MATHYLDE
Aperçu
Matériaux pour la production d’hydrogène afin de réduire notre dépendance à l’égard des matériaux existants
DR Christian Beauger
ARMINES / Mines Paris – PSL (Centre PERSEE)
Le projet MATHYLDE a pour ambition de proposer de nouveaux assemblages membrane-électrodes (AMEs) pour l’électrolyse de l’eau basse température (PEMWE) avec pour objectif de réduire les coûts de production et de fonctionnement des électrolyseurs (CAPEX et OPEX). Il s’agira de développer les principaux composants constitutifs des AMEs (anodes à morphologie contrôlée très faiblement chargées en iridium et membranes renforcées ultra-fines) et d’optimiser les interfaces notamment avec les couches de diffusion poreuses (PTL) par une double approche, expérimentale et numérique (modélisation). Une mise à l’échelle est planifiée en fin de projet pour une qualification préindustrielle (évaluation en stack).
Mots clés:
Electrolyse PEMWE, Matériau, Anode, Iridium, Membrane, AME, Stack, Durabilité, Production d’hydrogène
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Synthèse des matériaux
Plusieurs options architecturales seront étudiées pour l’anode, basées sur le dépôt de la phase active (oxyde d’iridium) sur un support oxyde conducteur et de morphologie adaptée (nanofibres ou aérogels) ou sa nano-architecturation directe (aérogel).
L’épaisseur de la membrane quant à elle pourra être réduite sans impacter ni sa résistance mécanique ni la perméation à l’hydrogène par l’incorporation d’un réseau de fibres fonctionnalisées pour une interaction optimisée avec l’ionomère.
Assemblage
Etape cruciale à l’obtention de bonnes performances en cellule, cette tâche sera consacrée au procédé d’assemblage et notamment à la formulation des encres catalytiques à partir des catalyseurs du projet ainsi qu’à l’optimisation des interfaces, notamment avec les couches de diffusion, grâce à un travail de modélisation des transferts multi-échelle. Les matériaux développés pourront ainsi être caractérisés in-situ, au sein d’AMEs testés en monocellule.
Caractérisations avancées
Plusieurs techniques de caractérisation avancées seront utilisées pour étudier finement les catalyseurs (IL-TEM, WAXS, WAS…), les couches de diffusion (tomographie, in-situ ICP-MS…) et les différentes interfaces (AFM-SECM, QNM modes…), de manière à optimiser les matériaux et leur assemblage et fournir des données d’entrée pour la modélisation des transferts.
Qualification préindustrielle
Les matériaux les plus prometteurs seront synthétisés à plus grande échelle pour être testés en stack, au sein d’AMEs de grande surface (300 cm²).
Le consortium :
5 laboratoires académiques, 1 partenaire industriel
Des attendus scientifiques
De nouveaux matériaux seront développés au cours du projet, catalyseurs supportés ou non à faible teneur en iridium et membrane renforcée ultra-fine, et leur assemblage étudié pour obtenir des cellules efficaces à un coût acceptable pour l’industrie.
Cela nécessitera de développer de nouvelles compétences en matière de synthèse, caractérisation, modélisation, essais et mise à l’échelle des procédés.
Cela nécessitera de développer de nouvelles compétences en matière de synthèse, caractérisation, modélisation, essais et mise à l’échelle des procédés.
Impacts environnementaux
Les résultats obtenus dans le cadre du projet MATHYLDE contribueront à décarboner les procédés de production d’hydrogène en favorisant le déploiement des solutions de production d’hydrogène vert par une baisse des coûts (CAPEX et OPEX).
Développement de compétences
Formation de 3 doctorants et 2 post-doctorants
Réalisations 2023
Les premiers travaux de « nanotexturation » de catalyseurs pour réduire la charge d’iridium ont permis de révéler le potentiel d’un support sous forme de fibres électrofilées. Des résultats encourageants ont été également obtenus avec des supports aérogels de TiO2. Par ailleurs l’incorporation de fibres électrofilées de polymères actifs à haute performance dans une membrane en Aquivion a conduit à une augmentation de la résistance de traction de celle-ci.
