Production d'Hydrogène par ELEctrolyse de la VApeur: Optimisation de la cellule et mise en place d'un prototype – HELEVA

L'électrolyse de l’eau est une technique souple et non polluante de production de H2, vecteur énergétique du futur. Son utilisation est prévue en aval d’une source d’énergie comme une centrale nucléaire fournissant la chaleur et l’électricité nécessaires. Pour élever son rendement vers 93%, l'électrolyse à haute température est envisagée. Deux types d'électrolyte sont utilisables, l'électrolyte à conduction anionique O2- comme la zircone stabilisée à l’yttrium, et les électrolytes à conduction protonique H+ tels que les perovskites. La conductivité par ions O2- est significative seulement au-dessus de 750°C/800°C, ce qui impose des matériaux spéciaux, très coûteux qui rendent prohibitif le coût d’une installation industrielle. Les travaux réalisés dans le cadre du programme PAN-H Celeva montrent que les matériaux de type perovskite, conducteurs protoniques, ont des conductivités acceptables, entre 500/600°C : 7.10-3 S/cm sous pression de vapeur d'eau (25 bars) à 600°C. En effet, les protons, n'étant pas des constituants intrinsèques de la perovskite, doivent être incorporés sous pression dans une structure adaptée de la perovskite pour optimiser ces propriétés. Ainsi, une cellule d’électrolyse pressurisée fonctionnant à 600°C, mise au point dans le programme ANR PAN-H CELEVA a validé ce concept d'électrolyse utilisant les membranes à conduction protonique, en produisant de l’hydrogène pendant une centaine d’heures à 20 bars sous des conditions électrochimiques intéressantes. Forts de ce résultat encourageant, AREVA NP, SCT, HELION et leurs partenaires LADIR (CNRS- UPMC), LISE (CNRS), IEM (CNRS-UMII) et CNRS/ENSM-SE proposent un projet qui vise à optimiser l'électrolyseur et ses composantes pour définir une unité pilote. Il s'agira : - d'augmenter les performances de l'électrolyseur, en réduisant le vieillissement de ces composants en particulier grâce à une optimisation des matériaux mixtes céramique-métal et des brasages, et en recherchant les meilleures conditions thermo-fluidiques de fonctionnement de la cellule, - de mettre au point une unité pilote multi-cellules composée d'assemblages électrode/électrolyte de dimension significative (20 cm2), brasés sur des supports métalliques qui s'intègrent dans l'électrolyseur. Les travaux de ce projet s'articulent ainsi: fabrication des assemblages (électrolyte/électrode/collecteurs) aux dimensions requises, caractérisations ex situ et in situ avec retour vers la fabrication pour optimisation, électrolyse avec suivi du vieillissement, puis développement du pilote. Pour ce faire, les technologies mises en place dans Celeva seront utilisées: une cellule d’électrolyse (800 °C 50 bars), un électrolyseur (650°C, 100 bars), ainsi qu’une cellule Raman sous pression (600°C, 50 bars) et divers autoclaves de vieillissement. Le partenariat pluridisciplinaire entre 3 laboratoires CNRS (l'IEM, le LISE, le LADIR), l'ENSM de Saint-Etienne, et les industriels AREVA NP, SCT et HELION devrait permettre de mener à bien ce projet, sachant que ces six premières entités travaillent ensemble depuis 5 ans, avec un accord de partenariat, qu’elles ont produit brevets et publications. La participation d'HELION dans le consortium, avec ses moyens de développement, son expertise dans les piles à combustibles et en sécurité d'usage, permettra d'orienter le projet vers l'industrialisation.