La particularité de notre laboratoire, c’est que nous gardons toujours à l’esprit l’utilisation industrielle des composants que nous testons», pose en préambule Christophe Turpin, le responsable scientifique de la plateforme hydrogène du laboratoire Laplace, à Toulouse. Cette dernière, lancée en 2010, dispose d’une trentaine de bancs d’essai pour les piles à combustible et les électrolyseurs. La majorité d’entre eux est dédiée aux piles, «puisque c’était notre sujet de recherche initial, explique le chercheur. Mais aujourd’hui, nous en avons trois pour les électrolyseurs PEM [à membrane échangeuse de protons, ndlr], et un pour ceux à oxyde solide». Autre spécificité de la plateforme : «Tous nos bancs sont des équipements propres, conçus sur place et modulables en fonction des demandes des industriels, mais aussi au fur et à mesure de l’avancement de notre compréhension», précise le spécialiste.
Le site est organisé «un peu comme une ruche, avec une dizaine d’alvéoles renfermant des bancs d’essai, le tout sur un peu plus de 900 mètres carrés. Le but est de pouvoir isoler chaque projet et chaque industriel», décrit Christophe Turpin, en poussant la porte de l’une de ces alvéoles, où trois bancs testent, dans un ronronnement incessant, des piles à combustible dédiées à la mobilité lourde. Les bancs destinés aux électrolyseurs, eux, sont temporairement hébergés dans une halle technologique, annexe de la plateforme, à quelques minutes de là. Le plus ancien, nommé Elyzor et de la taille d’une grosse armoire, «a déjà réalisé entre 15 000 et 20 000 heures d’essai». Les deux autres n’ont pas encore été mis à contribution.
Définir la carte ADN du stack
Comme pour les piles à combustible, l’objectif poursuivi est l’étude du vieillissement des stacks, ces empilements de cellules qui forment le cœur des systèmes hydrogène. Ces bancs intègrent les éléments auxiliaires d’un électrolyseur, «c’est-à-dire tout ce qu’il y a autour du stack pour que cela fonctionne» : capsules désionisantes pour l’eau, système de refroidissement, séparateur eau liquide-gaz… Mais surtout, une multitude de capteurs permettant de contrôler des paramètres comme la pression, la tension, les fuites et la température.
«Suivant la taille du stack, 40 à 50 mesures peuvent être réalisées en continu pendant plusieurs milliers d’heures. Par exemple, la température est censée être la même dans chaque cellule, environ 80°C, mais en pratique, on peut constater de petits écarts : 81°C dans une cellule, 79°C dans l’autre. Cela peut sembler peu de chose, mais à terme, cela génère des hétérogénéités de vieillissement, indique le chercheur. À partir de ces données, nous sommes capables de définir l’identification paramétrique du modèle du stack testé. C’est-à-dire qu’on va d’abord le caractériser au début de l’essai, puis toutes les 200 ou 500 heures, selon la longueur de l’essai, pour observer son évolution. Cela nous donne en quelque sorte sa carte ADN, avec les tensions, les températures, l’évolution des surfaces actives des catalyseurs.»
Les dispositifs ont pour le moment une puissance de 3 kilowatts (kW), «mais nous travaillons sur de nouveaux bancs de 50 à 100 kW, qui viendront équiper le Technocampus Hydrogène Occitanie, dont le lancement est prévu en 2026. C’est un grand projet qui devrait faire changer la plateforme d’échelle, puisque nous aurons 9 000 mètres carrés pour les essais en matière de stockage, de production et d’utilisation de l’hydrogène. À terme, nous envisageons d’atteindre le mégawatt», détaille Christophe Turpin.
Des résultats précieux pour les industriels
En attendant, les résultats obtenus par les bancs, même à petite échelle, restent précieux pour les industriels. D’après le spécialiste, «une règle prévaut pour les composants, que ce soit pour les piles ou pour les électrolyseurs : si cela ne fonctionne pas à petite échelle, ce n’est même pas la peine d’essayer à grande échelle». Air Liquide est l’un des derniers industriels en date à avoir profité de l’expertise des chercheurs de la plateforme Laplace. «Ils nous ont interpellés sur un problème peu étudié : l’interaction entre l’électrolyseur et l’électronique de puissance qui l’alimente.» En effet, l’appareil fonctionnant en courant continu et le réseau fournissant du courant alternatif, il est nécessaire de passer par une étape de transformation. «Sauf que lors de cette étape, on n’obtient jamais un courant parfaitement continu et on observe des ondulations à très haute fréquence. Air Liquide voulait savoir si ces ondulations avaient un impact sur la durée de vie de l’électrolyseur», relate Christophe Turpin.
Pour répondre à cette question, «nous avons fait deux tests : le premier avec une cellule électrolyseur et un courant parfaitement continu, le second avec une cellule électrolyseur et un courant ayant des ondulations à 10 kHz et une amplitude de 20% de pic à pic. Nous avons ensuite comparé l’évolution des performances des deux expériences et mis en évidence une multiplication par deux, et même jusqu’à quatre, de la vitesse de vieillissement en présence d’une forte ondulation de courant. Il faut donc diminuer autant que possible cette ondulation, bien en dessous de 10%», recommande le chercheur.
À l’avenir, Christophe Turpin aimerait étudier d’autres potentielles sources de vieillissement : la qualité de l’eau, l’intermittence des énergies renouvelables ou encore la mise en série ou en parallèle d’électrolyseurs de forte puissance. De quoi faire tourner les bancs à plein régime.
