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Refroidissement des piles à combustible à oxyde solide
La start-up SiEnergy Systems a surmonté un obstacle majeur à la commercialisation de piles à combustible à oxyde solide avec un prototype qui fonctionne à des températures de plusieurs centaines de degrés inférieures à celles du marché aujourd'hui. Travailler avec un professeur de science des matériaux à Harvard Shriram Ramanathan , SiEnergy Systems, basée à Boston, a fait la démonstration d'une pile à combustible à oxyde solide pouvant fonctionner à 500 degrés Celsius, par opposition aux 800 à 1 000 degrés requis par les dispositifs existants. Cela permet à la cellule, qui utilise un électrolyte à couche mince soutenu mécaniquement par une grille métallique, d'être beaucoup plus grande que les dispositifs similaires fabriqués auparavant, de l'ordre de quelques centimètres, la taille nécessaire pour les applications pratiques, plutôt que des micromètres.
Cellules stables : Cet électrolyte ultrafin de pile à combustible est stabilisé par une grille métallique. La membrane sous-jacente est visible à travers les trous ronds de la grille, qui ont chacun un diamètre d'environ 100 micromètres.
Les piles à combustible à oxyde solide, qui peuvent utiliser une variété de combustibles, y compris le diesel ou le gaz naturel, amènent l'oxygène de l'air à réduire à la cathode, puis font passer les ions oxygène à travers une membrane électrolytique à oxyde solide jusqu'à l'anode, où le carburant est oxydé pour produire des électrons qui sont extraits de l'appareil. Leurs températures de fonctionnement élevées sont dictées par le fait que les ions se déplacent plus rapidement à travers l'électrolyte à des températures plus élevées.
Si l'électrolyte est très fin (quelques centaines de nanomètres d'épaisseur seulement), une pile à combustible à oxyde solide peut fonctionner à des températures plus basses. De tels électrolytes peuvent alimenter de très petits appareils de démonstration, mais jusqu'aux travaux de SiEnergy et de Ramanathan, personne n'avait été capable de fabriquer une membrane ultrafine en oxyde solide assez grande pour des appareils pratiques, dit Harry Tuller , professeur de science et d'ingénierie des matériaux au MIT. Le défi a été que les films, étant si minces, sont fragiles et se déchirent facilement pendant le traitement ou pendant les cycles de chauffage et de refroidissement, explique Tuller. Lorsqu'ils sont chauffés et refroidis, les différents matériaux qui les composent se dilatent et se contractent à des vitesses différentes, endommageant le film délicat. Nous et d'autres avons essayé de soutenir les films par un ou plusieurs supports structurels, dit-il, mais nous n'avons pas réussi à le faire sur une surface aussi large.
Dans un article publié dans la revue Nature Nanotechnologie , les chercheurs décrivent la fabrication d'une membrane électrolytique plus stable à la fois thermiquement et mécaniquement. Ils ont commencé avec une membrane électrolytique de 100 nanomètres d'épaisseur composée de zircone et d'yttrium. Ils ont déposé une grille métallique de support au-dessus de celle-ci, pour maintenir la membrane en place pendant qu'elle était chauffée et refroidie et, puisque la grille était faite d'un matériau conducteur, pour servir d'anode. Ils ont combiné cela avec une cathode dense et haute performance précédemment développée par Ramanathan. Dans leurs travaux publiés, SiEnergy a démontré des réseaux de piles à combustible d'environ cinq millimètres carrés chacun. Ramanathan dit que la méthode peut être étendue aux zones centimétriques nécessaires pour les appareils.
Le directeur général de SiEnergy, Vincent Chun, a déclaré qu'il ne s'agissait que d'une première démonstration et que la société travaille actuellement à l'intégration des piles à combustible minces dans des systèmes complets et à des tests de carburant. Chun espère que les piles à combustible de la société permettront d'économiser sur les coûts des matériaux car elles sont si minces. Chun dit que la société prévoit de remplacer les générateurs diesel et les systèmes de chauffage domestique et de production d'électricité.