Multicouches pour PEMWE et modélisation multiphysique

Élaboration de revêtements multicouches pour électrolyseurs d’eau PEMWE et modélisation multiphysique de la dégradation des performances

Une avancée scientifique du projet COSTO a permis d’élaborer des revêtements de films minces sous forme de multicouches anti-corrosion pour l’amélioration des électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEMWE), essentiels à la production d’hydrogène bas carbone. L’étude se concentre sur des plaques bipolaires en acier inoxydable 316L, une alternative moins coûteuse au titane, qui représente aujourd’hui une part importante des coûts des systèmes.

Des multicouches pas chères et performantes

L’innovation majeure repose sur le développement de structures multicouches TiO_xN_y/Ti/TiO_xN_y (Figure 1) [1], combinant des couches d’oxynitrure de titane et de titane métallique. Contrairement aux couches simples, ces architectures permettent d’optimiser simultanément les propriétés mécaniques et électriques. Les résultats montrent une réduction spectaculaire de la résistance de contact interfaciale (ICR), atteignant 1,5 mΩ·cm², soit bien en dessous de l’objectif industriel fixé à 10 mΩ·cm². À titre de comparaison, certaines couches simples dépassent 300 mΩ·cm², illustrant l’apport décisif des multicouches.

Cette amélioration s’explique notamment par une diminution de la dureté des matériaux, favorisant un meilleur contact électrique entre surfaces. Les multicouches permettent aussi une meilleure homogénéité du courant et limitent la formation de défauts structurels comme les pores continus, renforçant ainsi la conductivité globale.

Sur le plan de la durabilité, ces revêtements démontrent une excellente stabilité. Après 168 heures d’exposition à 60°C, aucune corrosion ni dégradation significative n’a été observée, contrairement à l’acier non protégé qui libère des ions susceptibles de détériorer les performances des électrolyseurs.

En combinant faible coût, haute performance et robustesse, ces multicouches apparaissent comme une solution prometteuse pour accélérer le déploiement industriel de l’hydrogène bas carbone.

Une modélisation décrivant les mécanismes de dégradation des AME

Un modèle numérique innovant a également été mis en place pour analyser la dégradation des électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEMWE). Nous avons développé une approche multiphysique combinant l’évolution morphologique des matériaux et le transport multiphasique au sein de la couche de transport poreuse (PTL). Grâce à la méthode Level Set, le modèle simule la corrosion progressive, tandis qu’un modèle d’écoulement décrit la dynamique des bulles d’oxygène dans l’eau. Cette approche permet de relier directement les transformations microscopiques aux performances globales du dispositif. Les simulations montrent notamment une diminution quasi linéaire de la porosité de la PTL sous l’effet de la corrosion, associée à une augmentation progressive des pertes de transport. Le modèle reproduit également une vitesse de dégradation d’environ 10 µV/h, cohérente avec les observations expérimentales, pour un taux de corrosion estimé à 0,085 µm/jour. Les résultats indiquent que les pertes de performance sont dominées par les limitations de transport et l’accumulation de bulles, plutôt que par la seule dégradation du catalyseur [2]. Validé par des données expérimentales, ce modèle constitue un outil prometteur pour prédire la durée de vie des électrolyseurs et orienter le développement de matériaux plus durables.

Loïc Assaud^1,*, Haitham Maslouh^1,2,3, Khaoula Chergui⁴, Divino Salvador Ramírez Rico³, Youssef Kharchouf⁵, Benoît Lescop⁴, Stéphane Rioual⁴, Valérie Demange⁶, Ludivine Rault⁶, Francis Gouttefangeas⁶, Loïc Joanny⁶, Sophie Ollivier⁶, Mikhael Bechelany², Michael Walls⁷, Mireille Turmine⁵, Kieu Ngo⁵, Vincent Vivier⁵, Sylvain Franger³, Michel Prestat⁸

¹IMAP (PSL, ESPCI, CNRS, ENS), ²IEM (Univ. Montpellier, ENSCM, CNRS), ³ICMMO, (UPS, CNRS), ⁴LABSTICC (Univ. Brest, CNRS), ⁵LRS (Sorbonne Univ., CNRS), ⁶ISCR – ScanMAT (Univ. Rennes, CNRS), ⁷LPS (UPS, CNRS), ⁸French Corrosion Institute

Références

[1] K. Chergui, B. Lescot, M. Prestat, G. Ringot, F. Vucko, V. Demange, L. Rault, F. Gouttefangeas, L. Joanny, S. Ollivier, M. Walls, G. Maranzana, D. S. Ramirez Rico, L. Assaud, S. Rioual, Int. J. Hydrogen Energy., 2025, 178, 151650 ; 10.1016/j.ijhydene.2025.151650

[2] Y. Kharchouf, L. Assaud, M. Turmine, V. Vivier, Chem. Engin. Sc., 2026, 327, 123687 ; 10.1016/j.ces.2026.123687