Construire une meilleure pile à combustible

Les piles à combustible basées sur des composés acides solides peuvent offrir des tensions plus élevées, des températures de fonctionnement plus élevées, moins de complexité du système et plus d'options de combustible que les piles à combustible actuelles. Alors rapportez les chercheurs du California Institute of Technology dans le rapport de cette semaine La nature .

Les piles à combustible convertissent directement l'énergie chimique en énergie électrique, un processus plus efficace que la combustion ( voir Remplir avec de l'hydrogène ). Les piles à combustible les plus prometteuses utilisent des membranes constituées d'électrolytes polymères. Ils fonctionnent en faisant passer un combustible, tel que l'hydrogène, à travers la membrane, qui n'est perméable qu'aux protons. L'électron de l'hydrogène doit faire le tour de la membrane, générant le courant électrique. De l'autre côté de la membrane, l'hydrogène se lie à l'oxygène atmosphérique, de sorte que le seul sous-produit est l'eau.

Mais les membranes électrolytiques polymères ont un inconvénient majeur : elles ont besoin d'humidité pour fonctionner. Cela limite les conditions de fonctionnement en dessous du point d'ébullition de l'eau, une contrainte majeure quant à l'endroit et à la manière dont les piles à combustible peuvent être utilisées.

Pour qu'il fonctionne, le polymère doit être humide, explique Sossina Haile, professeur adjoint de science des matériaux à Caltech et auteur principal du La nature papier. Cela signifie qu'il y a beaucoup de problèmes de gestion de l'eau et de gestion de la température. Vous devez le garder au frais mais pas trop frais, humide mais pas trop humide. (Trop de vapeur d'eau, et elle se condense à la surface de la membrane et bloque le gaz.) Tout cela augmente la complexité et donc le coût des piles à combustible, dit-elle.

Pas d'eau, pas de problème

	Groupe de recherche du professeur Haile (de gauche à droite) : Calum Chisholm, Ryan Merle, Dane Boysen et Sossina Haile.

Contrairement aux membranes à électrolyte polymère, les membranes à acide solide de Haile sont anhydres, ce qui signifie qu'elles fonctionnent, qu'il y ait ou non de l'eau. Dans La nature , Haile a rapporté des résultats positifs à des températures allant jusqu'à 160 °C pour les membranes en sulfate acide de césium, un acide solide à peu près aussi bon marché que le sel de table, dit Haile.

Un électrolyte conducteur de protons sans eau est une chose merveilleuse à avoir, déclare Sekharipuram Narayanan, chercheur en piles à combustible au Jet Propulsion Laboratory de la National Aeronautics and Space Administration qui a travaillé avec Haile dans le passé.

Les recherches de Narayanan se concentrent sur l'alimentation des piles à combustible avec du méthanol, un domaine qui pourrait être fortement stimulé par les membranes acides solides. Les piles à combustible dites à méthanol direct utilisent du méthanol au lieu de l'hydrogène comme carburant. Mais les membranes à base de polymère laissent également passer une partie du méthanol sans générer d'énergie, un problème appelé croisement du méthanol. Bien que cela n'ait pas été démontré, Haile théorise que les acides solides peuvent réduire le croisement du méthanol.

Le soufre, gros problème ?

Cependant, des obstacles majeurs doivent être franchis pour que les piles à combustible à acide solide soient un jour une source d'énergie viable. Le prototype de Haile n'a généré que 50 milliampères de courant par centimètre carré de membrane, contre 1 ampère par centimètre carré généré par les membranes à électrolyte polymère.

Il y a un très un long chemin à parcourir avec son approche avant qu'elle ne devienne presque utile, déclare Tom Zawodzinski, chercheur sur les piles à combustible au Laboratoire national de Los Alamos, dans un e-mail à technologyreview.com.

Autre problème : les électrolytes solides, comme ceux de Haile, ne fonctionnent pas à température ambiante et doivent être chauffés avant de commencer à produire de l'électricité. Ce n'est pas grave, dit Narayanan, lorsque vous alimentez une voiture, mais cela rend les petites applications - telles que les téléphones portables - presque impossibles.

Le plus grand obstacle est peut-être que la membrane de Haile contient du soufre, qui réagit avec l'hydrogène pour réduire progressivement les performances de la pile à combustible. Le problème est que la pile à combustible - l'électrolyte - est confrontée à un environnement extrême, explique Haile. La membrane contient du soufre qui réagira avec l'hydrogène. Le produit de la réaction, le sulfure d'hydrogène, interfère avec la réaction chimique qui génère de l'électricité.

Pour contourner le problème, le groupe de recherche de Haile recherche des acides solides qui ne contiennent pas de soufre. C'est quelque chose qui pourrait être résolu aujourd'hui, ou qui pourrait ne jamais être résolu, dit-elle.

cacher