EleCtrOdes architecturées pour la Réalisation d’Electrolyseurs de la Vapeur d’Eau à haute température – ECOREVE

Le projet PRCE ECOREVE porte sur l’électrolyse de la vapeur d’eau à haute température. Le but est d’optimiser la microstructure et l’architecture des électrodes pour améliorer les performances et la durabilité des électrolyseurs, ce qui constitue un verrou technologique majeur. Deux partenaires du CNRS (ICMCB-LEPMI), un EPIC (CEA), un centre commun de recherches (ARMINES-SPIN) et un industriel Français (SRT Microcéramique) composent le consortium. Les poudres commerciales seront fournies par un autre industriel Français (Marion Technologies), sous-traitant de l’ICMCB. Au cours du projet, deux types de cellules seront fabriquées : i) des cellules de référence fournies par la société SRT, sur la base du transfert technologique en cours assuré par le CEA. Le matériau d’électrode à oxygène sera LSCF (La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-d) sérigraphié; ii) des cellules innovantes, comportant des supports fournis par SRT et/ou le CEA, et des électrodes à oxygène architecturées.
A cet effet, trois voies de mise en forme innovantes seront développées et adaptées pour obtenir les spécifications microstructurales requises, en particulier en ce qui concerne les électrodes à oxygène : la sérigraphie (avec la préparation de couches à gradient de composition et de porosité), l’imprégnation de solutions aqueuses, et l’ESD (Electrostatic Spray Deposition). Sur la base de solides travaux conduits par les deux partenaires CNRS au cours des dix dernières années, des films poreux architecturés de matériaux conducteurs mixtes (MIECs) comme LSCF, LNO (La2NiO4+d), LPNO (La2-xPrxNiO4+d) et leurs composites préparés avec un conducteur ionique pur comme GDC (Ce0.9Gd0.1O2-d) seront élaborés. Le but est de fortement améliorer les propriétés électrochimiques des électrodes à température intermédiaire et ainsi atteindre les objectifs du projet ECOREVE. Les caractérisations électrochimiques seront tout d’abord effectuées à l’échelle de l’électrode et de la cellule, en employant la spectroscopie d’impédance complexe, des relevés I-V et la chrono-potentiométrie pendant au moins mille heures d’opération à des points de fonctionnement pertinents. Les paramètres de fonctionnement étudiés seront la température, le taux de conversion de la vapeur d’eau et la densité de courant. Pour guider la fabrication des électrodes et leur optimisation, les propriétés électrochimiques seront modélisées grâce à la génération de microstructures numériques, validée sur des reconstructions réelles d’électrodes en trois dimensions. En effet, les électrodes possèdent une microstructure fine et complexe qui joue un rôle clé dans les performances des cellules et la durabilité des dispositifs. Des simulations à l’échelle microscopique seront conduites, comme guide pour l’analyse du rôle de la microstructure ainsi que de la relation entre les mécanismes réactionnels élémentaires aux électrodes et les phénomènes de dégradation des cellules.

Notre méthodologie est originale, couplant dans la même boucle des méthodes de mise en forme innovantes, des caractérisations électrochimiques et leur modélisation via des déterminations et reconstructions microstructurales précises.
Dans un second temps, un transfert de la fabrication des cellules à l’échelle industrielle sera assuré. Les cellules les plus prometteuses (incluant les matériaux et/ou les mises en forme innovants) seront intégrées dans le stack à géométrie planaire conçu puis développé au CEA depuis plusieurs années, et caractérisées pendant des durées supérieures à mille heures. Des taux de dégradation de 0.5%/kh (à l’échelle de la cellule) et de 1%/kh (à l’échelle du stack) sont visés.

Finalement, ECOREVE permettra la mise en place d’une filière Française de production d’hydrogène par électrolyse de la vapeur d’eau.