Voyage au cœur d’une pile à combustible en fonctionnement

Les dispositifs de conversion énergétique comme les batteries, les électrolyseurs ou les piles à combustible sont des systèmes complexes composés d’un assemblage de plusieurs matériaux différents. Au cours de leur utilisation, la microstructure de ces matériaux soumis à des conditions parfois extrêmes peut évoluer, ce qui entraîne souvent une chute de performance, voire de sécurité du système. D’importants efforts de recherche sont donc mis en œuvre pour tenter de caractériser finement et quantifier ces évolutions afin de les corréler à la durée de vie des systèmes et mieux comprendre les mécanismes pour optimiser leurs performances.

Parmi ces systèmes, les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) sont des dispositifs qui produisent un courant électrique en consommant du dihydrogène (H₂), un des vecteurs de la transition énergétique. Avec l’eau comme seul produit de réaction, les SOFCs sont pressenties pour jouer un rôle important dans la décarbonation des énergies. Ces piles, composées d’une cathode et d’une anode recouvertes d’un catalyseur métallique et séparées par un électrolyte solide, combinent plusieurs matériaux et interfaces dont la microstructure évolue dans le temps en raison des températures de fonctionnement élevées, de la présence de gaz réducteurs et oxydants, et d’une forte polarisation électrique. Ces conditions réactionnelles sont particulièrement difficiles à reproduire au sein des équipements de caractérisation microstructurale classiques.

Des scientifiques de laboratoires français, suisse et asiatique,¹ en collaboration avec deux entreprises européennes,² ont mis en place une approche innovante qui permet d’observer à l’échelle nanométrique l’évolution de la microstructure des composants de ces piles pendant leur fonctionnement. Leur stratégie combine la réalisation d’une expérience modèle dans la chambre d’un microscope électronique en transmission environnemental, à des tests de validation à l’échelle macroscopique. En mettant en contact une cellule cathode-électrolyte-anode et un système micro électromécanique (MEMS) de chauffage et de polarisation dans la chambre du microscope, ils ont pu établir une corrélation directe entre les conditions environnementales (pression et nature du mélange gazeux, température), la tension électrique de la cellule et l'évolution microstructurale, à l'échelle nanométrique.

Ces résultats apportent de précieuses informations sur l'impact de l'état d'oxydation de l'anode et de sa morphologie sur les propriétés électriques de la pile. Ils permettent notamment de suivre l’état du catalyseur de nickel à la surface de l’anode, composant essentiel au rendement de la cellule, lors de son exposition à l’oxygène et à l’hydrogène. Il s'agit de la première preuve du concept qu'une pile à combustible peut être analysée en conditions operando dans un microscope électronique en transmission environnemental. Cette étude,³ parue dans la revue Nature Communications, ouvre un nouveau champ de possibilités pour étudier les voies de dégradation qui affectent ces dispositifs de conversion énergétique.

Rédacteur: AVR

1. Le laboratoire Matériaux, ingénierie et science (MATEIS, CNRS/INSA Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1), l’Institut de recherche sur la catalyse et l’environnement de Lyon (IRCELYON, CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1), l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL, Suisse), l’Université de Technologie de Nanyang (NTU, Singapour) et le laboratoire international MajuLab (CNRS/Université Côte d’Azur/Sorbonne Université/National University of Singapore/Nanyang Technological University).

2. Les entreprises SolydEra S.p.A. (Italie) et DENSsolutions (Pays-Bas)

3. Cette étude a bénéficié du soutien de la fédération de recherches METSA du CNRS (Microscopie Electronique en Transmission et Sonde Atomique FR3507, www.metsa.fr), qui finance l’accès à des instruments de pointe installés dans des plateformes françaises. En l’occurrence, le microscope environnemental utilisé ici est géré par la plateforme CLYM (Consortium Lyon – St-Etienne de Microscopie) à laquelle contribuent fortement les laboratoires MATEIS et IRCELYON, ce dernier hébergeant l’instrument.