Piles à combustible à oxyde solide, ou SOFC, sont des appareils qui produisent à la fois de l'électricité et de la chaleur en oxydant un combustible tel que le gaz naturel ou le biogaz. Cette économe en énergie, la technologie zéro émission a le potentiel de répondre à l'énergie domestique et commerciale, besoins en chauffage et eau chaude.

Bien que l'adoption soit élevée dans des pays comme le Japon, Les SOFC n'ont pas encore fait leur chemin en Europe, notamment parce que les coûts de production élevés constituent un obstacle à la fabrication des cellules à grande échelle. Mais de nouvelles recherches menées par une équipe de l'EPFL pourraient changer la donne.

Ingénieurs du Laboratoire de Conception Mécanique Appliquée (LAMD), basée à Microcity à Neuchâtel, ont mis au point une nouvelle façon d'améliorer l'efficacité des SOFC nationales, c'est-à-dire des cellules d'une puissance nominale de 6 kWe (kilowatt-électrique). Le ventilateur entraîné par turbine à vapeur, qui recircule les gaz à travers le système, augmente également la durée de vie des cellules. Ce projet collaboratif impliquait trois partenaires :le LAMD, le Groupement Matériaux Energétiques (GEM) basé sur le campus EPFL Valais Wallis à Sion et dirigé par Jan Van Herle, et SOLIDpower SA, une entreprise privée située à Yverdon-les-Bains. Un article détaillant la recherche a été publié dans la revue Applied Energy.

Recirculation de gaz

Les chercheurs ont obtenu ces gains d'efficacité et de durée de vie en utilisant un nouveau système appelé ventilateur de recirculation des gaz d'échappement de l'anode. Sous des conditions normales, Les SOFC ne convertissent qu'environ 80 à 85 % du carburant d'entrée, qui ne transite qu'une seule fois dans la cellule. En raccordant la sortie à l'entrée, l'équipe a pu faire recirculer les gaz à travers la cellule une seconde fois. Parce que les SOFC fonctionnent à des températures supérieures à 600°C, "le ventilateur de recirculation élève la pression des gaz de sortie, l'amener à un niveau compatible avec la pression à l'intérieur de la cellule, " dit Patrick Wagner, l'auteur principal du journal.

Avec le nouveau système, l'équipe a observé des gains d'efficacité impressionnants allant jusqu'à 10 %. « Lorsque nous avons couplé le ventilateur à une pile à combustible domestique fonctionnant à charge partielle, ou 4,5 kWe, nous avons atteint des rendements bruts de 66 %, " dit Jürg Schiffmann, qui dirige le LAMD. Par comparaison, les centrales électriques les plus avancées atteignent des rendements de 63 % sans générer de chaleur récupérable. De plus, ces centrales fonctionnent à des plages de capacité de l'ordre de centaines de mégawatts électriques, ou MWe. En Suisse, environ 6 % de cette énergie est perdue entre l'alimentation du réseau et le retrait.

En plus d'améliorer l'efficacité, le système de ventilateur prolonge également la durée de vie de la cellule car le mélange gazeux recirculé augmente la stabilité du catalyseur.

Résistant et autonome

La recirculation du gaz n'est peut-être pas un nouveau concept en soi, mais la conception de l'équipe marque une rupture nette avec les systèmes précédents. Le ventilateur est équipé de paliers lubrifiés à la vapeur développés au LAMD et est entraîné par une turbine à vapeur miniature qui fonctionne grâce à la chaleur produite par la cellule.

Les chercheurs ont opté pour des roulements lubrifiés à la vapeur pour éviter les risques de contamination. « SOFC, comme presque tous les dispositifs catalytiques, sont extrêmement délicats, " dit Wagner. " Si de l'huile ou un autre lubrifiant pénètre à l'intérieur, cela peut causer de vrais problèmes. Les roulements lubrifiés à la vapeur sont des pièces mécaniques qui ne nécessitent aucune huile. La partie rotative du système repose sur un coussin d'air généré par l'arbre - une autre partie du système - lorsqu'il tourne. » Cette conception présente un autre avantage :outre le démarrage et l'arrêt, aucune des pièces n'entre en contact l'une avec l'autre, ce qui signifie qu'ils ne portent pas.

L'équipe a utilisé une turbine à vapeur parce que les gaz de sortie de SOFC contiennent de l'hydrogène et d'autres composés potentiellement explosifs dans le carburant résiduel. "Notre ventilateur de recirculation est composé uniquement de pièces mécaniques, donc il ne pose absolument aucun risque pour la sécurité, " ajoute Wagner. " Cela n'aurait pas été le cas si nous avions utilisé un moteur électrique. " La turbine de 34 watts est idéale pour les SOFC domestiques. Mesurant seulement 15 mm de diamètre, c'est l'une des plus petites turbines à vapeur au monde.