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Les piles à combustible ne sont pas particulièrement connues pour leur caractère pratique et leur prix abordable, mais cela a peut-être changé. Une nouvelle cellule utilise du carburant bon marché à des températures comparables à celles des moteurs d’automobile et permet de réduire les coûts des matériaux.
Bien que la cellule soit dans le laboratoire, elle a un fort potentiel pour alimenter électriquement les maisons et peut-être même les voitures, affirment les chercheurs du Georgia Institute of Technology qui ont dirigé son développement. Dans une nouvelle étude dans le journal Nature Energie Les chercheurs ont expliqué comment ils ont réinventé la pile à combustible à l'aide d'un catalyseur de carburant nouvellement inventé.
Le catalyseur s’est débarrassé de l’hydrogène à prix élevé en fabriquant le sien à partir de méthane bon marché et facilement disponible. Et les améliorations apportées dans l’ensemble de la cellule ont considérablement refroidi les températures d’explosion qui régnaient dans les piles à combustible au méthane, un exploit technique remarquable.
Les piles à combustible au méthane ont généralement besoin d'une température de 750 à 1 000 degrés Celsius pour fonctionner. Ce nouveau moteur n’a besoin que d’environ 500, ce qui est même un peu plus froid que les moteurs à combustion automobile, qui tournent autour de 600 degrés Celsius.
Cette température plus basse pourrait entraîner des économies de coûts en cascade dans la technologie auxiliaire nécessaire au fonctionnement d'une pile à combustible, ce qui pourrait potentiellement amener la nouvelle pile à 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, ce qui a échappé aux piles à méthane précédentes.
"La sensation dans notre monde"
"Notre cellule pourrait constituer un système global simple et robuste utilisant des aciers inoxydables bon marché pour la fabrication d'interconnexions", a déclaré Meilin Liu, qui a dirigé l'étude et est professeur à la Regent School of Material Science and Engineering de Georgia Tech. Les interconnecteurs sont des composants qui permettent de réunir de nombreuses piles à combustible dans une pile ou une unité fonctionnelle.
"Au-dessus de 750 degrés Celsius, aucun métal ne résisterait à la température sans oxydation. Vous auriez donc beaucoup de mal à trouver des matériaux. Ils seraient extrêmement coûteux et fragiles, et contamineraient la cellule", a déclaré Liu.
"Baisser la température à 500 degrés Celsius fait sensation dans notre monde. Très peu de gens l'ont même essayé", a déclaré Ben deGlee, assistant de recherche diplômé du laboratoire de Liu et l'un des premiers auteurs de l'étude. "Lorsque vous atteignez cette valeur, l'ingénieur qui conçoit la pile et les technologies connectées devient beaucoup plus facile."
La nouvelle cellule élimine également le besoin d'un dispositif auxiliaire majeur appelé reformeur à la vapeur, qui est normalement nécessaire pour convertir le méthane et l'eau en carburant hydrogène.
Liu, deGlee, son co-premier auteur, Yu Chen, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Liu, et son co-premier auteur, Yu Tang de l'Université du Kansas, ont publié les résultats de leur recherche le 29 octobre 2018. Leur travail a été financé par le Office des sciences fondamentales de l'énergie et l'Agence de recherche avancée sur les projets d'énergie (ARPA-E), tous deux du département de l'Énergie des États-Unis. Il a également été financé par la Division de la chimie de la National Science Foundation.
'Génération distribuée'
La recherche était basée sur un type de pile à combustible à haut 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.
Si elle est mise sur le marché, bien que la nouvelle cellule n’alimente peut-être pas les voitures pendant un certain temps, elle pourrait atterrir plus tôt dans les sous-sols dans le cadre d’un réseau électrique plus décentralisé, plus propre et moins cher. La pile à combustible elle-même aurait à peu près la taille d'une boîte à chaussures et de la technologie auxiliaire nécessaire à son fonctionnement.
"L'espoir est que vous pourriez installer cet appareil comme un chauffe-eau sans réservoir. Il fonctionnerait au gaz naturel pour alimenter votre maison", a déclaré Liu. "Cela épargnerait à la société et à l'industrie le coût énorme des nouvelles centrales électriques et de l'extension du réseau électrique."
"Cela rendrait les maisons et les entreprises plus indépendantes du pouvoir", a déclaré Liu. "Ce genre de système s'appellerait la génération distribuée, et nos sponsors veulent le développer."
Hydrogène fait 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 grâce au nouveau catalyseur en cérium, nickel et ruthénium, dont la formule chimique est Ce0.9Ni0.05Ru0.05O2, en abrégé CNR.
Lorsque des molécules de méthane et d'eau entrent en contact avec le catalyseur et la chaleur, le nickel scinde chimiquement la molécule de méthane. Le ruthénium fait la même chose avec de l'eau. Les pièces résultantes se retrouvent sous la forme de l'hydrogène (H2) et du monoxyde de carbone (CO), très recherchés, que les chercheurs ont étonnamment mis à profit.
"Le CO provoque des problèmes de performances dans la plupart des piles à combustible, mais ici, nous l'utilisons comme carburant", a déclaré Chen.
Faire de l'électricité
H2 et CO continuent à former d'autres couches de catalyseur qui constituent l'anode, la partie de la pile à combustible qui extrait les électrons, produisant ainsi des ions chargés positivement du monoxyde de carbone et de l'hydrogène. Les électrons se déplacent via un fil – créant le flux d'électricité – vers la cathode.
Là, l’oxygène, qui a très faim d’électrons, aspire les électrons et ferme le circuit électrique pour devenir des ions O2-. L’hydrogène et l’oxygène ionisés se rencontrent et sortent du système sous forme de condensation; 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 génère beaucoup moins de dioxyde de carbone que les moteurs à combustion.
Dans certaines piles à combustible, l'eau dans les réactions initiales doit être introduite de l'extérieur. Dans cette nouvelle pile à combustible, il est reconstitué lors de la dernière phase de réaction, ce qui forme une eau qui réagit en cycle pour réagir avec le méthane.
Les catalyseurs convergent
Le nouveau catalyseur, CNR, fabriqué par des collaborateurs de recherche de l'Université du Kansas, constitue la couche externe du côté anode de la cellule et sert également de protecteur contre la pourriture, prolongeant la durée de vie de la cellule. Le CNR a de puissants catalyseurs de cohorte dans les couches internes et de l’autre côté de la cellule, la cathode.
Du côté de la 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 que l'on appelle des cathodes à nanofibres, que le laboratoire de Liu avait développées dans une étude antérieure. (Voir étude précédente: Un catalyseur sur mesure à base de nanofibres à base de perovskite permet un dégagement ultra-rapide d'oxygène.)
"Les structures de ces différents catalyseurs, ainsi que les cathodes en nanofibres, ont permis d'abaisser la température de fonctionnement", a déclaré Chen.
Les personnes suivantes ont co-écrit la recherche: Bote Zhao, Lei Zhang, Seonyoung Yoo, Kai Pei, Jun Hyuk Kim et Yong Ding de Georgia Tech; Yuechang Wei et Franklin Feng Tao de l'Université du Kansas, et Ziyun Wang et P. Hu de l'Université Queen's de Belfast. La recherche a été financée par le US Department of Energy dans le cadre des agences et programmes suivants: programme REBELS de l'agence de recherche sur les projets de recherche avancée (ARPA-E) (prix DE-AR0000502) et programme technologique principal SECA (prix DE-FE0031201), Programme de catalyse de l'Office des sciences fondamentales de l'énergie (subvention DE-SC0014561). Il a également été financé par la Division de chimie de la National Science Foundation (prix 1462121). Tous les résultats, conclusions et opinions sont ceux des auteurs et pas nécessairement des agences de financement.
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