Innovation en nanofils : révolutionner les piles à combustible avec une durabilité améliorée

Par Laboratoire national de Los Alamos28 août 2023

Nanofils coaxiaux alignés verticalement dans une électrode avec des protons transportés dans le noyau ionomère à l'intérieur du nanofil. Les électrons transportés dans la coque du nanofilm de platine se combinent avec l’oxygène pour compléter la réaction cathodique de la pile à combustible. Crédit LANL

Une conception révolutionnaire de pile à combustible offre des avancées potentielles pour le camionnage lourd et diverses autres applications de piles à combustible propres. Une conception de pile à combustible prometteuse et plus durable pourrait contribuer à transformer le camionnage lourd et d’autres applications de piles à combustible propres. Constituée de nanofils moins sensibles à la corrosion que d’autres modèles, cette électrode innovante – le cœur d’une pile à combustible à membrane électrolytique polymère – pourrait ouvrir la voie à une nouvelle ère pour les piles à combustible, qui utilisent l’hydrogène comme énergie sans émissions pour les véhicules.

"En termes réels, cela signifie que nous pouvons disposer d'une pile à combustible plus durable qui permettra une économie de carburant élevée sur une durée de vie plus longue", a déclaré Jacob Spendelow, un scientifique de l'équipe du Laboratoire national de Los Alamos qui a décrit ses résultats dans la revue. Matériaux avancés. "Ce travail démontre que nous pouvons nous débarrasser des supports de catalyseurs conventionnels à base de carbone, éliminant ainsi les problèmes de dégradation associés à la corrosion du carbone, tout en continuant à atteindre des performances élevées pour les piles à combustible."

La durabilité accrue fait de cette pile à combustible un candidat prometteur pour une utilisation dans les applications de camionnage lourd, où une longévité de la pile à combustible supérieure à 25 000 heures est essentielle.

L'électrode coaxiale à nanofils (CANE) est constituée d'un réseau de nanofils alignés verticalement dans lequel chaque nanofil comprend un film de platine catalytiquement actif entourant un noyau polymère conducteur d'ions. En évitant les supports de catalyseurs à base de carbone, le CANE élimine les mécanismes de dégradation courants associés à la corrosion du carbone.

Pour évaluer la durabilité de la nouvelle pile à combustible, l'équipe du laboratoire national de Los Alamos a effectué des tests de contrainte accélérés. Remarquablement, le CANE n'a perdu que 2 % de ses performances après avoir subi 5 000 cycles de tests de résistance ciblant les matériaux de support. En revanche, une électrode traditionnelle à base de carbone a connu une baisse de performance stupéfiante de 87 %.

L'approche des nanofils coaxiaux est l'une des nombreuses nouvelles conceptions de piles à combustible générées au Laboratoire national de Los Alamos ; une conception d'électrode rainurée a été récemment décrite dans Nature Energy.

Référence : « Les électrodes coaxiales à nanofils permettent une durabilité exceptionnelle des piles à combustible » par Gaoqiang Yang, Siddharth Komini Babu, Wipula PR Liyanage, Ulises Martinez, Dmitri Routkevitch, Rangachary Mukundan, Rodney L. Borup, David A. Cullen et Jacob S. Spendelow, 19 juin 2023, Matériaux avancés.DOI : 10.1002/adma.202301264

Financement : Ce travail a été soutenu par le Bureau des technologies de l'hydrogène et des piles à combustible du Département américain de l'énergie (DOE-HFTO) par le biais du consortium Million Mile Fuel Cell Truck, ainsi que par le programme de recherche et de développement dirigé par le laboratoire du Laboratoire national de Los Alamos. Ce travail a été réalisé, en partie, au Center for Integrated Nanotechnologies, un bureau des utilisateurs scientifiques exploité pour le compte de l'Office of Science du Département américain de l'énergie. La microscopie électronique a été réalisée au Center for Nanophase Materials Sciences, une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE au Laboratoire national d'Oak Ridge.