Iridium. Derrière ce nom se cache l’un des enjeux clés de la course à l’innovation dans l’électrolyse de l’eau. Ce métal est un catalyseur indispensable à la technologie PEM (membrane échangeuse de protons). Or il coûte cinq fois plus cher que le platine en raison de sa rareté. Une rareté incompatible avec la demande. Selon l’Agence internationale de l’énergie, la production mondiale d’hydrogène devrait atteindre 660 millions de tonnes en 2050, dont 80% issus de l’électrolyse.
«Cela consommerait la totalité de l’iridium disponible, sachant qu’il en faut environ 50 kg pour 100 mégawatts, qu’on en produit 7 tonnes par an actuellement et que les réserves s’élèvent à 1500 tonnes», indique Christian Beauger, directeur de recherche au centre Persée de Mines Paris. Réduire les besoins s’impose. C’est l’un des objectifs du projet MatHylde, lancé dans le cadre du PEPR Hydrogène décarboné, et dont Christian Beauger est le responsable scientifique et technique : «Nous voulons diviser par dix la quantité d’iridium de l’anode pour l’électrolyse PEM. Au niveau mondial, l’objectif est de la diviser par vingt, voire par quarante, d’ici à 2035.»
Passer aux nanoparticules d'iridium
«La première piste consiste à concevoir un catalyseur supporté, avec des nanoparticules d’iridium de 3 à 4 nanomètres pour remplacer les microparticules d’oxyde d’iridium poreux. En diminuant la taille des particules, on augmente le nombre d’atomes en surface par rapport au volume. Or, en catalyse, seuls les atomes de surface sont utiles à la réaction», précise le spécialiste. Reste à trouver le support adéquat, stable et conducteur. «Nous développons des supports à base d’oxyde métallique, comme l’oxyde d’étain. Il est stable dans les conditions de fonctionnement de l’électrolyse mais doit être dopé, avec du tantale, par exemple, pour être conducteur.»
Ces supports seront produits sous forme de nanotubes ou de nanofibres pour éviter le «lessivage» du tantale lors du fonctionnement de l’électrolyseur et sa dégradation trop rapide. D’autres options sont envisagées, comme le développement d’aérogels de dioxyde d’étain ou de titane, sur lesquels sera déposé un nanofilm d’oxyde d’iridium, permettant les réactions catalytiques et la conduction des électrons. Ou encore des aérogels d’oxyde d’iridium, mésoporeux et à morphologie contrôlée.
Le laboratoire commun à l’entreprise Elogen, au CNRS et à l’université Paris-Saclay, dédié à l’amélioration des électrolyseurs PEM, a une stratégie similaire. «Dans un premier temps, l’objectif est de diminuer les charges d’iridium, actuellement de 1 à 2 mg/cm2, pour les faire passer de 0,2 à 0,5 mg/cm2, puis de les remplacer à terme par des métaux de transition plus abondants. Nous mettons en œuvre des matériaux poreux, nano-architecturés, exacerbant leurs propriétés électrocatalytiques pour atteindre des performances proches de celles de l’oxyde d’iridium», détaille Loïc Assaud, maître de conférences à l’université Paris-Saclay et coresponsable du laboratoire.
Perfectionner les membranes de la techno PEM
Les chercheurs s’intéressent aussi à un autre matériau critique de l’électrolyseur PEM, cette fois pour une question d’empreinte écologique : le Nafion, une membrane à conduction protonique d’acide perfluorosulfonique qui contient du fluor, nocif pour l’environnement. «Nous travaillons sur le développement de membranes hydrocarbonées et conduisant convenablement les protons à des températures proches de la température ambiante et stables dans le temps», relate le chercheur.
L’amélioration des membranes est la clé de l’augmentation du rendement. «Dans le cadre de MatHylde, nous cherchons à les affiner pour diminuer leur résistance ohmique et atteindre un meilleur rendement. Nous les renforçons avec des fibres de polymère fonctionnalisées pour optimiser l’interface avec le Nafion. Nous ajouterons aussi, éventuellement, des antiradicaux libres afin de rendre la membrane résistante aux attaques chimiques des radicaux qui apparaissent dans certaines conditions de fonctionnement», détaille Christian Beauger. Le but est de descendre sous 100 microns d’épaisseur, contre 120 à 150 actuellement.
Source : Irena - Crédit : Industrie & Technologies Rendre plus flexible L’électrolyse alcaline
Pour l’électrolyse alcaline, la technologie la plus mature et la moins coûteuse, la principale problématique est le couplage direct aux parcs éoliens et solaires, dont l’intermittence de la production met les électrolyseurs à rude épreuve. «Nous avons remarqué qu’en cas de variation brutale de potentiel – par exemple quand on arrête et on redémarre un électrolyseur –, il y a énormément de dissolution de métal, que ce soit le platine ou l’oxyde d’iridium. Si l’on multiplie ces démarrages, au bout d’un moment, il ne reste plus rien dans l’électrode», témoigne Marian Chatenet, chercheur au Laboratoire d’électrochimie et de physico-chimie des matériaux et des interfaces.
Les mécanismes en jeu, encore mal compris, devront être étudiés dans des expériences bien contrôlées, doublées d’essais à l’échelle industrielle. Marian Chatenet et son équipe explorent une autre piste en développant des catalyseurs à base d’acier pour l’anode, dont les bonnes performances seraient liées à «la formation spontanée d’une couche passive stable en surface de l’acier, grâce au nickel. Ce dernier se transforme en oxohydroxydes de nickel, dopés avec le fer, lui aussi présent en grande quantité dans l’acier. Et sa particularité est d’avoir besoin de variations de potentiel assez rapides et assez intenses pour s’activer», affirme le chercheur.
La nouvelle génération d’électrolyseurs alcalins, dits à membrane échangeuse d’anions (AEM), pourrait apporter une solution à l’intermittence des énergies renouvelables. Contrairement au diaphragme de l’alcalin, ce type de membrane supporte mieux les variations de potentiel. Mais sa durabilité doit être améliorée. C’est le cœur du projet DaemonHyc, dirigé par Gaël Maranzana, du Laboratoire énergies et mécanique théorique et appliquée : «Ces membranes ne sont pas aussi durables que celles qui transportent les protons dans les PEM, et il faut que nous comprenions pourquoi.» Différentes options sont envisagées, de l’élaboration de nouveaux matériaux pour le catalyseur à de nouvelles mises en forme pour l’électrode.
De nouvelles technologies qui doivent faire leurs preuves
L’accroissement de la durabilité est le dénominateur commun des technologies émergentes : faire aussi bien, voire mieux, que leurs aînées est la condition sine qua non de leur déploiement à grande échelle, qu’il s’agisse des AEM ou des cellules électrolytiques à oxyde solide (SOEC). Malgré un rendement 15 % plus élevé que celui des technologies à basse température, ces dernières ont une durée de vie très en deçà de celles de l’alcalin et du PEM, qui dépassent 50 000 heures. «Nous avons fait des essais monocellules qui ont tenu plus de 9 000 heures, et nous testons un stack de 20 kW depuis 5 000 heures, qui fonctionne toujours», explique Mathias Gérard, le chef de la division hydrogène du CEA-Liten.
Plusieurs solutions sont considérées pour augmenter cette durée de vie, la première touchant au catalyseur intégrant du nickel. «Ce dernier a tendance à migrer et à se positionner à des endroits où il est moins efficace. Nous faisons de la caractérisation pour comprendre, jusqu’à l’échelle atomique, pourquoi intervient cette migration et comment l’empêcher. Car, outre la durée de vie, cela diminue aussi les performances», souligne le chercheur. Un autre phénomène important à prendre en compte est la corrosion, due à la haute température, et qui nécessite d’élaborer des revêtements spécifiques pour la limiter. Enfin, dernier aspect envisagé par les équipes du CEA : le design des stacks, notamment l’étanchéité des joints, primordiale pour éviter leur fin de vie prématurée.
Quelle que soit la technologie, les promesses sont là et les chercheurs mobilisés. Reste à savoir si ces innovations seront disponibles à temps pour assurer la production massive attendue d’hydrogène.
