Les chercheurs ont trouvé une alternative ultrarapide aux transferts lents d’ions oxydes des piles à combustible conventionnelles, augmentant l’efficacité et les performances en utilisant directement le carburant hydrocarboné. Les applications commerciales sont prometteuses.
Comme les batteries, les piles à combustible produisent de l’énergie par un processus électrochimique. Contrairement aux batteries, elles ne se déchargent pas et ne nécessitent pas de recharge. Cependant, les avantages potentiels des piles à combustible sont compensés par des défis tels que le coût, les performances et la durabilité.
Chercheur à l’Université technologique du Michigan Yun Hang Hu et deux étudiants diplômés, Hanrui Su et Wei Zhang, ont relevé ces défis, modifiant le chemin conventionnel d’une pile à combustible en créant une interface entre l’électrolyte et le carbonate fondu comme canal ultrarapide pour le transfert des ions oxygène.
“Cela nous a permis d’inventer un tout nouveau type de pile à combustible, une pile à combustible solide à superstructure carbonatée (CSSFC)”, a déclaré Hu, titulaire de la chaire de recherche Charles et Carroll McArthur en science et génie des matériaux au Département de Science et génie des matériaux à Michigan Tech.
Comme les autres piles à combustible, les CSSFC ont un large éventail d’utilisations potentielles, allant de la fourniture d’énergie au fonctionnement véhicules à pile à combustible et la production d’électricité domestique à des centrales électriques entières. Étant donné que les CSSFC sont flexibles en matière de carburant, elles offrent une durabilité et une efficacité de conversion d’énergie supérieures à des températures de fonctionnement plus basses que les autres types de piles à combustible.
Conduction ionique ultrarapide dans une pile à combustible solide superstructurée en carbonate créée par des chercheurs de Michigan Tech.
La plupart des piles à combustible sont alimentées par de l’hydrogène – généralement produit à partir de composés contenant de l’hydrogène, le plus souvent du méthane – via un processus coûteux appelé reformage. Mais le CSSFC développé dans le laboratoire de Hu peut utiliser directement du méthane ou d’autres hydrocarbures.
Hu a déclaré que la flexibilité du carburant est particulièrement intéressante pour les applications commerciales. De plus, les performances électrochimiques de la nouvelle pile à combustible à des températures de fonctionnement plus basses offrent plusieurs autres avantages. “La température de fonctionnement d’une pile à combustible à oxyde solide conventionnelle est généralement de 800 degrés Celsius ou plus, car le transfert d’ions dans un électrolyte solide est très lent à une température plus basse”, a déclaré Hu. “En revanche, l’électrolyte superstructuré du CSSFC peut fournir un transfert d’ions rapide à 550 degrés Celsius ou moins – même aussi bas que 470 degrés Celsius.”
La plupart des piles à combustible sont alimentées par de l’hydrogène – généralement produit à partir de composés contenant de l’hydrogène, le plus souvent du méthane – via un processus coûteux appelé reformage. Mais le CSSFC développé dans le laboratoire de Hu peut utiliser directement du méthane ou d’autres hydrocarbures.
Hu a déclaré que la flexibilité du carburant est particulièrement intéressante pour les applications commerciales. De plus, les performances électrochimiques de la nouvelle pile à combustible à des températures de fonctionnement plus basses offrent plusieurs autres avantages. “La température de fonctionnement d’une pile à combustible à oxyde solide conventionnelle est généralement de 800 degrés Celsius ou plus, car le transfert d’ions dans un électrolyte solide est très lent à une température plus basse”, a déclaré Hu. “En revanche, l’électrolyte superstructuré du CSSFC peut fournir un transfert d’ions rapide à 550 degrés Celsius ou moins – même aussi bas que 470 degrés Celsius.”
“Le CSSFC peut être directement exploité avec du méthane et divers autres combustibles hydrocarbonés – aucun reformage n’est requis. Il est prometteur pour les applications commerciales en raison de cette flexibilité du combustible.”Yun Hang Hu, professeur doté Charles et Carroll McArthur en science et génie des matériaux
La température de fonctionnement relativement basse offre une efficacité théorique élevée et des coûts de fabrication de cellule inférieurs. Hu a déclaré qu’il est également potentiellement plus sûr de fonctionner que d’autres piles à combustible solide.
Les tests sur le CSSFC ont également montré une tension de circuit ouvert (OCV) sans précédent, ce qui indique l’absence de perte de courant et une efficacité de conversion d’énergie élevée.
Hu estime que le rendement énergétique du CSSFC pourrait atteindre 60 %. Par comparaison, le gammes de rendement énergétique moyen d’un moteur à combustion entre 35% et 30%. L’efficacité énergétique plus élevée du CSSFC pourrait entraîner une réduction des émissions de dioxyde de carbone dans les véhicules.
Hou et son équipe a commencé à chercher des méthodes pour améliorer les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) il y a quatre ans. En plus d’aborder les problèmes associés aux températures de fonctionnement des SOFC – un objectif à l’échelle de l’industrie – ils ont examiné les propriétés uniques des matériaux superstructurés. Créés avec des formes spécifiques pour remplir des fonctions spécifiques, les SOFC ont de nombreuses applications en science et en ingénierie.
Des températures de fonctionnement plus basses avec des carburants à base d’hydrocarbures sont problématiques car elles entraînent une oxydation lente du carburant et provoquent une cokéfaction – c’est à ce moment que les dépôts de carbone accumulés encrassent les piles à combustible, dégradant l’efficacité et les performances. “La cinétique d’oxydation des hydrocarbures est extrêmement lente à des températures plus basses en raison des fortes liaisons carbone-hydrogène”, a déclaré Hu. “Le dépôt de carbone désactive également les électrodes en recouvrant leurs sites catalytiques.”
Pour tester leur hypothèse, les chercheurs ont fabriqué un appareil en laboratoire. “Dans nos expériences, le CSSFC a présenté une conductivité ionique d’oxygène ultra-élevée à 550 degrés Celsius, réalisant une oxydation rapide du carburant hydrocarboné. Cela a conduit à une tension en circuit ouvert élevée sans précédent de 1,041 volts et à une densité de puissance de crête très élevée de 215 milliwatts par centimètre carré , ainsi qu’une excellente résistance à la cokéfaction en utilisant du méthane sec », a déclaré Hu. Lui et son équipe continueront à explorer de nouvelles frontières, notamment en créant des matériaux superstructurés comme nouvelle plate-forme pour les dispositifs énergétiques.
“Enfin, nos observations ont stimulé une hypothèse : une interface continue entre le carbonate fondu et un conducteur ionique solide pourrait constituer un canal de transfert ultrarapide pour les ions oxygène, à savoir un supraconducteur ionique oxygène.”Yun Hang Hu, professeur doté Charles et Carroll McArthur en science et génie des matériaux
La Michigan Technological University est une université publique de recherche fondée en 1885 à Houghton, dans le Michigan, et accueille plus de 7 000 étudiants de 55 pays à travers le monde. Constamment classée parmi les meilleures universités du pays en termes de retour sur investissement, l’université technologique phare du Michigan propose plus de 120 premier cycle et diplômé programmes d’études en sciences et technologie, ingénierie, informatique, foresterie, commerce et économie, professions de la santé, sciences humaines, mathématiques, sciences sociales et arts. Le campus rural est situé à quelques kilomètres du lac Supérieur dans la péninsule supérieure du Michigan, offrant des possibilités d’aventure en plein air toute l’année.
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