The subject of this thesis relates to the design of new polymer electrolytes for battery and fuel cell applications. Classical Molecular Dynamics (MD) modelling studies are reported of the nano-structure and the local structure and dynamics for two types of polymer electrolyte host: poly(ethylene oxide) (PEO) for lithium batteries and perfluorosulfonic acid (PFSA) for polymer-based fuel cells. Both polymers have been modified by side-chain substitution, and the effect of this on charge-carrier transport has been investigated. The PEO system contains a 89-343 EO-unit backbone with 3-15 EO-unit side-chains, separated by 5-50 EO backbone units, for LiPF6 salt concentrations corresponding to Li:EO ratios of 1:10 and 1:30; the PFSA systems correspond to commercial Nafion®, Hyflon® (Dow®) and Aciplex® fuel-cell membranes, where the major differences again lie in the side-chain lengths. The PEO mobility is clearly enhanced by the introduction of side-chains, but is decreased on insertion of Li salts; mobilities differ by a factor of 2-3. At the higher Li concentration, many short side-chains (3-5 EO-units) give the highest ion mobility, while the mobility was greatest for side-chain lengths of 7-9 EO units at the lower concentration. A picture emerges of optimal Li+-ion mobility correlating with an optimal number of Li+ ions in the vicinity of mobile polymer segments, yet not involved in significant cross-linkages within the polymer host. Mobility in the PFSA-systems is promoted by higher water content. The influence of different side-chain lengths on local structure was minor, with Hyflon® displaying a somewhat lower degree of phase separation than Nafion®. Furthermore, the velocities of the water molecules and hydronium ions increase steadily from the polymer backbone/water interface towards the centre of the proton-conducting water channels. Because of its shorter side-chain length, the number of hydronium ions in the water channels is ~50% higher in Hyflon® than in Nafion® beyond the sulphonate end-groups; their hydronium-ion velocities are also ~10% higher. MD simulation has thus been shown to be a valuable tool to achieve better understanding of how to promote charge-carrier transport in polymer electrolyte hosts. Side-chains are shown to play a fundamental rôle in promoting local dynamics and influencing the nano-structure of these materials.

The proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is a potential electrochemicalpower device for vehicles, auxiliary power units and small-scale power plants. In themembrane electrode assembly (MEA), which is the core of the PEMFC single cell,oxygen in air and hydrogen electrochemically react on separate sides of a membraneand electrical energy is generated. The main challenges of the technology are associatedwith cost and lifetime. To meet these demands, firstly, the component expensesought to be reduced. Secondly, enabling system operation at elevated temperatures,i.e. up to 120 °C, would decrease the complexity of the system and subsequentlyresult in decreased system cost. These aspects and the demand for sufficientlifetime are the strong motives for development of new materials in the field.In this thesis, MEAs based on alternative materials are investigatedwith focus on hydrocarbon proton-conducting polymers, i.e. ionomers, and newcatalyst supports. The materials are evaluated by electrochemical methods, such ascyclic voltammetry, polarisation and impedance measurements; morphological studiesare also undertaken. The choice of ionomers, used in the porous electrodes andmembrane, is crucial in the development of high-performing stable MEAs for dynamicoperating conditions. The MEAs are optimised in terms of electrode compositionand preparation, as these parameters influence the electrode structure andthus the MEA performance. The successfully developed MEAs, based on the hydrocarbonionomer sulfonated polysulfone (sPSU), show promising fuel cell performancein a wide temperature range. Yet, these membranes induce mass-transportlimitations in the electrodes, resulting in deteriorated MEA performance. Further,the structure of the hydrated membranes is examined by nuclear magnetic resonancecryoporometry, revealing a relation between water domain size distributionand mechanical stability of the sPSU membranes. The sPSU electrodes possessproperties similar to those of the Nafion electrode, resulting in high fuel cell performancewhen combined with a high-performing membrane. Also, new catalystsupports are investigated; composite electrodes, in which deposition of platinum(Pt) onto titanium dioxide reduces the direct contact between Pt and carbon, showpromising performance and ex-situ stability. Use of graphitised carbon as catalystsupport improves the electrode stability as revealed by a fuel cell degradation study.The thesis reveals the importance of a precise MEA developmentstrategy, involving a broad methodology for investigating new materials both as integratedMEAs and as separate components. As the MEA components and processesinteract, a holistic approach is required to enable successful design of newMEAs and ultimately development of high-performing low-cost PEMFC systems. / QC 20100922

Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) permettent de convertir efficacement de l'énergie chimique en électricité. Pour cela l'hydrogène s'oxyde sur une des électrodes de la pile, les protons ainsi créés traversent l'électrolyte (membrane) tandis que les électrons parcourant le circuit extérieur fournissent l'énergie électrique. Tous ces éléments se recombinent à la seconde électrode qui, à l'aide de la réduction de l'oxygène, va former de l'eau. Le rendement n'étant pas parfait, une partie de l'énergie des réactifs est aussi dégradée sous forme de chaleur. Malgré de récents progrès, la commercialisation à grande échelle des piles à combustible est toujours entravée par des problèmes de durabilité, liés notamment à la gestion de l'eau et de la température au sein de ce système. Afin de quantifier le comportement thermique et son effet sur le transport de l'eau, une pile à combustible a été instrumentée, permettant la mesure de la température aux électrodes, des flux de chaleur et d'eau. Les résultats montrent que de forts gradients de température (jusqu'à environ 30 K/mm) peuvent exister pour une pile fonctionnant dans des conditions standard. Il a été observé une nette influence du champ de température dans le cœur de pile sur le transport de l'eau qui se fait vers la partie la plus froide de la pile (généralement les canaux d'alimentation), l'eau traversant les couches de diffusion poreuses sous forme vapeur dans nos conditions expérimentales.

Fuel cells have the potential to change the energy paradigm by allowing more efficient use of energy. In particular, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC) are interesting because they are low temperature devices. However, there are still numerous challenges limiting their widespread use including operating temperature, types of permissible fuels and optimal use of expensive catalysts. The first two problems are related mainly to the ionomer electrolyte, which largely determines the operating temperature and fuel type. While new ionomer membranes have been proposed to address some of these issues, there is still a lack of fundamental knowledge to guide ionomer design for PEMFC. This work is a computational study of the effect of temperature and water content on sulfonated poly(ether ether ketone) and the effect of acidity on sulfonated polystyrene to better understand how ionomer material properties differ. In particular we found that increased water content preferentially solvates the sulfonate groups and improves water and hydronium transport. However, we found that increasing an ionomer’s acid strength causes similar effects to increasing the water content. Finally, we used Density Functional Theory (DFT) to study platinum nano-clusters as used in PEMFCs. We developed a model using the atom’s coordination number to quickly compute the energy of a cluster and therefore predict which platinum atoms are most loosely held. Our model correctly predicted the energy of various clusters compared to DFT. Also, we studied the interaction between the various moieties of the electrolyte including the catalyst particle and developed a force field. The coordination model can be used in a molecular dynamics simulation of the three phase region of a PEMFC to generate unbiased initial clusters. The force field developed can be used to describe the interaction between this generated cluster and the electrolyte.

Ce travail de thèse s'est intéressé aux mécanismes de dégradation de nanoparticules de Pt supportées sur carbone utilisées pour catalyser les réactions électrochimiques dans une pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) et à leur conséquences d'un point de vue cinétique. Nous avons mis en évidence les différents mécanismes (maturation d'Ostwald 3D, corrosion du support carboné, migration/agrégation des cristallites métalliques) conduisant à une perte de surface active électrochimiquement et avons trouvé des conditions permettent d'isoler chacun de ces mécanismes. En premier lieu, nous avons montré que les nanoparticules de Pt supportées sur carbone ne sont pas immobiles mais agrègent en conditions réactionnelles notamment en présence de molécules réductrices. La vitesse de ce processus varie dans l'ordre CO > CH3OH > H2 et a été reliée à (i) la baisse du travail d'adhésion engendrée par la chimisorption de ces molécules et (ii) la réduction des groupements oxygénés présents sur le support carboné natif.Nous nous sommes également intéressés au mécanisme d'électrooxydation électrochimique du Vulcan XC72, un noir de carbone classiquement utilisé dans les couches catalytiques de PEMFC. Des mesures par spectroscopie Raman ont montré que les domaines désordonnés du Vulcan XC72 (non-graphitiques, hybridation sp3) sont corrodés de façon préférentielle dans des conditions expérimentales proches de celles d'une cathode de PEMFC. Les domaines ordonnés du support carboné (carbone graphitique, hybridation sp2) sont également corrodés, la vitesse de ce processus étant largement inférieure à ce qui est observé sur les domaines désordonnés. En conséquence, les nanoparticules de Pt se détachent ou agglomèrent comme le révèlent des expériences de microscopie électronique en transmission couplées à l'électrochimie. L'ensemble de ces mécanismes de dégradation conduit à un abaissement de la densité du nombre de particules métalliques et augmente la distance entre ces dernières. Dans le chapitre IV, nous montrons que des électrocatalyseurs Pt/Sibunit electrocatalysts possédant (i) un faible chargement massique en Pt, et (ii) de grandes distances inter-particules présentant une faible activité pour la réduction du dioxygène de l'air. Le nombre moyen d'électrons transférés par molécule de dioxygène décroît bien sous la valeur théorique de 4 lorsque l'épaisseur de la couche catalytique ou le chargement massique diminue. Nous avons relié cela à un transport et à une ré-adsorption plus difficiles des intermédiaires réactionnels notamment le péroxyde d'hydrogène. Une diminution du nombre de sites catalytiques peut également engendrer une limitation des cinétiques réactionnelles par l'adsorption de l'oxygène. Au vu de l'ensemble des résultats précédents, nous avons conclu que des cristallites de plus grande taille permettraient d'améliorer la durabilité des matériaux contenus dans les couches catalytiques de PEMFC. Des nano-fils de Pt (NWs) avec une taille moyenne de cristallite de 2,1 ± 0,2 nm ont été synthétisés. Nous avons montré que la morphologie du matériau joue un rôle conséquent à la fois en termes d'activité électrocatalytique et de durabilité : les matériaux Pt NWs/C permettent une réduction de prêt de 170 mV de la surtension d'oxydation d'une monocouche de monoxyde de carbone et possèdent une activité catalytique élevée et stable pour l'électrooxydation du méthanol. Cette dernière a été attribuée à (i) l'augmentation de la masse des cristallites de Pt résultant de l'augmentation en taille (nanoparticules à nano-fils) et (ii) une surface de contact élevée avec le support carboné. Ces matériaux possèdent un potentiel intéressant pour résoudre les problèmes de durabilité rencontrés avec les matériaux 0D utilisés de façon conventionnelle.

Les membranes à base de liquides ioniques à conduction protonique (PCIL) sont très prometteuses comme électrolytes des piles à combustible haute température (HT- PEMFC) du fait de leur forte conductivité et stabilité à des températures supérieures à 100°C. L'objectif de cette thèse est de réaliser une étude approfondie sur l'évolution de la morphologie et des propriétés fonctionnelles, des membranes à base de liquides ioniques, avec i) la concentration en PCIL, ii) la méthode d'élaboration et iii) la structure chimique du PCIL. Afin de prouver la potentialité de ces membranes dans le HT-PEMFC, des tests préliminaires en pile sont réalisés et les phénomènes de dégradation des PCIL et des membranes en présence de peroxyde d'hydrogène sont étudiés. La première partie de ce travail est focalisée sur la caractérisation des membranes de Nafion® neutralisées avec le triéthylamine (Nafion-TEA) et gonflées avec triflate de triéthylammonium (TFTEA). Il a été montré que dans le Nafion-TEA sec, les cations présentent une organisation de type " string like " à l'interface hydrophobe-hydrophile. L'introduction du TFTEA dans la membrane Nafion-TEA ne détruit pas sa nano-structuration, mais augmente de manière significative la conductivité ionique du système. La deuxième partie de ce travail nous a permis d'établir que les membranes dopées élaborées par coulée-évaporation présentent une meilleure organisation et une meilleure tenue thermomécanique par rapport à celles obtenues par gonflement. La troisième partie de ce travail est focalisée sur l'étude de l'impact de la nature chimique du PCIL sur la morphologie et les propriétés fonctionnelles des membranes de Nafion-TEA. Il a été démontré que les PCILs avec longues chaînes perfluorées ne modifient pas la nano-structuration du Nafion-TEA. Ceci a un impact fort sur les propriétés de conductivité, de sorption d'eau et sur les propriétés thermomécaniques de la membrane. Dans la dernière partie, des Ionomères aromatiques ont été synthétisés afin de remplacer le Nafion-TEA. Malgré la structure similaire de la chaîne latérale des Ionomères aromatiques et du Nafion®, les membranes à base d'Ionomères aromatiques et TFTEA ne présentent aucune nano-structuration. De plus l'effet plastifiant du TFTEA est plus notable dans le cas des Ionomères aromatiques probablement du fait d'une distribution aléatoire des fonctions ioniques dans la membrane polymère.

Nous avons étudié les mécanismes de dégradation de catalyseurs Pt3Co/C en conditions réelles (stacks 16 cellules, hydrogène/air, stationnaire et intermittent, t > 1000 heures). Des modifications de la structure atomique, de la morphologie et de la composition chimique des catalyseurs ont été mises en évidence grâce à des techniques à résolution atomique, tels que la microscopie HAADF ou encore la spectroscopie d'absorption de rayons X. En plus d'être sujets à la maturation d'Ostwald 3D, ces catalyseurs perdent continuellement et irréversiblement les atomes de cobalt contenus dans le matériau " natif ", ce qui conduit à la formation de nanoparticules " creuses " de Pt. Nous avons montré l'effet d'une contamination de l'électrode par des cations métalliques (Co2+). Des hétérogénéités de vieillissement de ces électrodes, à la fois " dans le plan " et " à travers le plan ", ont été mises en évidence, en utilisant des marqueurs structuraux caractéristiques des électrodes. Des différences locales des cinétiques et des mécanismes de dégradation ont été confirmées grâce à des tests en monocellule PEMFC à cathode segmentée.

This dissertation presents chemical sensors that are based on an emerging optical fiber sensing technology for the determination of the presence and concentration of hydrogen peroxide (H2O2) at low concentrations. The motivation to determine hydrogen peroxide lies on the fact that this chemical species is generated as a by-product of the operation of hydrogen-based polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs), and the presence and formation of this peroxide has been associated with the chemical degradation that results in low durability of PEMFCs. Currently, there are no techniques that allow the hydrogen peroxide to be determined in situ in PEMFCs in a reliable manner, since the only report of this type of measurement was performed using electrochemical techniques, which can be affected by the environmental conditions and that can alter the proper operation of the PEMFCs. The sensors presented in this dissertation are designed to detect the presence and quantify hydrogen peroxide in solution at the conditions at which PEMFCs operate. Since they are made using fused silica optical fibers and are based on a spectroscopic technique to perform the detection of H2O2 , they are not affected by the electromagnetic fields or the harsh chemical environment inside PEMFCs. In addition, they are able to still detect the presence of H2O2 at the operating temperatures. The construction of the sensing film on the tip of an optical fiber and its small size (125 µm diameter), make the sensors here developed an ideal solution for being deployed in situ in PEMFCs, ensuring that they would be minimally invasive and that the operation of the fuel cell would not be compromised by the presence of the sensor. The sensors developed in this dissertation not only present design characteristics that are applicable to PEMFCs, they are also suitable for applications in other fields such as environmental, defense, and biological processes. / Graduate / 0548 / 0756 / 0791 / jfbotero@gmail.com

This dissertation presents chemical sensors that are based on an emerging optical fiber sensing technology for the determination of the presence and concentration of hydrogen peroxide (H2O2) at low concentrations. The motivation to determine hydrogen peroxide lies on the fact that this chemical species is generated as a by-product of the operation of hydrogen-based polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs), and the presence and formation of this peroxide has been associated with the chemical degradation that results in low durability of PEMFCs. Currently, there are no techniques that allow the hydrogen peroxide to be determined in situ in PEMFCs in a reliable manner, since the only report of this type of measurement was performed using electrochemical techniques, which can be affected by the environmental conditions and that can alter the proper operation of the PEMFCs. The sensors presented in this dissertation are designed to detect the presence and quantify hydrogen peroxide in solution at the conditions at which PEMFCs operate. Since they are made using fused silica optical fibers and are based on a spectroscopic technique to perform the detection of H2O2 , they are not affected by the electromagnetic fields or the harsh chemical environment inside PEMFCs. In addition, they are able to still detect the presence of H2O2 at the operating temperatures. The construction of the sensing film on the tip of an optical fiber and its small size (125 µm diameter), make the sensors here developed an ideal solution for being deployed in situ in PEMFCs, ensuring that they would be minimally invasive and that the operation of the fuel cell would not be compromised by the presence of the sensor. The sensors developed in this dissertation not only present design characteristics that are applicable to PEMFCs, they are also suitable for applications in other fields such as environmental, defense, and biological processes. / Graduate / 0548 / 0756 / 0791 / jfbotero@gmail.com

Les piles à combustible de type PEMFC constituent un maillon essentiel du cycle utilisant l'hydrogène comme vecteur d'énergie afin de permettre l'utilisation des énergies renouvelables. Cependant, leur développement connaît encore des limitations en termes de performances initiales, de coût et de durabilité. Cette thèse se concentre sur les couches actives des électrodes dont le catalyseur, souvent du platine, peut représenter jusqu'à 25% du coût global. Un des enjeux a ainsi été de mieux comprendre le fonctionnement de ces électrodes, qui peut être inhomogène, afin d'améliorer la distribution du platine dans la couche active et optimiser son utilisation. Pour cela, des électrodes « architecturées », c'est-à-dire avec des chargements en platine variables au sein de la couche active, ont été réalisées grâce à la flexibilité de deux procédés d'impression : le jet d'encre et la sérigraphie. Une adaptation de la formulation des encres catalytiques et des paramètres d'impression a permis la mise en œuvre de ces deux procédés et la réalisation de couches actives présentant une large gamme de chargements en catalyseur (0,05mgPt/cm² à 0,5mgPt/cm²). Différentes distributions de platine ont été étudiées et comparées à des couches actives uniformes: dans le plan d'une part, à l'échelle dent/canal de la plaque bipolaire et à l'échelle entrée/sortie, et dans l'épaisseur d'autre part. Les architectures ont permis de mettre en évidence différentes contributions de la couche active suivant sa localisation sous la plaque bipolaire et ainsi de proposer des modifications de sa structure qui peuvent être réalisées grâce aux procédés d'impression. Par ailleurs, la durabilité des structures les plus pertinentes a été évaluée par des essais de longue durée qui ont montré qu'il est possible de réduire la pente de dégradation par la modification de la distribution du platine. / PEM fuel cells stand for an essential link in the cycle using hydrogen as an energy carrier.However, their development is still limited by initial performance, costs and durability.This study focuses on the electrode catalyst layer which contains most of the time platinum, anexpensive catalyst that can represent 25% of the overall cost of a system. Thus, one of the issues hasbeen to provide a better understanding of electrode operating, which can be heterogeneous. The aim ofthis study is particularly to enhance platinum distribution in the catalyst layer to optimize itsutilization.Architectured electrodes, that is to say with variable platinum loading inside the catalyst layerhave been developed thanks to the flexibility of two printing processes : inkjet printing and screenprinting. The adjustment of catalyst ink formulation and printing parameters enabled to fabricatecatalyst layers with a wide range of platinum loading, from 0,05mgPt/cm² to 0,5mgPt/cm². Severalplatinum distributions were compared to uniform catalyst layers at different scales: the scale of ribsand channels and of gas inlet and oultet of bipolar plate, as well as through the catalyst layer thickness.Electrodes architecture enabled to point out different contribution of catalyst layers according to itslocalizing under the bipolar plate and to suggest modifications of its structure that provide an increaseof performance.Otherwise, the estimation of lifetime of several architectures thanks to ageing tests in loadcycling mode showed that these structures enabled to reduce their performance decay rate.