Un nouveau coup de pouce à la technologie des piles à combustible de Georgia Tech :un revêtement de nanoparticules sur ce disque turbocharge le traitement de l'oxygène à l'extrémité cathodique des piles à combustible à oxyde solide, multipliant par huit les meilleures performances actuelles. Crédit :Georgia Tech / Christopher Moore
Alimentation propre, les voitures efficaces ne sont qu'un moyen pour la technologie des piles à combustible d'accélérer l'humanité vers un avenir énergétique durable, mais malheureusement, la technologie a été un peu lente. Maintenant, les ingénieurs pourront peut-être essentiellement turbocharger les piles à combustible avec un nouveau catalyseur.
La lenteur vient d'un goulot d'étranglement chimique, le taux de traitement de l'oxygène, un ingrédient clé qui aide les piles à combustible, qui sont liés aux batteries, produire de l'électricité. Le nouveau catalyseur, un matériau nanotechnologique développé par des ingénieurs du Georgia Institute of Technology, accélère considérablement le traitement de l'oxygène et fait l'objet d'une nouvelle étude.
En partie pour tenir compte des limitations de l'oxygène, les piles à combustible nécessitent généralement de l'hydrogène pur, qui réagit avec l'oxygène de l'air, mais les coûts de production de l'hydrogène ont été prohibitifs. Le nouveau catalyseur est un changeur de jeu potentiel.
"Il peut facilement convertir le carburant chimique en électricité avec un rendement élevé, " a déclaré Meilin Liu, qui a dirigé l'étude et est professeur à la Regents' School of Material Science and Engineering de Georgia Tech. « Il peut vous permettre d'utiliser des carburants facilement disponibles comme le méthane ou le gaz naturel ou simplement d'utiliser l'hydrogène de manière beaucoup plus efficace, " dit Liu.
Catalyseur 8 fois plus rapide
Le catalyseur atteint l'efficacité en faisant passer l'oxygène à travers le système d'une pile à combustible. « C'est plus de huit fois plus rapide que les matériaux de pointe faisant la même chose maintenant, " dit Yu Chen, un associé de recherche postdoctoral dans le laboratoire de Liu et le premier auteur de l'étude.
Il existe plusieurs types de piles à combustible, mais les chercheurs ont travaillé pour améliorer les piles à combustible à oxyde solide, que l'on trouve dans certaines voitures prototypes à pile à combustible. Les résultats de la recherche pourraient également aider à perfectionner les supercondensateurs et la technologie associés à des panneaux solaires, faisant ainsi progresser l'énergie durable au-delà du potentiel immédiat du nouveau catalyseur pour améliorer les piles à combustible.
Liu et Chen ont publié leur étude dans le numéro de mars de la revue Joule . Leurs recherches ont été financées par le département américain de l'Énergie et par le Guangdong Innovative and Entrepreneurial Research Program. Les travaux sur les piles à combustible du laboratoire de Liu ont déjà suscité un intérêt considérable dans l'industrie de l'énergie et l'industrie automobile.
Nissan est une entreprise automobile qui investit dans le développement de véhicules à pile à combustible. Sur la photo, voici un prototype qui, selon Nissan, est "le premier véhicule prototype au monde alimenté par une pile à combustible à oxyde solide (SOFC) qui fonctionne à l'énergie électrique au bioéthanol". Crédit :Nissan Motor Corporation
Oxygène naturellement lent
Bien qu'elles fonctionnent différemment des piles à combustible et soient beaucoup moins efficaces et propres, Les moteurs à combustion constituent une métaphore utile pour aider à comprendre le fonctionnement des piles à combustible et du nouveau catalyseur.
Dans un moteur à combustion, le carburant d'un réservoir et l'oxygène de l'air se réunissent pour réagir dans une explosion, produire de l'énergie qui fait tourner un vilebrequin. L'ajout d'un turbocompresseur accélère le processus en mélangeant plus rapidement le carburant et l'oxygène et en les précipitant vers la combustion.
Actuellement, dans les piles à combustible, l'hydrogène d'un réservoir et l'oxygène de l'air entraînent également un processus qui produit de l'énergie, dans ce cas, électricité. Les deux ingrédients se réunissent dans une réaction, mais très différent de la combustion, et beaucoup plus propre.
Une extrémité de la pile à combustible, l'anode, élimine les électrons des atomes d'hydrogène dans ce qu'on appelle l'oxydation et envoie les électrons à travers un circuit externe sous forme de courant électrique vers la cathode de l'autre côté. Là, oxygène, qui est notoirement avide d'électrons, aspire les électrons dans ce qu'on appelle la réduction, et cela permet à l'électricité de circuler.
L'hydrogène, maintenant chargé positivement, et l'oxygène, maintenant chargé négativement, se rencontrent pour former de l'eau, qui est l'échappement de la pile à combustible.
Dans cette chaîne de réaction, l'oxygène est le maillon lent de deux manières :la réduction de l'oxygène prend plus de temps que l'oxydation de l'hydrogène, et l'oxygène réduit se déplace plus lentement à travers le système pour rencontrer l'hydrogène. Analogue au turbocompresseur, le nouveau catalyseur pousse l'oxygène vers l'avant.
Un nouveau catalyseur pour suralimenter le traitement de l'oxygène dans les piles à combustible :le professeur Meilin Liu des Regents (à gauche) avec l'associé de recherche postdoctorale Yu Chen dans le laboratoire Georgia Tech de Liu alors qu'ils affichent un disque recouvert du catalyseur, qui fonctionne en deux phases. Le nouveau matériau préserve également les cathodes des piles à combustible à oxyde solide. Crédit :Georgia Tech / Christopher Moore
Nano ruée vers l'oxygène
Le catalyseur est appliqué sous la forme d'un revêtement transparent d'une épaisseur d'environ deux douzaines de nanomètres seulement et est composé de deux solutions nanotechnologiques connectées qui brisent les deux goulots d'étranglement de l'oxygène.
D'abord, des nanoparticules très attractives pour l'oxygène saisissent la molécule d'O2 et laissent les électrons entrants sauter rapidement dessus, le réduisant facilement et le déchirant en deux ions d'oxygène séparés (chacun un O2-). Ensuite, une série de lacunes chimiques appelées lacunes d'oxygène qui sont intégrées dans les structures des nanoparticules aspirent les ions oxygène comme des chaînes d'aspirateurs passant les ions de main en main à la deuxième phase du catalyseur.
La deuxième phase est un revêtement plein de lacunes d'oxygène qui peuvent faire passer l'O2- encore plus rapidement vers sa destination finale.
"L'oxygène descend rapidement par les canaux et pénètre dans la pile à combustible, où il rencontre l'hydrogène ionisé ou un autre donneur d'électrons comme le méthane ou le gaz naturel."
Les ions se rencontrent pour faire de l'eau, qui sort de la pile à combustible. Dans le cas du combustible méthane, du CO2 pur est également émis, qui peuvent être captés et recyclés en carburant.
Métaux rares intéressants
Dans la première étape, il y a deux saveurs différentes de nanoparticule à l'œuvre. Les deux ont du cobalt, mais l'un contient du baryum et l'autre du praséodyme, une terre rare qui peut être chère en grande quantité.
Un schéma simple illustre le fonctionnement de base d'une pile à combustible à oxyde solide. Crédit :Smithsonian / The National Museum of American History
"Le praséodyme est en si petites quantités qu'il n'a pas d'impact sur les coûts, " Liu a dit. " Et le catalyseur permet d'économiser beaucoup d'argent sur le carburant et sur d'autres choses. "
Les températures de fonctionnement élevées dans les piles à combustible existantes nécessitent des boîtiers de protection et des matériaux de refroidissement coûteux. Les chercheurs pensent que le catalyseur pourrait aider à abaisser les températures en réduisant la résistance électrique inhérente à la chimie actuelle des piles à combustible. Ça pourrait, à son tour, réduire les coûts matériels globaux.
Revêtement cathodique protecteur
La deuxième étape du catalyseur est un réseau qui contient du praséodyme et du baryum, ainsi que le calcium et le cobalt (PBCC). En plus de sa fonction catalytique, le revêtement PBCC protège la cathode de la dégradation qui peut limiter la durée de vie des piles à combustible et dispositifs similaires.
Le matériau cathodique d'origine sous-jacent, qui contient les métaux lanthane, strontium, cobalt, et le fer (LSCF), est devenu une norme de l'industrie, mais est livré avec une mise en garde.
"C'est très conducteur, très bien, mais le problème est que le strontium subit une diminution appelée ségrégation dans la matière, " dit Liu. " Un composant de notre catalyseur, PBCC, agit comme un revêtement et maintient le LSCF beaucoup plus stable."
La fabrication LSCF est déjà bien implantée, et l'ajout du revêtement de catalyseur à la production pourrait être probablement raisonnablement réalisé. Liu envisage également de remplacer complètement la cathode LSCF par le nouveau matériau catalyseur, et son laboratoire développe un autre catalyseur pour stimuler les réactions d'oxydation du carburant à l'anode de la pile à combustible.
