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Posté par Adrien le Vendredi 28/01/2011 à 12:00
Une pile à combustible à oxyde solide fonctionnant à basse température: 450°C
Une équipe de chercheurs de l'Institut National des Sciences et des Techniques Industrielles Avancées (AIST), dirigée par SUZUKI Toshio et associée à l'équipe du Professeur Nigel SAMMES de l'Ecole des Mines du Colorado (Etats-Unis), a développé une micro-pile à combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant de la...) à oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne...) solide qui peut fonctionner à 450°C.

Une pile à combustible (Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur (par...) est un appareil qui produit de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les...) par réaction entre l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) et l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.). L'oxygène provient de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser...) ambiant, alors que suivant les modèles, l'hydrogène est soit injecté directement dans la pile, soit produit par celle-ci à partir d'hydrocarbures (le plus souvent du méthane) ou d'alcools (méthanol). L'avantage d'utiliser des hydrocarbures comme combustibles est qu'ils sont moins coûteux à produire et à stocker que l'hydrogène.


Structure de la pile à combustible

Les piles à combustible à oxyde solide sont constituées entièrement de céramiques. Elles peuvent fonctionner avec du dihydrogène pur ou des hydrocarbures. Du fait de leur température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud,...) de fonctionnement très élevée (entre 700°C et 1000°C), elles ne sont actuellement utilisées que dans des installations de grande taille, donc fixes. Pour pouvoir les utiliser dans des unités plus réduites (pour des véhicules ou des résidences individuelles), il est nécessaire d'abaisser cette température de fonctionnement pour ainsi accélérer leur démarrage et réduire leur consommation d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) (et donc d'augmenter leurs rendements).

Une pile à combustible à oxyde solide est constituée de deux électrodes séparées par une membrane solide qui permet le passage des ions O2- de la cathode (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction cathodique. Elle correspond à la borne positive (+) dans une pile électrique qui...) vers l'anode (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la production d'électrons) par opposition à la cathode où se produit une...). Les réactions mises en jeu sont 2H2 -> 4H+ + 4e- au niveau de l'anode et 4e- + O2 -> 2O2- au niveau de la cathode. Le combustible est reformé sous l'action de catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des réactifs et n'apparaît donc pas dans l'équation-bilan de...). Dans le cas du méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état naturel et qui est produit par des organismes vivants. Il est...), la réaction est: CH4 + 2H2O -> 4H2 + CO2.

La micro-pile que l'équipe de l'AIST a créée a la forme d'un tube. Elle n'est donc pas plate, comme c'est le cas habituellement. Ceci permet d'appliquer la couche de catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des réactifs et n'apparaît donc pas dans l'équation-bilan de cette...) directement sur la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est...) de l'anode, le courant étant collecté aux extrémités du tube. Avec une pile classique, la couche qui collecte le courant est appliquée à la surface des électrodes, séparant ainsi la couche de catalyseur de l'anode. Cette nouvelle structure permet de reformer le combustible directement à la surface de l'anode.

Plus précisément, la micro-pile est constituée d'un emboîtement de trois tubes: la partie extérieure, à base d'oxyde de cérium (CeO2), de lanthane (La) et de cobalt (Co), constitue la cathode. La partie intéreure, à base de nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.) (Ni) et d'oxyde de cérium, constitue l'anode. La partie entre les deux, à base d'oxyde de cérium, constitue l'électrolyte. La surface intérieure de l'anode est enduite d'une couche de quelques micromètres d'épaisseur d'oxyde de cérium, qui constitue la couche catalytique. Le diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la...) de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble),...) mesure 1,8 mm. Le combustible (un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de...) de méthane et de vapeur () d'eau) circule à l'intérieur du tube.

Les tests effectués par les chercheurs ont permis d'obtenir, à 450°C, une tension (La tension est une force d'extension.) de sortie de 0,9V et une densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour les...) de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) de 0,1 W/cm2. Avec des cellules qui ne disposent pas de couche catalytique, la tension tombe à 0,6 V et la densité de puissance à quelques mW/cm2.

L'équipe continue ses recherches dans l'intention de trouver d'autres d'autres catalyseurs qui permettraient de diversifier les hydrocarbures utilisés comme combustibles et donc d'augmenter les rendements. Ils pensent ainsi pouvoir développer des piles pour des systèmes portables.

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Source: BE Japon numéro 561 (21/01/2011) - Ambassade de France au Japon / ADIT - http://www.bulletins-electroniques.com/ ... /65638.htm
Illustration: AIST