L’observation à l’échelle nanométrique de l’évolution de la microstructure des composants d’une pile à combustible pendant son fonctionnement est désormais une réalité. Cette réalisation, rendue possible grâce à une expérience inédite de microscopie électronique à transmission, est une étape cruciale pour optimiser la durée de vie et l’efficacité de ces convertisseurs d’énergie.
Les dispositifs de conversion énergétique, tels que les batteries, les électrolyseurs ou les piles à combustible, sont des systèmes complexes composés de plusieurs matériaux différents. Au cours de leur utilisation, la microstructure de ces matériaux peut évoluer sous l’effet de conditions parfois extrêmes, entraînant souvent une baisse de performance, voire de sécurité du système. Il est donc essentiel de caractériser et de quantifier ces évolutions pour mieux comprendre les mécanismes en jeu et optimiser leurs performances.
Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC)
Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) sont des dispositifs qui produisent un courant électrique en consommant du dihydrogène (H2), un des vecteurs de la transition énergétique. Avec l’eau comme seul produit de réaction, les SOFCs sont pressenties pour jouer un rôle important dans la décarbonation des énergies.
Leur microstructure évolue dans le temps en raison des températures de fonctionnement élevées, de la présence de gaz réducteurs et oxydants, et d’une forte polarisation électrique. Ces conditions réactionnelles sont particulièrement difficiles à reproduire au sein des équipements de caractérisation microstructurale classiques.
Une approche innovante pour l’observation des PACs
Des scientifiques de laboratoires français, suisse et asiatique, en collaboration avec deux entreprises européennes, ont mis en place une approche innovante qui permet d’observer à l’échelle nanométrique l’évolution de la microstructure des composants de ces piles pendant leur fonctionnement. Leur stratégie combine la réalisation d’une expérience modèle dans la chambre d’un microscope électronique en transmission environnemental, à des tests de validation à l’échelle macroscopique.
En mettant en contact une cellule cathode-électrolyte-anode et un système micro électromécanique (MEMS) de chauffage et de polarisation dans la chambre du microscope, ils ont pu établir une corrélation directe entre les conditions environnementales (pression et nature du mélange gazeux, température), la tension électrique de la cellule et l’évolution microstructurale, à l’échelle nanométrique.
Des résultats prometteurs
Ces résultats apportent de précieuses informations sur l’impact de l’état d’oxydation de l’anode et de sa morphologie sur les propriétés électriques de la pile. Ils permettent notamment de suivre l’état du catalyseur de nickel à la surface de l’anode, composant essentiel au rendement de la cellule, lors de son exposition à l’oxygène et à l’hydrogène.
En synthèse
Cette étude, parue dans la revue Nature Communications, ouvre un nouveau champ de possibilités pour étudier les voies de dégradation qui affectent ces dispositifs de conversion énergétique. Elle marque une étape importante dans la compréhension des mécanismes qui régissent le fonctionnement des piles à combustible et pourrait contribuer à l’optimisation de leur durée de vie et de leur efficacité.
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Pour une meilleure compréhension
1. Qu’est-ce qu’une pile à combustible à oxyde solide (SOFC) ?
Une pile à combustible à oxyde solide (SOFC) est un dispositif de conversion énergétique qui produit un courant électrique en consommant du dihydrogène (H2). Elle est composée d’une cathode, d’une anode et d’un électrolyte solide. Les SOFC sont considérées comme une solution prometteuse pour la décarbonation des énergies, car leur seul produit de réaction est l’eau.
2. Quels sont les défis liés à l’étude des piles à combustible ?
Les piles à combustible sont des systèmes complexes composés de plusieurs matériaux dont la microstructure évolue sous l’effet de conditions extrêmes, comme des températures élevées, la présence de gaz réducteurs et oxydants, et une forte polarisation électrique. Il est difficile de reproduire ces conditions réactionnelles dans les équipements de caractérisation microstructurale classiques.
3. Quelle est l’approche innovante utilisée pour observer les piles à combustible ?
Des scientifiques ont développé une approche innovante qui permet d’observer à l’échelle nanométrique l’évolution de la microstructure des composants des piles à combustible pendant leur fonctionnement. Cette approche combine la réalisation d’une expérience modèle dans la chambre d’un microscope électronique en transmission environnemental, à des tests de validation à l’échelle macroscopique.
4. Quels sont les résultats obtenus grâce à cette approche ?
Les résultats permettent de suivre l’état du catalyseur de nickel à la surface de l’anode, composant essentiel au rendement de la cellule, lors de son exposition à l’oxygène et à l’hydrogène. Ils apportent également de précieuses informations sur l’impact de l’état d’oxydation de l’anode et de sa morphologie sur les propriétés électriques de la pile.
5. Quelles sont les implications de cette étude pour l’avenir des piles à combustible ?
Cette étude ouvre un nouveau champ de possibilités pour étudier les voies de dégradation qui affectent les dispositifs de conversion énergétique. Elle pourrait contribuer à l’optimisation de la durée de vie et de l’efficacité des piles à combustible en permettant une meilleure compréhension des mécanismes qui régissent leur fonctionnement.
Principaux enseignements
| Enseignement |
|---|
| Les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) sont des dispositifs de conversion énergétique prometteurs pour la décarbonation des énergies. |
| L’étude des piles à combustible est complexe en raison de l’évolution de la microstructure des matériaux sous des conditions extrêmes. |
| Une approche innovante combinant microscopie électronique et tests de validation macroscopiques permet d’observer les piles à combustible en fonctionnement. |
| Les résultats obtenus apportent des informations précieuses sur l’impact de l’état d’oxydation de l’anode et de sa morphologie sur les propriétés électriques de la pile. |
| L’étude permet de suivre l’état du catalyseur de nickel à la surface de l’anode lors de son exposition à l’oxygène et à l’hydrogène. |
| Il s’agit de la première preuve du concept qu’une pile à combustible peut être analysée en conditions operando dans un microscope électronique en transmission environnemental. |
| Cette étude ouvre un nouveau champ de possibilités pour étudier les voies de dégradation qui affectent les dispositifs de conversion énergétique. |
| La compréhension des mécanismes qui régissent le fonctionnement des piles à combustible pourrait contribuer à l’optimisation de leur durée de vie et de leur efficacité. |
| Les scientifiques impliqués dans cette étude proviennent de laboratoires français, suisse et asiatique, en collaboration avec deux entreprises européennes. |
| L’étude a été publiée dans la revue Nature Communications. |
Références
Operando analysis of a solid oxide fuel cell by environmental transmission electron microscopy : Q. Jeangros, M. Bugnet, T. Epicier, C. Frantz, S. Diethelm, D. Montinaro, E. Tyukalova, Y. Pivak, J. Van herle, A. Hessler-Wyser, M. Duchamp.
Nature Communications 2023
https://doi.org/10.1038/s41467-023-43683-4
Article adapté du contenu de l’auteur AVR / source : CNRS
