ANGELIC
Aperçu
Électrolyse de l’eau à membrane échangeuse d’anions optimisée de la cellule jusqu’au stack
DR Eric PINTON
CEA-LITEN
Le projet ANGELIC ambitionne de produire de l’hydrogène par l’électrolyse de l’eau à membrane échangeuse d’anions à l’échelle d’un stack 10 kW. Les matériaux, les procédés de fabrication, le design des cellules électrochimiques et des éléments de serrage du stack seront optimisés pour une mise en œuvre en grande quantité, en grande surface et sous pression. L’enjeu majeur est d’arriver à obtenir, à l’échelle du stack, le même niveau de performance que celui obtenu à l’échelle de cellules élémentaires de petites tailles à la pression atmosphérique. La modélisation couplée de la fluidique diphasique et de l’électrochimie servira de support à la conception des cellules du stack.
Mots clés: Production d’hydrogène, Electrolyse de l’eau, Membrane échangeuse d’anions, Stack et cellules d’électrolyse, Catalyseurs sans métaux critiques, Electrolyte solide sans PFAS
Actualités
Deux nouveaux projets rejoignent le PEPR hydrogène décarboné
Le portefeuille de projets du PEPR-H2 s’est enrichi de 2 nouveaux projets : ANGELIC et ASTERHYX. …
Tâches
Nos recherches
Développement de catalyseurs et caractérisation ex-situ
Il s’agit de préparer et de caractériser les catalyseurs d'anode et de cathode. Ils seront constitués de matériaux à base de métaux de transition, principalement nickel et/ou fer. Plusieurs voies de synthèse seront étudiées. La méthode choisie sera celle qui permettra d'obtenir un matériau actif qui minimise les surtensions, avec très peu d'étapes de traitement, et qui est transposable à grande échelle.
Développement et caractérisation d'ionomères et de membranes renforcées
Le projet ANGELIC travaillera sur l'intégration, dans la membrane, de renforts en nano-fibres afin d'améliorer sa stabilité mécanique et de réduire la diffusion des gaz. Ces renforts intégreront des additifs appropriés agissant comme des piégeurs de radicaux, et des catalyseurs de recombinaison des gaz (sans platinoïdes si possible), afin d'atténuer davantage la diffusion des gaz à travers la membrane. L'ionomère de la couche catalytique sera adapté à la nature de la membrane et aux exigences de l'anode et de la cathode.
Développement d'assemblages membrane-électrodes et tests électrochimiques
Les protocoles de préparation de l'encre et d’assemblage de la membrane/électrode ont un impact significatif sur la performance et la durabilité de la cellule, et également sur son coût. Le projet ANGELIC s’attachera à optimiser et à évaluer la meilleure méthode de fabrication de l’encre en lien avec différents procédés de dépôt (spray, enduction, sérigraphie) appliqués sur différents substrats (membrane et/ou microporeux). La sélection des meilleurs assemblages sera opérée à partir de caractérisations électrochimiques en performance, puis en durabilité pour les plus prometteurs. Les tests seront réalisés en 2 temps. Tout d’abord à l’échelle d’une cellule élémentaire de petite surface, puis d’une cellule élémentaire de grande surface pour valider le passage à l’échelle. Le développement d’un modèle d'écoulement diphasique à l’anode permettra de prédire l’impact du transport fluidique sur la réponse électrochimique d’une cellule.
Développement d'un stack et tests électrochimiques
Les composants qui constituent le motif élémentaire du stack (plaque de maintien, plaque bipolaire, plaque d’écoulement fluidique, joints, …) seront conçus pour accueillir le meilleur assemblage membrane-électrodes grande surface développé dans le projet. L’optimisation du dimensionnement de ces composants, ainsi que les éléments de serrage et de distribution fluidique de l’empilement, se fera en partie par modélisation multi-physique (mécanique, fluidique, électrochimie). Les résultats en performance et en vieillissement de chacune des cellules d’un short stack, ainsi que leur homogénéité, seront comparés à ceux obtenus en cellule élémentaire.
Le consortium :
2 laboratoires académiques, 1 institut du CEA
Des attendus scientifiques
Les principaux résultats attendus du projet sont le développement de catalyseurs non nobles, d'un ionomère sans fluor et d'une membrane renforcée, y compris des piégeurs de radicaux et des catalyseurs de recombinaison des gaz. L’objectif est d'atteindre des performances élevées et une bonne durabilité au meilleur niveau international par rapport aux indicateurs de performances de l'Union Européenne. La mise à l'échelle est la pierre angulaire du projet, avec des quantités de catalyseurs allant jusqu'à 10 g, la fabrication de membranes de grande taille, et enfin la conception d'un stack d'environ 10 kW avec une validation en performance et en durabilité à l'échelle d’un short stack de 6 cellules 100 cm².
Impacts environnementaux
Les attendus scientifiques du projet ANGELIC constituent une étape majeure vers l'augmentation de maturité de l’électrolyse à membrane échangeuse d’anions. Cette nouvelle technologie est très prometteuse pour une production d'hydrogène à coût maîtrisé et à faible teneur en carbone. En effet, elle peut fonctionner avec des sources électriques intermittentes. En outre, elle est sans métaux nobles et sans PFAS.
Développement de compétences
Formation de 2 doctorants et 2 post-doctorants
