Nouveaux matériaux pour une production d’hydrogène PEM économiquement viable

Le projet MATHYLDE a présenté ses nouveaux catalyseurs anodiques et nouvelle membrane composite pour un électrolyseur PEM amélioré

Le projet MATHYLDE s’est fixé pour objectif de faciliter le déploiement de l’électrolyse de l’eau (PEMWE), en agissant sur les deux leviers que sont le CAPEX et l’OPEX.

De nouveaux matériaux constitutifs des assemblages membrane-électrodes (AME), catalyseurs pour l’anode et membranes composites, sont en cours de développement. Le projet tente également de maîtriser les interfaces entre composants et de modéliser la perméation de l’hydrogène à travers la membrane pour mieux en cerner les origines et la réduire au maximum. Diminuer la quantité d’iridium à l’anode, la résistance de la membrane en diminuant son épaisseur, les résistances aux interfaces et la perméation de la membrane à l’hydrogène sont autant de facteurs qui contribueront à atteindre la cible ambitieuse de 40 mg_Ir/kW.

Nouveaux catalyseurs anodiques

3 catalyseurs ont été mis au point, constitués i) de nanoparticules d’IrO_x sur nanofibres électrofilées de SnO₂ dopé, ii) d’un film continu d’IrO_x sur aérogel de TiO₂ ou iii) d’un réseau mésoporeux d’oxyde d’iridium. Les trois catalyseurs ont permis d’atteindre des niveaux de performance en cellule à électrolyte liquide (RDE) jusqu’à 4 fois supérieurs à celui atteint par le matériau de référence choisi dans le projet (IrO₂ Surepure Chemetals) avec respectivement 430, 540 et 240 A/g_Ir à 1.60 V, 25 °C. Les premiers résultats en monocellule 25 cm² après intégration au sein d’AMEs sont prometteurs (mêmes performances que l’AME de référence avec 5 à 7 fois moins d’iridium). Les deux catalyseurs supportés seront bientôt testés à plus grande échelle au sein d’un stack de 5 cellules de 250 cm².

Membranes composites

Réduire la résistance de la membrane passe par une diminution de son épaisseur. L’objectif dans MATHYLDE est d’atteindre 80 voire 50 µm là où les électrolyseurs actuels intègrent des membranes de 125 µm. Pour atteindre cet objectif ambitieux sans augmenter la perméation à l’hydrogène et en conservant les propriétés mécaniques de la membrane il est nécessaire de leur adjoindre un renfort. Le choix s’est porté dans MATHYLDE sur l’intégration d’un mat de fibres électrofilées d’une douzaine de µm d’épaisseur. Après enduction par l’ionomère, les fibres se retrouvent dispersées de manière homogène dans toute l’épaisseur de la membrane pour un renforcement tridimensionnel optimal. Les propriétés mécaniques des membranes obtenues à 50 µm s’en trouvent améliorées et la perméation à l’hydrogène réduite d’un facteur 2 par rapport aux mêmes membranes non renforcées. Elles sont en cours de tests longue durée au sein d’un stack de 5 cellules de 250 cm². Après 300 h de cyclage, pas de perte de performance enregistrée.

Modélisation de la perméation à l’hydrogène

Eviter au maximum le transfert d’H₂ de la cathode où il est produit vers l’anode où il pourra réagir avec l’oxygène permet à la fois d’améliorer le rendement de conversion énergétique et d’opérer l’électrolyseur en sécurité. Il convient pour cela de prendre en compte tous les phénomènes réactifs impliquant l’hydrogène au sein des AMEs. Les données obtenues sur monocellule ont ainsi permis de montrer que mesurer la concentration de l’hydrogène dans l’oxygène à l’anode n’est pas suffisant pour caractériser la quantité d’hydrogène qui traverse la membrane. En effet une partie de celui-ci est oxydé sur l’iridium alors qu’une autre réagit directement avec l’oxygène. Ces phénomènes ont été intégrés dans le modèle en cours de développement.

Christian Beauger (MINES Paris – PSL), Sara Cavaliere (ICGM), Frédéric Maillard (LEPMI), Pierre Millet, Serge Albacha (ICMMO), Waleed El Rouby (ELOGEN)