Cette pile à combustible révolutionnaire peut produire et stocker de l'électricité

Une équipe de recherche de l’Université de Virginie-Occidentale (WVU) a mis au point une pile à hydrogène capable de produire et de stocker de l'électricité, y compris dans des conditions de chaleur et humidité intenses. Si l’expérience n’est pour l’instant que cantonnée à l’échelle d’un laboratoire, elle ouvre des perspectives industrielles intéressantes. Ces piles électrochimiques céramiques protoniques (PCEC) pourraient contribuer à la construction d'un réseau électrique capable de s'adapter aux variations de l'offre et de la demande énergétiques. Une véritable révolution !
 
En soi, la PCEC n’est pas révolutionnaire, mais, bien que très intéressante pour sa capacité à basculer entre le stockage d'énergie et la production d'électricité, elle n’offrait pour l’instant pas de réelles perspectives quant à un éventuel déploiement industriel. En cause, « son instabilité dans les environnements à forte vapeur, avec des connexions faibles entre les couches et une faible performance dans la fonction critique de conduction des protons ».
 
Et c’est là que réside la découverte majeur de l’équipe de Xingbo Liu, professeur de science des matériaux et doyen associé à la recherche au Benjamin M. Statler College of Engineering and Mineral Resources de WVU. En concevant une structure dite « conformally coated scaffold design (CCS) », littéralement « échafaudage à revêtement conforme », elle est parvenue à stabiliser le fonctionnement d’une pile PCEC expérimentale.
 

La pile hydrogène expérimentale a produit et stocké de l’énergie pendant 5 000 heures.

 Leur prototype a fonctionné pendant plus de 5 000 heures, à 600 degrés Celsius et 40 % d’humidité. Un pas de géant, puisque la durée la plus longue d’exécution continue du même processus par une petite PCEC était de 1 833 heures et les performances s’étaient dégradées au fil du temps.
 
Derrière cette avancée, une idée simple : remédier point par point aux faiblesses générant l’instabilité des piles PCEC. En l’occurrence, comme le résume l’un des chercheurs, « les PCEC utilisent des membranes appelées électrolytes et des conducteurs appelés électrodes à oxygène pour déplacer les protons à travers leurs couches.  Cependant, la vapeur d'eau atteint les électrolytes des PCEC actuels, provoquant leur défaillance au fil du temps. Un autre problème est que les électrolytes et les électrodes se dilatent différemment sous l'effet de la chaleur, ce qui affaiblit les connexions entre eux pendant l'utilisation ».
 

La PCEC peut aussi fonctionner avec de l’eau salée

L’équipe de la WVU a donc noyé l’ensemble des électrolytes connectés dans une couche d'électrocatalyseur stable dans la vapeur, absorbant l'eau et restant intacte quelles que soient les variations de température. Elle a aussi incorporé l'ion baryum pour aider le revêtement à retenir l'eau, ce qui facilite le mouvement des protons. Elle a également intégré des ions nickel pour fabriquer des cellules CCS plus grandes, stables et planes.
 
Gros avantage résultant de cette conception particulière : leur PCEC fonctionne à la vapeur d'eau. Elle peut donc être alimentée par de l'eau salée ou de l'eau de mauvaise qualité, plutôt que par de l'eau purifiée.
 
Ces résultats très prometteurs, présentés dans un article de Nature Energy, vont permettre le déploiement d’une nouvelle expérimentation en vue d’une commercialisation, à terme, de cette pile révolutionnaire.