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27 Nov, 2023

Des chercheurs visent à rendre réaliste, des piles à combustible moins chères

Des chercheurs visent à rendre réaliste, des piles à combustible moins chères

Illustration d’un film mince d’argent-palladium déposé sur une électrode de carbone poreuse, qui, selon les chercheurs, pourrait rendre la fabrication des piles à combustible à hydrogène plus facile et moins coûteuse. (José Zamora Zeledón, John Douglin et Michaela Burke Stevens)

L’équipe a réduit la quantité de métaux coûteux du groupe du platine nécessaire à la fabrication d’une pile efficace et a trouvé une nouvelle façon de tester les futures innovations en matière de piles à combustible.

Alors que le monde se tourne vers des sources d’énergie plus vertes, il doit également trouver comment stocker l’énergie pour les périodes où le soleil ne brille pas et où le vent ne souffle pas. L’un des principaux concurrents, la pile à combustible à hydrogène, vient de bénéficier d’un grand élan, grâce à la recherche fondamentale issue du laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l’Énergie, de l’université de Stanford et du Toyota Research Institute (TRI), qui a récemment été mise en pratique dans un dispositif à pile à combustible via une collaboration entre Stanford et l’Institut israélien de technologie Technion.

« Les piles à combustible à hydrogène ont un très grand potentiel de stockage et de conversion d’énergie, en utilisant l’hydrogène comme carburant alternatif à l’essence par exemple », a déclaré Michaela Burke Stevens, scientifique associée au SLAC et au centre SUNCAT  pour la science des interfaces et la catalyse de l’Université de Stanford et un des chercheurs principaux de l’étude. « Mais faire fonctionner une pile à combustible reste assez coûteux. »

Le problème, selon Burke Stevens, est que les piles à combustible reposent généralement sur un catalyseur – rempli de métaux coûteux du groupe du platine (MPG) – qui stimule la réaction chimique qui fait fonctionner le système. Cela a conduit Burke Stevens et ses collègues à chercher des moyens de rendre le catalyseur moins cher, mais apporter un changement aussi fondamental à la chimie d’une pile à combustible est un défi de taille : les scientifiques découvrent souvent qu’un catalyseur qui fonctionne dans leur petit laboratoire ne fonctionne pas aussi bien lorsqu’une entreprise l’essaye dans une pile à combustible réelle.

Cette fois, les chercheurs ont équilibré les coûts en remplaçant partiellement les platinoïdes par une alternative moins chère, l’argent ; mais la véritable clé était de simplifier la recette chimique pour amener le catalyseur sur les électrodes de la cellule. Les scientifiques mélangent généralement le catalyseur dans un liquide, puis l’étalent sur l’électrode à mailles, mais ces recettes de catalyseurs ne fonctionnent pas toujours de la même manière dans différents environnements de laboratoire et avec différents outils, ce qui rend difficile la traduction du travail en applications réelles. « Les procédés chimiques humides ne sont pas particulièrement résistants aux conditions de laboratoire », a déclaré Tom Jaramillo, directeur de SUNCAT, qui a rendu la collaboration possible.

Pour contourner ce problème, l’équipe du SLAC a plutôt utilisé une chambre à vide pour des dépôts plus contrôlés de son nouveau catalyseur sur des électrodes. « Cet outil sous vide poussé est une méthode du type » ce que vous voyez est ce que vous obtenez «  », a déclaré Tom Jaramillo. « Tant que votre système est bien calibré, en principe, les gens peuvent le reproduire facilement. » 

Pour s’assurer que d’autres puissent reproduire leur approche et l’appliquer directement aux piles à combustible à grande échelle, l’équipe a travaillé avec des experts du Technion, qui ont montré que la méthode fonctionnait dans une pile à combustible pratique. 

« Ce projet n’a pas été conçu pour effectuer des tests sur les piles à combustible ici, nous avons donc eu beaucoup de chance que le principal étudiant diplômé de Stanford sur le projet, José Zamora Zeledόn, ait établi une connexion avec Dario Dekel et son doctorant John Douglin au Technion. Ils ont été mis en place pour tester les véritables piles à combustible, c’était donc une très belle combinaison de ressources à rassembler », a déclaré Burke Stevens. 

Ensemble, les deux équipes ont découvert qu’en remplaçant l’argent moins cher par certains des MGP utilisés dans les catalyseurs précédents, elles pourraient obtenir une pile à combustible tout aussi efficace à un prix beaucoup plus bas – et maintenant qu’elles disposent d’une méthode éprouvée de développement de catalyseurs, elles peuvent commencer à tester des idées plus ambitieuses. 

« Nous pourrions essayer de ne plus utiliser entièrement de MPG », a déclaré Jaramillo. Dekel, professeur de génie chimique et directeur du programme énergétique du Grand Technion au Technion, était également enthousiasmé par le potentiel du partenariat. « Cela présente de grands avantages pour la recherche sur les piles à combustible dans les universités ainsi que pour le développement pratique de catalyseurs dans l’industrie des piles à combustible », a-t-il déclaré. 

Pour l’avenir, a déclaré Jaramillo, des recherches comme celle-ci détermineront si les piles à combustible peuvent réaliser leur potentiel. « Les piles à combustible semblent vraiment passionnantes et intéressantes pour le transport lourd et le stockage d’énergie propre », a déclaré Tom Jaramillo, « mais cela se résumera en fin de compte à une réduction des coûts, ce qui est l’objectif de ce travail collaboratif. »

Cette recherche a été financée en partie par l’Office of Science du DOE par l’intermédiaire du SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, un institut commun SLAC-Stanford, et du Toyota Research Institute.

https://www6.slac.stanford.edu/news/2023-11-13-researchers-aim-make-cheaper-fuel-cells-reality