Les piles à combustible ont longtemps été considérées comme une source d'énergie prometteuse. Ces appareils, inventé dans les années 1830, produire de l'électricité directement à partir de produits chimiques, comme l'hydrogène et l'oxygène, et ne produisent que de la vapeur d'eau en tant qu'émissions. Mais la plupart des piles à combustible sont trop chères, inefficace, ou les deux.

Dans une nouvelle approche, inspiré par la biologie et publié aujourd'hui (3 oct. 2018) dans la revue Joule , une équipe de l'Université du Wisconsin-Madison a conçu une pile à combustible utilisant des matériaux moins chers et un composé organique qui fait la navette entre les électrons et les protons.

Dans une pile à combustible traditionnelle, les électrons et protons de l'hydrogène sont transportés d'une électrode à l'autre, où ils se combinent avec l'oxygène pour produire de l'eau. Ce processus convertit l'énergie chimique en électricité. Pour générer une quantité significative de charge dans un laps de temps suffisamment court, un catalyseur est nécessaire pour accélérer les réactions.

À l'heure actuelle, le meilleur catalyseur sur le marché est le platine, mais son prix est élevé. Cela rend les piles à combustible coûteuses et c'est l'une des raisons pour lesquelles il n'y a actuellement que quelques milliers de véhicules fonctionnant à l'hydrogène sur les routes américaines.

Shannon Stahl, le professeur de chimie UW-Madison qui a dirigé l'étude en collaboration avec Thatcher Root, professeur de génie chimique et biologique, dit que des métaux moins chers peuvent être utilisés comme catalyseurs dans les piles à combustible actuelles, mais seulement s'il est utilisé en grande quantité. "Le problème est, lorsque vous attachez trop de catalyseur à une électrode, le matériel devient moins efficace, " il dit, « conduisant à une perte d'efficacité énergétique ».

La solution de l'équipe était d'emballer un métal à moindre coût, cobalt, dans un réacteur à proximité, où la plus grande quantité de matériau n'interfère pas avec ses performances. L'équipe a ensuite conçu une stratégie pour faire aller et venir les électrons et les protons de ce réacteur à la pile à combustible.

Le bon véhicule pour ce transport s'est avéré être un composé organique, appelé une quinone, qui peut transporter deux électrons et protons à la fois. Dans la conception de l'équipe, une quinone capte ces particules au niveau de l'électrode de la pile à combustible, les transporte vers le réacteur voisin rempli d'un catalyseur au cobalt bon marché, puis retourne à la pile à combustible pour prendre plus de « passagers ».

De nombreuses quinones se dégradent en une substance semblable au goudron après seulement quelques allers-retours. Le laboratoire de Stahl, cependant, conçu un dérivé de quinone ultra-stable. En modifiant sa structure, l'équipe a drastiquement ralenti la détérioration de la quinone. En réalité, les composés qu'ils ont assemblés durent jusqu'à 5, 000 heures—une durée de vie plus de 100 fois supérieure à celle des structures de quinone précédentes.

« Bien que ce ne soit pas la solution finale, notre concept introduit une nouvelle approche pour aborder les problèmes dans ce domaine, " dit Stahl. Il note que la production d'énergie de sa nouvelle conception produit environ 20 pour cent de ce qui est possible dans les piles à combustible à hydrogène actuellement sur le marché. D'autre part, le système est environ 100 fois plus efficace que les biopiles qui utilisent des navettes organiques associées.

La prochaine étape pour Stahl et son équipe est d'augmenter la performance des médiateurs quinones, leur permettant de transporter les électrons plus efficacement et de produire plus de puissance. Cette avancée permettrait à leur conception d'égaler les performances des piles à combustible conventionnelles, mais avec un prix inférieur.

"L'objectif ultime de ce projet est de donner à l'industrie des options sans carbone pour la production d'électricité, " dit Colin Anson, chercheur postdoctoral au laboratoire Stahl et co-auteur de la publication. "L'objectif est de découvrir ce dont l'industrie a besoin et de créer une pile à combustible qui comble ce trou."

Cette étape dans le développement d'une alternative moins chère pourrait éventuellement être une aubaine pour des entreprises comme Amazon et Home Depot qui utilisent déjà des piles à combustible à hydrogène pour conduire des chariots élévateurs dans leurs entrepôts.

« Malgré des obstacles majeurs, l'économie de l'hydrogène semble se développer, " ajoute Stahl, "Un pas après l'autre."