PROTEC
Aperçu
Développement de Cellules d’électrolyse à base de céramique à conduction protonique (PCEC)
Pr Gilles TAILLADES
ICGM UMR5253 (Université de Montpellier – CNRS – ENSCM)
PROTEC a pour ambition de contribuer à la création d’une filière nationale autour de cellules électrochimiques à base de céramiques à conduction protonique. Fonctionnant dans une gamme de température intermédiaire (400-600°C), les dispositifs résultants ont vocation à être robustes, performants et plus durables que leurs homologues à conduction par ions oxydes qui opèrent à plus hautes températures. Ils devraient également présenter une réversibilité et flexibilité accrues. En complément, le projet vise aussi à évaluer le potentiel des cellules développées en mode réversible, pour la production de NH3 et l’électro-réduction du CO2.
Mots clés: Electrolyse, céramique à conduction protonique, durabilité, PCEC
Actualités
Production H2 par électrolyse avec cellules céramiques protoniques
Les dispositifs d’électrolyse de l’eau basés sur des céramiques à conduction protonique développés dans le cadre du projet …
Tâches
Nos recherches
Optimisation de l’architecture des cellules et mise à l’échelle
Fabrication de la première génération de cellules à base de céramiques à conduction protonique constituées des matériaux de référence (Ni-BCZY, BCZY, BSCF) puis mise à l’échelle progressive, intégrant des composants et interfaces plus fonctionnels conduisant à la fabrication de cellules optimisées et d’un mini-stack de 3 cellules
Nouveaux matériaux d’électrode, d’électrolyte et d’interface
Plusieurs compositions et procédés d’élaborations seront testés pour identifier les matériaux les plus prometteurs en terme de performance et de stabilité
Performances et durabilité des cellules
Réalisation de cellules PCEC de taille significative (diamètre de 25 puis 50 mm) intégrant les matériaux et architecture optimisés, et tests démontrant leurs performances (0,8 A/cm2 à 1,3 V à 600°C), et leur durabilité (taux de dégradation inférieur à 2% en 1000 heures)
Le consortium
7 laboratoires académiques
Des attendus scientifiques :
L’intérêt majeur de la technologie à électrolyte céramique à conduction protonique (PCEC) est lié à sa température de fonctionnement intermédiaire, dans la plage 400-600°C. Elle permet la production d’un hydrogène sec, par des cellules plus performantes et durables, avec néanmoins un rendement de conversion élevé et ainsi un coût moindre. Les travaux porteront sur l’électrode positive, l’électrolyte, ainsi que l’assemblage des cellules. Des techniques de screening de compositions permettront d’améliorer le matériau de l’électrode positive. La stabilité et les propriétés de transport de l’électrolyte seront optimisées. Enfin des travaux seront effectués sur l’industrialisation des procédés de fabrication des cellules, en visant des cadences de production importantes. L’objectif pour 2026 est d’atteindre des performances de 0,8 A/cm2 à 1,3V et 600°C, sur des cellules de taille significative (diamètre 25 puis 50 mm) avec un taux de dégradation inférieur à 2% sur 1000 heures de fonctionnement.
Impacts environnementaux
Le développement d’une technologie alternative, performante, à base de céramiques à conduction protonique pour la production d’hydrogène vert répond aux enjeux environnementaux liés, en particulier, à la décarbonation de l’industrie.
Développement de compétences :
Formation de 3 doctorants et 10 post-doctorants
Réalisations 2022
En 2022 les travaux ont porté sur la séquence de mise en forme, la formulation des matériaux et les conditions de fonctionnement des dispositifs d’électrolyse intégrant des céramiques à conduction protonique (PCEC).
Les premiers essais montrent que les séquences associant un co-coulage de la demi-cellule électrode à hydrogène - électrolyte puis un dépôt de l’électrode à air par sérigraphie ou par spray sont appropriées. L’alternative, qui consiste au dépôt de l’électrolyte par voie physique (PVD) s’avère également prometteuse avec des essais qui ont permis le dépôt d’une couche de 2,6 micromètres, dense et mécaniquement stable.
Pour ce qui est de l’optimisation des matériaux, les travaux se sont focalisés sur l’électrolyte Ba(Zr,Ce,Y,Yb)O3-d avec des études sur l’effet des rapports Zr/Ce et Y/Yb sur la structure cristallographique et les propriétés électriques. Des matériaux alternatifs destinés à substituer l’électrode à air de référence ont été synthétisés et caractérisés. En particulier, l’étude de la stabilité de ces matériaux vis-à-vis de l’électrolyte, du CO2 et sous forte pression partielle d’eau ont permis d’effectuer une première sélection.
En ce qui concerne les caractérisations électrochimiques des cellules, un premier test de 1000 heures a permis de confirmer la réversibilité de ces systèmes sur plus de 50 cycles. Un second essai de longue durée a porté spécifiquement sur le mode électrolyse avec pour objectif de rechercher les conditions optimales de fonctionnement des cellules PCEC (température, potentiel, pression partielle en eau).
Les premiers essais montrent que les séquences associant un co-coulage de la demi-cellule électrode à hydrogène - électrolyte puis un dépôt de l’électrode à air par sérigraphie ou par spray sont appropriées. L’alternative, qui consiste au dépôt de l’électrolyte par voie physique (PVD) s’avère également prometteuse avec des essais qui ont permis le dépôt d’une couche de 2,6 micromètres, dense et mécaniquement stable.
Pour ce qui est de l’optimisation des matériaux, les travaux se sont focalisés sur l’électrolyte Ba(Zr,Ce,Y,Yb)O3-d avec des études sur l’effet des rapports Zr/Ce et Y/Yb sur la structure cristallographique et les propriétés électriques. Des matériaux alternatifs destinés à substituer l’électrode à air de référence ont été synthétisés et caractérisés. En particulier, l’étude de la stabilité de ces matériaux vis-à-vis de l’électrolyte, du CO2 et sous forte pression partielle d’eau ont permis d’effectuer une première sélection.
En ce qui concerne les caractérisations électrochimiques des cellules, un premier test de 1000 heures a permis de confirmer la réversibilité de ces systèmes sur plus de 50 cycles. Un second essai de longue durée a porté spécifiquement sur le mode électrolyse avec pour objectif de rechercher les conditions optimales de fonctionnement des cellules PCEC (température, potentiel, pression partielle en eau).
Réalisations 2023
Les activités menées en 2023 ont permis des avancées notables à la fois sur la mise à l’échelle des procédés de mise en forme, sur l’étude des conditions de fonctionnement et les performances des dispositifs. Ce travail mené sur des cellules présentant des architectures variées (nature des matériaux, microstructure de l’électrode à hydrogène) ont conduit à recentrer les activités menées dans la tâche matériaux sur l’électrolyte Ba(ZrCeYYb)O3 et d’affiner la sélection du matériau de l’électrode à air. Les principaux faits marquants sont l’obtention des premières cellules de 50 mm de diamètre fonctionnelles présentant les propriétés mécaniques et microstructurales attendues, l’identification des mécanismes de dégradation et des conditions de fonctionnement optimales, l’étude structurale du système BZCY-BZCYb (essentielle pour la compréhension des mécanismes de transport) et l’accélération du développement expérimental associé (Approche haut-débit pour l’exploration et la compréhension des propriétés des matériaux, échanges isotopiques pour la compréhension des mécanismes de transport).
