FR3123507A1 - Membrane echangeuse de protons - Google Patents

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Samuel Devisme
Hélène MEHEUST
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Arkema France SA
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Abstract

La présente invention concerne une membrane échangeuse de protons, le procédé de préparation de ladite membrane, et l’application de ladite membrane dans les domaines nécessitant un échange d’ions, comme la purification d’effluents et l’électrochimie ou dans les domaines de l’énergie. En particulier, cette membrane est utilisée dans la conception des membranes de piles à combustible.

Description

MEMBRANE ECHANGEUSE DE PROTONS
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne une membrane échangeuse de protons, le procédé de préparation de ladite membrane, et l’application de ladite membrane dans les domaines nécessitant un échange d’ions, comme l’électrochimie ou dans les domaines de l’énergie. En particulier, cette membrane est utilisée dans la conception des membranes de piles à combustible, telles que des membranes conductrices de protons pour des piles à combustible fonctionnant avec H2/air ou H2/O2(ces piles étant connues sous l’abréviation PEMFC pour « Proton Exchange Membrane Fuel Cell ») ou fonctionnant au méthanol/air (ces piles étant connues sous l’abréviation DMFC pour « Direct Methanol Fuel Cell »).
ARRIERE-PLAN TECHNIQUE
Une pile à combustible est un générateur électrochimique, qui convertit l’énergie chimique d’une réaction d’oxydation d’un combustible en présence d’un comburant en énergie électrique, en chaleur et en eau. Généralement, une pile à combustible comporte une pluralité de cellules électrochimiques montées en série, chaque cellule comprenant deux électrodes de polarité opposée séparées par une membrane échangeuse de protons faisant office d’électrolyte solide. La membrane assure le passage vers la cathode des protons formés lors de l’oxydation du combustible à l’anode.
Les membranes structurent le cœur de la pile et doivent, par conséquent, présenter de bonnes performances en matière de conduction protonique, ainsi qu’une faible perméabilité aux gaz réactants (H2/air ou H2/O2pour les piles PEMFC et méthanol/air pour les piles DMFC). Les propriétés des matériaux constituant les membranes sont essentiellement la stabilité thermique, la résistance à l’hydrolyse et à l’oxydation ainsi qu’une certaine flexibilité mécanique.
Des membranes utilisées couramment et remplissant ces exigences sont des membranes obtenues à partir de polymères appartenant, par exemple, à la famille des polysulfones, des polyéthercétones, des polyphénylènes, des polybenzimidazoles. Toutefois, il a été constaté que ces polymères non fluorés se dégradent relativement rapidement dans un environnement de pile à combustible et leur durée de vie reste, pour le moment, insuffisante pour l’application PEMFC.
La plupart des membranes échangeuses de protons sont basées sur la chimie de polymères perfluorés possédant des branchements longs ou courts porteurs de fonction sulfonate. Ces différents polymères présentent, outre leur coût élevé, une faible résistance au radicaux hydroxides, ce qui limite leur durabilité dans un environnement de type pile à combustible et une faible résistance mécanique. Ces membranes ont de plus un ratio conductivité ionique /perméabilité à l’hydrogène ne permettant pas d’obtenir des membranes fines combinant une imperméabilité élevée et une conductivité élevée. D’autre part, les membranes de type perfluorés présentent une limitation d’utilisation en température ne permettant pas de les faire fonctionner à des températures supérieures à 80°C pendant des temps longs.
Pour obtenir une efficacité à long terme en matière de conduction protonique à des températures supérieures à 80°C, certains auteurs ont proposé des matériaux plus complexes comprenant en plus d’une matrice polymère des particules conductrices de protons, la conductivité n’étant ainsi plus uniquement dévolue au(x) polymère(s) constitutif(s) des membranes. C’est le cas de la demande WO 2014/173885, qui décrit des matériaux composites comprenant une matrice polymère et une charge consistant en des particules inorganiques échangeuses d’ions, lesdites particules étant synthétiséesin situau sein de la matrice polymère fluorée. Ces membranes présentent une répartition plus homogène des particules inorganiques au sein de la matrice polymère. Cependant, ce type de membrane présente des propriétés mécaniques plus faibles par rapport à une membrane faite en matrice polymère seule, un risque de cavitation à l’interface particules - matrice du fait des variations de dimensions lors du fonctionnement de la pile, et est difficile à fabriquer à l’échelle industrielle.
Les membranes conductrices d'ions produites par le greffage induit par les radiations constituent une autre option pour améliorer leur stabilité chimique. La réaction de greffage par rayonnement est contrôlée par la diffusion des monomères dans le film et les réactions de polymérisation des monomères. La réaction commence à la surface du film irradié et se déplace progressivement dans la masse du film. Des films à base d’éthylene tetrafluoroethylene (ETFE), éthylène-propylène fluoré (FEP), éthylène-chlorotrifluoroéthylène (ECTFE) ont été décrits, notamment pour des membranes échangeuse d'ions amphotère.
Il existe un réel besoin de disposer de membranes échangeuses de protons présentant des propriétés améliorées, notamment une tenue thermique améliorée et un rapport conductivité / perméabilité aux gaz plus élevé.
Pour pallier les inconvénients susmentionnés, les inventeurs ont mis au point une membrane présentant une morphologie très particulière obtenue en partant d’un polymère à base de fluorure de vinylidène (PVDF) sous forme de poudre.
Selon un premier aspect, l’invention a trait à un matériau consistant en un PVDF irradié, sous forme de poudre, sur lequel sont greffés un monomère styrénique et un monomère nitrilique, ledit PVDF irradié et greffé portant des groupes sulfonates échangeurs de protons.
Ledit PVDF est choisi parmi les poly(fluorure de vinylidène) homopolymères et les copolymères du difluorure de vinylidène avec au moins un comonomère choisi dans la liste : fluorure de vinyle, tétrafluoroéthylène, hexafluoropropylène, 3,3,3-trifluoropropène, 2,3,3,3-tétrafluoropropène, 1,3,3,3-tétrafluoropropène, hexafluoroisobutylène, perfluorobutyléthylène, 1,1,3,3,3-pentafluoropropène, 1,2,3,3,3-pentafluoropropène, perfluoropropylvinyléther, perfluorométhylvinyléther, bromotrifluoroéthylène, chlorofluoroethylène, chloro-trifluoroéthylène, chlorotrifluoropropène, éthylène, et leurs mélanges.
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un procédé de préparation dudit matériau, ledit procédé comprenant le greffage d’une poudre de PVDF irradié avec un mélange des monomères styréniques et nitriliques, suivi d’un post traitement de la poudre de PVDF ainsi irradié et greffé, par sulfonation.
Selon un troisième aspect, l’invention concerne une membrane électrolyte polymère échangeuse de protons, ladite membrane consistant en un film obtenu à partir dudit matériau en PVDF.
Selon un quatrième aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication de la membrane électrolyte polymère échangeuse de protons à partir dudit matériau de PVDF irradié, greffé et fonctionnalisé sous forme de poudre, ledit procédé comprenant la transformation de la poudre de PVDF sous forme de film.
Selon un autre aspect, l’invention concerne une membrane composite polymère échangeuse de protons, ladite membrane consistant en un support poreux polymère imprégné dudit matériau de PVDF par voie solvant et/ou aqueux.
Selon un autre aspect, l’invention concerne une membrane composite polymère échangeuse de protons, ladite membrane étant au moins en partie constituée des fibres dudit matériau de PVDF, le restant étant un polymère, et étant fabriquée par électrospinning. Cette membrane est ensuite imprégnée avec ledit matériau de PVDF par voie solvant ou aqueux.
Selon un autre aspect, l’invention concerne les applications de la membrane électrolyte polymère échangeuse de protons, aux domaines suivants :
- les piles à combustible, par exemple, les piles à combustible fonctionnant avec H2/air ou H2/O2ou fonctionnant au méthanol/air ;
- les électrolyseurs ;
- les batteries au lithium, lesdites membranes pouvant entrer dans la constitution des électrolytes.
La présente invention permet de surmonter les inconvénients de l’état de la technique. Elle fournit plus particulièrement une technologie qui permet de :
- améliorer la tenue thermique du film avec aucun écoulement pour une température inférieure à 140°C ;
- améliorer la résistance aux radicaux hydroxydes par rapport à aux membranes commerciales de type NAFION ;
- améliorer le ratio conductivité / perméabilité à l’hydrogène par rapport à l’état de l’art.
DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION DE L’INVENTION
L’invention est maintenant décrite plus en détail et de façon non limitative dans la description qui suit.
Selon un premier aspect, l’invention concerne un matériau consistant en un PVDF irradié, sous forme de poudre, sur lequel sont greffés, un monomère styrénique et un monomère nitrilique, ledit PVDF irradié et greffé portant des groupes sulfonates échangeurs de protons.
Selon un autre aspect, l’invention concerne une membrane électrolyte polymère échangeuse de protons, ladite membrane étant obtenue à partir dudit matériau en PVDF.
Selon diverses réalisations, ledit matériau et ladite membrane comprennent les caractères suivants, le cas échéant combinés. Les teneurs indiquées sont exprimées en poids, sauf si indiqué autrement.
PVDF
Le polymère fluoré utilisé dans l'invention désigné génériquement par l’abréviation PVDF est un polymère à base de difluorure de vinylidène.
Selon un mode de réalisation, le PVDF est un poly(fluorure de vinylidène) homopolymère ou un mélange d’homopolymères de fluorure de vinylidène.
Selon un mode de réalisation, le PVDF est un poly(fluorure de vinylidène) homopolymère ou un copolymère du difluorure de vinylidène avec au moins un comonomère compatible avec le difluorure de vinylidène.
Les comonomères compatibles avec le difluorure de vinylidène peuvent être halogénés (fluorés, chlorés ou bromés) ou non-halogénés.
Des exemples de comonomères fluorés appropriés sont : le fluorure de vinyle, le tétrafluoroéthylène, l’hexafluoropropylène, les trifluoropropènes et notamment le 3,3,3-trifluoropropène, les tétrafluoropropènes et notamment le 2,3,3,3-tétrafluoropropène ou le 1,3,3,3-tétrafluoropropène, l’hexafluoroisobutylène, le perfluorobutyléthylène, les pentafluoropropènes et notamment le 1,1,3,3,3-pentafluoropropène ou le 1,2,3,3,3-pentafluoropropène, les perfluoroalkylvinyléthers et notamment ceux de formule générale Rf-O-CF-CF2, Rf étant un groupement alkyle, de préférence en C1 à C4 (des exemples préférés étant le perfluoropropylvinyléther et le perfluorométhylvinyléther).
Le comonomère fluoré peut comporter un atome de chlore ou de brome. Il peut en particulier être choisi parmi le bromotrifluoroéthylène, le chlorofluoroethylène, le chlorotrifluoroéthylène et le chlorotrifluoropropène. Le chlorofluoroéthylène peut désigner soit le 1-chloro-1-fluoroéthylène, soit le 1-chloro-2-fluoroéthylène. L’isomère 1-chloro-1-fluoroéthylène est préféré. Le chlorotrifluoropropène est de préférence le 1-chloro-3,3,3-trifluoropropène ou le 2-chloro-3,3,3-trifluoropropène.
Le copolymère de VDF peut aussi comprendre des monomères non halogénés tels que l’éthylène, et/ou des comonomères acryliques ou méthacryliques.
Le polymère fluoré contient de préférence au moins 50 % en moles difluorure de vinylidène.
Selon un mode de réalisation, le PVDF est un copolymère de fluorure de vinylidène (VDF) et d’hexafluoropropylène (HFP)) (P(VDF-HFP)), ayant un pourcentage en poids d'unités monomères d'hexafluoropropylène de 1 à 35%, de préférence de 2 à 23 %, de préférence de 4 à 20 % en poids par rapport au poids du copolymère.
Selon un mode de réalisation, le PVDF est un mélange d’un poly(fluorure de vinylidène) homopolymère et d’un copolymère de VDF-HFP.
Selon un mode de réalisation, le copolymère de fluorure de vinylidène de l’invention est un copolymère thermoplastique hétérogène transformable à l'état fondu, et comprend deux ou plusieurs phases co-continues, ledites phases co-continues comprenant :
a) de 25 à 50% en poids d'une première phase co-continue comprenant 90 à 100% en poids de motifs monomères de fluorure de vinylidène et 0 à 10% en poids de motifs d'au moins un autre monomère fluoré, et
b) de plus de 50% en poids à 75% en poids d'une seconde phase co-continue comprenant de 65 à 95% en poids d'unités monomères de fluorure de vinylidène et un ou plusieurs co-monomères choisis dans le groupe constitué par l'hexafluoropropylène et l'éther perfluorovinylique pour provoquer la séparation de phase de la seconde phase co-continue de la première phase continue.
Ledit copolymère hétérogène contient deux ou plusieurs phases qui produisent une structure co-continue à l'état solide. Les phases co-continues sont distinctes les unes des autres et peuvent être observées au microscope électronique à balayage (SEM). Les copolymères hétérogènes selon l’invention diffèrent des copolymères homogènes, qui comprennent une seule phase.
Selon un mode de réalisation, le PVDF est un mélange de deux ou plusieurs copolymères VDF-HFP.
Selon un mode de réalisation, le PVDF comprend des unités monomères portant au moins l’une des fonctions suivantes: acide carboxylique, anhydride d’acide carboxylique, esters d’acide carboxylique, groupes époxy (tel que le glycidyle), amide, hydroxyle, carbonyle, mercapto, sulfure, oxazoline, phénoliques, ester, éther, siloxane, sulfonique, sulfurique, phosphorique, phosphonique. La fonction est introduite par une réaction chimique qui peut être du greffage, ou une copolymérisation du monomère fluoré avec un monomère portant au moins un desdits groupes fonctionnels et une fonction vinylique capable de copolymériser avec le monomère fluoré, selon des techniques bien connues par l’homme du métier.
Selon un mode de réalisation, le groupement fonctionnel est porteur d’une fonction acide carboxylique qui est un groupe de type acide (méth)acrylique choisi parmi l’acide acrylique, l’acide méthacrylique, hydroxyéthyl(méth)acrylate, hydroxypropyl(méth)acrylate et hydroxyéthylhexyl(méth)acrylate.
Selon un mode de réalisation, les unités portant la fonction acide carboxylique comprennent en outre un hétéroatome choisi parmi l’oxygène, le soufre, l’azote et le phosphore.
Selon un mode de réalisation, la fonctionnalité est introduite par l’intermédiaire de l’agent de transfert utilisé lors du procédé de synthèse. L’agent de transfert est un polymère de masse molaire inférieure ou égale à 20000 g/mol et porteur de groupes fonctionnels choisis parmi les groupes : acide carboxylique, anhydride d’acide carboxylique, esters d’acide carboxylique, les groupes époxy (tel que le glycidyle), amide, hydroxyle, carbonyle, mercapto, sulfure, oxazoline, phénoliques, ester, éther, siloxane, sulfonique, sulfurique, phosphorique, phosphonique. Un exemple d’agent de transfert de ce type sont les oligomères d’acide acrylique.
La teneur en groupes fonctionnels du PVDF est d’au moins 0,01% molaire, de préférence d’au moins 0,1 % molaire, et au plus de 15% molaire, de préférence au plus 10% molaire.
Le PVDF a de préférence un poids moléculaire élevé. Par poids moléculaire élevé, tel qu'utilisé ici, on entend un PVDF ayant une viscosité à l'état fondu supérieure à 100 Pa.s, de préférence supérieure à 500 Pa.s, plus préférablement supérieure à 1000 Pa.s, avantageusement supérieure à 2000 Pa.s. La viscosité est mesurée à 232°C, à un gradient de cisaillement de 100 s-1à l’aide d’un rhéomètre capillaire ou d’un rhéomètre à plaques parallèles, selon la norme ASTM D3825. Les deux méthodes donnent des résultats similaires.
Les PVDF homopolymères et les copolymères de VDF utilisés dans l’invention peuvent être obtenus par des méthodes de polymérisation connues comme la polymérisation en émulsion.
Selon un mode de réalisation, ils sont préparés par un procédé de polymérisation en émulsion en l’absence d’agent tensioactif fluoré.
La polymérisation du PVDF aboutit à un latex ayant généralement une teneur en solides de 10 à 60 % en poids, de préférence de 10 à 50 %, et ayant une taille de particule moyenne en poids inférieure à 1 micromètre, de préférence inférieure à 1000 nm, de préférence inférieure à 800 nm, et plus préférablement inférieure à 600 nm. La taille moyenne en poids des particules est généralement d'au moins 10 nm, de préférence d'au moins 50 nm, et avantageusement la taille moyenne est comprise dans la gamme de 100 à 400 nm. Les particules de polymère peuvent former des agglomérats, appelés particules secondaires, dont la taille moyenne en poids est inférieure à 5000 µm, de préférence inférieure à 1000 μm, avantageusement comprise entre 1 à 80 micromètres, et de préférence de 2 à 50 micromètres. Les agglomérats peuvent se briser en particules discrètes pendant la formulation et l'application sur un substrat.
Selon certains modes de réalisation, le PVDF homopolymère et les copolymères de VDF sont composés de VDF biosourcé. Le terme « biosourcé » signifie « issu de la biomasse ». Ceci permet d’améliorer l’empreinte écologique de la membrane. Le VDF biosourcé peut être caractérisé par une teneur en carbone renouvelable, c’est-à-dire en carbone d’origine naturelle et provenant d’un biomatériau ou de la biomasse, d'au moins 1 % atomique comme déterminé par la teneur en 14C selon la norme NF EN 16640. Le terme de « carbone renouvelable » indique que le carbone est d’origine naturelle et provient d'un biomatériau (ou de la biomasse), comme indiqué ci-après. Selon certains modes de réalisation, la teneur en bio-carbone du VDF peut être supérieure à 5%, de préférence supérieure à 10%, de préférence supérieure à 25%, de préférence supérieure ou égale à 33%, de préférence supérieure à 50%, de préférence supérieure ou égale à 66%, de préférence supérieure à 75%, de préférence supérieure à 90%, de préférence supérieure à 95%, de préférence supérieure à 98%, de préférence supérieure à 99%, avantageusement égale à 100%.
La polymérisation en émulsion permet la fabrication de latex de particules d’environ 200 nm, qui après séchage, par exemple, par pulvérisation, conduit à l’obtention de particules ayant un diamètre moyen en volume (Dv50) allant de 10 à 50 μm.
Matériau de PVDF sous forme de poudre
Le matériau selon l’invention consiste en un PVDF sous forme de poudre irradiée, sur lequel sont greffés un monomère styrénique et un monomère nitrilique, ledit PVDF irradié et greffé portant des groupes sulfonates échangeurs de protons.
Ce matériau est préparé selon un procédé qui comprend le greffage d’un PVDF irradié avec un mélange des monomères styréniques et nitriliques, suivi d’un post traitement de la poudre de PVDF ainsi irradié et greffé, par sulfonation.
Chaque étape de ce procédé est détaillée ci-après.
Selon un mode de réalisation, la poudre de PVDF est d’abord exposée à un rayonnement ionisant pour introduire des sites actifs dans la chaîne polymère de PVDF. La poudre est irradiée par une source de type faisceau d'électrons, rayons gamma, ou rayons X, à une dose comprise entre 25 et 150 kgray et de façon préférable entre 30 et 125 kgray. L’irradiation se fait sous vide, sous air ou sous azote. On obtient ainsi une poudre de PVDF irradié. La poudre de PVDF irradié subit ensuite une étape de greffage au moyen d’un mélange de monomères comprenant un monomère styrénique et un monomère nitrilique.
Selon un mode de réalisation, ledit monomère styrénique de type alpha-alkyl styrène, avec le groupe alkyl choisi parmi : méthyl, éthyle, propyl, butyle, pentyl, et hexyl.
Selon un mode de réalisation, ledit monomère styrénique est choisi dans le groupe : α-méthylstyrène, α-fluorostyrène, α-bromostyrène, α-méthoxystyrène, et α, β, β-trifluorostyrène.
Selon un mode de réalisation, ledit monomère styrénique est l’α-méthylstyrène (AMS).
Selon un mode de réalisation, ledit monomère nitrilique est choisi dans le groupe : acrylonitrile, 2-méthyl-2-butènenitrile, 2- méthylène glutaronitrile et méthylacrylonitrile.
Selon un mode de réalisation, la poudre de PVDF greffé est passée dans un bain à 60°C contenant entre 30 et 50% d’alpha méthyl styrène, entre 30 et 50% de méthylène glutaronitrile et entre 0 et 40% d’isopropanol avant d’être rincée à l’isopropanol.
Selon un mode de réalisation, le ratio molaire monomère styrénique / monomère nitrilique varie de 0,7 à 1,3.
Selon un mode de réalisation, ledit monomère nitrilique est le 2- méthylène glutaronitrile (MGN).
Selon un mode de réalisation, la poudre de PVDF est irradiée en présence d’un mélange de monomères comprenant ledit monomère styrénique et ledit monomère nitrilique. La poudre est irradiée par une source de type faisceau d'électrons, rayons gamma, ou rayons X, à une dose comprise entre 25 et 150 kgray et de façon préférable entre 30 et 125 kgray. L’irradiation se fait sous vide, sous air ou sous azote.
La poudre de PVDF irradié et greffé est ensuite soumise à une réaction de post-fonctionnalisation avec de l'acide chlorosulfonique, suivie de l'hydrolyse dans l'eau ou une solution alcaline. Ceci permet d’introduire sur le PVDF la fonction -SO3H échangeuse de cations.
Selon un mode de réalisation, la sulfonation de la poudre greffée est effectuée dans une solution de dichlorométhane contenant de l’acide chlorosulfonique à température ambiante.
La poudre de PVDF greffé portant les fonctions -SO3H liées de façon covalente est ensuite rincée à l’eau distillé jusqu’à ce que l’eau de rinçage soit à pH neutre, avant d’être hydrolysée à 70°C, puis séchée à l’air. La poudre ainsi transformée voit son poids augmenter de 25 à 60%, de préférence de 35 à 55%.
Les mesures par spectroscopie infrarouge (IR) en transmission, via une courbe de calibration se basant sur le ratio entre l’aire d’un pic spécifique du groupement aromatique et/ou d’un pic spécifique de groupement nitrile par rapport à un pic de référence du PVDF, montrent un taux massique de greffage du PVDF en poudre compris entre 25 et 60%, de préférence entre 35% et 55%.
Membrane électrolyte polymère
Selon un autre aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication de la membrane électrolyte polymère échangeuse de protons à partir dudit matériau de PVDF irradié, greffé et fonctionnalisé sous forme de poudre, ledit procédé comprenant la transformation de la poudre de PVDF sous forme d’un film qui constitue la membrane. Cette étape de transformation de la poudre de PVDF sous forme de film s’effectue par toutes les techniques connues de l’homme de l’art : l’extrusion soufflage, l’extrusion à plat mais aussi par exemple la fabrication de film par voie solvant.
Selon un autre aspect, l’invention concerne une membrane électrolyte polymère échangeuse de protons, ladite membrane consistant en un film obtenu à partir dudit matériau en PVDF.
Selon un autre aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication de la membrane électrolyte polymère échangeuse de protons à partir d’un mélange dudit matériau de PVDF irradié, greffé et fonctionnalisé sous forme de poudre et d’un autre polymère choisi parmi : le polyméthacrylate de méthyle et ses copolymères, les polymères fluorés, les polyuréthanes ainsi que les polyesters. Ledit mélange comprend de 100% à 50% en masse dudit PVDF irradié, greffé et fonctionnalisé sous forme de poudre. Le procédé comprend la transformation du mélange sous forme de film. Cette étape de transformation du mélange sous forme de film s’effectue par toutes les techniques connues de l’homme de l’art : l’extrusion soufflage, l’extrusion à plat mais aussi par exemple la fabrication de film par voie solvant.
Selon un autre aspect, l’invention concerne une membrane composite polymère échangeuse de protons, ladite membrane consistant en un support poreux imprégné dudit matériau de PVDF par voie solvant et/ou aqueux, ledit support poreux étant un polymère choisi parmi : le polyethylene, le polypropylene, le polytetrafluoroethylene (PTFE), le poly(fluorure de vinylidène) (PVDF), le polysulfone (PSU), polyethersulfone (PESU), polyimide (PI), la famille des polyaryléthercétones (PAEK) comme le PEEK ou le PEKK. Ce support poreux peut être produit selon les techniques connues par l’homme de l’art comme l’inversion de phase, l’extrusion suivi d’une étirage séquencé, l’extrusion soufflage (meltblown ou spunbond) en voie fondue, l’électrofilage.
Selon un autre aspect, l’invention concerne une membrane composite polymère échangeuse de protons, ladite membrane étant au moins en partie constituée des fibres dudit matériau de PVDF, le restant étant un des polymères choisis parmi : le polyméthacrylate de méthyle et ses copolymères, les polymères fluorés, les polyuréthanes, les polyesters, le polyethylene, le polypropylene, le polytetrafluoroethylene (PTFE), le poly(fluorure de vinylidène) (PVDF), le polysulfone (PSU), polyethersulfone (PESU), polyimide (PI), la famille des polyaryléthercétones (PAEK) comme le PEEK ou le PEKK. Cette membrane composite est fabriquée par électrospinning. Cette membrane est ensuite imprégnée avec ledit matériau de PVDF par voie solvant ou aqueux.
Avantageusement, la capacité d'échange d'ions (IEC) de la membrane électrolyte est supérieure à 0,6 mmol/g. L’IEC est mesuré comme suit : un échantillon de 1cm sur 1cm est immergé dans une solution à 0,5M de KCl pendant une nuit sous agitation. Les ions d’hydrogène présents dans la solution, après l’échange avec K+sur les groupements sulfonés, sont ensuite titrés jusqu’à pH = 7 avec une solution à 0,05 M de KOH. La capacité d’échange d’ion est ensuite calculée suivant l’équation ci-dessous :
oùn(H+) est le nombre de moles de protons, Wdryest la masse de la membrane sèche sous sa forme H+, c(KOH) la concentration en KOH, V(KOH) le volume de la solution de KOH ajoutée pour la titration, WK la masse de la membrane séchée sous sa forme K+, M(K+) et M(H+) les masses
Avantageusement, la perméabilité à l’hydrogène de la membrane électrolyte selon l’invention est inférieure à 2 mA/cm². Pour cette mesure, la membrane est placée dans une cellule d’une pile à combustible puis un flux d’hydrogène est appliqué à la cathode alors qu’un flux d’azote est appliqué à l’anode. Un potentiel est alors appliqué sur les deux faces et le courant obtenu de par le transport de l’hydrogène à travers la membrane est mesuré.
L’analyse de la mécanique dynamique (DMA) entre -40°C et 140°C montre que la membrane ne présente pas de fusion. Son allongement à la rupture, mesuré à 23°C sous 50% d’humidité relative à une vitesse de 20 mm/minute, pour une épaisseur de film de 20 µm, est supérieur à 100%.
Dans les assemblages membrane-électrode (MEA), cette poudre peut être utilisée comme liant entre le catalyseur, les autres additifs type agent conducteur électronique et la membrane.
Selon un autre aspect, l’invention concerne les applications de la membrane électrolyte polymère échangeuse de protons, aux domaines suivants :
- les piles à combustible, par exemple, les piles à combustible fonctionnant avec H2/air ou H2/O2ou fonctionnant au méthanol/air ;
- les électrolyseurs ;
- les batteries au lithium, lesdites membranes pouvant entrer dans la constitution des électrolytes.
Selon un mode de réalisation, la membrane polymère électrolyte est destinée à être insérées dans un dispositif de pile à combustible au sein d’un assemblage électrode-membrane-électrode.
Ces membranes se présentent avantageusement sous la forme de films minces, ayant, par exemple, une épaisseur de 10 à 200 micromètres.
Pour préparer un tel assemblage, la membrane peut être placée entre deux électrodes. L’ensemble formé de la membrane disposée entre les deux électrodes est ensuite pressé à une température adéquate afin d’obtenir une bonne adhésion électrode-membrane.
L’assemblage électrode-membrane-électrode est ensuite placé entre deux plaques assurant la conduction électrique et l’alimentation en réactifs aux électrodes. Ces plaques sont communément désignées par le terme de plaques bipolaires.

Claims (19)

  1. Matériau consistant en un PVDF irradié, sous forme de poudre, sur lequel sont greffés un monomère styrénique et un monomère nitrilique, ledit PVDF irradié et greffé portant des groupes sulfonates échangeurs de protons.
  2. Matériau selon la revendication 1, dans lequel le ratio molaire monomère styrénique / monomère nitrilique varie de 0,7 à 1,3.
  3. Matériau selon l’une des revendications 1 et 2, dans laquelle le PVDF est choisi parmi les poly(fluorure de vinylidène) homopolymères et les copolymères du difluorure de vinylidène avec au moins un comonomère choisi dans la liste : fluorure de vinyle, tétrafluoroéthylène, hexafluoropropylène, 3,3,3-trifluoropropène, 2,3,3,3-tétrafluoropropène, 1,3,3,3-tétrafluoropropène, hexafluoroisobutylène, perfluorobutyléthylène, 1,1,3,3,3-pentafluoropropène, 1,2,3,3,3-pentafluoropropène, perfluoropropylvinyléther, perfluorométhylvinyléther, bromotrifluoroéthylène, chlorofluoroethylène, chlorotrifluoroéthylène, chlorotrifluoropropène, éthylène, et leurs mélanges.
  4. Matériau selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle le PVDF est un homopolymère de fluorure de vinylidène.
  5. Matériau selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle le PVDF est un copolymère de fluorure de vinylidène et d’hexafluoropropylène, ayant un pourcentage en poids d'unités monomères d'hexafluoropropylène de 1 à 35%, de préférence de 2 à 23 %, de préférence de 4 à 20 % en poids par rapport au poids du copolymère.
  6. Matériau selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle le PVDF est un copolymère thermoplastique hétérogène, et comprend deux ou plusieurs phases co-continues, ledites phases co-continues comprenant :
    a) de 25 à 50% en poids d'une première phase co-continue comprenant 90 à 100% en poids de motifs monomères de fluorure de vinylidène et 0 à 10% en poids de motifs d'au moins un autre monomère fluoré, et
    b) de plus de 50% en poids à 75% en poids d'une seconde phase co-continue comprenant de 65 à 95% en poids d'unités monomères de fluorure de vinylidène et un ou plusieurs co-monomères choisis dans le groupe constitué par l'hexafluoropropylène et l'éther perfluorovinylique pour provoquer la séparation de phase de la seconde phase co-continue de la première phase continue.
  7. Matériau selon l’une des revendications 1 à 6, dans laquelle ledit monomère styrénique choisi dans le groupe : α-méthylstyrène, α-fluorostyrène, α-bromostyrène, α-méthoxystyrène, et α, β, β-trifluorostyrène.
  8. Matériau selon l’une des revendications 1 à 7, dans laquelle ledit monomère nitrilique choisi dans le groupe : acrylonitrile, 2-méthyl-2-butènenitrile, 2-méthylène glutaronitrile et méthylacrylonitrile.
  9. Matériau selon l’une des revendications 1 à 8, dans laquelle ledit PVDF est greffé avec l’α-méthylstyrène et le 2-méthylène glutaronitrile, et est fonctionnalisé avec de l'acide chlorosulfonique.
  10. Procédé de préparation du matériau selon l’une des revendications 1 à 9, ledit procédé comprenant le greffage d’une poudre de PVDF irradié avec un mélange des monomères styréniques et nitriliques, suivi d’un post traitement de la poudre de PVDF ainsi irradié et greffé, par sulfonation.
  11. Procédé selon la revendication 10, comprenant les étapes suivantes :
    - exposer ladite poudre de PVDF à un rayonnement ionisant choisi parmi les faisceaux d'électrons, rayons gamma, ou rayons X ;
    - exposer la poudre irradiée à un mélange de monomères comprenant un monomère styrénique choisi dans le groupe : α-méthylstyrène, α-fluorostyrène, α-bromostyrène, α-méthoxystyrène, et α, β, β-trifluorostyrène, et un monomère nitrilique choisi dans le groupe : acrylonitrile, 2-méthyl-2-butènenitrile, 2- methylène glutaronitrile et méthylacrylonitrile ;
    - soumettre la poudre de PVDF greffé à une réaction de post-fonctionnalisation avec de l'acide chlorosulfonique, suivie de l'hydrolyse dans l'eau ou une solution alcaline.
  12. Procédé de fabrication d’une membrane électrolyte polymère échangeuse de protons à partir du matériau de PVDF selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, ledit procédé comprenant la transformation de la poudre de PVDF sous forme de film.
  13. Procédé de fabrication d’une membrane électrolyte polymère échangeuse de protons à partir d’un mélange du matériau de PVDF selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, et d’un autre polymère choisi parmi : le polyméthacrylate de méthyle et ses copolymères, les polymères fluorés, les polyuréthanes ainsi que les polyesters, ledit procédé comprenant la transformation dudit mélange sous forme de film.
  14. Membrane électrolyte polymère échangeuse de protons, ladite membrane consistant en un film obtenu à partir du matériau de PVDF selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.
  15. Membrane composite polymère échangeuse de protons, ladite membrane consistant en un support poreux imprégné du matériau de PVDF selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 par voie solvant et/ou aqueux, ledit support poreux étant un polymère choisi parmi : le polyethylene, le polypropylene, le polytetrafluoroethylene (PTFE), le poly(fluorure de vinylidène) (PVDF), le polysulfone (PSU), polyethersulfone (PESU), polyimide (PI), et les polyaryléthercétones (PAEK).
  16. Membrane composite polymère échangeuse de protons, ladite membrane étant au moins en partie constituée des fibres du matériau de PVDF selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, le restant étant un des polymères choisis parmi : le polyméthacrylate de méthyle et ses copolymères, les polymères fluorés, les polyuréthanes, les polyesters, le polyethylene, le polypropylene, le polytetrafluoroethylene (PTFE), le poly(fluorure de vinylidène) (PVDF), le polysulfone (PSU), polyethersulfone (PESU), polyimide (PI), et les polyaryléthercétones (PAEK), ladite membrane obtenue par électrospinning étant ensuite imprégnée avec ledit matériau de PVDF par voie solvant ou aqueux.
  17. Membrane selon l’une des revendications 14 à 16, ayant une perméabilité à l’hydrogène inférieure à 2 mA/cm².
  18. Membrane selon l’une des revendications 14 à 17, ayant une capacité d'échange d'ions (IEC) supérieure à 0,6 mmol/g comme mesuré par titration avec une solution à 0,05 M de KOH.
  19. Pile à combustible comprenant une membrane telle que définie dans une des revendications 14 à 18.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3162927A1 (fr) * 2024-05-29 2025-12-05 Arkema France Membrane echangeuse de protons a base de poudre de pvdf et de liquide ionique

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1693101A1 (fr) * 2005-02-11 2006-08-23 Paul Scherrer Institut Méthode pour préparer une membrane de pile à combustible greffée par radiation ayant une meilleure stabilité chimique et un assemblage membrane-électrode
WO2014173885A1 (fr) 2013-04-23 2014-10-30 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Procede de preparation d'un materiau composite echangeur d'ions comprenant une matrice polymere specifique et une charge consistant en des particules echangeuses d'ions
EP3054518A1 (fr) * 2015-02-06 2016-08-10 Paul Scherrer Institut Membrane électrolytique à propriétés de transport ionique sélectif et batterie à flux redox comprenant une membrane électrolytique
EP3576201A1 (fr) * 2018-05-31 2019-12-04 Paul Scherrer Institut Membrane électrolytique amphotère et batterie à flux redox comprenant une membrane électrolytique

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012066773A1 (fr) * 2010-11-16 2012-05-24 日東電工株式会社 Film d'électrolyte polymère conducteur de protons ayant une excellente résistance à l'oxydation et son procédé de fabrication
JP2014084350A (ja) * 2012-10-22 2014-05-12 Nitto Denko Corp イオン交換樹脂含有液およびイオン交換膜ならびにそれらの製造方法
CN108091930B (zh) * 2017-12-05 2019-10-25 厦门大学 新型单离子聚合物电解质及其制备方法与应用

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1693101A1 (fr) * 2005-02-11 2006-08-23 Paul Scherrer Institut Méthode pour préparer une membrane de pile à combustible greffée par radiation ayant une meilleure stabilité chimique et un assemblage membrane-électrode
WO2014173885A1 (fr) 2013-04-23 2014-10-30 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Procede de preparation d'un materiau composite echangeur d'ions comprenant une matrice polymere specifique et une charge consistant en des particules echangeuses d'ions
EP3054518A1 (fr) * 2015-02-06 2016-08-10 Paul Scherrer Institut Membrane électrolytique à propriétés de transport ionique sélectif et batterie à flux redox comprenant une membrane électrolytique
EP3576201A1 (fr) * 2018-05-31 2019-12-04 Paul Scherrer Institut Membrane électrolytique amphotère et batterie à flux redox comprenant une membrane électrolytique

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