Panache de plasma pendant une mesure PLD in situ. Crédit : TU Wien
Les chercheurs de la TU Wien étudient de nouveaux matériaux qui peuvent être utilisés pour réduire la température de fonctionnement des piles à combustible à oxyde solide. Pour ce faire, ils appliquent une méthode innovante.
Les piles à combustible à oxyde solide se composent de trois parties importantes : une anode, une cathode et un électrolyte. L’oxygène est incorporé dans la cathode, puis transporté à travers l’électrolyte jusqu’à l’anode, où l’oxygène réagit avec l’hydrogène pour donner de l’eau. La pile à combustible est capable de convertir l’énergie libérée dans le processus en électricité. Pour cette raison, les piles à combustible sont de plus en plus utilisées dans l’approvisionnement en énergie stationnaire et dans l’industrie automobile.
Afin de réduire la température de fonctionnement des piles à combustible à oxyde solide, qui est actuellement de 800 °C, à 450 °C ou 600 °C, les scientifiques de TU Wien recherchent des matériaux alternatifs susceptibles de servir de cathodes à ces températures plus basses. Markus Kubicek et son équipe ont récemment publié les résultats de leur analyse des matériaux dans la revue TU Wien. Journal of Materials Chemistry A.
Température de fonctionnement réduite
Les piles à combustible à oxyde solide sont construites depuis les années 1980. Aujourd’hui, les chercheurs tentent de mettre au point de nouvelles piles à combustible qui offrent une grande stabilité à long terme et sont moins coûteuses à fabriquer. Pour ce faire, il est nécessaire d’abaisser la température de fonctionnement à environ 450 °C à 600 °C. Pour le fonctionnement de la pile à combustible à oxyde solide à des températures plus basses, l’échange d’oxygène plutôt lent à la cathode représente un goulot d’étranglement. Les chercheurs du monde entier recherchent donc des moyens de développer de nouveaux matériaux d’électrode capables d’incorporer l’oxygène suffisamment rapidement, même à ces températures plus basses.
Matthäus Siebenhofer et Christoph Riedl dans le laboratoire. Crédit : TU Wien
Voies d’échange de l’oxygène
Les scientifiques de la division de recherche “Electrochimie technique” travaillent depuis des années sur les matériaux conducteurs mixtes (MIEC). Les oxydes de cette classe de matériaux sont particulièrement bien adaptés aux cathodes des piles à combustible, car ils peuvent conduire à la fois les ions oxygène et les électrons à des températures plus élevées. Cela fonctionne principalement grâce à des défauts, c’est-à-dire des écarts minimes par rapport au réseau cristallin idéal, qui sont introduits intentionnellement dans le matériau.
“Les défauts les plus importants à l’intérieur de ces matériaux sont les lacunes d’oxygène, les électrons et les trous. Afin de pouvoir optimiser ces matériaux de manière ciblée, il est très important de mieux comprendre le rôle de ces défauts dans la réaction d’incorporation de l’oxygène”, explique Markus Kubicek, responsable du projet FWF “Caractérisation in situ des films minces oxydés pendant leur croissance”. Les chercheurs ont maintenant réussi à le faire.
Une technique de mesure unique au monde
Pour mesurer la cinétique de la réaction d’incorporation de l’oxygène, les chercheurs utilisent des mesures “in situ PLD”, qui sont uniques au monde. Les matériaux des électrodes sont déposés dans une chambre à vide à l’aide d’un laser et sont mesurés directement après le dépôt par spectroscopie d’impédance. “Comme les impuretés les plus infimes peuvent avoir une forte influence sur les résultats de mesure, nous avions besoin d’une méthode de mesure qui nous permette d’examiner des surfaces d’électrodes vierges. Nous avons réussi à le faire ici pour la première fois”, explique Christoph Riedl, du groupe de recherche sur l’ionique à l’état solide. “Ce n’est que grâce à la méthode in situ développée ici que nous avons pu combiner parfaitement la simulation théorique et les résultats de mesure réels”, ajoute-t-il.
Matériaux différents, mêmes voies d’oxygène
Les chercheurs ont utilisé leur méthode de mesure pour étudier la réaction d’échange d’oxygène à la surface de cinq matériaux prometteurs. “Un point fort de nos mesures est que, pour la première fois, nous avons pu observer que la réaction d’échange d’oxygène semble suivre le même mécanisme sur des matériaux très différents”, décrit Matthäus Siebenhofer. “Un facteur décisif ici est la disponibilité de vacances d’oxygène à la surface”.
Jürgen Fleig, responsable du groupe de travail “Solid State Ionics”, conclut : “Dans cette étude, nous avons pu combiner différents résultats de recherche et développements expérimentaux des dernières années et ainsi décrire et comprendre beaucoup mieux la réaction la plus importante dans le domaine des piles à combustible à oxyde solide.”
Référence : ” Investigation des voies de réduction de l’oxygène sur les surfaces vierges des cathodes de SOFC “. in situ PLD impedance spectroscopy” par Matthäus Siebenhofer, Christoph Riedl, Alexander Schmid, Andreas Limbeck,Alexander Karl Opitz, Jürgen Fleig et Markus Kubicek, 5 novembre 2021,Journal of Materials Chemistry A.
DOI : 10.1039/D1TA07128A
