Une équipe d'ingénieurs de l'Université du Delaware a développé une technologie qui pourrait rendre les piles à combustible moins chères et plus durables, une percée qui pourrait accélérer la commercialisation des véhicules à pile à combustible.

Ils décrivent leurs résultats dans un article publié dans Communication Nature le lundi, 4 septembre.

Les piles à combustible à hydrogène sont une alternative verte aux moteurs à combustion interne car elles produisent de l'énergie grâce à des réactions électrochimiques, ne laissant aucune pollution derrière.

Des matériaux appelés catalyseurs stimulent ces réactions électrochimiques. Le platine est le catalyseur le plus courant dans le type de piles à combustible utilisées dans les véhicules.

Cependant, le platine est cher, comme le savent tous ceux qui ont acheté des bijoux. Le métal coûte environ 30 $, 000 par kilogramme.

Au lieu, l'équipe UD a fabriqué un catalyseur de carbure de tungstène, qui coûte environ 150 $ le kilogramme. Ils ont produit des nanoparticules de carbure de tungstène d'une manière inédite, beaucoup plus petit et plus évolutif que les méthodes précédentes.

"Le matériau est généralement fabriqué à des températures très élevées, environ 1, 500 degrés Celsius, et à ces températures, il grandit et a peu de surface sur laquelle la chimie peut avoir lieu, " dit Dionisios Vlachos, directeur du Catalysis Center for Energy Innovation d'UD. "Notre approche est l'une des premières à fabriquer un matériau nanométrique de grande surface qui peut être commercialement pertinent pour la catalyse."

Les chercheurs ont fabriqué des nanoparticules de carbure de tungstène en utilisant une série d'étapes comprenant un traitement hydrothermal, séparation, réduction, carburation et plus.

"Nous pouvons isoler les nanoparticules de carbure de tungstène individuelles pendant le processus et faire une distribution très uniforme de la taille des particules, " a déclaré Weiqing Zheng, associé de recherche au Catalysis Center for Energy Innovation.

Prochain, les chercheurs ont incorporé les nanoparticules de carbure de tungstène dans la membrane d'une pile à combustible. Piles à combustible automobile, appelées piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), contiennent une membrane polymère. Cette membrane sépare la cathode de l'anode, qui sépare l'hydrogène (H2) en ions (protons) et les délivre à la cathode, qui éteint le courant.

La membrane semblable à du plastique s'use avec le temps, surtout s'il subit trop de cycles humide/sec, ce qui peut se produire facilement car de l'eau et de la chaleur sont produites lors des réactions électrochimiques dans les piles à combustible.

Lorsque le carbure de tungstène est incorporé dans la membrane de la pile à combustible, il humidifie la membrane à un niveau qui optimise les performances.

"Le catalyseur au carbure de tungstène améliore la gestion de l'eau des piles à combustible et réduit la charge du système d'humidification, " a déclaré Liang Wang, chercheur associé au Département de génie mécanique.

L'équipe a également découvert que le carbure de tungstène capture les radicaux libres nocifs avant qu'ils ne puissent dégrader la membrane de la pile à combustible. Par conséquent, les membranes avec des nanoparticules de carbure de tungstène durent plus longtemps que les membranes traditionnelles.

"Le catalyseur à faible coût que nous avons développé peut être incorporé dans la membrane pour améliorer les performances et la densité de puissance, " a dit . " En conséquence, la taille physique de la pile à combustible peut être réduite pour une même puissance, le rendant plus léger et moins cher. Par ailleurs, notre catalyseur est capable de fournir des performances plus élevées sans sacrifier la durabilité, ce qui est une grande amélioration par rapport aux efforts similaires d'autres groupes."

L'équipe de recherche UD a utilisé des méthodes innovantes pour tester la durabilité d'une pile à combustible en carbure de tungstène. Ils ont utilisé un microscope électronique à balayage et un faisceau d'ions focalisé pour obtenir des images en tranches minces de la membrane, qu'ils ont analysé avec un logiciel, reconstruire la structure tridimensionnelle des membranes pour déterminer la longévité des piles à combustible.

Le groupe a déposé un brevet et espère commercialiser sa technologie.

« C'est un très bon exemple de la façon dont différents groupes de différents départements peuvent collaborer, " a déclaré Zheng.