Faits saillants
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Collaborer sur la prochaine génération des piles à combustible
La pression pour mettre au point des sources d'énergie plus propres et plus efficaces pour le chauffage et l'alimentation électrique est le moteur derrière le développement des piles à combustible à oxyde solide (SOFC), tant au CNRC qu'ailleurs dans le monde. Toutefois, pour que les SOFC deviennent commercialement viables, il faudra d'abord abaisser leurs coûts de production et améliorer leur fiabilité et leur durabilité.
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| Le nouvel appareil de diffraction de rayons X à CNRC-ITPCE est un D8 Discover de Bruker-AXS avec système de diffraction GADDS pouvant analyser très rapidement les polymères et d'autres matières, et que l'on peut également utiliser pour la microdiffraction, avec de très petits échantillons. |
Mmes Pamela Whitfield, Gisele Amow et Isobel Davidson, toutes trois chercheuses à l'ITPCE-CNRC, se sont jointes récemment à Stephen Skinner, du Département des matériaux de l'Imperial College du R.‑U., pour collaborer à un projet afin de relever ce double défi.
Leur projet de recherche était financé par le Fonds conjoint en S‑T du CNRC et du British Council et visait à étudier la synthèse de matériaux cathodiques novateurs en utilisant un procédé Pechini classique et une méthode de production non traditionnelle : la synthèse assistée par micro-ondes. Les nouveaux matériaux de cathode produits par ces deux méthodes seront ensuite évalués en vue de leur utilisation potentielle dans des SOFC fonctionnant à des températures intermédiaires.
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| L'équipe internationale de Yeong Yoo, composée de boursiers postdoctoraux, étudie des matériaux céramiques pour la production de modules membrane-électrode (MEA) entrant dans la fabrication des piles à combustible à oxyde solide, de même que des solutions originales pour le stockage de l'hydrogène. |
Les deux équipes ont collaboré pour mettre au point de nouvelles compositions cathodiques pour une famille d'oxydes que l'on sait être hyperstoechiométriques dans l'oxygène. Au sein de ces matériaux, le transport des ions oxygène est augmenté par la présence d'ions d'oxyde interstitiels dans le réseau cristallin de la structure. L'équipe britannique, dirigée par M. Skinner, a fourni l'expertise nécessaire pour mesurer la mobilité des ions d'oxyde en utilisant une technique d'échange isotopique et de spectroscopie de masse des ions secondaires. Cette recherche a débouché sur de nouvelles compositions cathodiques offrant une conductivité ionique plus élevée, ce qui a permis de réduire la quantité d'énergie nécessaire pour assurer la mobilité des ions oxygène. Les chercheurs ont aussi réussi à faire fonctionner leur dispositif à des températures plus basses et, ce faisant, à accroître la durabilité des SOFC, rendant possibles leur application à plus petite échelle, par exemple pour des unités d'alimentation portatives.
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| Pamela Whitfield, Gisele Amow et Isobel Davidson, de l'ITPCE-CNRC, se sont jointes à un projet international pour étudier de nouveaux matériaux cathodiques, et de nouvelles méthodes pour synthétiser ces matériaux pour la production des SOFC. |
Pour la production des cathodes, l'équipe du projet de l'ITPCE-CNRC a exploré une méthode novatrice – la synthèse assistée par micro-ondes – pour améliorer la vitesse et abaisser les températures utilisées pour la synthèse des matériaux cathodiques et, éventuellement, réduire les coûts de production de ces matériaux. La synthèse par micro-ondes fournit aussi d'autres avantages. En raison de la façon unique dont les micro-ondes interagissent avec des matériaux inorganiques, cette méthode permet de produire de nouvelles compositions présentant des morphologies et des structures cristallines inhabituelles qui peuvent aider à améliorer la performance des piles.
Des installations de recherche et des équipements à la fine pointe pour étudier les piles à combustible
Les diffractomètres à rayons X sur poudre de l'ITPCE-CNRC, équipés d'un détecteur de surface 2D, d'un détecteur de position à haute vitesse et de chambres à température et à atmosphère variables, sont utilisés par les chercheurs pour examiner et caractériser un large éventail de matériaux utilisés pour le développement des piles à combustible.
L'analyse par diffraction à rayons X sur poudre constitue depuis toujours une technique essentielle pour la recherche sur les matériaux semiconducteurs et, en particulier, pour étudier des matériaux de plus en plus complexes sur des échelles de plus en plus petites, dans un environnement représentatif de leur application finale. Le nouvel instrument de microdiffraction fait partie de la nouvelle installation à rayons X de l'ITPCE-CNRC qui regroupe tous les instruments de diffraction par rayons X situés à l'institut. Dirigée par Pamela Whitfield, une autorité dans le domaine de la diffraction à rayons X, cette installation soutient de nombreux projets de recherche réalisés au CNRC.
Ces installations d'analyse, comme les diffractomètres à rayons X, de spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier pour l'analyse électrochimique in situ et de chromatographie liquide à haute performance, sont essentielles à la recherche et au développement de nouveaux produits, ou de produits améliorés, pour la production des piles à combustible.
La combinaison des expertises complémentaires du CNRC et de l'Imperial College a permis d'élargir la sélection des matériaux pouvant être utilisés pour la production des électrodes cathodiques, et d'explorer des méthodes novatrices de synthétiser ces matériaux pour produire des piles SOFC qui sont à la fois fiables, durables et moins coûteuses à fabriquer et à exploiter.
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