Les travaux présentés dans ce mémoire concernent les composants d'assemblages membrane-électrodes (AMEs) pour électrolyseur à membrane échangeuse de protons (PEM – proton exchange membrane) fonctionnant à moyenne température. L'électrolyse de l'eau PEM, alimentée par l'énergie électrique provenant de sources renouvelables, est une voie pour la production efficace et durable d'hydrogène de haute pureté. De nouveaux électrolytes polymère solides (un des principaux éléments de la cellule d'électrolyse) à double conduction, basés sur un réseau semi-interpénétré créé par le polybenzimidazole sulfoné et l'acide polyphosphonique, ont été étudiés. Les membranes perfluorosulfonées (PFSA) à chaîne latérale courte et le composite PFSA-phosphate de zirconium (ZrP) ont également été étudiés. Les matériaux catalytiques de l'anode à base d'oxyde d'iridium ont été préparés par hydrolyse et calcination. L'oxyde d'iridium (IrO2), les oxydes bimétalliques (Ir/Ru) et ternaires (Ir/Ru/Ta) oxydes ont été étudiés par voie électrochimique dans la gamme de températures comprises entre 20 et 120 °C. Les caractérisations physico-chimiques ont confirmé la formation de structures d'oxyde et l'absence de particules de chlorures ou de métal résiduels. On observe une diminution de la tension de cellule, quelle que soit la densité de courant, lorsque la température augmente. Le catalyseur a été déposé sur la membrane, soit par pulvérisation directe ou par transfert en utilisant un support inerte (décalque). Aucune différence significative n'a été observée en appliquant les deux méthodes de dépôt. Les performances s'améliorent lorsque la température augmente pour tous les échantillons. L'assemblage comprenant une membrane de type PFSA, Aquivion®, de masse équivalente 870 meq.g-1 et d'une épaisseur de 120 µm, a montré de meilleures performances pour l'électrolyse de l'eau à 120 °C comparé à l'assemblage comprenant une membrane composite Aquivion® / ZrP, tandis qu'une membrane de type de polybenzimidazole sulfoné à liaison éther, poly-[(1-(4,4'-diphényléther)-5-oxybenzimidazole)-benzimidazole], a montré des performances prometteuses et aucune limitation de transport jusqu'à 2 A.cm-2. Les meilleurs performances ont été observées à 120 °C pour un assemblage préparé par pulvérisation directe de IrO2 sur une membrane Aquivion®; 1,67 V à 2 A.cm-2. / Preparation and investigation of the main components of membrane electrode assemblies (MEAs) for medium temperature proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) are described in this manuscript. Moderate temperature PEMWE, nourished by electrical energy from renewable sources is a practical path to sustainable generation of hydrogen with high purity and efficiency. Novel solid polymer electrolytes (a key component of the electrolysis cell) with double functionality properties, based on highly sulfonated polybenzimidazole creating a semi-interpenetrating network with a polyphosphonic acid, were investigated. A short side chain perfluorosulfonated acid (PFSA) type membrane and PFSA-zirconium phosphate composite membrane were also studied. The anode catalyst materials based on iridium oxide were prepared using the aqueous hydrolysis method followed by calcination. IrO2, some bimetallic (Ir/Ru) and ternary (Ir/Ru/Ta) oxides were electrochemically investigated in a wide range of temperatures (20-120 °C). The physico-chemical characterisation confirmed the formation of oxide structures, absence of residual chloride or metal particles. All catalysts prepared showed decreasing voltage at any given current density with rising the temperature. Catalyst was deposited on the membrane either directly by spray deposition or by decal transfer. No significant difference was observed using both deposition method. The PEMWE performance was increasing with the temperature. The short-side-chain PFSA - Aquivion® ionomer of equivalent weight 870 meq.g-1, of thickness 120 µm, displayed higher water electrolysis performance at 120 °C than a composite membrane of Aquivion® with zirconium phosphate, while a sulfonated ether-linked polybenzimidazole, sulfonated poly-[(1-(4,4'-diphenylether)-5-oxybenzimidazole)-benzimidazole], showed promising performance and no mass transport limitations up to 2 A.cm-2. The lowest cell voltage was observed at 120 °C for an MEA prepared using spray-coating of IrO2 directly on the Aquivion® membrane, 1.67 V at 2 A.cm-2.

Face à la nécessité d’une réduction drastique des émissions de gaz à effet de serre, le déploiement des piles à combustibles est présenté comme une solution d’avenir. La production d’hydrogène décarbonée est un des enjeux futurs pour permettre une transition énergétique efficace. Dans cette optique, l’électrolyseur à membrane échangeuse de proton (PEMWE), combiné aux sources énergétiques renouvelables, est une technologie intéressante. De nombreux défis sont encore à relever pour permettre une commercialisation de cette technologie, en particulier côté anodique. L’oxyde d’iridium, matériau coûteux et très rare, est utilisé à l’anode pour sa capacité à catalyser le dégagement d’oxygène tout en résistant aux conditions acide et oxydante. Il subit néanmoins des dégradations au cours de son utilisation.Dans ce travail, différentes surfaces modèles d’iridium pour le dégagement d’oxygène ont été étudiées pour comprendre les mécanismes mis en jeu lors des premières étapes d’oxydation de la surface et du dégagement d’oxygène. Après caractérisations par spectroscopie d’impédance électrochimique dynamique (DEIS), technique innovante permettant d’analyser les systèmes dynamiques, les relations structure-activité-stabilité lors du dégagement d’oxygène ont été étudiées en comparant des surfaces modèles d’iridium ((111), (210) et (210) nanostructurée). Les résultats obtenus mettent en évidence qu’après quelques heures à haut potentiel (> 1,6 V vs. Electrode Réversible à Hydrogène), ces surfaces, de structures et compositions chimiques initiales différentes, tendent vers le même état. Enfin, l’étude de films minces d’iridium et de nickel@iridium, modélisant des particules cœur@coquille, a montré qu’après dissolution du nickel initialement présent, une couche poreuse active pour le dégagement d’oxygène est formée. Ces résultats sont prometteurs pour la synthèse de catalyseurs à base d’iridium pour le dégagement de dioxygène. / With the need for a drastic reduction of greenhouse gases, the deployment of fuel cells is one of the considered solutions. Decarbonated hydrogen production is subsequently a major challenge to enable an efficient energetic transition. From this perspective, Proton Exchange Membrane Water Electrolyser (PEMWE) is a technology of interest, especially if coupled with renewable energy sources. Key challenges are still to be addressed before commercializing this technology, in particular at the anode. Iridium oxide, a costly and rare material, is implemented in anodic catalytic layers to catalyse the Oxygen Evolution Reaction (OER) while being resistant to harsh acidic and oxidative conditions. It nonetheless undergoes some degradations.In this work, different iridium model surfaces for the OER where studied to understand mechanisms involved during the first oxidations step and oxygen evolution. After characterisations by Dynamic Electrochemical Impedance Spectroscopy (DEIS), an innovative technique used to study dynamic systems, structure-activity-stability relationships towards the OER were studied by comparing iridium model surfaces ((111), (210) and nanostructured (210)). Results showed that after few hours at high potential (> 1.6 V vs. Reversible Hydrogen Electrode)), these surfaces, with different initial chemical compositions and structures, tend to the same state. Finally, iridium and nickel@iridium thin films were studied, to model core@shell particles. Results indicate that the nickel dissolution lead to the formation of a porous layer more active towards the OER. These findings could help to design active iridium catalysts for the OER.