Pour qu'une pile à combustible fonctionne, il a besoin d'un agent oxydant. TU Wien a maintenant trouvé un moyen d'expliquer pourquoi l'oxygène n'entre pas toujours efficacement dans les piles à combustible, les rendant inutilisables.

Les piles à combustible utilisent une réaction chimique simple, comme la combinaison d'oxygène et d'hydrogène pour former de l'eau, pour produire de l'électricité. La question de savoir quel est le meilleur matériau à utiliser pour fabriquer des piles à combustible en céramique n'est pas simple, toutefois. De nouveaux matériaux sont nécessaires qui agissent comme un catalyseur pour la réaction chimique requise avec une efficacité maximale, mais qui durent aussi le plus longtemps possible sans que leurs propriétés changent.

Les efforts précédents pour développer des matériaux qui répondent à ces exigences ont été largement basés sur des essais et des erreurs. Cependant, Les équipes de la TU Wien ont maintenant réussi à trouver un moyen d'apporter des modifications ciblées à la surface des piles à combustible à l'échelle atomique et de prendre des mesures en même temps. Par conséquent, il est désormais possible d'expliquer pour la première fois des phénomènes importants, y compris les raisons pour lesquelles les atomes de strontium sont problématiques et le fait que le cobalt peut être utile dans une pile à combustible.

Le goulot d'étranglement de l'approvisionnement en oxygène

A la cathode, la borne positive de la pile à combustible, l'oxygène est incorporé dans le matériau de la pile à combustible à partir de l'air. Les ions d'oxygène chargés électriquement doivent alors traverser le matériau et réagir avec le carburant, par exemple l'hydrogène, du côté chargé négativement, l'anode.

"Le goulot d'étranglement dans tout ce processus est l'incorporation d'oxygène à la cathode, " explique Ghislain Rupp, du groupe de recherche dirigé par le professeur Jürgen Fleig de l'Institut des technologies chimiques et de l'analyse de la TU Wien. L'équipe dirigée par le professeur Andreas Limbeck et basée dans le même institut a également été impliquée dans ce projet de recherche.

Les piles à combustible doivent fonctionner à des températures extrêmement élevées, quelque part dans la région entre 700 et 1000 degrés Celsius, afin de s'assurer que l'oxygène est incorporé assez rapidement. Les chercheurs tentent depuis longtemps d'identifier de meilleurs matériaux de cathode qui permettront de réduire la température de fonctionnement. "Il y a des options bien connues qui sont particulièrement intéressantes, y compris la cobaltite de lanthane et de strontium, ou LSC en abrégé, " explique Ghislain Rupp. Le problème majeur dans ce cas est que ces matériaux ne restent pas stables sur le long terme. Il y a toujours un moment où l'activité baisse et les performances de la pile à combustible diminuent. Jusqu'à présent, on n'a pu qu'en deviner la raison précise.

Altérations de surface ciblées

Une chose a toujours été claire :la surface de la cathode, où l'oxygène doit se déposer avant d'entrer dans la pile à combustible, a un rôle crucial à jouer. Avec ça en tête, les équipes de la TU Wien ont développé une méthode d'altération ciblée de la surface qui permet également de réaliser en parallèle des mesures afin d'en déterminer les effets sur les propriétés électriques de la pile à combustible.

"Nous utilisons une impulsion laser pour vaporiser divers matériaux, qui s'accumulent alors en infimes volumes à la surface, " explique Rupp. " Cela nous permet de modifier la composition de la surface cathodique en petits, doses précises, tout en surveillant également comment cela affecte la résistance du système."

L'effet néfaste d'un excès de strontium

De cette façon, nous avons pu montrer que les matériaux contenant de grands volumes de strontium à la surface ont un effet néfaste :« S'il y a trop d'atomes de strontium à la surface, l'oxygène n'est pas du tout incorporé de manière très efficace, " dit Rupp. " L'oxygène est absorbé par la surface de la cathode de manière très inégale. A certains endroits préférentiels, par exemple où se trouvent les atomes de cobalt, l'oxygène est incorporé efficacement. Cependant, aux points où le strontium domine, pratiquement aucun oxygène ne parvient à pénétrer dans la cathode. » Cela explique aussi pourquoi les piles à combustible se détériorent avec le temps, car le strontium à l'intérieur du matériau migre vers la surface et recouvre toute accumulation active de cobalt, en fin de compte en gardant l'air loin de la pile à combustible.

Ces résultats fournissent des informations importantes sur la manière dont l'oxygène est fondamentalement incorporé dans des matériaux tels que le LSC et sur les processus qui détériorent les performances des piles à combustible. "Cette recherche nous a fait faire un pas de plus vers l'utilisation technique du LSC en tant que matériau de pile à combustible, " Rupp croit. " Qui plus est, notre nouvelle méthode d'investigation combinant revêtement ultra-précis et mesure électrique trouvera certainement d'autres applications importantes dans le domaine des ioniques à l'état solide."