Membranes pour piles à combustible : structure et transport. Apport de la diffusion neutronique

Laboratoire des Polymères Conducteurs Ioniques, INAC/SPRAM, CEA, 17 Av. des Martyrs, 38000 Grenoble, France

Résumé

Les membranes pour piles à combustibles sont des matériaux caractérisés par une ségrégation de phase hydrophobe-hydrophile à l’échelle nanométrique. L’amélioration des performances de ces membranes ionomères, en particulier l’optimisation de la conductivité protonique, est un enjeu important pour la mise sur le marché des piles à l’échelle industrielle. Elle passe nécessairement par une caractérisation microscopique de la structuration du polymère en fonction de son hydratation, et de ses propriétés, notamment les propriétés de transport. Nous montrons l’intérêt des techniques de la diffusion des neutrons dans ces systèmes. La diffusion des neutrons aux petits angles a été employée récemment pour déterminer les profils de concentration d’eau à travers une membrane au cours du fonctionnement d’une pile. La diffusion quasiélastique a permis, quant à elle, d’étudier les mécanismes de diffusion des molécules d’eau et de préciser un scénario de la mobilité moléculaire dans le Nafion, membrane de référence.

Abstract

Membranes for fuel cells are characterized by a nanophase segregation between hydrophilic and hydrophobic domains. Improvement of the ionomer membranes performances, in particular protonic conductivity optimization, is a crucial issue before fuel cells can develop on an industrial market. This necessarily requires a microscopic knowledge of the polymer structure and properties, notably the protonic transport mechanisms, as a function of its hydration state. We show the interest of neutron scattering techniques in these systems. Small-angle neutron scattering has been recently used to measure the transverse water profiles in membranes during fuel cell operation. Quasielastic neutron scattering allowed to study the dynamical properties of water in the Nafion, which is the actual reference material, and to propose a molecular scenario for the mobility of hydration protons.