu.anode pour électrolyseur de la vapeur d.eau à température intermédiaire. Les matériaux développés sont des cobaltites d.alcalino-terreux et de terre-rares couramment utilisés pour leur forte conductivité électronique dans la gamme de températures 300-600°C. La stabilité de chaque matériau a été vérifiée pendant 350h sous air et sous vapeur d.eau. Après analyse de la compatibilité chimique avec le matériau d.électrolyte BaZr0.9Y0.1O3, huit compositions ont été sélectionnées représentatives de deux structures pérovskites, classique et lacunaire : BaCoO3, LaCoO3, Sr0.5La0.5CoO3, Ba0.5La0.5CoO3, GdBaCo2O5, NdBaCo2O5, SmBaCo2O5 et PrBaCo2O5. L.évolution thermique de la st.chiométrie en oxygène de chaque matériau a été déterminée en couplant le titrage par iodométrie et ATG sous air sec. Une série d.ATG sous air humidifié a permis de sélectionner la gamme de températures optimale dans laquelle l.incorporation des protons est possible et maximale. Les profils d.incorporation des protons ont été réalisés par SIMS microanalyse nucléaire en géométrie ERDA sur deux échantillons. Les coefficients de diffusion du deutérium ont pu être déterminés confirmant la mobilité des protons dans les cobaltites. Sous air humide, le composé lacunaire NdBaCo2O5 incorpore rapidement, un nombre significatif de protons qui se distribuent de façon homogène au c.ur de l.échantillon. L.optimisation microstructurale des anodes a permis d.obtenir à 450°C et 600°C des résistances totales de cellule symétrique très prometteuses.

Ce travail de thèse s'inscrit dans la continuité des travaux de recherche réalisés sur le développent de nouvelles membranes échangeuses de protons pour piles à combustibles de type PEMFC, porteuses de groupements protogènes acides phosphoniques. L'objectif de ces travaux est d'apporter des solutions permettant l'amélioration des propriétés physico-chimiques d'un copolymère phosphoné, le poly(CTFE-alt-VEPA) obtenu à partir de la polymérisation radicalaire de vinyl éthers et de CTFE. La première stratégie employée est une stratégie Blend. Elle consiste à ajouter un polymère fluoré commercial, le poly(VDF-co-CTFE), lors de la mise en forme de la membrane. Les membranes ainsi obtenues montrent d'excellentes propriétés mécaniques et des valeurs de conductivité protonique acceptable. Cependant, lors de l'acidification du polymère phosphoné, une légère dégradation est observée. Une nouvelle technique de réticulation a alors été mise en place afin d'augmenter la stabilité vis-à-vis des acides. La réticulation de ces membranes blend a de plus permis d'améliorer la miscibilité entre le polymère fluoré et le polymère phosphoné. Enfin, les derniers travaux de cette thèse concernent la synthèse de copolymère à bloc à partir d'une stratégie RAFT. Ainsi la polymérisation radicalaire contrôle de monomère phosphoné a pu être réalisée<br>This work is a continuation of research conducted on the development of new proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), bearing phosphonic acid as protogenic groups. The aim of this work is to provide solutions with a view to improving the physicochemical properties of a phosphonate copolymer, poly(CTFE-alt-VEPA) obtained from the radical polymerization of vinyl ethers and CTFE. The first strategy used is a Blend strategy. It consists of adding a commercial fluorinated copolymer, poly(VDF-co-CTFE), during the casting of the membrane. The membranes thus obtained show excellent mechanical properties and acceptable values of proton conductivity. However, during the acidification of membrane, a slight degradation of the phosphonate copolymer is observed. A new technique of crosslinking was then established to increase the stability versus acids. The crosslinking of the blend membranes has also helped to improve the miscibility between the fluorinated copolymer and phosphonate polymer. Finally, the last work of this thesis relate to the synthesis of block copolymer from a RAFT strategy. Thus, the controlled radical polymerization of monomer phosphonated was achieved

Les piles à combustible (PAC) utilisant l’hydrogène comme vecteur, possèdent de bons rendements énergétiques et ne produisent aucun gaz à effet de serre. Elles se présentent donc aujourd’hui comme une solution propre et efficace. Cette alternative pourrait ainsi devenir un substitut possible aux hydrocarbures et pallier l’intermittence de certaines énergies renouvelables.Il existe différents types de PAC se distinguant principalement par la nature de l’électrolyte qui compose leur membrane échangeuse de protons. Utiliser les clathratehydrates d’acide fort comme électrolyte solide représente une alternative peu explorée à ce jour. Ces systèmes sont des solides cristallins nanoporeux constitués d’un réseau hôte de molécules d’eau formant des cavités nanométriques et encapsulant des molécules invitées.Dans le cas de clathrate hydrates d’acide fort, le confinement d’acides au sein des cages aqueuses génère des excès de protons délocalisés le long de leur réseau aqueux. A température ambiante, ces clathrate hydrates présentent alors une excellente conductivité protonique, plus élevée que celle des membranes de PACs actuellement utilisées. L’objectif de ce doctorat a été d’élaborer un électrolyte à base de clathrate hydrate d’acide hexafluorophosphorique (un des meilleurs conducteurs connus de cette classe de systèmes)sur la base d’une approche physico-chimique fondamentale, et de développer un montage miniaturisé de PAC intégrant ce nouvel électrolyte.A un niveau fondamental, il a été nécessaire de comprendre les facteurs régissant la conductivité protonique élevée de ces systèmes et en particulier, le lien existant entre la conductivité et le nombre d’hydratation (rapport molaire eau/acide dans le clathrate). Les mécanismes microscopiques mis en jeu ont été étudiés en s’appuyant sur la spectroscopie et l’imagerie Raman, complétées par des expériences de résonance magnétique nucléaire, de diffraction des rayons X et de spectroscopie d’impédance électrochimique. Un ensemble d’informations structurales (type de clathrate formé, transition de phase et stabilité thermodynamique), dynamiques (modes de vibration, diffusion des protons et cinétique) et chimiques (inclusion d’impuretés fluorées) a ainsi été obtenu. En tant que sonde sélective et locale, la technique de diffusion Raman a apporté des informations uniques. Elle a permis de sonder les interactions acides-cages, de proposer un protocole expérimental permettant de contrôler le nombre d’hydratation et également, de révéler pour la première fois une microstructuration du clathrate hydrate observée uniquement au-dessus d’un seuil d’hydratation. Ces propriétés physico-chimiques ont été corrélées aux mesures de conductivité, permettant de comprendre l’impact du nombre d’hydratation et des impuretés chimiques sur les performances de l’électrolyte solide. L’ensemble de ces résultats a permis d’aboutir à un développement technologique original. Une nouvelle micropile à combustible utilisant des clathrate hydrates d’acide hexafluorophosphorique comme électrolyte a été conçue. Ce développement offre ainsi une PAC aux performances comparables aux PACs actuellement disponibles et fonctionnant de la température ambiante à des températures négatives<br>Fuel cells (FC) using hydrogen possess very good energy performance and produce no greenhouse gases. It presents itself today as a clean and efficient solution. This alternative could then become a possible substitute for fossil fuels and palliate for the intermittency ofcertain renewable energies.There are various types of FC, mainly distinguished by the nature of the electrolyte that composes their proton exchange membrane. Using strong acid clathrate hydrates as solid electrolyte represents an alternative for which very little is known nowadays. These systems are nanoporous crystalline solids consisting of a water host network forming nanometric cavities encapsulating guest molecules. In the case of strong acid clathrate hydrates, the confinement of acidic species within the aqueous cages generates proton excess that isdelocalized along their aqueous network. At room temperature, these clathrate hydrates have then excellent proton conductivity, which is higher than that of the FCs membranes currently used. The objective of this PhD was to develop an electrolyte based on hexafluorophosphoricacid clathrate hydrate (one of the best-known conductors of this class of system) on the basisof a fundamental physico-chemical approach, and to develop a miniaturized FC assemblyincorporating this new electrolyte.At a fundamental level, it was necessary to understand the driving factors responsible for the super-protonic conductivity of these systems and in particular, the relationship between the conductivity and the hydration number (i.e. water to acid molar ratio in the clathrate). The microscopic mechanisms have been studied by means of Raman spectroscopy and imaging, supplemented by nuclear magnetic resonance, X-ray diffraction and electrochemical impedance spectroscopy experiments. A set of results concerning the structure (clathrate type, phase transition and thermodynamic stability), the dynamics (vibrational modes, proton diffusion and kinetics) and the chemistry (inclusion of fluorinated impurities) has thus been obtained. As a selective and microscopic probe, the Raman scattering technique provided unique information. It allowed to probe the acid-cages interactions, to propose an experimental protocol monitoring the hydration number and also,to reveal, for the first time, a microstructuration of the clathrate hydrate only observed abovea hydration threshold. These physico-chemical properties have been correlated with the conductivity measurements, making it possible to understand the impact of the hydration number and of the chemical impurities onto the electrochemical performances of the solid electrolyte. All these results led to an original technological development. A new micro-fuel cell using hexafluorophosphoric acid hydrates as the electrolyte has been designed. This development offers a FC with performances comparable to the FCs currently available and operating from room temperature to negative temperatures

Les acides sont prepares par echange k**(+)-h**(+) a partir des phosphoantimonates de potassium. Les composes correspondant a n=1 et 3 ont une structure en couche alors que le troisieme presente une charpente covalente tridimensionnelle. Pour chacun d'eux, ont ete precisees l'isotherme d'hydratation a 20**(o)c, la variation des parametres de mailles avec l'humidite relative a 20**(o)c et l'evolution de la teneur en eau et des parametres de maille en fonction de la temperature

L'objectif général de cette thèse de doctorat est de caractériser les propriétés de membranes PFSA de type Nafion N115 et Nafion NRE212 en termes de sorption d'eau, de propriétés de transport et de propriétés mécaniques, sur une large gamme de conditions expérimentales. Nous avons réalisé de très nombreuses mesures afin de comparer les résultats avec les données de la littérature, souvent dispersées. Des protocoles simples et reproductibles nous ont permis de mesurer les propriétés des membranes et d'étudier l'influence de certains paramètres sur leur variation. Les échantillons ont par exemple été séchés à différentes températures et nous avons étudié l'effet de ce prétraitement thermique sur la capacité de sorption, les propriétés de transport et les propriétés mécaniques. Les membranes Nafion ont également été exposées à une température modérée (60°C - 80°C) et à une humidité relative constante (RH = 0.3 à 0.95) pendant plusieurs semaines, conditions à l'origine d'un phénomène dit de "vieillissement hygrothermique" qui affecte leur capacité de sorption et leur conductivité protonique. De tels effets ont été observés mais ils se sont révélés réversibles et sans conséquences notables en terme de performances une fois les membranes utilisées en pile à combustible. Nos résultats peuvent être utilisés dans des études impliquant le transport et la gestion de l'eau dans les piles à combustible ainsi que leur durabilité, en particulier pour de la simulation numérique ou de la modélisation. Plus fondamentalement, ils peuvent aider à comprendre la thermodynamique de sorption et les phénomènes de transport dans les membranes PFSA<br>The overall aim of this PhD thesis was to characterize the properties of commercial Nafion N115 and Nafion NRE212 membranes in term of water sorption, transport, and mechanical properties over a wide range of experimental conditions. Because of the high dispersion of the data in the literature, our primary objective was to gather a comprehensive set of experimental measurements and to compare them with published results. Simple and reproducible protocols allowed us to measure the membrane properties over a wide range of experimental conditions and to study the influence of certain parameters on their evolution. For example, the samples were heat-treated at different temperatures and the effect of thermal history on water sorption, transport and mechanical properties was investigated. Nafion membranes were also exposed to moderate temperature (60°C - 80°C) and constant relative humidity (RH = 0.3 to 0.95) for long periods of time, which is known to cause a so-called ?hygrothermal aging? resulting in a decrease in their sorption capacity and proton conductivity. Such effects were observed but they appeared to be reversible and without noticeable consequences in term of fuel cell performance. Our experimental results can be used in studies involving water transport, water management and durability of fuel cells, especially for numerical simulation or modelling. More fundamentally, they can help understanding the thermodynamics of sorption and transport phenomena in PFSA membranes

Les piles à combustible à électrolyte membranaire utilisent actuellement une membrane perfluorée sulfonée commercialisée par Dupont : la membrane Nafion. L'objectif de cette thèse consiste à préparer des membranes fluorées par modification chimique de copolymères poly(VDF-co-HFP) commerciaux. De part leurs remarquables propriétés, ces copolymères greffés par des amines semblent être d'excellents candidats pour cette application. Une première étude a consisté à réticuler par une diamine aliphatique de tels copolymères conduisant à de bonnes propriétés thermiques, chimiques et mécaniques. L'étude du greffage d'amines contenant un cycle aromatique (aniline, benzylamine, phénylpropylamine) a permis d'une part d'identifier les sites de greffage des amines, mais également d'étudier la cinétique de greffage de ces trois amines et d'évaluer l'influence de divers paramètres expérimentaux. Finalement, l'influence du bras espaceur entre le cycle aromatique et le groupe amino, sur la cinétique de greffage a montré l'intérêt d'avoir au moins deux groupements méthylénés. L'étude suivante concernant la déshydrofluoration puis l'addition de phényléthylamine sur une molécule modèle fluorée a permis de mieux comprendre le mécanisme de greffage des amines sur des copolymères poly(VDF-co-HFP). Une amine originale contenant un cycle aromatique sulfoné a été synthétisée par télomérisation du styrène sulfoné avec un mercaptan comme agent de transfert. Après modification, cette amine originale a été greffée sur des copolymères poly(VDF-co-HFP) commerciaux. Les propriétés des membranes obtenues sont convenables pour une application comme électrolyte pour PAC, même si la conductivité protonique reste faible. Finalement, nous avons étudié le greffage d'un phénol sulfoné sur des copolymères poly(VDF-co-HFP) commerciaux et avons montré des propriétés équivalentes à celles de copolymères greffé par l ‘amine, avec des taux de gonflements à l'eau plus faibles et plus proches de ceux de la membrane Nafion.

Ces travaux de recherche portent sur la réticulation de membranes nanocomposites hybrides (MNH) pour une application en PEMEC et PEMFC. Les MNH étudiées sont composées d’une matrice en poly(fluorure de vinylidène) (PVDF) dans laquelle sont dispersées des nanoparticules de silice fonctionnalisées par de l’acide poly(styrène sulfonique) (PSSA). Des études antérieures à ces travaux ont mis en évidence l’élution des nanoparticules hors de la matrice. L’enjeu a donc été de réticuler le système de façon à contraindre chimiquement et/ou physiquement les nanoparticules à rester à l’intérieur de la matrice. Les premiers résultats satisfaisants ont été obtenus pour une MNH réticulées par une diamine téléchélique (THDA) et post-cuite à 200 °C pendant 16 heures. Cette MNH a montré un déclin de conductivité protonique à 80 °C dans l’eau de 0,8 mS·cm-1·h-1, inférieur à celui d’une membrane commerciale de référence (Nafion™ NRE 212) qui est de 1 mS·cm-1·h-1. Par ailleurs, une deuxième approche a été envisagée par greffage des nanoparticules sur le PVDF par le biais d’un agent de liaison (APTES) associé à une post-cuisson de la MNH à 200 °C pendant 16 heures. Ces recherches ont conduit à une conductivité protonique initiale à 80 °C dans l’eau plus basse que celle des MNH réticulées par la THDA, mais présentant toutefois une durabilité légèrement plus importante. Les deux voies que nous avons explorées dans ce travail ont ainsi permis de diminuer au minimum par 10 le déclin de conductivité protonique à 80 °C d’une MNH non réticulée, tout en gardant des performances initiales supérieures à 200 mS·cm-1<br>This research focuses on the crosslinking of hybrid nanocomposite membranes (HNM) for PEMEC and PEMFC application. The studied HNM are composed of a poly(vinylene fluoride) (PVDF) matrix in which silica nanoparticles functionalized with poly(styrene sulfonic acid) are dispersed. Previous works highlighted the elution of nanoparticles from the polymer matrix. Thus, the aim was to crosslink the system in order to chemically and/or physically forces the nanoparticles to remain inside the matrix. The first promising results were obtained for a HNM crosslinked with a telechelic diamine (THDA) and post-annealed at 200 °C for 16 hours. This HNM showed a proton conductivity decline at 80 °C in water of 0.8 mS·cm-1·h-1, lower than that of a reference commercial membrane (Nafion™ NRE 212), i.e. 1 mS·cm-1·h-1. Furthermore, a second way of the nanoparticle grafting on PVDF by means of a binding agent (APTES) followed by a post-annealing at 200 °C for 16 hours was also studied. This approach revealed an initial proton conductivity at 80 °C in water lower than that of THDA-crosslinked HNM, but with slightly greater durability. Two approaches studied in this work allowed decreasing by 10 the proton conductivity decline at 80 °C of a non-crosslinked HNM, while still maintaining initial performances higher than 200 mS·cm-1

Localisation des molécules d'eau par RMN à l'état solide à la température de l'azote liquide ; mise en évidence d'un comportement conducteur protonique à partir de 235 K. Insertion redox de ferrocène conduisant au composé VOPO::(4). 0,22FECP::(2)**(+); MISE EN EVIDENCE DE L'EXISTENCE DE L'ION FERRICINIUM PAR SPECTROMETRIE MOESSBAUER ET DE LA NATURE DIPOLAIRE DES INTERACTIONS ENTRE FECP::(2)**(+) ET L'ION VANADYLE PAR DES MESURES MAGNETIQUES (RPE ET SUSCEPTIBILITE). ISOLEMENT ET CARACTERISATION DE LA PHASE PARTIELLEMENT REDUITE VOH::(0,16)PO::(4). 1,9H::(2)O

Cette thèse introduit de nouvelles membranes électrolytiques pouvant fonctionner à faible humidité relative (inférieure à 50%) et à une température intermédiaire, c'est-à-dire 90°C voire au-delà. Plus spécifiquement, la thèse tire profit de l'hygroscopicité de la morphologie d’argiles naturelles, lasépiolite microfibreuse et l’halloysite tubulaire . Ces nanoargiles ont été intégrées à des suspensions de Nafion® ou Aquivion pour préparer des membranes composites. Elles ont été fonctionnalisées et prétraitées pour les rendre conductrices protoniques et améliorer leur compatibilité avec les matrices perfluorosulfoniques utilisés. Ces argiles ont d’abord été caractérisées avant leur incorporation dans la matrice polymère : ATR-FTIR (spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier totale atténuée), Py-GC/MS (spectrométrie de masse par chromatographie en phase gazeuse à pyrolyse) et ATG (analyse thermogravimétrique). Les propriétés des nanoargiles prétraitées ont enfin été caractérisées par XRD (diffraction des rayons X) et EDS. Les membranes composites préparées ont ensuite été caractérisées pour la conductivité protonique, l'absorption d'eau, le gonflement, la résistance thermomécanique et la stabilité chimique. L'état de dispersion des argiles à l'intérieur de la phase de polymère a été observé par SEM/EDS (microscopie électronique à balayage à émission de champ / spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie). La stabilité chimique vis-à-vis de l'attaque radicale contre les membranes composites a été étudiée par mesure de la formation d’ions fluorure (F-). La conductivité protonique des membranes composites a également été calculée à partir des résistances mesurées dans dans une large gamme d'humidités relatives et de températures. Des mesures thermomécaniques par analyse mécanique dynamique ont montré que la morphologie allongée particulière des argiles choisies participe à l'amélioration des propriétés mécaniques des membranes composites tout en réduisant le taux de gonflement. Les performances en assemblage membrane électrodes ont été évaluées pour mettre en évidence l’avantage de la présence de ces nanoargiles dans les membranes composites en ce qui concerne l’humidité relative du gaz d’alimentation, la température de fonctionnement de la cellule et la perméation à l’hydrogène. Des résumés détaillés comprenant les principaux résultats ont été fournis au début de chaque chapitre<br>This thesis introduces novel electrolyte membranes which can be operated at low relative humidity (below 50%) and intermediate temperature, i.e., 90℃. More specifically, the thesis takes benefit from hygroscopicity of microfibrous SEP (sepiolite) and tubular HNT (halloysite). Changes in Nafion membrane properties with blending time were studied. Moreover, these nanoclays are functionalized and pretreated to make them proton conductive and to improve their compatibility with short-side-chain PFSA (perfluorosulfonic acid) composite membranes based on Aquivion. To begin with, functionalized and pretreated clay nanoparticles are characterized prior to incorporation in polymer matrix: ATR-FTIR (attenuated total reflection-fourier transform infrared spectroscopy), Py-GC/MS (pyrolysis gas chromatography mass spectrometry), and TGA (thermogravimetric analysis). Composites membranes have them been prepared and characterized for proton conductivity, water uptake, swelling, thermo-mechanical strength and chemical stability. The dispersion state of SEP and HNT inside polymer phase was observed using SEM/EDS (field emission scanning electron microscopy/Energy dispersive X-ray spectroscopy). The properties of pretreated nanoclays are characterized using XRD (X-ray diffraction) and EDS. Chemical stability regarding radical attack against composite membranes is clarified using Ion meter through fluoride ion (F-) analysis. Proton conductivity of composite membranes is also measured under condition of different relative humidity and temperature. Following this, it is demonstrated by DMA (dynamic mechanical analysis) results that the particular elongated morphology of SEPs and HNTs participates to improving mechanical property of the composite membranes with decreased swelling ratio. MEAs (membrane electrode assembly) performance are evaluated to understand the advantage of the presence of nanoclays in the composite membranes regarding the relative humidity of the feeding gas, the operating temperature of the cell, and the hydrogen crossover. Detailed abstracts including main results were provided at the beginning of each chapter

Ces travaux de recherche s'inscrivent dans le développement de nouveaux catalyseurs pour les piles à combustible de type PEMFC. L'objectif est d'améliorer le transfert de charges et de matières au sein des électrodes afin d'améliorer la durabilité des matériaux. Nous avons développé des catalyseurs qui permettent la transposition de la phénoménologie du point triple à l'échelle moléculaire. Le greffage de polymères conducteurs protoniques à la surface de nanoparticules de platine a été réalisé afin d'obtenir des complexes catalytiques nano-composites, comportant le catalyseur au platine, un conducteur protonique et un conducteur électronique. L'ensemble des matériaux issus de cette première étape ont été caractérisé en demi-cellule électrochimique afin de déterminer les catalyseurs les plus actifs et les plus sélectifs. Les matériaux les plus prometteurs ont enfin été testés en mono-cellule PEMFC de 5 cm² et 25 cm² afin de déterminer d'une part les performances in situ et d'autre part la durabilité des matériaux. Les électrodes nano-composites, formulées sans Nafion®, ont des caractéristiques équivalentes aux systèmes commerciaux. En effet, elles fournissent une densité de puissance maximale de 1 W.cm-2 et une durabilité de 20 µV.h-1 sur 300 h. Ces électrodes formulées sans composé fluoré permettent le recyclage du platine par pyrolyse<br>This research work is within the scope of new catalysts for PEM fuel cells. The objective is to decrease the platinum amount in the electrode and to promote mass and electronic transfers, in order to improve the durability of the systems. We developed catalysts that enable the implementation of the phenomenology of the triple phase boundary at the molecular scale. The fieldwork concerns the grafting of proton conducting polymers (PSS) on the platinum nanoparticles surface in order to obtain nanocomposite catalysts. All synthetized materials are characterized in electrochemical half-cell, in order to determine the most active and the most selective catalyst. Then, the best catalytic complexes are tested in PEMFC 5 cm² and 25 cm² single-cell to determine in situ performance and materials durability. The properties of the nanocomposites electrodes formulated without Nafion®, are equivalent to commercial systems. Indeed, they provide a maximum power density of 1 W.cm-2 and a durability of 20 µV.h-1 during 300 h. These electrodes formulated without fluorinated compound allow platinum recycling by pyrolysis

Les liquides ioniques pourront remplacer l'eau dans les électrolytes des PEMFCs opérant à 130°C. Les liquides ioniques résultant de la neutralisation des amines aliphatiques par l'acide trifluoromethanesulfonique montrent que les points de fusion dépendent de plusieurs critères, nature de l'anion, nature des substitutions sur l'amine. D'autre part, la majorité de ces sels sont thermiquement stables jusqu'à 400°C. L'étude par la voltamétrie cyclique a prouvé que les amines et les sels (HNR3+, A) s'oxydent à des potentiels très élevés (> 1,9 V/ESH), compatible avec leur utilisation dans les piles à combustible. D'autre part, les meilleures conductivités sont obtenues par les sels résultant de l'association acide trifluoromethanesulfonique et amines dissymétriques. Les conductivités à 130°C sont entre 5 mS.cm-1 et 45 mS.cm-1. L'incorporation de ces composés dans le Nafion a donné une bonne compatibilité LIP/Nafion. Cependant, l'effet plastifiant du LIP sur le polymère diminue les propriétés mécaniques du Nafion. Les conductivités sont aussi nettement réduites d'un facteur de 5 dans les meilleurs cas.