Une petite tension peut réduire considérablement les performances des piles à combustible.

La plupart d’entre nous connaissent probablement trop bien l’impact des tensions dans les relations de travail sur les performances, mais de nouvelles recherches montrent que les matériaux utilisés dans les piles à combustible produisant de l’électricité peuvent être sensibles aux tensions à un tout autre niveau.

Des chercheurs de l’université de Kyushu indiquent que la tension causée par une réduction de seulement 2 % de la distance entre les atomes lorsqu’ils sont déposés sur une surface entraîne une diminution considérable de 99,999 % de la vitesse à laquelle les matériaux conduisent les ions hydrogène, ce qui réduit considérablement les performances des piles à combustible à oxyde solide.

La mise au point de méthodes permettant de réduire cette contrainte contribuera à mettre à la disposition d’un plus grand nombre de foyers, à l’avenir, des piles à combustible très performantes pour la production d’énergie propre.

Capables de produire de l’électricité à partir d’hydrogène et d’oxygène tout en ne rejetant que de l’eau comme « déchet« , les piles à combustible reposent sur un électrolyte pour transporter d’un côté à l’autre du dispositif les ions produits par la décomposition des molécules d’hydrogène ou d’oxygène.

Bien que le terme « électrolyte » évoque souvent des images de liquides et de boissons pour sportifs, il peut également s’agir de solides. Pour les piles à combustible, les chercheurs s’intéressent particulièrement aux électrolytes à base de céramiques et d’oxydes solides – des matériaux durs composés d’oxygène et d’autres atomes – qui conduisent les ions hydrogène positifs, également appelés protons.

Ces oxydes solides conducteurs de protons sont non seulement plus durables que les liquides et les membranes polymères, mais ils peuvent également fonctionner à des températures moyennes de 300 à 600 °C, ce qui est inférieur à leurs homologues conducteurs d’ions oxygène.

« L’une des clés d’une bonne efficacité consiste à faire passer les protons dans l’électrolyte pour qu’ils réagissent avec l’oxygène le plus rapidement possible« , explique Junji Hyodo, auteur de l’étude et professeur assistant de recherche à la plateforme de recherche énergétique inter/transdisciplinaire de l’université de Kyushu (Q-PIT).

« Sur le papier, nous avons des matériaux dotés de grandes propriétés qui devraient conduire à d’excellentes performances lorsqu’ils sont utilisés dans des piles à combustible à oxyde solide, mais les performances réelles ont tendance à être beaucoup plus faibles.« 

Aujourd’hui, les chercheurs pensent savoir pourquoi en étudiant ce qui se passe à l’endroit où l’électrolyte rencontre l’électrode induisant la réaction.

« Les propriétés des matériaux individuels sont souvent mesurées dans un état où elles sont exemptes de l’influence des couches environnantes – ce que nous appelons la masse. Cependant, lorsqu’une couche d’oxyde est formée sur une surface, ses atomes doivent souvent se réajuster pour s’adapter aux propriétés de la surface sous-jacente, ce qui entraîne des différences par rapport à la masse« , explique M. Hyodo.

Pour leur étude, les chercheurs se sont concentrés sur un oxyde prometteur appelé BZY20, qui est une combinaison d’atomes d’yttrium, de baryum, de zirconium et d’oxygène. Le BYZ20 forme un cristal dont la structure commune tient dans un cube et se répète à l’infini sur la surface au fur et à mesure de la croissance de l’oxyde.

En examinant des échantillons de différentes épaisseurs, ils ont constaté que les atomes des bords de ce cube sont 2 % plus proches à l’interface entre l’oxyde et la surface que dans les couches éloignées de la surface. En outre, cette déformation par compression réduit la conductivité des protons à près de 1/100 000 de ce qu’elle est dans les échantillons en vrac.

« Une variation de seulement 2 % – d’un mètre à 98 cm à grande échelle – peut sembler insignifiante, mais dans un dispositif où les interactions se produisent à l’échelle atomique, elle a un impact énorme« , observe Yoshihiro Yamazaki, professeur au Q-PIT et conseiller pour l’étude.

Au fur et à mesure que les couches s’accumulent, cette contrainte de compression diminue lentement, et le cube finit par atteindre sa taille préférée loin de l’interface. Mais si la conductivité peut être élevée loin de la surface, le mal est déjà fait.

En tenant compte de cette conductivité réduite lors du calcul des performances attendues, les valeurs obtenues correspondent aux performances réelles des piles à combustible, ce qui indique que la déformation joue probablement un rôle dans la réduction des performances.

« Si nous disposons de bons matériaux individuels, il est essentiel de conserver leurs propriétés lorsque nous les combinons dans un dispositif. Dans ce cas, nous savons maintenant que des stratégies visant à réduire la déformation à l’endroit où l’oxyde rencontre l’électrode sont nécessaires« , déclare M. Yamazaki.

[ Illustration / Crédit : Kyushu University ]

Pour plus d’informations sur cette recherche, voir « Quantitative evaluation of biaxial compressive strain and its impact on proton conduction and diffusion in yttrium-doped barium zirconate epitaxial thin films », Junji Hyodo et Yoshihiro Yamazaki, Journal of Physics : Energy (2022). https://doi.org/10.1088/2515-7655/ac889e