CELCER-EHT
Aperçu
Développement de cellules céramiques à conduction anionique, durables, performantes et à bas coût pour la production d’hydrogène
DR FLORENCE LEFEBVRE-JOUD
CEA-LITEN
Le projet CELCER-EHT est centré sur le développement de matériaux et de procédés innovants pour la fabrication de cellules d’Electrolyse de la vapeur d’eau à Haute Température (EHT) présentant des performances et une durée de vie accrues par rapport à l’état de l’art actuel, tout en gardant la maîtrise des coûts. Il vise la production de cellules céramiques à conduction anionique de taille pré-industrielle (200cm²) et leur fonctionnement dans la plage de température 750-850°C, avec un taux de dégradation amélioré d’un facteur 5 (< 0.7% après 1 000 heures de fonctionnement).
Mots clés:
Hydrogène, Electrolyse, Céramique, Durabilité
Tâches
Nos recherches
Matériaux de cellule
Travaux conduits sur les matériaux constitutifs de l’électrode à hydrogène, de l’électrode à oxygène et des couches d’interface. Deux voies parallèles : amélioration des matériaux existants et développement de nouveaux matériaux.
Cellules et stacks performants
Mise en œuvre des matériaux les plus prometteurs sur des cellules complètes pour optimiser leur microstructure, les couches d’interface ; test de leurs performances électrochimiques et de leurs durabilités, en vue de sélectionner les plus performantes. Développement de joints auto-cicatrisants pour augmenter la robustesse du stack.
Passage des cellules à l’échelle pré-industrielle
Elaboration des cellules CELCER-EHT en grande taille (surface active supérieure à 100cm2) incluant les matériaux les plus prometteurs et validation de leur performance et durabilité en environnement stack.
Le consortium :
11 laboratoires académiques et 2 instituts du CEA
Des attendus scientifiques
Le projet CELCER-EHT va générer des avancées scientifiques et technologiques notables dans le domaine de la chimie et de la mise en œuvre des céramiques électrochimiques :
• Amélioration des matériaux céramiques actuels et développement de nouveaux matériaux en rupture pour augmenter la stabilité et la performance des cellules EHT,
• Compréhension des mécanismes de dégradation en fonctionnement à haute densité de courant et développement de stratégies de contrôle.
• Amélioration des matériaux céramiques actuels et développement de nouveaux matériaux en rupture pour augmenter la stabilité et la performance des cellules EHT,
• Compréhension des mécanismes de dégradation en fonctionnement à haute densité de courant et développement de stratégies de contrôle.
Impacts environnementaux
• Développement d’une filière industrielle à haute efficacité (de l’ordre de 90% du Pouvoir Calorifique Inférieur) pour la production d'H2 vert à coût maîtrisé
• Technologie modulaire sans catalyseurs PGM, compatible avec un couplage EHT-nucléaire
• Technologie modulaire sans catalyseurs PGM, compatible avec un couplage EHT-nucléaire
Développement de compétences
Formation de 13 doctorants et 18 post-doctorants
Réalisations 2022
Au cours de l’année 2022 une ligne pilote de fabrication de cellules a été améliorée et une seconde a été installée puis démarrée.
Les travaux de R&D ont porté sur l’amélioration des matériaux de cellule actuels (cermet Ni-YSZ, zircone dopée et oxydes de type perovskite) en optimisant leur composition, leur microstructure (e.g. poudres cœur-coquilles, texturation, gradient) et leurs interfaces (e.g couche barrière de cérine dopée). Ces travaux sont aujourd’hui bien engagés et bénéficient de l’apport de 2 doctorantes et de 2 post doctorants. Une cellule améliorée dite Gen1 fait actuellement l’objet de tests de durabilité. La modélisation multi-échelle a été validée pour cette nouvelle cellule et des études de sensibilité ont permis d’identifier de nouvelles pistes d’optimisation de la microstructure de l’électrode H2.
Des travaux portant sur le développement et la mise en œuvre de nouveaux matériaux de cellule (e.g. nickelates et produits de décomposition ou matériaux oxyfluorés) ont également commencé, portés par 1 doctorant et 1 post doctorant.
Pour analyser la stabilité chimique ou la composition de ces nouvelles microstructures, des campagnes de caractérisation approfondies ont été lancées, en particulier aux grands instruments (ESRF-Grenoble et Bessy-Berlin).
Enfin, pour accroitre la stabilité de la cellule en environnement stack un travail spécifique a débuté sur la conception de joints auto-cicatrisants avec 1 doctorant.
Deux publications ont déjà été acceptées sur la base de ces travaux.
