Étude de la conductivité ionique du dioxyde de ruthénium hydraté et de la perméation de l’acide formique dans les membranes composites pour application dans les piles à combustible.

Dugas, Romain (2013). Étude de la conductivité ionique du dioxyde de ruthénium hydraté et de la perméation de l’acide formique dans les membranes composites pour application dans les piles à combustible. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 161 p.

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Résumé

La transcription des symboles et des caractères spéciaux utilisés dans la version originale de ce résumé n’a pas été possible en raison de limitations techniques. La version correcte de ce résumé peut être lue en PDF. Les piles à acide formique direct utilisent à l’heure actuelle des membranes de Nafion comme électrolyte. Dans ce matériau biphasé, l’eau dans la phase hydrophile est le support à la conduction des protons. Les combustibles liquides comme l’acide formique, miscibles avec l’eau, sont eux aussi transportés d’une électrode à l’autre dans cette phase hydrophile. Cela entraîne d’importantes pertes de rendement limitant les performances et le développement des piles à combustible liquide direct. Afin d’améliorer la sélectivité des membranes, une approche consiste à incorporer une charge conductrice protonique dans le Nafion. Le dioxyde de ruthénium hydraté, RuO2-xH2O, est un matériau performant comme électrode de supercondensateur du fait que les protons peuvent diffuser en son volume. L’étude présente a pour but d’exploiter cette conductivité protonique de RuO2-xH2O pour application dans les électrolytes de piles à combustible. À cette fin, des membranes composites de polypropylène et RuO2-xH2O ont été préparées. Deux grandeurs ont été mesurées sur ces membranes : leur perméabilité et leur conductivité ionique. L’optimisation de l’analyse des mesures de perméabilité ex-situ a permis d’accéder simultanément aux deux coefficients de diffusion de l’eau et de l’acide formique dans les membranes. Dans le Nafion, ces coefficients sont de 12 10-6 cm2 s-1 pour l’eau et 6,8 10-7 cm2 s-1 pour l’acide formique. Le coefficient de diffusion de l’acide formique dans les membranes composites est de 0,8 à 8 10-7 cm2 s-1, du même ordre de grandeur que celui du Nafion. Le coefficient de diffusion de l’eau est inférieur à 10-6 cm2 s-1 soit dix fois plus faible que dans le Nafion. Concernant les propriétés électriques, un modèle tridimensionnel a été mis en place pour décrire les membranes composites. Conformément aux résultats reportés dans la littérature, RuO2-xH2O est représenté par des lignes de transmission dans ce modèle. Ces lignes sont dispersées parmi des éléments de conductivité négligeable tenant compte de la matrice polymère. Ce modèle permet de décrire l’impédance des membranes composites de manière satisfaisante et d’établir le rapport entre leur conductivité et la conductivité de RuO2-xH2O. D’après ces mesures, RuO2-xH2O a une conductivité protonique inférieure à 30 mS cm-1. La conduction des protons à travers la porosité des membranes apparaît significative, ce qui permet de déterminer uniquement une limite haute de la conductivité de la charge. Cette limite haute a été affinée à 10 mS cm-1 par des mesures directes de conductivité dans une cellule à électrolyte liquide, alors que la conductivité mesurée pour le Nafion dans cette cellule est de 150 mS cm-1. Le comportement de RuO2_xH2O au cours de ces mesures reste en accord avec la réponse d’une ligne de transmission et la capacité observée apparaît comme représentative de la quantité de matériau accessible aux protons. D’après ces résultats, la conductivité protonique de RuO2_xH2O n’est pas suffisante pour qu’il présente un intérêt dans les membranes de piles à combustible. En contrepartie, sa réponse à un échelon de courant dans un électrolyte liquide permet d’envisager son utilisation dans un dispositif basé sur des charges et décharges de supercondensateurs pour transférer des protons.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Guay, Daniel
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Tavares, Ana C.
Informations complémentaires:	Résumé avec symboles
Mots-clés libres:	membranes composites; Nafion; acide formique; dioxyde de ruthénium; conductivité ionique; pile à combustible; modélisation; électrode
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	09 juill. 2014 20:45
Dernière modification:	01 oct. 2021 17:55
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/2143

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