Thèse Etude des Interactions dans la Couche Active Cathodique des Pemfc Impact de Nouveaux Ionomères et Supports Carbonés sur la Microstructure et les Performances H/F - 40

Établissement : Université de Savoie Mont-Blanc
École doctorale : I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production
Laboratoire de recherche : Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-Chimie des Matériaux et des Interfaces.
Direction de la thèse : Camille ROIRON ORCID 0000000197728249
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-01T23:59:59

Ce projet vise à étudier l'impact de nouveaux ionomères et supports carbonés sur les interactions au sein de la couche active cathodique des PEMFC. Actuellement, le Nafion, ionomère de référence à base de PFSA, pourrait être interdit à court terme, poussant à l'émergence d'ionomères aux structures chimiques radicalement différentes. Parallèlement, de nouveaux supports carbonés sont développés pour améliorer la stabilité des couches catalytiques, en jouant sur leur géométrie et leur chimie. Ces modifications altèrent la microstructure de la couche active, qui doit assurer trois fonctions critiques : un réseau conducteur électronique (via le carbone), un réseau conducteur protonique (via l'ionomère) et un réseau de pores pour l'évacuation de l'eau et le transport d'oxygène. Le projet a pour objectif de comprendre comment ces nouveaux composants modifient les paramètres physiques (hydrophilicité, porosité, agrégation, qualité des réseaux) et d'identifier les combinaisons optimales pour maximiser les performances de la couche active.

-Réglementation environnementale menant à l'interdiction probable du PFSA.1,2
-Besoin d'améliorer la stabilité et la performance des PEMFC pour une transition énergétique durable.
-Développement parallèle de nouveaux ionomères et supports carbonés, qui induisent des difficulté dans la formation de couches actives homogènes et performantes3.

-Comprendre l'impact des nouveaux ionomères et supports carbonés sur la microstructure de la couche active cathodique.
-Identifier les paramètres physiques modifiés avec les nouveaux composants (hydrophilicité, porosité, agrégation, qualité des réseaux).
-Déterminer les combinaisons optimales de composants pour maximiser les performances électrochimiques.

-Choix discriminant de matériaux ionomères/carbone :
oIonomère : Série allant de l'état de l'art Nafion aux matériaux sans Fluor (type hydrocarbone) en passant par des intermédiaires pauvres en Fluor. Le but est d'étudier différentes chimies de ionomères
oCarbone : Le carbone Vulcan sera utilisé comme matériau de référence, ensuite des matériaux mésoporeux de graphitisation variable seront étudiés. Également, l'effet du dopage à l'azote du carbone sera considéré.
-Etude de la dispersion des nouveaux composants dans des encres catalytiques :
o Dynamic light scattering (DLS) , goutte pendante pour les dispersions de ionomère et du carbone
oMesures du surnageant (Infrarouge, conductivité)4
oTests des différentes combinaisons solvant-ionomère et solvant-carbone
-Fabrication de couches actives par slot die
oSur substrat inerte pour étude des couches
oSur membrane pour étudier les interactions couche-membrane et les tests électrochimiques
-Caractérisation physico-chimique des nouveaux ionomères, supports carbonés et de leurs mélanges dans des couches actives
oPropriétés de transport de vapeur d'eau des couches actives formées (DVS)5,6 et détection d'agrégats (Microscope confocal, MEB-AFM, AFM)
oEtude de la microstructure et la répartition des ionomères à la surface du catalyseur et des carbones (SANS)5,7
oCaractérisation des supports carbonés (Raman, SAXS, TEM)8
oCaractérisation des ionomères (FTIR (couplé RH), Raman, SAXS)5
-Étude des propriétés de la couche active
oConductivité électronique 4 pointes (dans l'eau, en fonction de l'humidité)
oEtudes des interfaces électrode/électrolyte par mesures de capacité différentielles (humidité relative et gaz) en électrode à diffusion de gaz.9
-Tests électrochimiques pour valider les combinaisons optimales en petite cellule PEMFC.