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Pile à combustible sans platine
Les piles à combustible sont, en principe, le moyen le plus efficace de convertir l'hydrogène en électricité. Mais ils nécessitent des catalyseurs coûteux tels que le platine pour diviser l'hydrogène en ions et en courant électrique. Les métaux moins chers ne peuvent tout simplement pas résister à l'environnement acide sévère de la pile à combustible. Aujourd'hui, des chercheurs chinois ont développé une pile à combustible qui utilise un nouveau matériau de membrane pour fonctionner dans des conditions alcalines, éliminant ainsi le besoin d'un catalyseur coûteux. La puissance de sortie du nouveau prototype, qui utilise le nickel comme catalyseur, est encore relativement faible, mais il fournit une première démonstration d'une pile à combustible potentiellement beaucoup moins chère.
Polymère de puissance : Un nouveau polymère, présenté sous forme de poudre sur cette photo, peut être utilisé pour fabriquer des membranes de pile à combustible stables qui conduisent des ions chargés négativement.
Les piles à combustible conventionnelles se composent de deux électrodes recouvertes d'un catalyseur au platine qui divise le carburant hydrogène en ions hydrogène acides et en électrons. Les électrodes sont séparées par une membrane polymère qui conduit les ions hydrogène acides d'un côté à l'autre, créant un courant électrique externe. La nouvelle pile à combustible, mise au point par des chercheurs dirigés par Lin Zhuang , professeur de chimie à l'Université de Wuhan, à Wuhan, en Chine, utilise une nouvelle membrane qui conduit des ions alcalins appelés groupes hydroxyle. Les piles à combustible alcalines fonctionnent en faisant réagir de l'hydrogène et de l'oxygène pour créer des ions hydroxyle et de l'eau, une réaction catalysée dans la pile à combustible de l'Université de Wuhan par l'anode en nickel. Les ions hydroxyle sont conduits à travers la membrane polymère, générant un courant électrique externe.
La plupart des chercheurs se sont concentrés sur les piles à combustible acides parce que des membranes qui fonctionnent bien dans de telles conditions ont déjà été développées. Une membrane conductrice d'hydroxyle stable a été le Saint Graal de l'électrochimie, dit Robert Savinell , professeur de génie chimique à la Case Western Reserve University, à Cleveland. Une telle membrane permettrait aux chercheurs de construire des piles à combustible et des batteries qui ne nécessitent pas de catalyseurs en métaux précieux mais peuvent utiliser des catalyseurs moins chers comme le nickel.
Le polymère de Zhuang est comparable en structure au polymère hautement conducteur Nafion qui est utilisé dans les piles à combustible acides conventionnelles. Il peut s'avérer moins cher que le Nafion, qui doit être enrichi en groupements fluor pour le protéger des conditions acides. D'autres chercheurs travaillent à améliorer la puissance de sortie et à réduire le coût des piles à combustible acides en développant des alternatives au Nafion, mais ces piles nécessitent toujours des catalyseurs coûteux.
Le groupe de Zhuang a fait la démonstration de la nouvelle membrane dans une pile à combustible alcaline qui utilise une cathode en argent et une anode en nickel à séparation d'hydrogène comme catalyseur. Les catalyseurs au nickel utilisés dans les piles à combustible alcalines précédemment développées n'étaient pas très efficaces car ils se sont rapidement oxydés, de sorte que les piles à combustible alcalines ont utilisé les mêmes catalyseurs au platine que leurs homologues acides. Les chercheurs de Wuhan ont créé une anode recouverte de nanoparticules de nickel décorée de chrome qui est plus tolérante à l'oxydation que les précédents catalyseurs au nickel.
La puissance de sortie de la nouvelle pile à combustible – environ 50 milliwatts par centimètre carré à 60 °C – est modeste. Mais en tant que première démonstration d'une pile à combustible alcaline qui ne nécessite pas de catalyseurs métalliques coûteux, c'est une preuve de principe importante, selon les chercheurs. Les piles à combustible ont un long chemin à parcourir en termes d'efficacité, de stabilité à long terme et de dépenses, selon Frank DiSalvo , professeur de sciences physiques à l'Université Cornell, à Ithaca, NY. Ce travail améliore la boîte à outils de recherche de matériaux que nous pouvons explorer pour voir si nous pouvons atteindre l'efficacité des piles à combustible, dit-il.
Zhuang dit que lui et son groupe travaillent à l'amélioration de la puissance de sortie de la cellule en ajustant davantage le catalyseur et la membrane. Ils devront également démontrer la stabilité à long terme de la cellule. Nous pensons que des catalyseurs avec une activité plus élevée et un coût inférieur seront bientôt réalisés, dit-il.