Un co-générateur thermoélectrique pour pile à combustible

Une pile dite «à électrolyte oxyde solide» (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) transforme une énergie d’origine chimique en courant électrique. Ce processus produit une quantité de chaleur importante, générant des températures atteignant 90 °C. A l’heure actuelle, ce rejet de chaleur est uniquement utilisé pour la production d’eau chaude. André Heel, ingénieur chimiste et coordinateur de recherche du partenariat stratégique entre l’Empa et Hexis AG, vise un tout autre objectif: à l’aide de convertisseurs thermoélectriques (Thermoelectric Converters, TEC), il souhaiterait transformer cette chaleur perdue en courant électrique. «Ceci permettra non seulement d’augmenter l’efficacité du système de pile à combustible», explique-t-il. «Mais la mise au point de nouvelles technologies pour convertir l’énergie de manière plus performante est le meilleur moyen d’économiser nos ressources, qu’elles soient fossiles ou renouvelables».

 

Des convertisseurs à haute température

Bien que des TEC commerciaux soient déjà disponibles, ils ne peuvent supporter un séjour prolongé à des températures supérieures à 300 °C. De ce fait, l’Empa et la société Hexis ont démarré, cet été, le projet HITTEC («High-Temperature Thermoelectric Converters» pour «convertisseurs thermoélectriques à haute température») sous la direction d’André Heel. Ce projet d’une durée de quatre ans, a pour objectif de développer et d’optimiser de nouveaux matériaux thermoélectriques, afin de les intégrer dans des SOFC.

Le projet apporte son lot de défis. Les nouveaux matériaux thermoélectriques développés pour le projet HITTEC doivent non seulement être résistants à température élevée, mais également rassembler un certain nombre de propriétés difficilement compatibles et interdépendantes: ils doivent être à la fois de très bons conducteurs d’électricité et de mauvais conducteurs thermiques, par exemple. Au sein de l’équipe d’Anke Weidenkaff, directrice du département «catalyse et chimie des solides» de l’Empa et professeur de chimie et de biochimie à l’Université de Berne, on parie sur les oxydes de type pérovskite.

 

Des oxydes très spéciaux

Ces composés ont attiré l’attention de l’équipe en raison de leur stabilité chimique et thermique et de leur non-toxicité. Qui plus est, ces matériaux peuvent être produits de façon économique et en grandes quantités. Lors de travaux préliminaires, l’équipe a identifié un candidat particulièrement prometteur pour le projet HITTEC: le manganate de calcium substitué au tungstène.

 

Afin d’évaluer dans les meilleures conditions leurs nouveaux convertisseurs thermoélectriques à haute température, les scientifiques et ingénieurs de l’Empa ont mis au point un nouveau dispositif spécialement destiné à mesurer l’énergie produite par les TEC à haute température. Ce dispositif, reproduisant le plus fidèlement possible les conditions de fonctionnement extrêmes auxquelles sont soumis les modules HITTEC, peut fonctionner jusqu’à 900 °C sous diverses atmosphères.

Les chercheurs en matériaux développent également de nouveaux concepts innovants, dans le but de surmonter les défis futurs concernant la conception de co-générateurs thermoélectriques: «Nous n’allons pas simplement coller nos convertisseurs sur la pile à combustible», explique Anke Weidenkaff. Les chercheurs de l’Empa veulent plutôt regrouper les piles à combustible et les convertisseurs thermiques et créer, à partir de ceux-ci, un nouveau système inédit. Selon la scientifique, un raccordement direct du convertisseur thermoélectrique aux électrodes – au point où se produit la réaction chimique de la pile à combustible – est une «idée ambitieuse». Mais, elle envisage sérieusement cette possibilité, en raison de la similarité entre les matériaux utilisés: dans la SOFC, les céramiques à haute température du système conducteur ne sont pas si différentes des oxydes métalliques de type pérovskite employés pour les HITTEC.

À propos de la structure pérovskite La pérovskite, du nom du minéralogiste russe Lev Alexeïevitch Perovski, est une structure cristalline commune à de nombreux oxydes. Ce nom a d’abord désigné le titanate de calcium, de formule CaTiO3, avant d’être étendu à l’ensemble des oxydes de formule générale ABO3présentant la même structure. Les pérovskites présentent un grand intérêt en raison de la très grande variété de propriétés de ces matériaux, selon le choix des éléments A et B: ferroélasticité (ex.: SrTiO3), ferroélectricité (ex.: BaTiO3), antiferroélectricité (ex.: PbZrO3), ferromagnétisme (ex.: YTiO3), antiferromagnétisme (ex.: LaTiO3), etc.

 

Ce projet requiert en conséquence un savoir-faire très diversifié. De ce fait, des chercheurs de renommée mondiale de l’Université des sciences appliquées de Zurich (ZHAW), de l’EPFL et de l’EPFZ ont été recrutés pour apporter leur expertise. Ces partenaires travaillent, en collaboration avec l’Empa, à l’amélioration des modules et des matériaux employés dans les SOFC. Les développements apportés par chacune des équipes de recherche se verront concrétisés par la construction de prototypes, conjointement avec Hexis. De l’avis d’André Heel, les systèmes SOFC équipés de convertisseurs thermoélectriques pourraient voir leur performance augmentée de 10 %.

 

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