Clarification des causes de dégradation dans les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEM) à travers la caractérisation multi-échelle des hétérogénéités – Multi-Hero

Proton Exchange Membrane Water Electrolyzer (PEMWE) est actuellement considéré comme une solution prometteuse pour la production d’hydrogène à partir de sources d’énergie renouvelables. Cependant, sa durée de vie opérationnelle reste inférieure aux objectifs fixés par l’Union européenne dans des conditions d’utilisation réelles. L’un des principaux freins à l’amélioration de la durabilité est l’hétérogénéité présente à différentes échelles au sein des électrolyseurs. Il est complexe à étudier la dégradation induite par cette hétérogénéité, car les mécanismes impliqués ne sont pas encore tous compris. Cela s’explique en grande partie par le manque d’outils de caractérisation adaptés et de protocoles d’essais capables de fournir des ensembles de données suffisants et de haute qualité permettant une étude systématique de l’impact de l’hétérogénéité. En l’absence de quantification précise de cet impact, les modèles actuels de prédiction de la dégradation ne peuvent être pleinement adaptés aux électrolyseurs de nouvelle génération, qui tendent vers des surfaces actives plus grandes et un nombre accru de cellules.

Le projet Multi-Hero vise à clarifier l’impact de l’hétérogénéité multi-échelle sur la dégradation d’un composant clé du PEMWE — l’assemblage membrane-électrode (MEA) — en combinant des outils de caractérisation ex-situ et in-operando innovants à différentes échelles, des tests de dégradation longue durée adaptés, et en renforçant les modèles de prédiction de la dégradation. Pour atteindre cet objectif, nous adopterons une approche interdisciplinaire, en mobilisant l’expertise complémentaire de deux laboratoires du CNRS : l’un spécialisé dans la caractérisation ex-situ à l’échelle microscopique, et l’autre dans la caractérisation in-operando aux niveaux cellulaire (petite échelle) et d’empilement (grande échelle) et la modélisation de dégradation.

Nous commencerons par effectuer des caractérisations microscopiques sur un lot de MEA commerciaux pendant la phase de pré-assemblage. Ensuite, ces composants caractérisés seront utilisés dans des tests de stress accélérés in-operando, réalisés à la fois à l’échelle de la cellule et de l’empilement. Ces essais seront répartis sur plusieurs campagnes expérimentales, chacune impliquant l’évaluation de plusieurs objets de test. Après les tests de dégradation, des analyses post-mortem à l’échelle microscopique seront menées afin d’identifier les mécanismes de défaillance localisés.

Chaque cycle d’essai intégrera une série d’outils de caractérisation avancés développés par les deux équipes partenaires — tels que la microscopie électrochimique en gel et la spectroscopie d’impédance électrochimique localisée — afin de recueillir des informations sur l’hétérogénéité aux différentes échelles spatiales et structurelles. Enfin, nous développerons des modèles de dégradation multi-échelle capables d’intégrer les données analytiques sur l’ensemble du cycle de vie du PEMWE — de la « naissance » à la « fin de vie » — afin de quantifier l’impact des facteurs d’hétérogénéité et les incertitudes associées, en s’appuyant sur une approche de tests par lots.

Le projet Multi-Hero apportera à la technologie PEMWE des outils de caractérisation multi-échelles de pointe et des méthodes de modélisation avancées, permettant une compréhension approfondie de la dégradation induite par l’hétérogénéité. À terme, les résultats du projet permettront d’améliorer la précision des prédictions de dégradation en conditions réelles et de fournir des recommandations pertinentes pour optimiser la conception et l’exploitation des électrolyseurs PEM.