Les piles à combustible pourraient un jour produire de l'électricité pour presque tous les appareils alimentés par batterie, y compris les automobiles, ordinateurs portables et téléphones portables. Utilisant généralement de l'hydrogène comme carburant et de l'air comme oxydant, les piles à combustible sont plus propres que les moteurs à combustion interne car elles produisent de l'énergie par des réactions électrochimiques. L'eau étant leur principal produit, ils réduisent considérablement la pollution.

Un problème qui a un impact sur la durée de vie de la pile à combustible est l'oxydation, ou panne, de sa membrane électrolytique centrale. Le processus conduit à la formation de trous dans la membrane et peut finalement provoquer un court-circuit chimique.

Une équipe d'ingénieurs de l'Université Washington à St. Louis a développé une nouvelle façon d'examiner la vitesse à laquelle l'oxydation se produit. En utilisant la spectroscopie de fluorescence à l'intérieur de la pile à combustible, ils sont capables de sonder la formation des produits chimiques responsables de l'oxydation, à savoir les radicaux libres, pendant le fonctionnement. La technique pourrait changer la donne lorsqu'il s'agit de comprendre comment les cellules se décomposent, et concevoir des stratégies d'atténuation qui prolongeraient la durée de vie de la pile à combustible.

« Si vous achetez un appareil, une voiture, un téléphone portable, vous voulez qu'il dure le plus longtemps possible, " a déclaré Vijay Ramani, Roma B. et Raymond H. Wittcoff professeur émérite d'environnement et d'énergie à la School of Engineering &Applied Science. "Malheureusement, les composants d'une pile à combustible peuvent se dégrader, et ce n'est pas une solution facile. Ce que fait notre nouvelle recherche, c'est vraiment faire la lumière sur l'un des modes par lesquels ces appareils peuvent échouer, nous permettant de trouver des méthodes pour améliorer la durée de vie des appareils qui utilisent ces piles à combustible. »

La recherche, publié cet été dans la revue ChemSusChem , est le premier à utiliser une approche in situ pour examiner les membranes internes de la pile à combustible. Un colorant fluorescent est incorporé et utilisé comme marqueur pour déterminer la vitesse à laquelle les radicaux libres nocifs sont générés pendant le fonctionnement.

"En utilisant la spectroscopie de fluorescence en conjonction avec une fibre optique, nous pouvons quantifier les radicaux libres oxydants générés à l'intérieur de la pile à combustible, qui agissent pour briser les membranes, " dit Yunzhu Zhang, un doctorant au laboratoire de Ramani, et co-auteur de l'étude.

Une fois qu'ils ont pu observer le fonctionnement interne de la pile à combustible, les chercheurs ont remarqué que plus la lumière émise par la membrane de la pile à combustible est faible, plus la panne se produit de l'intérieur.

"Nous pouvons voir ce processus se dérouler en temps réel, " dit Shrihari Sankarasubramanian, un chercheur postdoctoral qui a participé au projet.

Jusqu'à maintenant, les chercheurs examinant la panne des piles à combustible se sont appuyés sur les émissions de la pile pour déterminer quelles réactions chimiques pourraient être à l'origine des pannes des membranes. Ils disent que cette nouvelle approche leur permet de se concentrer sur les facteurs qui se déroulent à l'intérieur pour une meilleure évaluation.

« Comme les radicaux libres qui causent la dégradation de la membrane des piles à combustible sont de courte durée, et les membranes échangeuses d'anions sont si minces, notre nouvelle approche in situ est la clé pour mieux étudier, comprendre et prévenir les pannes chimiques qui se produisent pendant le fonctionnement de la pile à combustible, " a déclaré Javier Parrondo, chercheur postdoctoral et co-auteur de recherche.

"La prochaine étape consiste à introduire des produits chimiques antioxydants à l'intérieur des membranes des piles à combustible, pour voir s'ils peuvent réduire la vitesse à laquelle ces membranes se décomposent, " a déclaré Ramani.