Des piles à combustible entièrement en céramique

Les problèmes que continuent de rencontrer les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) ont stimulé le développement de piles en céramique intégrant une anode à base de titanate de strontium. Ces piles atténuent trois risques de défaillance qui entravent l'utilisation pour la cogénération stationnaire de chaleur et d'électricité.

Énergie

Les SOFC sont particulièrement plus souples que les autres piles à combustibles en termes de carburants, car elles peuvent utiliser divers hydrocarbures pour produire de l'électricité. Elles sont ainsi bien adaptées à la cogénération stationnaire de chaleur et d'électricité, à partir de gaz naturel ou d'autres hydrocarbures. Les SOFC classiques sont confrontées à trois problèmes majeurs dus au matériau utilisé pour l'anode, à savoir le nickel (Ni) sous forme de cermets (matrice métallique avec renfort de céramiques). Il s'agit du dépôt de carbone (cokéfaction), de la désactivation par des traces de soufre (souvent présent dans le gaz naturel transporté par pipeline), et de la défaillance de l'électrode pendant la ré-oxydation. Pour résoudre ces problèmes, des scientifiques ont lancé le projet SCOTAS-SOFC (Sulphur, carbon, and re-oxidation tolerant anodes and anode supports for solid oxide fuel cells), financé par l'UE. Ils ont intégré de nouveaux matériaux, les titanates de strontium, dans des types de SOFC éprouvés, et mis au point des procédés de fabrication rentables et évolutifs. L'équipe de SCOTAS-SOFC s'est intéressée aux SOFC tout en céramique, plus précisément sur une cellule à anode fonctionnant de 700 à 800 degrés Celsius, et une cellule à électrolyte fonctionnant de 850 à 900 degrés. Elle a sélectionné pour les anodes trois matériaux à base de titanate de strontium: le titanate de strontium avec substitution par le lanthane et le calcium, le titanate de strontium avec substitution par le l'yttrium, et le titanate de strontium dopé au niobium. Des piles à support anodique ont été fabriquées à fins de test, en utilisant des méthodes évolutives. Les premiers tests ont montré des performances prometteuses ainsi qu'une dégradation sévère après quelques heures de fonctionnement. En infiltrant les anodes avec des électrocatalyseurs, comme le nickel associé à de la cérine modifiée au gadolinium, il est possible de maintenir des performances stables. Des piles à support électrolyte de 100 cm2 ont ensuite été fabriquées et testées pour leur tolérance à une exposition au soufre. Les nouvelles piles à combustibles se sont avérées tolérantes à la ré-oxydation de l'anode après avoir été arrêtées, en diminuant ou non la température de la pile. Qui plus est, elles ont pour la première fois obtenu un rendement de 21 % pour une SOFC avec anode en céramique. Les travaux du projet SCOTAS-SOFC ont démontré la faisabilité de ce nouveau concept de cellule et son potentiel pour améliorer la robustesse des SOFC. Des travaux de recherche et de développement sont encore nécessaires avant que les anodes en céramique puissent concurrencer les anodes Ni-cermet les plus performantes, mais le projet a démontré leur potentiel pour la cogénération de chaleur et d'électricité.