DS02 - Energie, propre, sûre et efficace

Oxydes métalliques comme Support d’iridium nano faiblement chargé pour une électrolyse de l'eau compétitive – MOISE

Nouveaux matériaux d’électrode pour un Hydrogène vert à moindre coût

Développement de supports de catalyseur adaptés à l’électrolyse de l’eau basse température (PEMWE) pour éviter que le coût de l’iridium impacte celui de l’hydrogène vert : de la synthèse à l’évaluation en conditions réelles d’utilisation.

Déploiement de l’électrolyse de l’eau basse température (PEMWE)

L'électrolyse de l'eau est potentiellement l'un des procédés de production d'hydrogène les plus respectueux de l'environnement. Cependant, le déploiement à grande échelle des électrolyseurs à membrane échangeuse de protons sera ralenti dans un avenir proche par des ressources limitées en iridium (IrO2 est le catalyseur conventionnel utilisé à l'anode pour l'oxydation de l'eau en oxygène moléculaire). <br />Par conséquent, l'objectif du projet MOISE est de diminuer d’un facteur 5, par rapport à l'état de l'art, la quantité d'Ir nécessaire à la réaction d’oxydation de l’eau, en améliorant l'activité massique des anodes PEM. Une telle évolution participera au développement de l'électrolyse de l'eau basse température (PEM) à un coût acceptable sans baisse de rendement, pour la production massive d'hydrogène.

Pour atteindre cet objectif ambitieux, notre stratégie consiste à remplacer les particules d’IrO2 classiquement utilisées par des nanoparticules d’IrOx déposées sur un support de conductivité électronique et stabilité électrochimique élevées, présentant une morphologie appropriée : le dioxyde d'étain dopé poreux.
La nouveauté vient de notre capacité à élaborer ce support de catalyseur avec deux microstructures différentes et innovantes « mises en concurrence » : des aérogels et des nanofibres/tubes.
Différentes innovations et améliorations découleront de ce projet : (i) élaboration de supports de catalyseur de composition et de morphologie appropriées, (ii) développement de procédés optimisés pour le dépôt de dioxyde d'iridium sur ces supports, (iii) formulation d'une encre appropriée et (iv) fabrication d'assemblages membrane-électrodes optimisés.
Après optimisation et validation (en termes de performance initiale et de durabilité), ces matériaux innovants ont été testés en petit stack dans des conditions d'application réelles dans l’optique de leur commercialisation.

Deux types de catalyseurs ont été développés, nanoparticules d’oxyde d’iridium déposées sur nanofibres ou aérogels de dioxyde d’étain dopé antimoine ou tantale. De bonnes activités électrocatalytiques ont été obtenues avec des taux d’iridium 5 à 7 fois plus faibles qu’avec les catalyseurs de référence, à base d’oxyde d’iridium seul. Le dopage au tantale a par ailleurs permis d’améliorer très significativement la stabilité du catalyseur en conditions de fonctionnement électrolyse. Le catalyseur à base de nanofibres ayant donné les meilleurs résultats, 4 AMEs de grande surface (250 cm²) ont été préparés et testés en stack. Les performances obtenues ont dépassé celles de la référence Elogen contenant 6 fois plus d’iridium et testée dans les mêmes conditions au sein du stack.

Suite aux excellents résultats obtenus dans le cadre du projet MOISE, une suite sera engagée avec pour objectif d’optimiser le catalyseur, d’évaluer de nouvelles architectures et d’intégrer aux AMEs de nouvelles membranes plus fines et résistantes afin d’améliorer encore les performances des électrolyseurs PEM pour aider à leur déploiement.

Le travail réalisé à donner lieu à la publication de 6 articles scientifiques (4 multipartenaires), 13 communications dans des congrès nationaux et internationaux (5 multipartenaires).

L'électrolyse de l'eau est potentiellement l'un des procédés de production d'hydrogène les plus respectueux de l'environnement. Cependant, le déploiement à grande échelle des électrolyseurs à membrane échangeuse de protons sera ralenti dans un avenir proche par des ressources limitées en iridium (IrO2 est le catalyseur conventionnel utilisé à l'anode pour l'oxydation de l'eau en oxygène moléculaire).

Par conséquent, l'objectif du projet MOISE est de diminuer d’un facteur 5, par rapport à l'état de l'art, la quantité d'Ir nécessaire à la réaction de production d'oxygène, en améliorant l'activité massique des anodes PEM. Une telle évolution participera au développement de l'électrolyse de l'eau basse température (PEM) à un coût acceptable sans baisse de rendement, pour la production massive d'hydrogène.

Pour atteindre cet objectif ambitieux, notre stratégie consiste à remplacer les particules d’IrO2 classiquement utilisées par des nanoparticules d’IrO2 ou des nanoparticules de type cœur-coquille (cœur métallique d’un élément de métal de transition et coquille riche en Ir), déposées sur un support de conductivité électronique et stabilité électrochimique élevées, présentant une morphologie appropriée : le dioxyde d'étain dopé poreux.

La nouveauté viendra de notre capacité à élaborer ce support de catalyseur avec deux microstructures différentes et innovantes qui seront « mises en concurrence » : des aérogels et des nanofibres/tubes.

Différentes innovations et améliorations découleront de ce projet:
(i) élaboration de supports de catalyseur de composition et de morphologie appropriées;
(ii) développement de procédés optimisés pour le dépôt de dioxyde d'iridium sur ces supports;
(iii) formulation d'une encre appropriée;
(iv) fabrication d'assemblages membrane-électrodes optimisés.

Après optimisation et validation (en termes de performance initiale et de durabilité), ces matériaux innovants seront testés en petit stack dans des conditions d'application réelles dans l’optique de leur commercialisation.

Coordination du projet

Christian BEAUGER (ARMINES Centre Procédés, énergies renouvelables et systèmes énergétiques de Mines ParisTech)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ARMINES ARMINES Centre Procédés, énergies renouvelables et systèmes énergétiques de Mines ParisTech
SYMBIO SYMBIOFCELL
UPSud/ICMMO Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay
LEPMI Laboratoire Electrochimie et Physicochimie des Matériaux et Interfaces
ICGM Institut Charles Gerhardt de Montpellier

Aide de l'ANR 794 650 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2017 - 42 Mois

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