Des chercheurs améliorent par trois la pile à combustible à oxyde solide

Une équipe de recherche a développé avec succès une technologie de revêtement de catalyseur qui améliore considérablement les performances des piles à combustible à oxyde solide (SOFC) en seulement quatre minutes.

Dr Yoonseok Choi du Laboratoire de matériaux de convergence hydrogène de l'Institut coréen de recherche énergétique (KIER), en collaboration avec le professeur WooChul Jung du Département de science et d'ingénierie des matériaux du KAIST et le professeur Beom-Kyung Park du Département de science et d'ingénierie des matériaux et L'ingénierie de l'Université nationale de Pusan ​​a dirigé la recherche.

Leurs conclusions ont été publiées dans Matériaux avancés.

Les piles à combustible attirent de plus en plus l’attention en tant que dispositifs énergétiques hautement efficaces et propres qui stimulent l’économie de l’hydrogène. Parmi elles, les piles à combustible à oxyde solide (SOFC), qui ont le rendement de production d'électricité le plus élevé, peuvent utiliser divers combustibles tels que l'hydrogène, le biogaz et le gaz naturel. Ils permettent également de produire de la chaleur et de l’électricité en utilisant la chaleur générée au cours du processus, ce qui en fait un sujet de recherche et de développement actif.

Les performances des piles à combustible à oxyde solide (SOFC) sont largement déterminées par la cinétique de la réaction de réduction de l'oxygène (ORR) se produisant au niveau de l'électrode à air (cathode). La vitesse de réaction au niveau de l'électrode à air est plus lente que celle de l'électrode à combustible (anode), limitant ainsi la vitesse de réaction globale.

Pour surmonter cette lenteur cinétique, les chercheurs développent de nouveaux matériaux pour électrodes à air à forte activité ORR. Cependant, ces nouveaux matériaux manquent généralement encore de stabilité chimique, ce qui nécessite des recherches continues.

L’équipe de recherche s’est plutôt concentrée sur l’amélioration des performances de l’électrode composite LSM-YSZ, un matériau largement utilisé dans l’industrie en raison de son excellente stabilité. En conséquence, ils ont développé un procédé de revêtement permettant d’appliquer de l’oxyde de praséodyme à l’échelle nanométrique (PrO_X) catalyseurs à la surface de l'électrode composite, qui favorisent activement la réaction de réduction de l'oxygène. En appliquant ce procédé de revêtement, ils ont considérablement amélioré les performances des piles à combustible à oxyde solide.

L’équipe de recherche a introduit une méthode de dépôt électrochimique qui fonctionne à température ambiante et à pression atmosphérique, ne nécessitant aucun équipement ni processus complexes. En immergeant l'électrode composite dans une solution contenant des ions praséodyme (Pr) et en appliquant un courant électrique, les ions hydroxyde (OH^–) générés à la surface de l'électrode réagissent avec les ions praséodyme, formant un précipité qui recouvre uniformément l'électrode.

Cette couche de revêtement subit un processus de séchage, se transformant en un oxyde qui reste stable et favorise efficacement la réaction de réduction de l'oxygène de l'électrode dans des environnements à haute température. L'ensemble du processus de revêtement ne prend que quatre minutes.

De plus, l’équipe de recherche a élucidé le mécanisme par lequel le nanocatalyseur enrobé favorise l’échange d’oxygène en surface et la conduction ionique. Ils ont fourni des preuves fondamentales que la méthode de revêtement catalytique peut résoudre le faible taux de réaction de l’électrode composite.

En faisant fonctionner l’électrode composite recouverte de catalyseur développée et l’électrode composite conventionnelle pendant plus de 400 heures, l’équipe a observé que la résistance de polarisation était décuplée. De plus, la SOFC utilisant cette électrode enrobée présentait une densité de puissance maximale trois fois supérieure (142 mW/cm² → 418 mW/cm²) que celle d'un boîtier non revêtu, à 650 degrés Celsius. Cela représente la performance la plus élevée rapportée dans la littérature pour les SOFC utilisant des électrodes composites LSM-YSZ.

Le Dr Choi, auteur co-correspondant, a déclaré : « La technique de dépôt électrochimique que nous avons développée est un post-processus qui n'a pas d'impact significatif sur le processus de fabrication existant des SOFC. Cela la rend économiquement viable pour l'introduction de nanocatalyseurs d'oxydes, améliorant ainsi son applicabilité industrielle. .

“Nous avons obtenu une technologie de base qui peut être appliquée non seulement aux SOFC mais également à divers dispositifs de conversion d'énergie, tels que l'électrolyse à haute température (SOEC) pour la production d'hydrogène.”