Le chercheur Dong Ding développe des piles à combustible au carbone direct au Laboratoire d'innovation énergétique de l'INL. Crédit :Laboratoire national de l'Idaho
Les progrès de la technologie des piles à combustible alimentées par du carbone solide pourraient rendre la production d'électricité à partir de ressources telles que le charbon et la biomasse plus propre et plus efficace, selon un nouvel article publié par des chercheurs de l'Idaho National Laboratory.
La conception de la pile à combustible intègre des innovations dans trois composants :l'anode, l'électrolyte et le carburant. Ensemble, ces avancées permettent à la pile à combustible d'utiliser environ trois fois plus de carbone que les conceptions antérieures de pile à combustible à carbone direct (DCFC).
Les piles à combustible fonctionnent également à des températures plus basses et ont montré des densités de puissance maximales plus élevées que les DCFC précédents, selon l'ingénieur des matériaux INL Dong Ding. Les résultats paraissent dans l'édition de cette semaine du journal Matériaux avancés .
Alors que les piles à combustible à hydrogène (par exemple, membrane échangeuse de protons (PEM) et autres piles à combustible) génèrent de l'électricité à partir de la réaction chimique entre l'hydrogène pur et l'oxygène, Les DCFC peuvent utiliser n'importe quel nombre de ressources à base de carbone pour le carburant, y compris le charbon, du Coca, le goudron, biomasse et déchets organiques.
Étant donné que les DCFC utilisent des combustibles facilement disponibles, elles sont potentiellement plus efficaces que les piles à combustible à hydrogène conventionnelles. "Vous pouvez sauter l'étape énergivore de la production d'hydrogène, " dit Ding.
Mais les conceptions DCFC antérieures présentent plusieurs inconvénients :elles nécessitent des températures élevées (700 à 900 degrés Celsius), ce qui les rend moins efficaces et moins durables. Plus loin, en raison de ces températures élevées, ils sont généralement construits avec des matériaux coûteux qui peuvent supporter la chaleur.
Les chercheurs Dong Ding (à gauche) et Ting He développent des piles à combustible à carbone direct au Laboratoire d'innovation énergétique de l'INL. Crédit :Laboratoire national de l'Idaho
Aussi, les premières conceptions de DCFC ne sont pas en mesure d'utiliser efficacement le carburant à base de carbone.
Ding et ses collègues ont relevé ces défis en concevant une véritable pile à combustible au carbone direct capable de fonctionner à des températures inférieures à 600 degrés Celsius. La pile à combustible utilise du carbone solide, qui est finement broyé et injecté via un flux d'air dans la cellule. Les chercheurs ont répondu au besoin de températures élevées en développant un électrolyte à l'aide de matériaux hautement conducteurs, l'oxyde et le carbonate de cérium dopés. Ces matériaux conservent leurs performances à des températures plus basses.
Prochain, ils ont augmenté l'utilisation du carbone en développant une conception d'anode textile en céramique 3-D qui entrelace des faisceaux de fibres ensemble comme un morceau de tissu. Les fibres elles-mêmes sont creuses et poreuses. Toutes ces caractéristiques se combinent pour maximiser la surface disponible pour une réaction chimique avec le carburant carboné.
Finalement, les chercheurs ont développé un carburant composite à base de carbone solide et de carbonate. « A la température de fonctionnement, ce composite est fluide, " Ding a déclaré. "Il peut facilement couler dans l'interface."
Le carbonate fondu entraîne le carbone solide dans les fibres creuses et les trous d'épingle de l'anode, augmenter la densité de puissance de la pile à combustible.
La pile à combustible résultante ressemble à un vert, pile de montre en céramique qui est à peu près aussi épaisse qu'un morceau de papier de construction. Un carré plus grand mesure 10 centimètres de côté. Les piles à combustible peuvent être empilées les unes sur les autres en fonction de l'application. Les Matériaux avancés journal a posté un résumé vidéo ici :
La technologie a le potentiel d'améliorer l'utilisation des combustibles carbonés, comme le charbon et la biomasse, parce que les piles à combustible directes au carbone produisent du dioxyde de carbone sans le mélange d'autres gaz et particules présents dans la fumée des centrales électriques au charbon, par exemple. Cela facilite la mise en œuvre des technologies de captage du carbone, Ding a dit.
La conception avancée du DCFC a déjà attiré l'attention de l'industrie. Ding et ses collègues s'associent à Storagenergy, basé à Salt Lake City, Inc., pour postuler à une opportunité de financement du ministère de l'Énergie pour la recherche sur l'innovation dans les petites entreprises (SBIR) et le transfert de technologie pour les petites entreprises (STTR). Les résultats seront annoncés en février 2018. Une entreprise canadienne liée à l'énergie a également manifesté son intérêt pour ces technologies DCFC.
