L'une des technologies d'énergie propre les plus prometteuses s'est encore améliorée. Des chercheurs de l'Université du Delaware ont développé le plus puissant, Composants de pile à combustible à membrane échangeuse d'hydroxyde durables enregistrés, qu'ils ont récemment décrit dans la revue Énergie naturelle . L'ingrédient clé ? Membranes fabriquées à partir de polymères poly(aryl pipéridinium).

Les piles à combustible fonctionnent en convertissant l'énergie chimique en électricité, et ils sont une source d'énergie prometteuse pour les véhicules respectueux de l'environnement. Quelques véhicules à pile à combustible existent déjà sur le marché, dont la Toyota Mirai, la Honda Clarity et la Hyundai Nexo, et de plus en plus de voitures à pile à combustible sont en cours de développement dans le monde. Les piles à combustible dans les automobiles nécessitent l'utilisation d'un matériau catalyseur coûteux, généralement du platine, pour accélérer les réactions chimiques à l'intérieur. Celles-ci sont appelées piles à combustible à échange de membranes protoniques, et ils contiennent des membranes faites d'un matériau polymère fluoré.

Pendant près de deux décennies, Yushan Yan, Professeur d'ingénierie distingué en génie chimique et biomoléculaire, a travaillé pour développer des piles à combustible qui ne nécessitent pas de catalyseurs au platine et utilisent à la place des métaux moins chers, comme l'argent ou le nickel. Ces piles à combustible contiennent des membranes échangeuses d'hydroxyde, qui déplacent l'environnement dans les piles à combustible d'acide - la norme actuelle - à alcaline. La membrane de la pile à combustible est ce qui détermine le pH à l'intérieur.

"Nous pouvons rendre les composants beaucoup moins chers en passant des piles à combustible à membrane échangeuse de protons aux piles à combustible à membrane échangeuse d'hydroxyde, " dit Yan. Pour faire ces membranes, Yan est en quête de développement optimal, matériaux évolutifs. Pour ce projet, Yan a fait appel à l'expertise d'un autre expert en électrochimie de l'UD—Bingjun Xu, professeur assistant en génie chimique et biomoléculaire.

Les polymères échangeurs d'hydroxyde sont constitués d'une longue chaîne, ou colonne vertébrale, et une chaîne latérale avec un ion chargé positivement, ou cationique. Dans le travail passé de Yan, les chaînes latérales utilisées dans les membranes échangeuses d'hydroxyde contenaient de très gros cations positifs, ce qui les a rendus stables mais a entravé leur conductivité. Le matériel de base, d'autre part, était bon marché, mais pas suffisamment stable.

"La question était :comment créer un nouveau polymère stable à la fois pour le cation organique et le squelette, avec un petit cation ?" dit Yan.

En utilisant des polymères poly(aryl pipéridinium), l'équipe a développé des membranes échangeuses d'hydroxyde et des ionomères aux propriétés favorables, y compris une bonne conductivité ionique, stabilité chimique, robustesse mécanique, séparation des gaz et solubilité sélective. Lorsque l'équipe a testé ces matériaux dans un système avec seulement une très petite quantité de platine, les piles à combustible alimentées en air avaient une densité de puissance maximale de 920 milliwatts par centimètre carré et fonctionnaient de manière stable à une densité de courant de 500 milliampères par centimètre carré pendant 300 heures dans l'air à 95 degrés Celsius.

Ce sont les meilleures statistiques de puissance et de stabilité à ce jour pour une membrane échangeuse d'hydroxyde à plus de 90 degrés Celsius et le plus proche des 5000 heures de fonctionnement qui seraient nécessaires pour utiliser cette technologie dans une voiture.

L'équipe a développé une famille de polymères, rendant cette technologie polyvalente. "Il y a beaucoup de boutons que nous pouvons tourner pour offrir différentes propriétés, " a déclaré Yan. "Il s'agit d'une technologie de plate-forme."

Le premier auteur de l'article est l'associé de recherche Junhua Wang, qui travaille sur ce projet depuis 2011. "Pour que cette découverte soit faite, il a fallu être très patient, " dit Yan. " C'est un merveilleux scientifique, très créatif et assidu."