Un nouveau catalyseur pour les piles à combustible
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La revue spécialisée consacrée au nickel et à ses applications |
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DES NANOPOUDRES MÉTALLIQUES comme celles-ci pourraient être utilisées dans des applications telles que les
catalyseurs de batteries et de piles à combustible. Le rendement et les coûts sont des facteurs
clés. |
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Près de 40 % du coût total d’une pile à combustible est attribuable aux catalyseurs. |
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DES VAPEURS MÉTALLIQUES sont refroidies par des gaz inertes à l’intérieur d’une chambre à vide telle que
celle-ci pour produire des nanopoudres. |
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Le nickel-cobalt, un substitut peu coûteux aux catalyseurs de platine
Par Virginia Heffernan
Revue Nickel, novembre 2005 -- L’un des principaux obstacles à la réalisation de piles à combustible à un coût abordable réside dans le prix du catalyseur. Ainsi, quiconque peut concevoir un catalyseur moins coûteux est susceptible de contribuer grandement à la commercialisation d’une technologie fondée sur de l’énergie de remplacement.
La société QuantumSphere Inc. (Californie), un important fabricant de nanopoudres métalliques, soutient qu’elle vient justement de relever le défi en mettant au point un nanomatériau composé de nickel et de cobalt. Le nanomatériau pourrait remplacer partiellement ou entièrement les catalyseurs de platine, dans une variété d’applications faisant appel à des batteries et à des piles à combustible.
La platine, qui coûte actuellement environ 75 $US par gramme en vrac, est à peu près cinq fois plus chère que l’alliage nickel-cobalt de la société QuantumSphere, qui se vend environ 15 $US le gramme. Par conséquent, la société soutient que les fabricants de batteries et de piles à combustible réduiraient leurs coûts de 50 % environ, s’ils remplaçaient la platine utilisée dans les catalyseurs par ce nouvel alliage.
Les résultats de QuantumSphere ont récemment été validés indépendamment par DoppStein Enterprises Inc., une firme américaine d’experts-conseils en matière de batteries et de piles à combustible.
L’utilisation du nanomatériau de nickel-cobalt implique en contrepartie une certaine perte de rendement. Par exemple, la firme DoppStein a découvert que si l’on remplaçait toute la platine qui se trouve sur la cathode (7,7 microgrammes [μg] par centimètre carré [cm2]) par du nickel-cobalt, on pourrait réduire les coûts de 90 %, par rapport à ceux de la platine pure, mais le rendement diminuerait de 27 %. Par contre, si l’on remplace la moitié de la platine, les coûts baissent tout de même de 43 % et l’on ne perd que 10 % sur le plan du rendement.
« Dans ce genre de systèmes, près de 40 % du coût total est attribuable aux catalyseurs; le prix de la commercialisation de tels appareils a tendance à être prohibitif », déclare Mme Kimberly McGrath, Ph.D., directrice de la recherche sur les piles à combustion de la société. « Si l’on considère les économies que l’on réalise [en utilisant l’alliage exclusif] par rapport à la légère perte de rendement, on constate un énorme avantage. »
La société QuantumSphere effectue présentement un suivi des résultats préliminaires obtenus en réalisant une série d’expériences visant à optimiser la performance de l’alliage jusqu’à ce qu’elle égale ou dépasse celle obtenue lorsqu’on utilise des cathodes de platine. La teneur de l’alliage est actuellement de 80 % de nickel et de 20 % de cobalt, mais ces proportions seront modifiées en fonction des essais ultérieurs ainsi que des besoins de la clientèle.
M. Kevin Maloney, président de la société QuantumSphere, affirme que celle-ci a entrepris la réalisation de l’alliage de nickel-cobalt après qu’une importante société d’experts-conseils en matière de batteries lui ait fait part d’un besoin de matériau plus économique pour remplacer la platine coûteuse que l’on emploie dans les catalyseurs de batteries.
« En ce qui nous concerne, les tendances et les motivations résident dans les grandes entreprises qui sont venues nous consulter, nous révélant certains des défis qu’elles doivent surmonter et les solutions qu’elles souhaitent se voir offrir, » ajoute-t-il.
La technologie requise pour créer le nanomatériau nickel-cobalt, soit la condensation en phase gazeuse, existe depuis environ 30 ans. Toutefois, en adaptant le procédé de façon à pouvoir contrôler la taille des particules et l’épaisseur de la couche d’oxyde protectrice sur les particules, les scientifiques de QuantumSphere peuvent accomplir ce qui semblait autrefois impossible : obtenir une distribution homogène de particules de la taille requise.
Cette percée a permis à la société de mettre en œuvre une chaîne de production entièrement automatisée dont les proportions peuvent être modifiées pour répondre à la demande. La capacité de fabrication est passée de quelques grammes par jour, pour s’accroître à plusieurs kilogrammes par jour, ce qui représente des milliers de kilogrammes par année.
La condensation en phase gazeuse a lieu à l’intérieur d’une chambre à vide dans laquelle on fait fondre un fil métallique à des températures élevées. À mesure que le métal se vaporise, la vapeur se refroidit sous l’effet d’un gaz inerte et se condense sous forme de gouttelettes de métal liquide. On peut changer les caractéristiques des particules en modifiant la pression et la température de la chambre, de même que le débit de gaz.
La surface active du nanomatériau de nickel-cobalt résultant du procédé est tellement élevée par rapport à la taille des particules que pratiquement chaque nanoparticule dans l’atome peut réagir.
« On peut dire qu’à l’échelle nanométrique, les scientifiques ont réellement créé un nouveau tableau
périodique, explique M. Maloney. Ces matériaux libèrent beaucoup plus d’énergie que les autres; il n’est
tout simplement pas possible d’obtenir un tel rendement à l’échelle micrométrique. »
Virgina Heffernan est une rédactrice scientifique établie à Toronto.
ILLUSTRATIONS : QuantumSphere Inc.
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Kevin Maloney |
