Développement et caractérisation de nouveaux nanocomposites polymères électriquement conductueurs pour plaques bipolaires de piles à combustible à membrane échangeuse de protons, PEMFC

Face à la diminution des ressources énergétiques et à l’augmentation de la pollution des énergies fossiles, de très nombreuses recherches sont actuellement menées pour produire de l’énergie propre et durable et pour réduire l’utilisation des sources d’énergies fossiles caractérisées par leur production intrinsèque des gaz à effet de serre. La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est une technologie qui prend de plus en plus d’ampleur pour produire l’énergie qui s’inscrit dans un contexte de développement durable. La PEMFC est un dispositif électrochimique qui fonctionne selon le principe inverse de l’électrolyse de l’eau. Elle convertit l’énergie de la réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène (ou l’air) en puissance électrique, chaleur et eau; son seul rejet dans l’atmosphère est de la vapeur d’eau. Une pile de type PEMFC est constituée d’un empilement Électrode-Membrane-Électrode (EME) où la membrane consiste en un électrolyte polymère solide séparant les deux électrodes (l’anode et la cathode). Cet ensemble est intégré entre deux plaques bipolaires (BP) qui permettent de collecter le courant électrique et de distribuer les gaz grâce à des chemins de circulation gravés sur chacune de ses deux faces. La plupart des recherches focalisent sur la PEMFC afin d’améliorer ses performances électriques et sa durabilité et aussi de réduire son coût de production. Ces recherches portent sur le développement et la caractérisation des divers éléments de ce type de pile; y compris les éléments les plus coûteux et les plus massifs, tels que les plaques bipolaires. La conception de ces plaques doit tenir compte de plusieurs paramètres : elles doivent posséder une bonne perméabilité aux gaz et doivent combiner les propriétés de résistance mécanique, de stabilité chimique et thermique ainsi qu’une conductivité électrique élevée. Elles doivent aussi permettre d’évacuer adéquatement la chaleur générée dans le cœur de la cellule. Les plaques bipolaires métalliques sont pénalisées par leur faible résistance à la corrosion et celles en graphite sont fragiles et leur coût de fabrication est élevé (dû aux phases d’usinage des canaux de cheminement des gaz). C’est pourquoi de nombreuses recherches sont orientées vers le développement d’un nouveau concept de plaques bipolaires. La voie la plus prometteuse est de remplacer les matériaux métalliques et le graphite par des composites à matrice polymère. Les plaques bipolaires composites apparaissent attrayantes en raison de leur facilité de mise en œuvre et leur faible coût de production mais nécessitent une amélioration de leurs propriétés électriques et mécaniques, d’où l’objectif principal de cette thèse dans laquelle on propose: i) un matériau nanocomposite développé par extrusion bi-vis qui est à base de polymères chargés d’additifs solides conducteurs, incluant des nanotubes de carbone. ii) fabriquer un prototype de plaque bipolaire à partir de ces matériaux en utilisant le procédé de compression à chaud avec un refroidissement contrôlé. Dans ce projet, deux polymères thermoplastiques ont été utilisés, le polyfluorure de vinylidène (PVDF) et le polyéthylène téréphtalate (PET). Les charges électriquement conductrices sélectionnées sont: le noir de carbone, le graphite et les nanotubes de carbones. La combinaison de ces charges conductrices a été aussi étudiée visant à obtenir des formulations optimisées. La conductivité électrique à travers l’épaisseur des échantillons développés ainsi que leurs propriétés mécaniques ont été soigneusement caractérisées. Les résultats ont montré que non seulement la combinaison entre les charges conductrices influence les propriétés électriques et mécaniques des prototypes développés, mais aussi la distribution de ces charges (qui de son côté dépend de leur nature, leur taille et leurs propriétés de surface), avait aidé à améliorer les propriétés visées. Il a été observé que le traitement de surface des nanotubes de carbone avait aidé à l’amélioration de la conductivité électrique et la résistance mécanique des prototypes. Le taux de cristallinité généré durant le procédé de moulage par compression des prototypes de plaques bipolaires ainsi que la cinétique de cristallisation jouent un rôle important pour l’optimisation des propriétés électriques et mécaniques visées.

Isomérisation du lactose en lactulose en solution modèle de lactose et dans du perméat de lactosérum par électro-activation supportée par échange ionique sur résine

L’isomérisation alcaline du lactose en lactulose a été effectuée électro-chimiquement à l’aide d’un réacteur d’électro-activation en combinaison avec des résines échangeuses d’anions de polystyrène de trois types; à savoir Lewatit VP-OC-1065 faible-acide, Lewatit MP-64 moyenne-acide et Lewatit Monoplus M500 forte-acide. Les paramètres opératoires qui ont fait l’objet de cette étude ont été étudiés sur trois blocs expérimentaux pour optimiser le système. Dans le Premier bloc, les paramètres étudiés sont : (1) ratio lactose-5%(p/v) : résine échangeuse d’anions (1:0.5, 1:1 et 1:2), (2) intensité du champ électrique : 50 mA, 100 mA et 200 mA et (3) type de résines : faible, moyenne et forte. Dans le Deuxième bloc, les paramètres mis à l’étude comprenaient : (1) l’intensité du champ électrique : 300 mA, 450 mA et 550 mA, (2) le débit de la solution traitée : 25 ml / min, 50 ml/ min et 100 ml/min et (3) la surface active de la membrane adjacente au compartiment cathodique : 0.78 cm2, 7.06 cm2 et 18.1 cm2. Le Troisième bloc expérimental a été effectué sur la base de la distance entre la membrane et l’électrode : 3.1 cm, 5.6 cm et 9 cm. Le même modèle expérimental a était également réalisé avec du perméat du lactosérum d’une concentration de 7% (p/v). Les résultats obtenus ont révélé que le meilleur rendement de l’isomérisation du lactose en lactulose était obtenu après 30 minutes d’électroactivation en utilisant une solution modèle de lactose-5% avec une valeur d’environ 20.1%. Les conditions opératoires qui ont permis d’avoir ce taux de conversion sont une intensité du courant de 550 mA, un débit de la solution de 25 ml/min, une surface active de la membrane de 7.06 cm2 et une distance de 9 cm entre la cathode et la membrane qui lui y est adjacente. En utilisant le perméat de lactosérum-7%, un taux de conversion de lactose en lactulose de 8.34% a était obtenu avec une intensité du courant de 200 mA, un débit de 120 ml/min, une surface active de de 18.1cm2 et une distance de 9 cm entre la membrane et l’électrode dans le compartiment cathodique. Les analyses de variance ont indiqué un effet catalytique significatif du type de la résine. En effet, la résine-forte a permis d’avoir les plus hauts rendements de la réaction d’isomérisation par électro-activation. La résistance électrique globale du système d’électroactivation dépendait de la valeur de l’intensité du courant. Le produit final était d’une grande pureté, car il ne présentait que quelques traces de galactose (< 4%).