Augmenter la rentabilité des piles à combustible
Publié par Redbran le 20/01/2017 à 12:00
Source: CORDIS-Europa

Illustration: société LeanCat
Des piles à combustible à base d'hydrogène moins précieuses et plus efficaces.

Pour augmenter la rentabilité des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), des chercheurs financés par l'UE ont conçu une nouvelle famille de catalyseurs en couche mince (Une couche mince est une fine pellicule d'un matériau déposée sur un autre matériau, appelé « substrat ». Le but de la couche mince est de...), après avoir découvert les mécanismes sous-jacents à la catalyse (La catalyse est l'action d'une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique dans le but de modifier sa vitesse de réaction. Le...) à atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué...) unique et identifié comment exploiter ses avantages.

Les PEMFC utilisent une membrane de polymère acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les bases.) à base d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) comme électrolyte et des électrodes en platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.) (Pt). L'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) est traité à 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 souvent abusivement...) d'un 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...) en platine au niveau de 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 réaction électrochimique de réduction (menant à la...) où les électrons sont séparés des protons. Les protons traversent la membrane avant d'atteindre le côté 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...) de la pile.

Du côté de la cathode, l'électrode en métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins. Les...) précieux combine les protons et les électrons à l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.), et l'eau produite constituant le seul déchet (Un déchet (détritus, résidu..) est un objet en fin de vie ou une substance issue d'un processus, jugés devenus inutiles ou dangereux ou encombrants, et dont on veut se débarrasser.) est expulsée. L'oxygène peut ainsi être produit sous une forme purifiée ou extrait directement à partir 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...) au niveau de l'électrode.

Le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...) CHIPCAT (Design of thin-film nanocatalysts for on-chip fuel cell technology), financé par l'UE, a été lancé pour rechercher une alternative viable à l'utilisation de nanoparticules de platine. En tant que métal précieux, le platine représente jusqu'à 50 % du coût de fabrication des piles 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 chaleur : la...) à base d'hydrogène et augmente donc leur prix.

Au cours du projet de trois ans, les chercheurs ont exploré différents aspects de la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) de dépôt physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...). Les processus industriels classiques de fabrication d'électrode impliquent des étapes humides qui sont incompatibles avec la technologie des dispositifs électroniques à base de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.).

"Des catalyseurs en film mince à base d'oxydes de cérium combinés à du platine (Pt-CeOx), qui ont fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il...) de demandes de brevet avant CHIPCAT, ont été proposés pour optimiser l'efficacité du platine utilisé dans les piles à combustible", explique le Dr Daniel Mazur de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et...) Charles de Prague, en République tchèque, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et...) et secrétaire du projet.

Les nouveaux nanocatalyseurs en couche mince sont constitués d'atomes de platine, principalement à l'état ionique, dispersés dans une matrice d'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion...) de cérium réductible. Les cristallites d'oxyde ont des diamètres de quelques nanomètres afin que la majorité des atomes de platine puissent accéder aux surfaces des cristallites et aient un effet catalytique.

"Nous avons dû nous convaincre nous-mêmes, ainsi que d'autres personnes, du fait que ce composé fonctionnait comme prévu. Ensuite, nous avons dû découvrir les principaux mécanismes permettant à ces nanocatalyseurs de fonctionner, afin de pouvoir les perfectionner et d'y ajouter des additifs pour en tirer le meilleur parti", se rappelle le Dr Mazur.

Il souligne que "toute une série d'expériences sur des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) simplifiés et de calculs de modèles sophistiqués ont été nécessaires pour atteindre les objectifs du projet."

Le Dr Mazur a aussi fait remarquer que "au final, les résultats publiés indiquent que les nouveaux catalyseurs peuvent durer plus longtemps que les catalyseurs classiques, du fait que les atomes de platine dispersés s'agglomèrent à peine et conservent donc leurs performances initiales tant que l'échafaudage (matériau carboné) résiste."

Il a également ajouté: "Grâce à l'utilisation de la microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La...) électronique haute résolution à transmission, nous avons finalement réussi à visualiser les atomes de platine individuels incorporés aux cristallites de cérium. Cette preuve a longtemps été réclamée par nos pairs scientifiques, qui n'étaient pas convaincus de notre déclaration concernant la nature 'atomiquement dispersée' du 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...)."

Des efforts importants ont été consacrés à la construction d'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...) miniature pouvant être incorporée à un dispositif à circuits intégrés. Les chercheurs ont conçu un système sur puce dans lequel l'hydrogène emprunte des canaux microfluidiques gravés sur une galette en silicium.

Toutefois, "en raison d'une différence de géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne)...) par rapport à la structure en sandwich des PEMFC classiques, seuls les processus situés en périphérie (Le mot périphérie vient du grec peripheria qui signifie circonférence. Plus généralement la périphérie désigne une...) des canaux contribuent aux performances de la micro-pile à combustible. Ce phénomène limite ses performances et la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) 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.) pouvant être récoltée", a déclaré le Dr Mazur.

Plusieurs stratégies sont envisagées pour surmonter cet obstacle majeur, dont l'une consiste à déposer le catalyseur sur la membrane plutôt que sur les parois du sillon.

Les conclusions du projet CHIPCAT ont été décrites dans plus de 60 articles scientifiques publiés dans des revues à comité de lecture de grande renommée, y compris Nature Communications et Nature Materials. Ces publications documentent l'excellente compréhension des processus qui ont lieu dans les matériaux étudiés et ont joué un rôle clé dans les résultats finaux obtenus.

L'équipe a également entamé les premières phases menant à la commercialisation de la nouvelle technologie de catalyseur en film mince. "L'Université Charles de Prague, en charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne...) de la coordination du projet en partenariat avec Jablotron Group, a créé une entreprise dérivée (La dérivée d'une fonction est le moyen de déterminer combien cette fonction varie quand la quantité dont elle dépend, son argument, change. Plus...) dirigée par le professeur Vladimír Matolín (détenteur des brevets sus-mentionnés)", a déclaré le Dr Mazur.

La société LEANCAT s.r.o. propose déjà les nanocatalyseurs atomiques en tant que produit. Parallèlement, elle fabrique et vend des stations de test de piles à combustible développées à l'Université Charles dans le cadre du projet CHIPCAT.

Pour plus d'information voir:
- Projet CHIPCAT
- Société LEANCAT s.r.o.
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