Une nouvelle technologie de revêtement catalytique, développée par une équipe de chercheurs sud-coréens, pourrait transformer les performances des piles à combustible à oxyde solide (SOFC) en seulement quatre minutes. Cette innovation promet de renforcer l’efficacité énergétique et la stabilité chimique de ces dispositifs, ouvrant la voie à des applications industrielles plus larges.
Le Dr Yoonseok Choi du Laboratoire de matériaux pour la convergence vers l’hydrogène à l’Institut coréen de recherche sur l’énergie (KIER), en collaboration avec d’autres chercheurs, a mis au point une technologie de revêtement catalytique qui améliore significativement les performances des SOFC en seulement quatre minutes.
Les piles à combustible sont de plus en plus reconnues comme des dispositifs énergétiques hautement efficaces et propres, jouant un rôle clé dans l’économie de l’hydrogène. Parmi elles, les SOFC se distinguent par leur efficacité de génération de puissance la plus élevée et leur capacité à utiliser divers combustibles tels que l’hydrogène, le biogaz et le gaz naturel. En outre, elles permettent une production combinée de chaleur et d’électricité en utilisant la chaleur générée durant le processus.
SOFC : Un type de pile à combustible où les électrodes et l’électrolyte sont des matériaux solides, fonctionnant à des températures élevées au-dessus de 700 degrés Celsius.
Amélioration des électrodes composites LSM-YSZ
La performance des SOFC dépend en grande partie de la cinétique de la réaction de réduction de l’oxygène (ORR) se produisant à l’électrode d’air (cathode). La vitesse de réaction à l’électrode d’air étant plus lente que celle de l’électrode de carburant (anode), elle limite la vitesse globale de réaction. Pour surmonter cette cinétique lente, les chercheurs développent de nouveaux matériaux d’électrode d’air avec une activité ORR élevée. Cependant, ces nouveaux matériaux manquent généralement de stabilité chimique, nécessitant des recherches continues.
Plutôt que de se concentrer sur de nouveaux matériaux, l’équipe de recherche a choisi d’améliorer la performance de l’électrode composite LSM-YSZ, un matériau largement utilisé dans l’industrie pour sa stabilité exceptionnelle. Ils ont ainsi développé un processus de revêtement pour appliquer des catalyseurs à l’oxyde de praséodyme (PrOx) à l’échelle nanométrique sur la surface de l’électrode composite, favorisant activement la réaction de réduction de l’oxygène.
Électrode composite LSM-YSZ : Composée de LSM (Lanthanum Strontium Manganite) et d’électrolyte conducteur d’ions oxygène YSZ (Yttria Stabilized Zirconia), ce matériau est traditionnellement utilisé dans l’industrie comme électrode d’air en raison de sa compatibilité thermique et chimique exceptionnelle.
Une méthode de dépôt électrochimique innovante
L’équipe de recherche a introduit une méthode de dépôt électrochimique opérant à température ambiante et à pression atmosphérique, ne nécessitant aucun équipement ou processus complexe.
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En immergeant l’électrode composite dans une solution contenant des ions de praséodyme (Pr) et en appliquant un courant électrique, des ions hydroxydes (OH-) générés à la surface de l’électrode réagissent avec les ions de praséodyme, formant un précipité qui recouvre uniformément l’électrode. Cette couche de revêtement subit ensuite un processus de séchage, se transformant en un oxyde stable qui favorise efficacement la réaction de réduction de l’oxygène de l’électrode dans des environnements à haute température. Le processus de revêtement complet ne prend que quatre minutes.
Dépôt électrochimique cathodique (CELD) : Une méthode utilisant des réactions électrochimiques pour déposer des métaux ou des composés métalliques sur la surface d’une électrode.
Des résultats encourageants pour l’industrie
En opérant l’électrode composite revêtue de catalyseur et l’électrode composite conventionnelle pendant plus de 400 heures, l’équipe a observé une réduction de la résistance de polarisation par un facteur de dix. De plus, la SOFC utilisant cette électrode revêtue a montré une densité de puissance de pointe trois fois plus élevée (142 mW/cm² → 418 mW/cm²) que celle du cas non revêtu, à 650 degrés Celsius. Cela représente la performance la plus élevée rapportée pour les SOFC utilisant des électrodes composites LSM-YSZ dans la littérature.
Le Dr Yoonseok Choi, co-auteur correspondant, a déclaré : «La technique de dépôt électrochimique que nous avons développée est un processus postérieur qui n’impacte pas significativement le processus de fabrication existant des SOFC. Cela la rend économiquement viable pour l’introduction de nano-catalyseurs d’oxyde, augmentant ainsi son applicabilité industrielle.»
Il a ajouté : «Nous avons sécurisé une technologie clé qui peut être appliquée non seulement aux SOFC mais aussi à divers dispositifs de conversion d’énergie, tels que l’électrolyse à haute température (SOEC) pour la production d’hydrogène.»
Légende illustration : Photo de l’équipe de recherche conjointe (Yoon-Seok Choi, chercheur principal, à l’extrême droite) – Credit: Korea Institute of Energy Research (KIER)
Article : « Revitalizing Oxygen Reduction Reactivity of Composite Oxide Electrodes via Electrochemically Deposited PrOx Nanocatalysts » – DOI : 10.1002/adma.202307286
