La membrane électrochimique, montrant la texture de la grille métallique sur sa surface. La stabilisation de la membrane avec cette grille a permis aux scientifiques des matériaux à Harvard de faire évoluer avec succès la technologie à une échelle pratique, permettant des applications d'énergie propre. Crédit :Shriram Ramanathan.
(PhysOrg.com) -- Des scientifiques en matériaux de la Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et de SiEnergy Systems LLC ont fait la démonstration de la première pile à combustible à couche mince et à oxyde solide (SOFC) à grande échelle.
Alors que les SOFC ont déjà travaillé à la micro-échelle, c'est la première fois qu'un groupe de recherche surmonte les défis structurels de la mise à l'échelle de la technologie jusqu'à une taille pratique avec une puissance de sortie proportionnellement plus élevée.
Signalé en ligne le 3 avril dans Nature Nanotechnologie , la démonstration de cette SOFC entièrement fonctionnelle indique le potentiel des piles à combustible électrochimiques pour être une source viable d'énergie propre.
"La percée dans ce travail est que nous avons démontré une densité de puissance comparable à ce que vous pouvez obtenir avec de minuscules membranes, mais avec des membranes qui sont un facteur cent fois plus grandes, démontrer que la technologie est évolutive, " dit le chercheur principal Shriram Ramanathan, Professeur agrégé de science des matériaux à SEAS.
Les SOFC créent de l'énergie électrique via une réaction électrochimique qui se déroule à travers une membrane ultra-mince. Cette membrane de 100 nanomètres, comprenant l'électrolyte et les électrodes, doit être suffisamment mince pour permettre aux ions de le traverser à une température relativement basse (ce qui, pour les piles à combustible en céramique, se situe entre 300 et 500 degrés Celsius). Ces basses températures permettent un démarrage rapide, une conception plus compacte, et moins d'utilisation de matériaux de terres rares.
Une plaquette de membrane de pile à combustible à oxyde solide entièrement fonctionnelle. La surface structurée de chaque puce carrée confère une stabilité au film incroyablement mince qui est utilisé pour la membrane électrochimique. Crédit :Shriram Ramanathan.
Jusque là, cependant, les couches minces n'ont été mises en œuvre avec succès que dans des micro-SOFC, où chaque puce dans la plaquette de pile à combustible mesure environ 100 microns de large. Pour des applications pratiques, telles que l'utilisation dans des sources d'alimentation compactes, Les SOFC doivent être environ 50 fois plus larges.
Les membranes électrochimiques sont si fines que la création d'une membrane à cette échelle équivaut à peu près à la fabrication d'une feuille de papier de 16 pieds de large. Naturellement, les problèmes structurels sont importants.
« Si vous fabriquez une membrane mince conventionnelle à cette échelle sans structure de support, tu ne peux rien faire, ça va juste casser, " dit le co-auteur Bo-Kuai Lai, un stagiaire postdoctoral à SEAS. "Vous fabriquez la membrane en laboratoire, mais vous ne pouvez même pas le retirer. Il va juste se briser."
Avec l'auteur principal Masaru Tsuchiya (Ph.D. '09), un ancien membre du laboratoire de Ramanathan qui est maintenant chez SiEnergy, Ramanathan et Lai ont renforcé la membrane à couche mince à l'aide d'une grille métallique qui ressemble à du grillage à poulet à l'échelle nanométrique.
La microscopie électronique à balayage révèle la surface structurée de la membrane électrochimique. L'équipe de Ramanathan a trouvé des cercles et des hexagones pour fournir la structure la plus stable. Crédit :Shriram Ramanathan.
Le minuscule nid d'abeilles en métal fournit l'élément structurel essentiel pour la grande membrane tout en servant également de collecteur de courant. L'équipe de Ramanathan a pu fabriquer des puces à membrane de 5 mm de large, combinant des centaines de ces puces en plaquettes SOFC de la taille d'une paume.
Alors que les tentatives antérieures d'autres chercheurs pour mettre en œuvre la grille métallique ont montré un succès structurel, L'équipe de Ramanathan est la première à démontrer une SOFC entièrement fonctionnelle à cette échelle. La densité de puissance de leur pile à combustible de 155 milliwatts par centimètre carré (à 510 degrés Celsius) est comparable à la densité de puissance des micro-SOFC.
Multiplié par la surface active beaucoup plus grande de cette nouvelle pile à combustible, cette densité de puissance se traduit par une sortie suffisamment élevée pour être pertinente pour l'alimentation portable.
Des travaux antérieurs dans le laboratoire de Ramanathan ont développé des micro-SOFC entièrement en céramique ou qui utilisent du méthane comme source de carburant au lieu de l'hydrogène. Les chercheurs espèrent que les futurs travaux sur les SOFC intégreront ces technologies dans les piles à combustible à grande échelle, améliorer leur abordabilité.
Dans les mois à venir, ils exploreront la conception de nouvelles anodes nanostructurées pour les carburants alternatifs à l'hydrogène qui fonctionnent à ces basses températures et travailleront pour améliorer la stabilité microstructurale des électrodes.
