Le bel avenir des piles à combustible à oxyde électrolyte solide

Les travaux menés au LEPMI* sur les piles à combustible à oxyde électrolyte solide ont bénéficié de l’apport de la nouvelle chambre à haute température pour l’analyse structurale in-situ des matériaux par diffraction des rayons X du CMTC**.

Pressenties pour alimenter les automobiles du futur, les piles à combustible (PAC) convertissent directement un combustible et un comburant en énergie, fournissant ainsi de l’électricité, de l’eau et de la chaleur. La pile à combustible la plus courante est la pile à hydrogène, qui utilise ce dernier comme combustible et l’oxygène comme comburant. Fonctionnant à haute température, les piles à oxyde électrolyte solide (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) présentent plusieurs avantages par rapport à d’autres types de piles comme les piles à membrane échangeuse de protons (Proton Exchange Membrane Fuel Cells - PEMFC) qui fonctionnent à température ambiante. Notamment, celui de produire de l’électricité « propre » avec un bien meilleur rendement.

Mais pour être déployés à grande échelle, ces systèmes doivent pouvoir maintenir des performances stables pendant plusieurs dizaines de milliers d’heures. « Un des objectifs majeurs des recherches effectuées dans le domaine des SOFC, est de parvenir à diminuer leur température de fonctionnement, c’est-à-dire de passer de 1000 °C à 700 °C. Cet abaissement de température permettrait d’augmenter la durée de vie des SOFC par la réduction des réactions de dégradation aux interfaces et d’abaisser leur coût de fabrication et de fonctionnement, » explique Elisabeth Djurado, professeur à Grenoble INP et chercheuse au LEPMI*. Néanmoins, la réduction de la température s’accompagne d’une baisse des performances de la pile à cause, notamment, d’une augmentation des surtensions aux électrodes et en particulier à la cathode ou électrode à oxygène. Afin de diminuer celles-ci, Elisabeth Djurado développe-t-elle depuis des années des matériaux d’électrode à oxygène à conduction mixte électronique et ionique à microstructures et architectures optimisées. « Nous avons mis au point une technique qui permet d’obtenir des microstructures originales, poreuses et très fines des couches actives fonctionnelles permettant de faciliter la diffusion de l’oxygène tout en optimisant la surface spécifique pour des réactions électrocatalytiques », explique la chercheuse. La nouvelle chambre à haute température du CMTC a été mise à profit pour étudier les propriétés structurales par diffraction des rayons X et le comportement in-situ de ces matériaux à haute température.

Exemple d’une électrode de type-corail déposée par atomisation électrostatique

 Schéma de principe d’un cœur de pile SOFC

*LEPMI : Laboratoire d'Electrochimie et de Physicochimie des Matériaux et des Interfaces
 **CMTC : Consortium des Moyens Technologiques Communs

UGA, Univ. Savoie Mont Blanc, CNRS, Grenoble INP, LEPMI