Les piles à combustible ne sont pas particulièrement connues pour leur aspect pratique et leur prix abordable, mais cela vient peut-être de changer. Il existe une nouvelle cellule qui fonctionne avec du carburant bon marché à des températures comparables à celles des moteurs automobiles et qui réduit considérablement les coûts des matériaux.

Bien que la cellule soit dans le laboratoire, il a un potentiel élevé pour un jour alimenter en électricité des maisons et peut-être des voitures, disent les chercheurs du Georgia Institute of Technology qui ont dirigé son développement. Dans une nouvelle étude de la revue Énergie naturelle les chercheurs ont expliqué en détail comment ils ont repensé l'ensemble de la pile à combustible à l'aide d'un catalyseur à combustible nouvellement inventé.

Le catalyseur s'est débarrassé du carburant hydrogène à prix élevé en fabriquant le sien à partir d'un carburant bon marché, méthane facilement disponible. Et les améliorations dans toute la cellule ont considérablement refroidi les températures de fonctionnement bouillonnantes qui sont habituelles dans les piles à combustible au méthane, une réalisation d'ingénierie frappante.

Les piles à combustible au méthane nécessitent généralement des températures de 750 à 1, 000 degrés Celsius pour courir. Ce nouveau n'a besoin que d'environ 500, qui est même un cran plus froid que les moteurs à combustion automobile, qui tournent à environ 600 degrés Celsius.

Cette température plus basse pourrait déclencher des économies de coûts en cascade dans la technologie auxiliaire nécessaire pour faire fonctionner une pile à combustible, potentiellement pousser la nouvelle cellule vers la viabilité commerciale. Les chercheurs sont convaincus que les ingénieurs peuvent concevoir des unités d'alimentation électrique autour de cette pile à combustible avec un effort raisonnable, quelque chose qui a échappé aux précédentes piles à combustible au méthane.

« Sensation dans notre monde »

"Notre cellule pourrait faire un simple, système global robuste qui utilise de l'acier inoxydable bon marché pour fabriquer des interconnecteurs, " a déclaré Meilin Liu, qui a dirigé l'étude et est professeur à la Regents' School of Material Science and Engineering de Georgia Tech. Les interconnexions sont des pièces qui aident à rassembler de nombreuses piles à combustible dans une pile, ou unité fonctionnelle.

"Au-dessus de 750 degrés Celsius, aucun métal ne supporterait la température sans oxydation, donc vous auriez beaucoup de mal à obtenir des matériaux, et ils seraient extrêmement coûteux et fragiles, et contaminer la cellule, " dit Liu.

« Baisser la température à 500 degrés Celsius est une sensation dans notre monde. Très peu de gens l'ont même essayé, " a déclaré Ben deGlee, un assistant de recherche diplômé dans le laboratoire de Liu et l'un des premiers auteurs de l'étude. "Quand tu es si bas, cela facilite considérablement le travail de l'ingénieur qui conçoit la pile et les technologies connectées."

La nouvelle cellule élimine également le besoin d'un dispositif auxiliaire majeur appelé reformeur à vapeur, qui est normalement nécessaire pour convertir le méthane et l'eau en carburant hydrogène.

Liu, délice, co-premier auteur Yu Chen, qui est chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Liu, et co-premier auteur Yu Tang de l'Université du Kansas ont publié les résultats de leurs recherches le 29 octobre, 2018. Leurs travaux ont été financés par l'Office of Basic Energy Sciences et l'Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), tous deux au Département de l'Énergie des États-Unis. Il a également été financé par la division de chimie de la National Science Foundation.

'Génération distribuée'

La recherche était basée sur un type de pile à combustible à fort potentiel de viabilité commerciale, la pile à combustible à oxyde solide (SOFC). Les SOFC sont connues pour leur polyvalence dans les carburants qu'elles peuvent utiliser.

S'il va au marché, même si la nouvelle cellule pourrait ne pas alimenter les automobiles pendant un certain temps, il pourrait atterrir plus tôt dans les sous-sols dans le cadre d'un système plus décentralisé, nettoyeur, réseau électrique moins cher. La pile à combustible elle-même aurait à peu près la taille d'une boîte à chaussures, ainsi qu'une technologie auxiliaire pour le faire fonctionner.

« L'espoir est que vous puissiez installer cet appareil comme un chauffe-eau sans réservoir. Il fonctionnerait à partir de gaz naturel pour alimenter votre maison, " a déclaré Liu. " Cela permettrait à la société et à l'industrie d'économiser le coût énorme des nouvelles centrales électriques et des grandes extensions du réseau électrique. "

"Cela rendrait les foyers et les entreprises plus indépendants de l'électricité, " Liu a dit. " Ce genre de système serait appelé génération distribuée, et nos sponsors veulent développer cela."

Hydrogène maison

L'hydrogène est le meilleur carburant pour alimenter les piles à combustible, mais son coût est exorbitant. Les chercheurs ont découvert comment convertir le méthane en hydrogène dans la pile à combustible elle-même via le nouveau catalyseur, qui est fait avec du cérium, nickel et ruthénium et a la formule chimique Ce0.9Ni0.05Ru0.05O2, abrégé CNR.

Lorsque les molécules de méthane et d'eau entrent en contact avec le catalyseur et la chaleur, le nickel clive chimiquement la molécule de méthane. Le ruthénium fait de même avec l'eau. Les parties résultantes se réunissent sous la forme d'hydrogène (H2) et de monoxyde de carbone (CO) très souhaitables, que les chercheurs ont étonnamment mis à profit.

"Le CO cause des problèmes de performances dans la plupart des piles à combustible, mais ici, nous l'utilisons comme carburant, " dit Chen.

Faire de l'électricité

H2 et CO continuent à d'autres couches de catalyseur qui composent l'anode, la partie de la pile à combustible qui arrache des électrons, rendant le monoxyde de carbone et les ions hydrogène chargés positivement. Les électrons voyagent via un fil - créant le flux d'électricité - vers la cathode.

Là, oxygène, qui est très gourmand en électrons, aspire les électrons, fermant le circuit électrique et devenant des ions O2. L'hydrogène et l'oxygène ionisés se rencontrent et sortent du système sous forme de condensation d'eau ; les ions monoxyde de carbone et oxygène se rencontrent pour devenir du dioxyde de carbone pur, qui pourrait être capturé.

Pour l'énergie produite, la technologie des piles à combustible crée loin, beaucoup moins de dioxyde de carbone que les moteurs à combustion.

Dans certaines piles à combustible, l'eau des premières réactions doit être introduite de l'extérieur. Dans cette nouvelle pile à combustible, il est reconstitué dans la dernière phase de réaction, qui forme de l'eau qui revient pour réagir avec le méthane.

Les catalyseurs convergent

Le nouveau catalyseur, CNR, fabriqué par des collaborateurs de recherche de l'Université du Kansas, est la couche externe du côté anode de la cellule et sert également de protecteur contre la pourriture, prolonger la durée de vie de la cellule. CNR a de puissants catalyseurs de cohorte dans les couches internes et de l'autre côté de la cellule, la cathode.

Côté cathode, la réaction et le mouvement de l'oxygène dans le système sont généralement notoirement lents, mais le laboratoire de Liu l'a récemment accéléré pour augmenter la production d'électricité en utilisant ce qu'on appelle des cathodes en nanofibres, que le laboratoire de Liu a développé dans une étude précédente. (Voir l'étude précédente :un catalyseur à double nanofibre de pérovskite sur mesure permet une évolution ultrarapide de l'oxygène.)

« Les structures de ces différents catalyseurs, ainsi que les cathodes en nanofibres, tous ensemble nous ont permis de baisser la température de fonctionnement, " dit Chen.