Les piles à combustible à oxyde solide peuvent être utilisées dans une variété d'applications, y compris la production efficace d'une alimentation de secours primaire ou d'urgence pour les bâtiments. Un groupe de Bloom Energy Servers génère de l'électricité à l'aide de piles à combustible à oxyde solide. Crédit :Bloom Energy
Une alternative prometteuse aux centrales électriques conventionnelles, Les piles à combustible à oxyde solide utilisent des méthodes électrochimiques qui peuvent générer de l'énergie plus efficacement que les générateurs à combustion existants. Mais les piles à combustible ont tendance à se dégrader trop vite, manger tous les gains d'efficacité par l'augmentation des coûts.
Maintenant, dans une avancée qui pourrait aider à ouvrir la voie vers des dispositifs d'énergie verte à plus longue durée de vie, des ingénieurs de l'Université du Wisconsin-Madison ont révélé de nouvelles connaissances sur les réactions chimiques qui alimentent les piles à combustible.
« Les piles à combustible sont des technologies passionnantes avec des capacités potentiellement perturbatrices, " dit Dane Morgan, un professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'UW-Madison qui a dirigé la recherche. "Mais les problèmes de dégradation ont été un obstacle majeur pour le marché de la consommation."
Lui et ses collaborateurs ont récemment décrit leurs découvertes dans la revue Communication Nature .
L'une des raisons pour lesquelles les piles à combustible se dégradent est que les appareils doivent fonctionner à des températures extrêmement élevées, supérieures à 1, 500 degrés Fahrenheit—pour entraîner les réactions chimiques qui créent de l'électricité.
Les piles à combustible combinent l'oxygène avec une source de combustible externe, un processus similaire à la transformation de la chaleur et de la lumière qui se produit dans le feu. Pourtant, les piles à combustible effectuent ces réactions chimiques sans brûler. C'est pourquoi les piles à combustible peuvent générer de l'énergie avec une efficacité nettement supérieure à celle de la combustion.
Au lieu, les piles à combustible fonctionnent un peu comme des batteries, constitué de deux électrodes séparées par un électrolyte, qui est un matériau qui transporte des ions. L'une des électrodes sépare l'oxygène gazeux de l'air en atomes individuels, qui peuvent ensuite être transportés et combinés avec du carburant. Surtout, la division de l'oxygène libère des électrons qui peuvent se déplacer dans un circuit sous forme de courant pour alimenter des maisons ou des appareils. Cette séparation de l'oxygène a lieu au niveau d'un composant appelé cathode.
Mais l'oxygène gazeux est assez stable et donc réticent à se séparer. Et les efforts pour conduire les réactions efficacement à des températures plus basses avec des matériaux compatibles ont été difficiles, en partie parce que les chercheurs ne connaissent vraiment pas les détails à l'échelle atomique des réactions chimiques qui ont lieu à la cathode.
"Précédemment, les chercheurs n'ont vraiment pas compris quelles sont les étapes limitantes pour la façon dont l'oxygène arrive sur une surface, divise et entre dans un matériau, " dit Yipeng Cao, l'étudiant principal de l'étude.
Pour que l'oxygène pénètre dans la cathode, la molécule de gaz doit se scinder en deux atomes. Ensuite, chaque atome doit rencontrer une structure appelée lacune, qui est un petit espace moléculaire à la surface du matériau qui permet à l'oxygène d'entrer. Comprendre ce processus est difficile car il se produit dans les couches atomiques supérieures de la cathode, dont la chimie peut être très différente de celle de la masse du matériau.
« Mesurer la composition et la chimie des lacunes dans ces deux couches supérieures est extrêmement difficile, " dit Morgane.
C'est pourquoi lui et ses collègues se sont tournés vers les simulations informatiques. En tant qu'experts de premier plan en modélisation moléculaire, ils ont combiné la théorie fonctionnelle de la densité et la modélisation cinétique pour obtenir un aperçu au niveau atomique des réactions se produisant sur les deux couches supérieures de la cathode.
L'équipe a déterminé que le fractionnement n'est pas l'étape limitant la vitesse dans le matériau étudié. Ils ont appris que ce qui limite l'efficacité des piles à combustible, c'est la façon dont les atomes d'oxygène trouvent et pénètrent dans les lacunes à la surface.
Matériel avec plus de postes vacants, donc, pourrait potentiellement rendre les piles à combustible beaucoup plus efficaces.
« Cela pourrait permettre de concevoir des matériaux d'une manière qui était très difficile à faire auparavant, " dit Morgane.
Les chercheurs se sont concentrés sur un matériau en particulier, un composé modèle pour de nombreuses cathodes de piles à combustible courantes appelées cobaltate de lanthane et de strontium. Ils prévoient d'étendre l'analyse pour inclure d'autres matériaux bientôt.
Les résultats pourraient avoir un impact au-delà des piles à combustible, trop. Materials that exchange oxygen with the environment have numerous applications, including in water splitting, CO
"I think we have a much better handle on how to control the oxygen exchange process, " says Morgan. "It's early, but this could open the door to a broadly applicable design strategy for controlling oxygen exchange."
