Projet ANR-11-EMMA-0048 – HydroPEM : Générateur d’hydrogène bas coût par électrolyse de l’eau à électrolyte polymère solide
Programme : Emergence de produits, technologies, ou services à fort potentiel de valorisation (Emergence)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Pierre MILLET (UNIVERSITE DE PARIS XI [PARIS- SUD])
Partenaires : Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay; Université Paris-Sud
Montant : 263987.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 24 mois
Résumé : Production d’hydrogène par électrolyse de l’eau à électrolyte polymère solideDéveloppement d’un électrolyseur de l’eau à électrolyte polymère solide fonctionnant sous pression et utilisant peu ou pas de métaux précieux.
Réduction de coûts et application de la technologie à d’autres réactions d’intérêt.Contexte : L’électrolyse de l’eau permet de produire de l’hydrogène proprement, sans émissions de gaz à effet de serre, pour différentes applications, par exemple dans le secteur automobile. Il existe plusieurs technologies d’électrolyse. Celle qui fonctionne à basse température et utilise un électrolyte polymère solide n’est pas encore concurrentielle parce que trop onéreuse. Par ailleurs, la même technologie peut être utilisée pour réaliser la réduction du dioxyde de carbone, gaz à effet de serre, et produire des carburantssynthétiques.Objectif principal : Mise au point d’une cellule d’électrolyse à coût réduit.Problèmes traités : Remplacement des catalyseurs actuels de la famille du platine.Solutions recherchées : Synthèse de catalyseurs à base de métaux simples, non-précieux.Recherche de catalyseurs pour le dégagement d’hydrogène et le dégagement d’oxygène.Perspectives : réduction du coût de la technologie ; accès à divers marchés de l’hydrogène.Retombées techniques/sociétal : Développement d’une technologie propre, contribuant au déploiement des sources d’énergie renouvelables, et à la lutte contre le réchauffement climatique.
Techniques de dépôt automatique de catalyseurs sans métaux précieux.Méthode / Approches : Développement d’un électrolyseur de l’eau basse température à électrolyte polymère solide. Développements de nouveaux catalyseurs exempts de métaux précieux en remplacement du platine et de l’iridium utilisés en technologie conventionnelle.Utilisation de techniques de synthèse par chimie douce. Mise au point d’encres catalytiques adaptées. Mise au point et optimisation des techniques de dépôt sur électrolyte polymère solide à l’aide d’une imprimante à jet d’encre. Développement d’assemblage membrane – électrode permettant un fonctionnement sécurisé sous haute pression. Fabrication de matériaux composites réduisant les problèmes de pureté des gaz produits. Utilisation de catalyseurs spécifiques pour permettre, à partir de la même technologie, la réduction électrochimique du CO2 et la synthèse de carburants liquides plus ou moins hydrogénés.
Résumé de la soumission : Au cours des dernières décennies, la Commission Européenne a activement soutenu le développement de vecteurs énergétiques alternatifs tels que l’hydrogène H2. Dans une « économie-hydrogène », H2 serait utilisé avec l’électricité pour atteindre les objectifs bas-carbone fixés par l’Union Européenne. Dans ce contexte, il existe un intérêt croissant pour l’hydrogène (et plus particulièrement pour l’électrolyse de l’eau). Dans l’état de l’art, l’hydrogène électrolytique peut être produit soit par une technologie alcaline, soit par une technologie acide à électrolyte polymère solide (PEM). La technologie PEM présente un certain nombre d’avantages reconnus par rapport à la technologie alcaline : un meilleur rendement énergétique, une plus grande compacité, une meilleure fiabilité. Cependant, elle souffre toujours d’un coût plus élevé dû principalement à l’utilisation de catalyseurs à base de métaux précieux (platinoïdes). L’objectif du projet HydroPEM est de développer un électrolyseur bas coût fonctionnant à densité de courant élevée pour produire de l’hydrogène pur au débit nominal de 500 lites par heure. Ce générateur sera construit à partir d’une technologie brevetée (propriété du consortium HydroPEM) qui utilise des catalyseurs exempts de métaux précieux, et pour laquelle des proof-of-concepts de laboratoire ont déjà été obtenus. Le consortium s’appuiera également sur une longue expérience dans le domaine de l’électrolyse de l’eau et sur un savoir faire acquis au cours des dernières décennies dans le cadre de projets de recherche nationaux et internationaux. Le soutien de l’ANR est requis pour démontrer tout le potentiel de cette technologie à coût réduit à l’échelle prototypale et pour organiser le transfert technologique vers des acteurs industriels travaillant dans le domaine de l’électrolyse de l’eau PEM.
Résultats : Résultats majeurs du projet :
• Obtention de catalyseurs sans métaux précieux performants pour la production
d’hydrogène et la réduction électrochimique du dioxyde de carbone.
• Fabrication d’assemblages membrane – électrodes utilisant ces catalyseurs
• Démonstration d’un fonctionnement à très haute (10 A/cm2 < 3V) densité de courant
• Mise au point d’un électrolyseur sous pression pour la production d’hydrogène et
d’oxygène de très haute pureté
• Utilisation de la technologie pour la réduction électrochimique du CO2
Autre retombées :
• Développement de partenariats industriels
• Négociation de licences et transferts technologiques vers le secteur des PME
Perspectives : Ce projet concerne la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau pour des applications énergétiques (transport automobile). Il concerne également certaines applications domestiques (systèmes régénératifs et hydrogène additif). Le déploiement de ces
technologies est limité par le coût d’investissement et le manque de performances. L’utilisation de catalyseurs bon marché et de procédés simples pour la fabrication des électrodes laisse entrevoir une diminution significative des coûts et l’accès à des marchés
utilisant actuellement des technologies différentes, généralement plus polluantes. La réduction électrochimique du dioxyde de carbone qui peut également être obtenue par cette technologie ouvre des perspectives dans le domaine de la production de carburants de synthèse et la diminution des émissions de gaz à effet de serre.
Publications et brevets : Plusieurs articles ont été publiés et plusieurs communications orales dans des conférences internationales ont été délivrées depuis le début du projet. En terme de publication scientifique, citons l’article de revue paru récemment dans Coordination Chemistry Review, un
journal scientifique à fort facteur d’impact : M-T. Dinh Nguyen, A. Ranjbari, L. Catala, F. Brisset, P. Millet and A. Aukauloo, Implementing Molecular Catalysts for Hydrogen Production in Proton Exchange Membrane Water Electrolysers, Coord. Chem. Review, 256 (2012) 2435 – 2444. Dans cet article, nous présentons les performances obtenues avec les catalyseurs exempts de métaux précieux. En ce qui concerne les communications dans des congrès internationaux, citons entre autres une communication invitée par l’International Society of Electrochemistry dans laquelle nous avons expliqué les enjeux liés à ces nouveaux catalyseurs : P. MILLET, PEM water electrolysis : Status,
Limitations, Potential & Perspectives, 63rd Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry, Prague, Czech Republic, 19-24 August, 2012