La pile à combustible robuste peut stabiliser le réseau électrique en produisant et en stockant de l'énergie dans des conditions industrielles extrêmes
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Une équipe de recherche dirigée par Xingbo Liu, ingénieur en matériaux à la WVU, a développé un dispositif capable de produire et de stocker de l'électricité malgré une chaleur intense et la vapeur. Leur conception de pile à combustible pourrait contribuer à la construction d'un réseau électrique capable de s'adapter aux variations de l'offre et de la demande énergétiques. (Photo WVU/Micaela Morrissette)
Pour construire un réseau électrique moderne doté de la flexibilité et de la résilience nécessaires pour gérer les flux et reflux des sources d'énergie comme l'énergie solaire et éolienne, les ingénieurs de l'Université de Virginie-Occidentale (WVU) aux Etats-Unis ont conçu et testé avec succès une pile à combustible capable de basculer entre le stockage ou la production d'électricité et également de générer de l'hydrogène à partir de l'eau.
Contrairement aux technologies similaires, la pile à combustible peut supporter la chaleur et la vapeur générées lors d'un fonctionnement industriel prolongé à haute puissance. De plus, elle résout les trois principaux problèmes des conceptions existantes d'une technologie énergétique potentiellement intéressante appelée « pile électrochimique céramique protonique » ou PCEC (protonic ceramic electrochemical cell)
Le chercheur Xingbo Liu , professeur de science des matériaux et doyen associé à la recherche au Benjamin M. Statler College of Engineering and Mineral Resources de WVU , a expliqué que, comme les PCEC basculent entre le stockage d'énergie et la production d'électricité, ils pourraient être une technologie vitale pour un réseau électrique américain débordé qui lutte pour intégrer l'énergie qu'il reçoit à intervalles incertains de multiples sources - centrales électriques conventionnelles et barrages hydroélectriques ainsi que panneaux solaires résidentiels et même vagues océaniques.
Cependant, Liu a déclaré que les conceptions actuelles de PCEC « sont instables dans les environnements à forte vapeur, avec des connexions faibles entre les couches et une faible performance dans la fonction critique de conduction des protons. En réponse, notre groupe a construit un « échafaudage à revêtement conforme » en connectant des électrolytes, puis nous l'avons recouvert et scellé d'une couche d'électrocatalyseur stable dans la vapeur, absorbant l'eau et restant intacte quelles que soient les variations de température. Les protons, la chaleur et l'électricité peuvent tous se déplacer à travers la structure. »
Leur prototype a fonctionné pendant plus de 5 000 heures, à 600 degrés Celsius et 40 % d’humidité, décomposant les molécules pour produire de l’électricité et de l’hydrogène par électrolyse. La durée la plus longue d’exécution continue du même processus par un petit PCEC était de 1 833 heures, et dans ce cas, les performances se sont dégradées au fil du temps, a expliqué Liu.
« Cette technologie n'était pas prête pour des applications à grande échelle », a-t-il déclaré. « En comparaison, notre conception d'échafaudage à revêtement conforme a si bien fonctionné en stockage et en production d'énergie que nous avons également construit une version test d'un système utilisant des cellules CCS pour stocker l'hydrogène et l'utiliser dans des réactions d'électrolyse. Notre système est resté stable tout en alternant fréquemment et en douceur entre ces modes, même sur de longs cycles de 12 heures. C'est ainsi que nous parvenons à équilibrer un réseau électrique qui évolue vers des sources d'énergie intermittentes et durables. »
Les résultats sont présentés dans un article de Nature Energy dirigé par Hanchen Tian, doctorant et chercheur postdoctoral à la WVU au moment de l'étude, et Wei Li, alors professeur adjoint de recherche à la WVU. Parmi les autres contributeurs de la WVU figuraient Qingyuan Li , chercheur postdoctoral ; Debangsu Bhattacharyya , professeur d'ingénierie des matériaux plastiques chez GE ; et Wenyuan Li , professeur adjoint.
« Les PCEC utilisent des membranes appelées électrolytes et des conducteurs appelés électrodes à oxygène pour déplacer les protons à travers leurs couches », a expliqué Tian. « Cependant, la vapeur d'eau atteint les électrolytes des PCEC actuels, provoquant leur défaillance au fil du temps. Un autre problème est que les électrolytes et les électrodes se dilatent différemment sous l'effet de la chaleur, ce qui affaiblit les connexions entre eux pendant l'utilisation. »
L'équipe de la WVU a incorporé l'ion baryum pour aider le revêtement à retenir l'eau, ce qui facilite le mouvement des protons. Elle a également intégré des ions nickel pour fabriquer des cellules CCS plus grandes, stables et planes. Et comme leur PCEC fonctionne à la vapeur d'eau, il peut être alimenté par de l'eau salée ou de l'eau de mauvaise qualité, plutôt que par de l'eau purifiée.
« Tout cela est prometteur pour une transposition à l'échelle industrielle », a déclaré Tian. « Nous avons démontré qu'il est possible de fabriquer, à grande échelle, des piles à combustible CCS qui resteront robustes et stables dans des conditions extrêmes. »