Caractérisation d'un champ de forces pour les membranes échangeuses de protons

• Main Author: Laflamme, Patrick
• Other Authors: [non identifié]
• Language: French
• Published: Université de Sherbrooke 2008
• Online Access: http://savoirs.usherbrooke.ca/handle/11143/4749

L'industrie de l'automobile a connu des bonds marquants lors de son évolution. Ces avancées proviennent de l'exploitation de nouveaux matériaux reliés à l'industrie de l'automobile. Ces matériaux sont issus de recherche privée ou publique, et ont été utilisés pour assurer une meilleure compétition pour le concepteur d'automobile, ou pour répondre à une contrainte économique ou environnementale. Le changement du bois vers l'acier comme matériel constituant l'ossature de la voiture est un des avancements qui a pu fournir un produit de meilleure qualité par le concepteur. Les changements nécessaires au moteur pour fonctionner avec une essence sans plomb constituent une contrainte environnementale appliquée par les gouvernements. La contrainte majeure actuelle pour l'industrie de l'automobile est sa source énergétique primaire, les produits pétroliers. Cette contrainte est à la fois économique et environnementale. Elle découle d'une demande sans cesse croissante de produits pétroliers et d'une stagnation de la production. Pour pallier cette contrainte et demeurer compétitif dans l'industrie de l'automobile, General Motors Canada a planifié de remplacer les moteurs à combustibles de ses voitures par des moteurs électriques alimentés d'abord par des piles électriques, puis, lorsque la technologie le permettra, par les piles à combustible. Le développement de la pile à combustible est déjà enclenché par plusieurs groupes de recherche dans le monde. Plusieurs difficultés sont rapportées pour effectuer la mise en place de la pile comme source énergétique pour les voitures. Parmi ces difficultés, la membrane changeuse de proton (PEM) utilisée actuellement n'est pas adéquate pour les besoins de durabilité, d'efficacité de transport des protons et de coût. Dans le but d'améliorer la compréhension des PEM et d'augmenter leur efficacité, un partenariat entre GM et le professeur Armand Soldera de l'université de Sherbrooke a été conclu pour la caractérisation de PEM à l'aide de la simulation. Les caractéristiques d'une membrane changeuse de protons sont associées à une taille spécifique du système. La conduction protonique de la membrane est une conséquence du groupement fonctionnel acide à l'échelle atomistique, de la mobilité de la chaîne polymère à l'échelle moléculaire et de la morphologie de la membrane à l'échelle mésoscopique. La caractérisation du comportement de la membrane à différentes grandeurs en fonction du temps est nécessaire pour lier l'impact que les structures atomistique, moléculaire et morphologique ont sur le fonctionnement de la pile. La finalité de la collaboration du laboratoire d'Armand Soldera et de General Motors Canada est la simulation d'une PEM de référence, le Nafion®, à différents niveaux d'approximation de calcul dans le but de guider la synthèse de nouvelles membranes plus performantes. Le but de l'étude présenté dans ce mémoire a été la caractérisation du groupement fonctionnel acide de la chaîne pendante du Nafion® par calcul ab initio et calcul semiempirique en utilisant l'acide trifluoromethanesulfonique (acide triflique) comme modelé. Les résultats obtenus de ce modèle sont ajustés sous forme de paramètres de champ de forces. Ces paramètres sont ensuite utilisés en simulation moléculaire pour représenter adéquatement la tête acide de la chaîne pendante du Nafion®. Ces paramètres, absents de la littérature au début du projet, ont été validés par le calcul du spectre infrarouge de la molécule d'acide triflique. Le spectre infrarouge de l'acide triflique ainsi obtenu par calcul est en accord avec le spectre infrarouge expérimental. Les dynamiques moléculaires de l'acide seul ou possédant un rapport eau:acide de 1:1 à 6:1 utilisant les paramètres valides ont été exécutées pour obtenir les valeurs thermodynamiques à différentes températures. Ces valeurs thermodynamiques résultant de simulations moléculaires à différents températures et apport d'eau ont été comparées aux données expérimentales.