Une nouvelle électrode pour la production d’hydrogène par électrolyse haute température

Convertir l’électricité en hydrogène permet de résoudre partiellement le problème du stockage de l’énergie. Pour le résoudre totalement, encore faut-il pouvoir exploiter de nouveau cet hydrogène de manière efficace.

Fort heureusement, la cellule électrochimique développée est réversible. Par conséquent, lorsque la demande en énergie augmente, l’hydrogène peut être de nouveau converti en électricité qui sera réinjectée dans le réseau.

Le problème du stockage de l’énergie pour les micros réseaux électriques

Version réduite des réseaux électriques classiques, les micros réseaux ou “microgrids” permettent de maximiser l’utilisation de l’énergie solaire et de l’éolien en rapprochant les lieux de production et de consommation d’électricité. Néanmoins, la gestion de ces multiples sources de production d’électricité intermittentes s’avère extrêmement complexe. Ceci nécessite l’utilisation de technologies d’écrêtage pour stocker l’excès d’énergie et réinjecter de l’électricité dans le réseau en fonction des besoins. Basée sur l’électrolyse, la récente technologie PCEC (protonic ceramic electrochemical cell) serait donc une solution potentielle de conversion d’électricité en hydrogène.

Les défis de la technologie PCEC

Par le passé, l’électrolyse à haute température a été confrontée à de nombreux challenges techniques, en particulier au-delà de 800°C. À ces températures élevées, non seulement les matériaux d’interconnexion utilisés coûtent cher, mais en plus il se produit une dégradation rapide, ce qui rend la technologie peu compétitive. Le défi est donc de développer des systèmes de matériaux actifs, durables et suffisamment performants pour fonctionner à des températures réduites.

Par ailleurs, “la réaction électrochimique qui se produit à l’électrode d’oxygène est le premier facteur limitant d’une PCEC. La cinétique de réaction à l’électrode d’oxygène détermine directement le taux de production d’oxygène et l’efficacité, de même que la faisabilité de réduire la température de fonctionnement”, ajoute le Docteur Ding, ingénieur et chercheur à l’INL.

Une avancée importante

L’électrode à oxygène qu’ils ont développée est un TCO (triple conducting oxide), une céramique de type pérovskite de formule PrNi0.5Co0.5O3-δ. Dans les travaux qui viennent de paraître dans la revue Nature communications (Volume 11, Article n°1907, 2020), l’équipe de chercheurs démontre qu’elle a réussi à développer une PCEC capable de fonctionner entre 400°C et 600°C avec des performances électrochimiques améliorées.

“C’est une grande avancée pour le domaine de l’électrolyse haute température. Ce nouveau prototype de PCEC a démontré qu’il était possible de convertir en électricité l’hydrogène généré par électrolyse, de manière réversible et efficace, sans apport extérieur d’hydrogène, de manière autonome”, annonce le Docteur Ding.

Bientôt une industrialisation ?

La technologie PCEC à température intermédiaire n’en est encore qu’à ses balbutiements. Toutefois, un prototype a d’ores et déjà été validé aux U.S par l’un des leaders mondiaux de la fabrication de piles à combustible. Cette pile prototype présente ainsi un rendement total >75 % (thermique + électrique) et un taux de dégradation <2 % pour 1 000 h de fonctionnement.

Le Docteur Ding ajoute : “nous espérons que l’intérêt croissant pour la technologie PCEC va nous permettre un développement rapide vers le stade de la pile (à un niveau industriel), grâce à des investissements industriels et fédéraux”.

Pour en savoir plus : Ding, H., Wu, W., Jiang, C. et al. Self-sustainable protonic ceramic electrochemical cells using a triple conducting electrode for hydrogen and power production. Nat Commun 11, 1907 (2020).