EP4348736A1 - Membrane echangeuse de protons - Google Patents

Membrane echangeuse de protons

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EP4348736A1
EP4348736A1 EP22734024.7A EP22734024A EP4348736A1 EP 4348736 A1 EP4348736 A1 EP 4348736A1 EP 22734024 A EP22734024 A EP 22734024A EP 4348736 A1 EP4348736 A1 EP 4348736A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
copolymer
film
weight
membrane
phase
Prior art date
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Pending
Application number
EP22734024.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Anthony Bonnet
Samuel Devisme
Hélène MEHEUST
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Arkema France SA
Original Assignee
Arkema France SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Arkema France SA filed Critical Arkema France SA
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Pending legal-status Critical Current

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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a proton exchange membrane, the process for preparing said membrane, and the application of said membrane in fields requiring ion exchange, such as electrochemistry or in the fields of energy.
  • this membrane is used in the design of fuel cell membranes, such as proton conducting membranes for fuel cells operating with Eb/air or H2/O2 (these cells being known by the abbreviation PEMFC for " Proton Exchange Membrane Fuel Cell”) or powered by methanol/air (these cells being known by the abbreviation DMFC for “Direct Methanol Fuel Cell”).
  • a fuel cell is an electrochemical generator, which converts the chemical energy of an oxidation reaction of a fuel in the presence of an oxidizer into electrical energy, heat and water.
  • a fuel cell comprises a plurality of electrochemical cells mounted in series, each cell comprising two electrodes of opposite polarity separated by a proton exchange membrane acting as a solid electrolyte. The membrane ensures the passage towards the cathode of the protons formed during the oxidation of the fuel at the anode.
  • the membranes structure the core of the cell and must therefore have good performance in terms of proton conduction, as well as low permeability to reactant gases (H2/air or H2/O2 for PEMFC cells and methanol/air for DMFC stacks).
  • the properties of the materials constituting the membranes are essentially thermal stability, resistance to hydrolysis and oxidation as well as a certain mechanical flexibility.
  • Membranes commonly used and fulfilling these requirements are membranes obtained from polymers belonging, for example, to the family of polysulfones, polyetherketones, polyphenylenes, polybenzimidazoles.
  • polysulfones polyetherketones
  • polyphenylenes polyphenylenes
  • polybenzimidazoles polybenzimidazoles
  • membranes are based on the chemistry of perfluorinated polymers possessing long or short branches carrying a function. sulfonate. These different polymers have, in addition to their high cost, a low resistance to hydroxide radicals, which limits their durability in a fuel cell type environment and a low mechanical strength. These membranes also have an ionic conductivity/hydrogen permeability ratio that does not make it possible to obtain thin membranes combining high impermeability and high conductivity. On the other hand, membranes of the perfluorinated type have a limitation of use in temperature that does not allow them to operate at temperatures above 80° C. for long periods of time.
  • Ion-conducting membranes produced by radiation-induced grafting are another option to improve their chemical stability.
  • the radiation grafting reaction is controlled by the diffusion of the monomers into the film and the polymerization reactions of the monomers. The reaction begins at the surface of the irradiated film and gradually moves into the bulk of the film.
  • Films based on ethylene tetrafluoroethylene (ETFE), fluorinated ethylene-propylene (FEP), ethylene-chlorotrifluoroethylene (ECTFE) have been described, in particular for amphoteric ion exchange membranes.
  • the inventors have developed a membrane having a very particular morphology obtained starting from a copolymer based on vinylidene fluoride.
  • the invention relates to a proton-exchange polymer electrolyte membrane, said membrane consisting of a base film of irradiated vinylidene fluoride (VDF) copolymer on which are grafted a styrenic monomer and a nitrile monomer, said film bearing proton exchange sulfonate groups covalently bonded to the VDF copolymer.
  • VDF irradiated vinylidene fluoride
  • This VDF copolymer is first transformed into a film, by all the techniques known to those skilled in the art, extrusion blow molding, flat extrusion but also, for example, the manufacture of film by a solvent process.
  • the film thus obtained has a morphology of the co-continuous type, with a very crystalline phase rich in VDF which can contain up to 10% of comonomer, and an amorphous or quasi-amorphous phase based on a VDF copolymer containing more than 5% of comonomer, and up to 35% comonomer.
  • the invention relates to a method for manufacturing the proton-exchange polymer electrolyte membrane, said method comprising the grafting of an irradiated film made of VDF copolymer with a mixture of styrenic and nitrile monomers, followed by a post treatment of the film thus irradiated and grafted by sulfonation.
  • the invention relates to the applications of the proton exchange polymer electrolyte membrane, to the following fields:
  • fuel cells for example, fuel cells operating with Fb/air or H2/O2 or operating with methanol/air;
  • the present invention makes it possible to overcome the drawbacks of the state of the art. More specifically, it provides technology that makes it possible to:
  • the invention relates to a proton exchange polymer electrolyte membrane, said membrane consisting of a base film of vinylidene fluoride copolymer on which are grafted by irradiation a styrenic monomer and a nitrile monomer, said film carrying groups proton exchange sulfonates covalently bonded to the VDF copolymer, said copolymer having a continuous co-type heterogeneous structure.
  • said electrode comprises the following characters, possibly combined. The contents indicated are expressed by weight, unless otherwise indicated.
  • the styrenic monomer/nitrilic monomer molar ratio varies from 0.7 to 1.3.
  • the vinylidene fluoride copolymer of the invention is a melt-processable heterogeneous thermoplastic copolymer, and comprises two or more co-continuous phases, said co-continuous phases comprising: a) from 25 to 50% by weight of a co-continuous first phase comprising 90 to 100% by weight of vinylidene fluoride monomer units and 0 to 10% by weight of units of at least one other fluorinated monomer, and b) more than 50% by weight to 75% by weight of a second co-continuous phase comprising from 65 to 95% by weight of vinylidene fluoride monomer units and one or more co-monomers chosen from the group consisting of hexafluoropropylene and perfluorovinyl ether to cause phase separation of the co-continuous second phase from the continuous first phase.
  • co-continuous phases comprising: a) from 25 to 50% by weight of a co-continuous first phase comprising 90 to 100% by weight of vinylidene fluoride monomer units and
  • Said heterogeneous copolymer contains two or more phases which produce a co-continuous structure in the solid state.
  • the co-continuous phases are distinct from each other and can be observed under a scanning electron microscope (SEM).
  • SEM scanning electron microscope
  • the heterogeneous copolymers according to the invention differ from homogeneous copolymers, which comprise a single phase.
  • the first co-continuous phase is rich in vinylidene fluoride monomer units, containing at least 90% by weight, and preferably at least 98% by weight of vinylidene fluoride monomer units.
  • the co-continuous first phase is a polyvinylidene fluoride (PVDF) homopolymer.
  • the first co-continuous phase is a copolymer, it can be formed from one or more other fluorinated monomers chosen from the group: hexafluoropropene, tetrafluoroethylene, trifluoroethylene, chlorotrifluoroethylene, vinyl fluoride, pentafluoropropene, perfluoromethyl vinyl ether, and perfluoropropyl vinyl ether.
  • the comonomer is the same as the primary comonomer in the second co-continuous phase, then no more than 10% of that comonomer can be present in the first co-continuous phase, since the polymers in the phases must be different enough to form thermodynamically separated phases.
  • the difference in the level of a common comonomer between the first and second phase copolymers should be at least 10% absolute.
  • the second phase containing a copolymer will thermodynamically separate from the first phase to form a heterogeneous composition having a co-continuous structure.
  • the copolymer contains an effective amount of a comonomer chosen from hexafluropropylene (HFP) and perfluroalkyl ethers (PAVE), chlorotrifluoroethylene (CTFE), trifluoroethylene, with a majority (more than 50% by weight) of monomer units vinylidene fluoride.
  • the second co-continuous phase contains at least 1% by weight of HFP or PAVE.
  • the copolymer may also contain other comonomers which are copolymerizable with the VDF.
  • the effective amount of comonomer is that which allows the copolymer to form a separate phase distinct from the first phase.
  • an effective amount in the second phase polymer is 5 to 35 wt%, preferably 15 to 33 wt%, and more preferably 26 to 31 wt%.
  • a preferred perfluoroalkyl vinyl ether is perfluoromethyl vinyl ether.
  • the co-continuous copolymer contains from 2.5 to 31% by weight of HFP and/or PAVE, more preferably more than 2.5 to 26% by weight, and more preferably from 13 to 23% by weight, based on of the total amount of all monomers.
  • said membrane consisting of a base film of vinylidene fluoride copolymer, said copolymer comprising a very crystalline phase rich in VDF which may contain up to 10% of HFP and an amorphous phase based on a copolymer of VDF-HFP containing more than 5% HFP and up to 35% HFP, based on the total weight of the copolymer.
  • the heterogeneous copolymers forming the base film of the membrane according to the invention can be synthesized according to the method described in document WO 2016/130413, which comprises the steps consisting in: a) loading into a reactor an initial charge comprising water, a surfactant, vinylidene fluoride, and an initiator; b) initiating the polymerization; c) charging the reactor with a feed comprising vinylidene fluoride and an initiator until 25 to less than 50% by weight of the total weight of vinylidene fluoride to be used in the reaction has been charged to the reactor, to form a first phase polymer; d) adding to the reactor a comonomer selected from the group consisting of hexafluoropropylene and perfluoroalkylvinyl ether in an amount effective to cause phase separation of the vinylidene fluoride copolymer formed as the second phase copolymer from the first phase polymer ; e) continuing to feed vinylidene fluoride and initi
  • This copolymer is transformed into a film, by all the techniques known to those skilled in the art: extrusion blow molding, flat extrusion but also, for example, the manufacture of film by a solvent process.
  • the film has a thickness ranging from 5 to 150 ⁇ m and preferably between 15 and 120 ⁇ m.
  • the invention relates to a method for manufacturing the proton-exchange polymer electrolyte membrane, said method comprising the radiation grafting of a VDF copolymer film with a mixture of styrenic and nitrile monomers, followed by a post treatment of the film thus irradiated and grafted by sulfonation.
  • the base film described above is first exposed to ionizing radiation to introduce active sites.
  • the film is irradiated by a source of the electron beam, gamma ray or X-ray type, at a dose of between 25 and 150 kgray and preferably between 50 and 125 kgray. Irradiation is done under vacuum, air or nitrogen.
  • the irradiated base polymer is then exposed to a monomer mixture comprising a styrene monomer and a nitrile monomer.
  • said styrenic monomer of alpha-alkyl styrene type with the alkyl group chosen from: methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, and hexyl.
  • said styrene monomer is chosen from the group: a-methylstyrene, a-fluorostyrene, a-bromostyrene, a-methoxystyrene, and a, b, b-trifluorostyrene.
  • said styrenic monomer is Ga-methylstyrene (AMS).
  • said nitrile monomer is chosen from the group: acrylonitrile, 2-methyl-2-butenenitrile, 2-methylene glutaronitrile and methylacrylonitrile.
  • the film is passed through an isopropanol bath at 60° C. containing between 30 and 50% alpha methyl styrene and between 30 and 50% methylene glutaronitrile before being rinsed with isopropanol.
  • said nitrile monomer is 2-methylene glutaronitrile (MGN).
  • the base film described above is irradiated in the presence of a mixture of monomers comprising said styrenic monomer and said nitrile monomer.
  • the film is irradiated by a source of the electron beam, gamma ray or X-ray type, at a dose of between 25 and 150 kgray and preferably between 50 and 125 kgray. Irradiation is done under vacuum, air or nitrogen.
  • the grafted film is then subjected to a post-functionalization reaction with chlorosulfonic acid, followed by hydrolysis in water or an alkaline solution. This makes it possible to introduce the -SO3H cation exchange function on the film.
  • the grafted film carrying the covalently linked -SO3H functions is then rinsed with distilled water until the rinse water is at neutral pH before being hydrolyzed at 80°C then air dried.
  • the film thus produced sees its thickness and its weight increase from 30% to 80%.
  • IR transmission infrared
  • the ion exchange capacity (IEC) of the electrolyte membrane is greater than 0.6 mmol/g.
  • ion exchange capacity is then calculated according to the equation below: where h( ⁇ ) is the number of moles of protons, Wdry is the mass of the dry membrane in its H + form, c(KOH) the KOH concentration, V(KOH) the volume of the KOH solution added for the titration, WK the mass of the dried membrane in its K + form, M(K + ) and M(H + ) the molar masses of K + and H + , respectively.
  • the hydrogen permeability of the electrolyte membrane according to the invention is less than 2 mA/cm 2 .
  • the membrane is placed in a cell of a fuel cell then a flow of hydrogen is applied to the cathode while a flow of nitrogen is applied to the anode. A potential is then applied to both sides and the current obtained by the transport of hydrogen through the membrane is measured.
  • the hydrogen permeability of the electrolyte membrane according to the invention is less than 2 ⁇ 10 2 mL/min.cm 2 .
  • the membrane is placed in a cell of a permeameter coupled to a gas phase chromatograph.
  • the permeameter cell is purged with helium then a flow of hydrogen is applied to the upper face of the membrane at a pressure of 0.1 MPa.
  • the flux of hydrogen which diffuses through the membrane in the lower part is then measured by gas chromatography.
  • DMA dynamic mechanics analysis
  • the invention relates to the applications of the proton exchange polymer electrolyte membrane, to the following fields:
  • - fuel cells for example, fuel cells operating with LL/air or H2/O2 or operating on methanol/air;
  • the polymer electrolyte membrane is intended to be inserted into a fuel cell device within an electrode-membrane-electrode assembly.
  • membranes are advantageously in the form of thin films, having, for example, a thickness of 10 to 200 micrometers.
  • the membrane can be placed between two electrodes.
  • the assembly formed of the membrane placed between the two electrodes is then pressed at an appropriate temperature in order to obtain good electrode-membrane adhesion.
  • the electrode-membrane-electrode assembly is then placed between two plates providing electrical conduction and the supply of reagents to the electrodes. These plates are commonly referred to as bipolar plates.

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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 Eb/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/O2 pour 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) constitutifs) 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 synthétisées in situ au 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.
RESUME DE L’INVENTION Pour pallier les inconvénients susmentionnés, les inventeurs ont mis au point une d’une membrane présentant une morphologie très particulière obtenue en partant d’un copolymère à base de fluorure de vinylidène.
Selon un premier aspect, l’invention a trait à une membrane électrolyte polymère échangeuse de protons, ladite membrane consistant en un film de base en copolymère de fluorure de vinylidène (VDF) irradié sur lequel sont greffés un monomère styrénique et un monomère nitrilique, ledit film portant des groupes sulfonates échangeurs de protons liés de façon covalente au copolymère de VDF.
Ce copolymère de VDF est d’abord transformé sous forme de film, 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 solvantée. Le film ainsi obtenu présente une morphologie de type co-continue, avec une phase très cristalline riche en VDF pouvant contenir jusqu’à 10% de comonomère, et une phase amorphe ou quasi amorphe basée sur un copolymère de VDF contenant plus de 5% de comonomère, et jusqu’à 35% de comonomère.
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication de la membrane électrolyte polymère échangeuse de protons, ledit procédé comprenant le greffage d’un film irradié en copolymère de VDF avec un mélange des monomères styréniques et nitriliques, suivi d’un post traitement du film ainsi irradié et greffé par sulfonation.
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 Fb/air ou H2/O2 ou 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 hydroxides 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 une membrane électrolyte polymère échangeuse de protons, ladite membrane consistant en un film de base en copolymère de fluorure de vinylidène sur lequel sont greffés par irradiation un monomère styrénique et un monomère nitrilique, ledit film portant des groupes sulfonates échangeurs de protons liés de façon covalente au copolymère de VDF, ledit copolymère présentant une structure hétérogène de type co continue.
Selon diverses réalisations, ladite électrode comprend les caractères suivants, le cas échéant combinés. Les teneurs indiquées sont exprimées en poids, sauf si indiqué autrement.
Selon un mode de réalisation, le ratio molaire monomère styrénique / monomère nitrilique varie de 0,7 à 1,3.
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.
La première phase co-continue est riche en unités monomères de fluorure de vinylidène, contenant au moins 90% en poids, et de préférence au moins 98% en poids d’unités monomères de fluorure de vinylidène. Dans un mode de réalisation, la première phase co-continue est un homopolymère de polyfluorure de vinylidène (PVDF).
Si la première phase co-continue est un copolymère, elle peut être formée d’un ou plusieurs autres monomères choisis fluorés dans le groupe : hexafluoropropène, tétrafluoroéthylène, trifluoroéthylène, chlorotrifluoroéthylène, fluorure de vinyle, pentafluoropropène, perfluoromethyl vinyl éther, et perfluoropropyl vinyl éther.
Si le comonomère est le même que le comonomère primaire dans la seconde phase co continue, alors pas plus de 10% de ce comonomère ne peut être présent dans la première phase co-continue, puisque les polymères dans les phases doivent être suffisamment différents pour former des phases séparées thermodynamiquement. Dans un mode de réalisation, la différence du niveau d'un comonomère commun entre les copolymères de la première et de la deuxième phase doit être d’au moins 10 % en valeur absolue.
La seconde phase contenant un copolymère se séparera thermodynamiquement de la première phase pour former une composition hétérogène ayant une structure co-continue. Le copolymère contient une quantité efficace d’un comonomère choisi parmi l'hexafluropropylène (HFP) et les éthers perfluroalkyliques (PAVE), le chlorotrifluoroéthylène (CTFE), le trifluoroéthylène, avec une majorité (plus de 50 % en poids) d’unités monomères de fluorure de vinylidène. De préférence, la deuxième phase co-continue contient au moins 1% en poids d’HFP ou de PAVE. Le copolymère peut également contenir d'autres co-monomères qui sont copolymérisables avec le VDF.
La quantité efficace de comonomère est celle qui permet au copolymère de former une phase séparée distincte de la première phase. Lorsque le comonomère est l’HFP, une quantité efficace dans le polymère de seconde phase est de 5 à 35% en poids, de préférence de 15 à 33 % en poids, et plus préférablement de 26 à 31% en poids. Les éthers perfluoroalkyliques utiles dans l’invention sont ceux ayant la structure : CF2=CF-0-Rf, où Rf est un ou plusieurs groupes perfluoroalkyle choisis parmi -CF3, -CF2CF3 et -CF2CF2CF3. Un éther vinylique perfluoroalkyle préféré est l'éther vinylique perfluorométhylique.
Le copolymère co-continu contient de 2,5 à 31% en poids de HFP et/ou PAVE, plus préférablement de plus de 2,5 à 26% en poids, et plus préférablement de 13 à 23% en poids, sur la base de la quantité totale de tous les monomères.
Selon un mode de réalisation, ladite membrane consistant en un film de base en copolymère de fluorure de vinylidène, ledit copolymère comprenant une phase très cristalline riche en VDF pouvant contenir jusqu’à 10% d’HFP et une phase amorphe basée sur un copolymère de VDF-HFP contenant plus de 5% d’HFP et jusqu’à 35% d’HFP, sur la base du poids total du copolymère.
Les copolymères hétérogènes formant le film de base de la membrane selon l’invention peuvent être synthétisés selon le procédé décrit dans le document WO 2016/130413, qui comprend les étapes consistant à : a) charger dans un réacteur une charge initiale comprenant de l'eau, un agent tensioactif, du fluorure de vinylidène, et un initiateur ; b) amorcer la polymérisation ; c) introduire dans le réacteur une charge comprenant du fluorure de vinylidène et un initiateur jusqu'à ce que 25 à moins de 50% en poids du poids total de fluorure de vinylidène à utiliser dans la réaction ait été introduit dans le réacteur, pour former un polymère de première phase ; d) ajouter au réacteur un comonomère choisi dans le groupe constitué par l’hexafluoropropylène et l’éther perfluoroalkylvinylique en une quantité efficace pour provoquer la séparation de phase du copolymère de fluorure de vinylidène formé en tant que copolymère de seconde phase du polymère de première phase ; e) continuer l’alimentation en fluorure de vinylidène et en initiateur jusqu'à ce que tout le fluorure de vinylidène ait été ajouté au réacteur, pour former une composition de copolymère de polyvinylidène hétérogène et co-continue ; et f) retirer du réacteur la composition de copolymère de polyfluorure de vinylidène co continue.
Ce copolymère est transformé sous forme de film, 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 solvantée.
Selon un mode de réalisation, le film présente une épaisseur allant de 5 à 150 pm et de façon préférable entre 15 et 120 pm.
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication de la membrane électrolyte polymère échangeuse de protons, ledit procédé comprenant le greffage par irradiation d’un film en copolymère de VDF avec un mélange des monomères styréniques et nitriliques, suivi d’un post traitement du film ainsi irradié et greffé par sulfonation.
Selon un mode de réalisation, afin de préparer la membrane électrolyte selon l’invention, le film de base décrit ci-dessus est d’abord exposé à un rayonnement ionisant pour introduire des sites actifs. Le film est irradié 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 50 et 125 kgray. L’irradiation se fait sous vide, sous air ou sous azote. Le polymère de base irradié est ensuite exposé à 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 : a- méthylstyrène, a-fluorostyrène, a-bromostyrène, a-méthoxystyrène, et a, b, b-trifluorostyrène.
Selon un mode de réalisation, ledit monomère styrénique est Ga-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, le film est passé dans un bain d’isopropanol à 60°C contenant entre 30 et 50% d’alpha méthyl styrène et entre 30 et 50% de méthylène glutaronitrile avant d’être rincé à l’isopropanol.
Selon un mode de réalisation, ledit monomère nitrilique est le 2-méthylène glutaronitrile (MGN).
Selon un mode de réalisation, le film de base décrit ci-dessus est irradié en présence d’un mélange de monomères comprenant ledit monomère styrénique et ledit monomère nitrilique. Le film est irradié 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 50 et 125 kgray. L’irradiation se fait sous vide, sous air ou sous azote.
Le film greffé est ensuite soumis 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 film la fonction -SO3H échangeuse de cations.
Selon un mode de réalisation, le film greffé portant les fonctions -SO3H liées de façon covalente est ensuite rincé à l’eau distillé jusqu’à ce que l’eau de rinçage soit à pH neutre avant d’être hydrolysé à 80°C puis séché à l’air. Le film ainsi réalisé voit son épaisseur et son poids augmenter de 30% à 80%.
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 compris entre 25 et 55%, de préférence entre 35% et 50%.
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 KC1 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 : où h(\ ) est le nombre de moles de protons, Wdry est 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 molaires de K+ et H+, respectivement.
Avantageusement, selon un mode de réalisation, 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 par le transport de l’hydrogène à travers la membrane est mesuré.
Avantageusement, selon un mode de réalisation, la perméabilité à l’hydrogène de la membrane électrolyte selon l’invention est inférieure à 2xl02 mL/min.cm2. Pour cette mesure, la membrane est placée dans une cellule d’un perméamètre couplé à chromatographe en phase gazeux. La cellule du perméamètre est purgée à l’hélium puis un flux d’hydrogène est appliqué sur la face supérieure de la membrane à une pression de 0,1 Mpa. Le flux d’hydrogène qui diffuse à travers la membrane dans la partie inférieure est ensuite mesurée par chromatographie en phase gazeuse.
L’analyse de la mécanique dynamique (DMA) entre -40°C et 140°C montre que la membrane ne présente pas de fusion, ce qui permet une utilisation à des températures plus élevées que pour les membranes connues, notamment à des températures supérieures à 80°C. 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 30 mhi, est supérieur à 100%.
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 LL/air ou H2/O2 ou 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

REVENDICATIONS
1. Membrane électrolyte polymère échangeuse de protons, ladite membrane consistant en un film de base en copolymère de fluorure de vinylidène irradié sur lequel sont greffés un monomère stryrénique et un monomère nitrilique, ledit film portant des groupes sulfonates échangeurs de protons liés de façon covalente au copolymère de VDF, ledit copolymère présentant une structure hétérogène de type co-continue.
2. Membrane selon la revendication 1, dans laquelle le copolymère de fluorure de vinylidène 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.
3. Membrane selon la revendication 2, dans laquelle ladite première phase co-continue contient au moins 90% en poids, et de préférence au moins 98% en poids d’unités monomères de fluorure de vinylidène, et un ou plusieurs autres monomères choisis fluorés dans le groupe : hexafluoropropène, tétrafluoroéthylène, trifluoroéthylène, chlorotrifluoroéthylène, fluorure de vinyle, pentafluoropropène, perfluoromethyl vinyl éther, et perfluoropropyl vinyl éther.
4. Membrane selon l’une des revendications 2 ou 3, dans laquelle ledit copolymère comprend une phase très cristalline riche en VDF pouvant contenir jusqu’à 10% d’HFP et une phase amorphe basée sur un copolymère de VDF-HFP contenant plus de 5% d’HFP et jusqu’à 35% d’HFP, sur la base du poids total du copolymère.
5. Membrane selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle ledit film est greffé avec l’a- méthylstyrène et le 2-methylène glutaronitrile, et est fonctionnalisé avec de l'acide chlorosulfonique.
6. Membrane selon l’une des revendications 1 à 5, dans laquelle le ratio molaire monomère styrénique / monomère nitrilique varie de 0,7 à 1,3.
7. Membrane selon l’une des revendications 1 à 6, ayant une perméabilité à l’hydrogène inférieure à 2xl02 mL/min.cm2.
8. Membrane selon l’une des revendications 1 à 7, 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.
9. Procédé de fabrication de la membrane électrolyte polymère échangeuse de protons selon l’une des revendications 1 à 8, ledit procédé comprenant le greffage dudit film en copolymère de VDF irradié avec un mélange des monomères styréniques et nitriliques, suivi d’un post traitement du film ainsi irradié et greffé par sulfonation.
10. Procédé selon la revendication 9, comprenant les étapes suivantes :
- exposer ledit film à un rayonnement ionisant choisi parmi les faisceaux d'électrons, rayons gamma, ou rayons X ;
- exposer le film irradié à un mélange de monomères comprenant un monomère styrénique choisi dans le groupe : a-méthylstyrène, a-fluorostyrène, a-bromostyrène, a-méthoxystyrène, et a, b, b-trifluorostyrène, et un monomère nitrilique choisi dans le groupe : acrylonitrile, 2- méthyl-2-butènenitrile, 2- éethylène glutaronitrile et méthylacrylonitrile ;
- soumettre le film greffé à une réaction de post-fonctionnalisation avec de l'acide chlorosulfonique, suivie de l’hydrolyse dans l’eau ou une solution alcaline.
11. Pile à combustible comprenant une membrane telle que définie dans une des revendications 1 à 8.
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