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Fait marquant

Le Nafion© jeune pour toujours


Comprendre et juguler le vieillissement de la membrane Nafion® conductrice de protons est l’un des points clés pour le développement des piles à combustible. En collaboration avec le Liten et l’ENSAM Paris nous avons montré que le mécanisme de vieillissement hygrothermique, observable sur la membrane seule, n’a pas lieu lors du fonctionnement en pile. Mieux encore, un Nafion® vieilli peut être rajeuni en pile ! 

Publié le 28 avril 2012
Le Nafion® conduit les protons uniquement s’il est gonflé d’eau. C’est un polymère constitué de chaînes principales de téflon, avec des chaînes pendantes perfluorées très hydrophobes portant des fonctions acides sulfoniques hydrophiles SO3H. La conduction des protons H+ se fait dans la phase ionique contenant l’eau d’hydratation et les groupes ioniques SO3-. Or, à la température de fonctionnement d’une pile (80°C), le polymère subit un phénomène très défavorable à la conduction : l’eau favorise la condensation des SO3H, c’est-à-dire un « pontage » entre deux fonctions acides voisines. C’est ce qu’on appelle le vieillissement hygrothermique, qu’on observe dans une membrane stockée des centaines de jours à 80°C en présence d’humidité.

Mais dans une pile en fonctionnement, la situation est très différente : aucun vieillissement hygrothermique n’est observé. Pourquoi ? Parce que la pile produit de l’eau en excès. Dans ce cas la condensation des SO3H est équilibrée par la réaction inverse d’hydrolyse. Et en milieu acide ou basique, le pontage est quasiment inexistant. Le fonctionnement en pile n’engendre donc pas de condensation. Nous avons même démontré qu’on peut rajeunir une « vieille » membrane en la faisant travailler en pile ! La réaction de condensation étant réversible, on peut en effet régénérer une membrane ayant subi un vieillissement hygrothermique ex situ.

Densité de courant en fonction du temps lors du fonctionnement d'une pile à combustible avec une membrane pré-vieillie. Au début, aucun courant ne peut être extrait de la cellule. Après 800 h de fonctionnement, les performances cellulaires de la membrane «âgée» sont rajeunies pour obtenir le niveau d'une membrane neuve.

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