# Design de ionomères pour les membranes échangeuses d'anions dans les piles à combustibles et les électrolyseurs

Baptiste Bach, Simon Amigues, Frederic Jaouen, Lionel Ogier, Fannie Alloin,
Cristina Iojoiu, Emilie Planes

<figure><img src="image_1.png" /></figure>

## ► To cite this version:

Baptiste Bach, Simon Amigues, Frederic Jaouen, Lionel Ogier, Fannie Alloin, et al.. Design de ionomères pour les membranes échangeuses d'anions dans les piles à combustibles et les électrolyseurs. 51ième édition du colloque national du GFP, Groupe Français des polymères, Nov 2023, Bordeaux, France. **hal-04672969**

HAL Id: hal-04672969

https://hal.science/hal-04672969v1

Submitted on 22 Aug 2024

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# Design de ionomères pour les membranes échangeuses d'anions dans les piles à combustibles et les électrolyseurs

Baptiste BACHª, Simon AMIGUESᵇ, Frédéric JAOUENᵇ, Lionel OGIERᶜ, Fannie ALLOINª, Cristina IOJOIUª, Emilie PLANESª

baptiste.bach@grenoble-inp.fr

**Mots Clefs:** Ionomères, Pile à combustible alcaline, Membranes, Polymères aromatiques

## Résumé:

Ce travail concerne le développement de membranes et de ionomères pour les piles à combustible alcaline. Le polymère constituant ces membranes est composé d'un squelette polymère de type poly(aryle-alkyl) sans fonction éther ou polaire, ayant montré une grande stabilité en milieu alcalin [1], et d'un ammonium quaternaire espacé du squelette polymère par une chaine alkyle de différentes longueurs. Cette étude a pour objectif de déterminer l'impact de la structure du polymère (squelette polymère, la longueur de l'espaceur, la nature de la fonction ammonium, etc.) sur les propriétés des membranes et des ionomères : thermomécaniques (ATG, DSC, DMA), conductivité ionique (spectroscopie d'impédance), prise en eau et capacité d'échange ionique (IEC).

Les polymères étudiés sont synthétisés par une réaction de condensation catalysée par un super acide Figure 1 (Friedel-Crafts). Il a été démontré que la longueur de l'espaceur entre le squelette polymère et le groupe cationique joue un rôle important autant sur la stabilité alcaline que sur la séparation de nano-phase hydrophilé/hydrophobe [2]. Dans ce but, les monomères, tels que le 7-bromotrifluoroheptan-2-one (noté BrTFK5) et 6-bromotrifluorohexan-2-one (BrTFK4), n'étant pas commerciales, sont synthétisées avec une haute pureté et un bon rendement (>40%). Ces monomères sont ensuite copolymérisés avec des monomères aromatiques commerciales et finalement fonctionnalisés avec différents ammoniums quaternaires.

Parmi tous les polymères synthétisés, ceux obtenus par la copolymérisation de BrTFK5 et p-terphenyl nous donne une forte masse molaire (Mn = 45 000 g/mol) et permettent ainsi d'obtenir des membranes avec de très bonnes propriétés mécaniques. Les copolymères composés du biphenyl et de BrTFK5 montrent de bonne conductivité $Cl^-$ (déterminé en mesure transversale à 95% d'humidité et à 30°C) mais une faible tenue mécanique. En prenant en compte ces résultats, l'impact de la structure de l'ammonium quaternaire (Figure 2) avec un squelette p-terphenyl est étudié afin d'augmenter l'hydrophilie du polymère et ainsi obtenir une meilleure conductivité. Les meilleurs ionomères sont en train d'être étudiés en pile à combustible.

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 1 : Condensation catalysée par un super acide</figcaption></figure>

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 2 : Monomères utilisés dans ce travail</figcaption></figure>

La stabilité alcaline est évaluée ex-situ en plongeant les membranes dans une solution 2M KOH à 80°C. La structure des copolymères et leurs évolutions après dégradations est déterminée par FT-IR, Raman et ¹H, ¹³C, ¹⁹F RMN. Les propriétés des membranes dégradées sont également évaluées.

## Références :

[1]: N. Chen; Y. M. Lee, Progress in Polymer Science, 2021, vol. 113, p.101345

[2]: A. M. Ahmed Mahmoud; K. Miyatake, J. Mater. Chem. A, 2018, vol. 6, p.14400-14409

<footnote>ª Univ. Grenoble Alpes, Univ. Savoie Mont Blanc, CNRS, Grenoble INP, LEPMI, Grenoble, France</footnote>

<footnote>ᵇ Univ. Montpellier, ICGM, CNRS, ENSCM, Montpellier, France</footnote>

<footnote>ᶜ Eras-Labo, Saint-Nazaire-les-Eymes, France</footnote>