Caracterisation et conception de melanges polymere/eau pour application aux piles a combustible utilisant une membrane polymere comme electrolyte

Quelques vecteurs energetiques sont presentement en developpement afin de remplacer le moteur a combustion dans les vehicules et ainsi diversifier les sources d'energie et mieux controler les sources de pollution. Les vecteurs energetiques de remplacement ne doivent donc pas etre polluants. Les deux principaux candidats repondant a cette condition sont la pile a combustible a membrane polymere electrolyte (PEMFC) et la pile electrique. Malheureusement, une amelioration des connaissances fondamentales du fonctionnement de ces deux systemes est requise afm de permettre leur commerclalisation pour le marche de l'automobile. Les constructeurs automobiles, tel que General Motors, considerent que la PEMFC et la pile electrique sont complementaires. En fait, selon eux, la pile electrique servirait a faire la transition entre le moteur a combustion et la PEMFC.;Dans le cadre de cette etude, nous avons utilise comme systeme modele la membrane de NafionRTM a faible hydratation. l'etude de ce modele presente des interets autant fondamentaux qu'industriels. Les interets industriels sont axes sur l'amelioration de la conductivite protonique, l'accroissement de la duree de vie et la diminution du cout de la membrane. Les interets fondamentaux sont quant a eux relies au defi de caracteriser completement un systeme a densite elevee ou le phenomene de transport de protons se produit a plusieurs echelles de grandeur et de temps. Le nombre important de donnees experimentales reliees a la membrane de NationRTM permettra l'exploration de tous ces poles d'interet. L'etude du transport de protons au sein de la membrane a ete effectuee en utilisant des modeles possedant une taille propre aux divers phenomenes relatifs au transport de protons. Chacun de ces modeles a permis de decrire les phenomenes a l'echelle ou ils ont lieu: la simulation de la structure electronique pour apprehender le processus de dissoclation et la simulation atomistique pour decrire l'interaction au sein des membranes. Ce type d'approche est dit approche multi-echelles.;Une approche permettant d'ameliorer la resistance mecanique de la membrane consiste a diminuer le volume d'eau necessaire a son fonctionnement. Par contre, un volume d'eau suffisant doit etre present pour assurer le transport des protons. L'objectif est donc de quantifier le volume, represente ici par le nombre de molecules d'eau, pour obtenir un transport de protons adequat tout en minimisant le risque de bris mecaniques. Dans le cadre de cette approche, nous avons etudie le processus de dissoclation du groupement acide de la membrane de NationRTM afin de quantifier le nombre de molecules d'eau necessaires pour assurer le transport de protons. L'etude de la dissoclation de ce super acide doit s'effectuer au niveau de l'echelle electronique de facon a pouvoir decrire precisement les interactions inter et intramoleculaires lors de la dissoclation. Par contre, compte tenu du nombre important de degres de liberte, l'exploration d'un systeme a cette echelle est restreinte a un faible nombre d'atomes. Il est donc essentiel de trouver un modele qui puisse decrire le plus fidelement possible le comportement du groupement acide du NationRTM tout en preservant un temps de calcul et une demande en ressource informatique raisonnable. Le modele choisi a ete celui de l'acide trifluoromethanesulfonique (acide triflique). L'utilisation de ce modele permet de realiser uniquement l'etude du processus de dissoclation sans y adjoindre d'autres contraintes telles que celles emanant de la conformation de la chaine laterale et du polymere. Il nous a ainsi ete possible de caracteriser la dissoclation cooperative entre deux molecules d'acide lors de l'ajout de molecules d'eau. Cette meilleure comprehension du processus de dissoclation nous a permis de proposer de nouveaux acides qui sont en cours de synthese.;Par la suite, nous avons etudie les proprietes de la membrane de NationRTM a basse hydratation et a une temperature avoisinant 100°C. A cette temperature, le niveau de purification du combustible peut etre grandement reduit car l'empoisonnement du catalyseur par les sulfures est moins important. La simulation atomistique a ete utilisee pour explorer le comportement de la membrane de NationRTM dans ces conditions a des echelles Ele temps et de taille superieures a celles accessibles par la simulation electronique. Contrairement a cette derniere, elle permet d'explorer la dynamique d'un grand ensemble d'atomes. Lors de cette etude, nous avons observe un phenomene associe a une transition vitreuse ionique experimentale. L'hypothese actuelle permettant d'expliquer ce phenomene suppose qu'une hydratation faible de la membrane augmenterait la rigidite de la structure des clusters d'eau autour des chaines laterales du polymere. Les simulations atomistiques effectuees dans le cadre de cette etude ont permis de confirmer cette hypothese.;Chacune des composantes de la PEMFC est une source de grands defis technologiques. En effet, ses electrodes ont tendances a perdre de leur efficacite lors des cycles marche/arret. De plus, l'hydrogene a l'origine de son fonctionnement doit subir une purification tres poussee pour diminuer l'empoisonnement du catalyseur de platine. Finalement, la membrane polymere electrolyte subit une deformation mecanique sous l'effet des cycles de sechage et d'hydratation. Cette derniere composante represente d'ailleurs le plus grand defi d'amelioration de la pile, car aucune amelioration notable ne lui a ete apportee depuis les debuts de l'utilisation du NafionRTM comme membrane en 1960. De plus, de nos jours la membrane de NationRTM est toujours utilisee dans les PEMFCs. La difficulte a la modifier et a ameliorer ses performances de la membrane sont directement liees a notre comprehension seulement partielle de son fonctionnement et du role de ses composantes.;Finalement, l'energie libre d'interaction intermoleculaire entre l'eau et le NationRTM a ete determinee par la methode d'integration thermodynamique et la methode hybride de Suter, qui consiste a effectuer l'integration thermodynamique suivie de l'insertion de la particule de Widom, pour obtenir le parametre d'interaction de Flory-Huggins en fonction de l'hydratation de la membrane. Ce parametre joue un role cle dans la modelisation de la membrane a une echelle mesoscopique.