Des piles à combustible de labo atteignent 0,726 W cm−2 à 400 °C

Les chercheurs ont utilisé un film céramique mince comme électrolyte dans une pile à combustible à oxyde solide de laboratoire ; le film conduisait les ions oxyde entre les électrodes. Le dispositif construit par des chercheurs de l’Université des sciences et technologies de Pékin, de l’Université de Hainan et d’autres instituts a ensuite atteint une densité de puissance maximale de 0,726 W cm −2 à 400 °C — un résultat qui ouvre la voie à un fonctionnement des piles à combustible à des températures inférieures à celles normalement requises par ces systèmes.

La plupart des piles à combustible à oxyde solide utilisent des électrolytes céramiques résistants à la chaleur, des matériaux solides qui transportent les ions entre deux électrodes. Ces électrolytes ont généralement besoin de températures supérieures à 500 °C pour déplacer rapidement les ions oxyde. La chaleur ajoute de la complexité à l’ingénierie et peut accélérer la dégradation des composants sous-jacents de la pile.

Les nouveaux matériaux appartiennent à la famille Aurivillius. Leur structure empile des blocs d’oxyde de sodium-bismuth-titane avec des couches d’oxyde de bismuth régulièrement positionnées. Les chercheurs ont produit des films contenant quatre, cinq, sept ou huit couches de type pérovskite, à l’aide du dépôt par laser pulsé, un procédé dans lequel des impulsions laser libèrent du matériau depuis une cible solide sur une surface de support.

De petites quantités de magnésium ou de strontium ont permis à l’équipe d’ajuster la structure des films et leurs lacunes d’oxygène — des sites vides par lesquels les ions oxyde peuvent se déplacer. Les films les plus performants contenaient 4 % de magnésium et présentaient une conductivité ionique de 0,025 S cm−1 à 350 °C. L’imagerie électronique à l’échelle atomique et les calculs de premiers principes ont relié ce résultat à un étirement localisé du réseau cristallin et à deux voies de conduction ionique associées aux couches d’oxyde de bismuth.

Concrètement, un fonctionnement à plus basse température pourrait simplifier les systèmes de gestion thermique, réduire la dégradation et élargir le choix des matériaux utilisés autour d’une pile à combustible. Les chercheurs ont testé le film optimisé avec de l’hydrogène à l’anode et de l’air à la cathode, notamment lors d’un test de 200 heures à 350 °C. Les travaux restent à l’échelle du laboratoire : l’équipe estime que les films pourraient encore être améliorés et intégrés à des piles à combustible reposant sur d’autres conceptions.