Pile à combustible à membrane échangeuse d'anions
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Une pile à combustible à membrane échangeuse d'anions[a] (anion-exchange membrane fuel cell, AEMFC) est une architecture de piles à combustible qui utilise une membrane échangeuse d'anions pour séparer les compartiments d'anode et de cathode. Ces piles utilisent la diffusion d'anions basiques, généralement l'hydroxyde OH−, entre les électrodes. Les premières piles à combustible alcalines utilisaient l'hydroxyde de potassium KOH comme électrolyte ; les piles à combustible à membrane échangeuse d'anions utilisent au contraire une membrane en polymère électrolytique qui permet le transport des anions hydroxyde.
Principe d'une pile à combustible à membrane échangeuse d'anions.
Dans une pile à combustible à membrane échangeuse d'anions, le combustible — hydrogène H2 ou méthanol CH3OH — est fourni à l'anode, l'eau H2O est consommée à la cathode et produite à l'anode, et l'oxygène O2 est apporté par l'air à la cathode. Le combustible est oxydé à l'anode tandis que l'oxygène est réduit à la cathode en produisant des anions hydroxyde OH− qui diffusent à travers l'électrolyte jusqu'à l'anode, où ils se combinent au combustible pour donner de l'eau et des électrons, ces derniers générant le courant électrique de la pile à combustible[1]. Les réactions électrochimiques de ces piles peuvent être résumées ainsi selon les combustibles utilisés :
- Avec l'hydrogène :
- Avec le méthanol :
Propriétés mécaniques
Mesure des propriétés mécaniques
Les propriétés mécaniques des membranes échangeuses d'anions sont bien adaptées aux technologies électrochimiques de l'énergie, comme les membranes en polymères électrolytiques pour piles à combustible. Parmi ces propriétés, interviennent notamment le module d'élasticité, la résistance à la traction et la ductilité. Les essais de traction traditionnels utilisés pour mesurer ces propriétés sont très sensibles à la procédure expérimentale car les propriétés mécaniques des polymères dépendent fortement de l'environnement, comme la présence d'eau, de solvants organiques et d'oxygène, ainsi que de la température[2],[3]. L'élévation de la température abaisse généralement le module d'élasticité et la résistance à la traction mais augmente la ductilité, à microstructure constante. À proximité de la température de transition vitreuse se produisent des modifications très importantes des propriétés mécaniques. L'analyse mécanique dynamique (DMA) est une technique de caractérisation complémentaire largement utilisée pour mesurer les propriétés mécaniques des polymères, y compris le module de relaxation en fonction de la température.
Optimisation des propriétés mécaniques
Une méthode d'amélioration des propriétés mécaniques des polymères utilisés pour les membranes échangeuses d'anions (AEM) consiste à remplacer les groupes échangeurs d'anions et les amines tertiaires conventionnels par des groupes quaternaires greffés[4]. L'usage de tels ionomères se traduit par un module de Young, un module de relaxation, une résistance à la traction et une ductilité plus élevés. Remplacer le contre-ion hydroxyde OH− par des anions bicarbonate HCO3−, carbonate CO32− ou chlorure Cl− améliore encore la résistance et le module d'élasticité des membranes. L'hydratation des membranes, liée au type d'anion, joue un rôle majeur pour les propriétés mécaniques[4]. On a ainsi produit une série de dérivés de poly(oxyde de 2,6-diméthyl-1,4-phénylène) (PPO) robustes et réticulés par réaction thiol-ène (en) avec des cations imidazolium chimiquement stables par quaternisation d'imidazole substitué en C1, C2 et C4[5]. Ce type de membrane échangeuse d'anions s'est révélé former des films de polymère ayant une résistance plus élevée à la traction en raison d'un plus grand enchevêtrement des chaînes de polymères qui favorisent l'hydratation du matériau ; ce dernier point souligne la corrélation entre résistance et hydratation des films de polymères[5].
