Preuve de concept d'une cellule électrochimique hybride, réversible et multifonctionnelle opérant à température intermédiaire – POSEYDON

POSEYDON, projet PRC d’une durée de 48 mois, s’inscrit dans le défi « Une énergie durable, propre, sûre et efficace». Il traite à la fois de la production d’énergie propre via la pile à combustible, de la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau et de la valorisation du CO2 (production de produits à haute valeur ajoutée par co-électrolyse H2O/CO2). La nouveauté d’ambition élevée est de concevoir une cellule électrochimique unique réversible pour répondre à ces trois modes d’opération, nommée cellule hybride, basée sur un électrolyte composite associant sels fondus et oxyde solide, fonctionnant dans la gamme 550-700°C. Trois partenaires académiques (IRCP, ICMCB, ICGM) sont impliqués avec des compétences complémentaires : électrochimie haute température (piles à combustible, électrolyse de H2O et CO2) à base de sels fondus et/ou oxyde solide par protons et/ou ions oxyde, électrolyte composite, matériaux d’électrodes (concept et fabrication), performances électrochimiques, spectroscopie d’impédance électrochimique. Ce projet est basé sur les résultats très prometteurs obtenus indépendamment par les trois partenaires au sujet des matériaux d’électrodes et d’électrolyte, ainsi que le développement de nouvelles architectures et de méthodes de fabrication compatibles pour l’assemblage des composants afin de concevoir une cellule complète.
Le projet sera traité suivant trois tâches scientifiques. La tâche 1 concernera le choix des meilleurs matériaux. Nous envisageons un électrolyte original, issu des récentes recherches menées par IRCP et ICGM. Au vu des analyses des mécanismes de transport et l’identification des espèces impliquées, un électrolyte composite tri-phasique sera considéré : un mélange de sels fondus (a priori eutectique ternaire de carbonates de Li, Na et K) associé non plus à une mais à deux phases oxydes : une à base d’oxyde de cérium conductrice essentiellement par les ions oxyde, et une autre de type cérate de baryum pour sa conduction protonique. Ceci constitue une réelle originalité de POSEYDON. Pour les matériaux d’électrodes, nous utiliserons les ferro-cobaltites de lanthane (ou de baryum) dopées au strontium, matériaux les plus étudiés comme électrode à oxygène dans les cellules à oxyde solide. Nous évoluerons vers des matériaux prometteurs révélés par l’ICMCB, à base d’oxyde de Pr et de cérine, mis en forme par infiltration. L’électrode à oxygène est une difficulté majeure du projet, devant répondre aux critères usuels dans le domaine, plus la compatibilité avec des atmosphères riches en CO2. En cas de non succès, nous garderons les matériaux usuels des cellules à carbonates fondus, soit NiO lithié in situ. Pour l’électrode à hydrogène, les avancées récentes sur des cermets à base de Ni, Cu et cérine dopée sont prometteuses pour répondre à la réversibilité de la cellule hybride. La tâche 2 concerne la fabrication des cellules complètes, les 3 partenaires développant des méthodes de synthèse/mise en forme complémentaires. L’insertion de couches interfaciales électrode/électrolyte, à base de cérine, présent dans l’électrolyte et les électrodes, s’est avérée efficace pour accroître les performances. La tâche 3 consistera en l’étude des performances électrochimiques des cellules complètes, pour les 3 modes d’opération déjà cités. Nous sommes conscients que ce projet est très ambitieux. Néanmoins, l’exploration de nouveaux matériaux et de nouvelles architectures conviendra au moins à un mode d’opération (pile à combustible), avec une densité de puissance visée de 0,5 W.cm-2 à 600°C (gamme explorée 550-700°C), une durabilité >1000 h. Les avancées scientifiques et technologiques attendues au travers de POSEYDON seront utiles à la filière hydrogène pour un développement ultérieur : tant pour des retombées socio-économiques pour abaisser le coût de l’hydrogène produit via des matériaux non nobles et accessibles que pour un fonctionnement à température plus faible que l’existant pour une production élevée.