Un petit effort réduit considérablement les performances de la pile à combustible

Lorsque du zirconate de baryum dopé à l'yttrium (BZY20) est déposé sur une électrode, les atomes proches de la surface sont comprimés à partir de leur position idéale. Cette contrainte de compression dans le plan augmente la barrière à la diffusion des protons, réduisant ainsi la conductivité des protons et les performances des piles à combustible à oxyde solide. Cette diminution de la conductivité protonique correspond aux valeurs rapportées des conductivités protoniques dans les piles à combustible céramiques conductrices de protons à haute performance. Les stratégies pour surmonter cette contrainte aideront à améliorer les performances à l'avenir. Crédit :Laboratoire Yamazaki, Université de Kyushu

Beaucoup d'entre nous ne savent que trop bien comment la tension dans les relations de travail peut avoir un impact sur les performances, mais de nouvelles recherches montrent que les matériaux des piles à combustible produisant de l'électricité peuvent être sensibles à la tension à un tout autre niveau.

Des chercheurs de l'Université de Kyushu rapportent que la contrainte causée par une réduction de seulement 2 % de la distance entre les atomes lorsqu'ils sont déposés sur une surface entraîne une énorme diminution de 99,999 % de la vitesse à laquelle les matériaux conduisent les ions hydrogène, ce qui réduit considérablement les performances du combustible à oxyde solide. cellules.

Le développement de méthodes pour réduire cette pression contribuera à apporter des piles à combustible hautes performances pour la production d'énergie propre à un plus grand nombre de foyers à l'avenir.

Capables de générer de l'électricité à partir d'hydrogène et d'oxygène tout en n'émettant que de l'eau comme "déchet", les piles à combustible s'appuient sur un électrolyte pour transporter les ions produits en brisant les molécules d'hydrogène ou d'oxygène d'un côté à l'autre de l'appareil.

Bien que le terme électrolyte puisse souvent évoquer des images de liquides et de boissons pour sportifs, il peut aussi s'agir de solides. Pour les piles à combustible, les chercheurs s'intéressent particulièrement aux électrolytes à base de céramique et d'oxydes solides, des matériaux durs composés d'oxygène et d'autres atomes, qui conduisent les ions hydrogène positifs, également appelés protons.

Ces oxydes solides conducteurs de protons sont non seulement plus durables que les liquides et les membranes polymères, mais peuvent également fonctionner dans des plages de températures moyennes de 300 à 600 °C, ce qui est inférieur à leurs homologues conducteurs d'ions oxygène.

"L'une des clés d'une bonne efficacité est de faire en sorte que les protons à travers l'électrolyte réagissent avec l'oxygène le plus rapidement possible", explique Junji Hyodo, auteur de l'étude et professeur assistant de recherche à la plateforme de recherche énergétique inter-/transdisciplinaire de l'Université de Kyushu (Q -PIT).

"Sur le papier, nous avons des matériaux avec de grandes propriétés qui devraient conduire à d'excellentes performances lorsqu'ils sont utilisés dans des piles à combustible à oxyde solide, mais les performances réelles ont tendance à être bien inférieures."

Maintenant, les chercheurs pensent qu'ils savent pourquoi grâce à des enquêtes sur ce qui se passe là où l'électrolyte rencontre l'électrode induisant la réaction.

"Les propriétés des matériaux individuels sont souvent mesurées dans un état où elles sont exemptes de l'influence des couches environnantes - ce que nous appelons la masse. Cependant, lorsqu'une couche d'oxyde est développée sur une surface, ses atomes doivent souvent se réajuster pour s'adapter aux propriétés de la surface sous-jacente, ce qui entraîne des différences par rapport à la masse », explique Hyodo.

Pour leur étude, les chercheurs se sont concentrés sur un oxyde prometteur connu sous le nom de BZY20, qui est une combinaison d'atomes d'yttrium, de baryum, de zirconium et d'oxygène. BYZ20 forme un cristal avec une structure commune qui tient dans un cube et se répète encore et encore sur la surface à mesure que l'oxyde se développe.

En examinant des échantillons de différentes épaisseurs, ils ont constaté que les atomes sur les bords de ce cube sont 2 % plus proches à l'interface entre l'oxyde et la surface que dans les couches éloignées de la surface. De plus, cette contrainte de compression réduit la conductivité protonique à près de 1/100 000 de ce qu'elle est dans les échantillons en vrac.

"Un changement de seulement 2 % - d'un mètre à 98 cm à grande échelle - peut sembler insignifiant, mais dans un appareil où les interactions se produisent à l'échelle atomique, cela a un impact énorme", déclare Yoshihiro Yamazaki, professeur à Q- PIT et conseiller sur l'étude.

Au fur et à mesure que les couches s'accumulent, cette contrainte de compression diminue lentement, le cube atteignant finalement sa taille préférée loin de l'interface. Mais même si la conductivité peut être élevée loin de la surface, le mal est déjà fait.

La prise en compte de cette conductivité réduite lors du calcul des performances attendues donne des valeurs qui correspondent aux performances réelles de la pile à combustible, ce qui indique que la contrainte joue probablement un rôle dans la réduction des performances.

"Bien que nous disposions de bons matériaux individuels, il est essentiel de conserver leurs propriétés lorsqu'ils sont combinés dans un appareil. Dans ce cas, nous savons maintenant que des stratégies visant à réduire la contrainte à l'endroit où l'oxyde rencontre l'électrode sont nécessaires", déclare Yamazaki.

La recherche a été publiée dans le Journal of Physics:Energy . + Explorer plus loin