COSTO
Aperçu
Couches minces anti-corrosion pour des éléments structurels de l’anode d’électrolyseurs d’eau à membrane échangeuse de protons (PEMWE)
Dr. Loïc ASSAUD
Université Paris-Saclay, Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d’Orsay (UMR 8182)
Le projet COSTO vise à revêtir les éléments structurels que constituent les plaques bipolaires (BPP) et les couches poreuses à diffusion de gaz (porous transport layer, PTL) du compartiment anodique des électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEMWE) à l’aide de couches minces anticorrosion pour en assurer une meilleure durabilité et un coût réduit. Une analyse fine des propriétés anti-corrosion et de la micro/nano-structure de ces revêtements sera effectuée. Une étude en cellule d’électrolyse de leurs performances et de leur durabilité en conditions réelles d’utilisation sera conduite.
Mots clés: PEMWE, couche mince, anti-corrosion, ALD/PVD, durabilité, Film mince, BPP, PTL
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Films minces de nitrure de titane
Le premier axe du projet concerne la réalisation et l’optimisation de dépôts de films minces de nitrure de titane par Atomic Layer Deposition (ALD) permettant un dépôt conforme sur des structures poreuses comme les PTL. Parallèlement, des couches plus épaisses élaborées par Physical Vapor Deposition (PVD) seront également produites. Une dernière tâche combinera les avantages des deux techniques afin de produire des films minces de nitrure de titane PVD scellés par des revêtements ALD. La protection anti-corrosion des revêtements sera étudiée ex situ par des mesures de polarisation anodique potentiostatique de plusieurs jours à plusieurs semaines en milieu H2SO4 dilué.
Caractérisation des matériaux
Les films seront caractérisés à l'état initial et post-mortem à différentes échelles pour fournir une analyse approfondie de leur micro/nanostructure et de leur chimie afin d'élucider les relations entre synthèse, structuration et propriétés protectrices. Cette approche est possible grâce à la mise en commun de différentes techniques de pointes (XRD, XRR, SEM, TEM, STEM-EELS et EDXS) disponibles chez les différents partenaires.
Approche expérimentale et théorique
Des mesures électrochimiques locales (SECM, SECM/AFM) seront réalisées pour caractériser la réactivité locale et les distributions de courant et potentiel au sein d’une cellule d’électrolyse. A partir de ces mesures, un modèle multiphysique 3D sera développé pour simuler l'électrochimie couplée au transport multiphasique dans une cellule d'électrolyse fonctionnant avec l'architecture complexe des PTL + coatings afin de fournir une description réaliste des phénomènes physico-chimiques fondamentaux se déroulant dans la partie anode des électrolyseurs. Enfin les plaques bipolaires et les couches poreuses du compartiment anodique, protégés par les meilleurs revêtements anticorrosion seront testées dans un électrolyseur à l’échelle du prototype de laboratoire afin de valider l’ensemble de la démarche et de proposer une solution innovante qui pourra être utilisable dans un proche avenir dans des PEMWE de taille industrielle.
Le consortium :
6 laboratoires académiques
Des attendus scientifiques
Le projet COSTO vise à développer des couches minces anti-corrosion hautement performantes pour le revêtement des BPP et PTL du compartiment anodique d’électrolyseurs d’eau PEM. Un contrôle précis de la croissance de ces couches et une analyse fine de leur micro/nano-structure devraient permettre d’améliorer la durabilité de ces éléments structurels au bénéfice d’une durée de vie accrue de la cellule d’électrolyse. In fine, le projet ambitionne de remplacer les BPP et PTL traditionnellement à base de titane par de l’inox, afin de réduire les coûts de production des électrolyseurs PEM.
Impacts environnementaux
L’enjeu est de contribuer à une implémentation à grande échelle de l’électrolyse PEM afin de contribuer à la décarbonation de l’industrie et des mobilités tout en ayant une considération de durabilité et de coûts raisonnée.
Développement de compétences
Formation de 2 doctorants et 2 post-doctorants
Réalisations 2023
Des premiers dépôts de films minces de TiN, et de SnO2 ont été réalisés par Atomic Layer Deposition (ALD), et par Physical Vapor Deposition (PVD) sur des substrats en acier inoxydable. Les matériaux sont caractérisés à différentes échelles, à l'état initial et post-mortem (après électrochimie) pour fournir une analyse approfondie de leur micro/nanostructure et de leur chimie afin d'élucider les relations entre la synthèse, la structuration du film et les propriétés protectrices. Les propriétés anti-corrosion sont étudiées ex situ par des mesures de polarisation anodique potentiostatique en milieu H2SO4 dilué de plusieurs jours à plusieurs semaines.
