Présentation
En anglaisRÉSUMÉ
Cet article a pour objectif de réaliser un état des lieux des méthodes de fabrication d’électrodes pour l’électrolyse alcaline de l’eau. Il introduit les développements les plus récents de la technologie des électrolyseurs alcalins, et compare les procédés traditionnels (électrodéposition, synthèse hydrothermale) de fonctionnalisation d’électrodes avec le procédé émergent de fabrication additive métallique (Impression 3D SLM, Selective Laser Melting). Ce dernier procédé permet en effet un travail disruptif sur la fonctionnalisation, la forme des électrodes et celle de l’électrolyseur lui-même.
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This article aims at reviewing electrodes manufacturing processes for alkaline water electrolysis. It introduces the most recent developments about alkaline electrolysers, and compares traditional processes (electrodeposition, hydrothermal synthesis) used to functionalise electrodes with the emerging process of metallic additive manufacturing (SLM 3D Printing, Selective Laser Melting). This process allows disruptive work on functionalisation and tailored shapes for electrodes. It also permits to design new non-conventional electrolysers.
Auteur(s)
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Jeoffrey TOURNEUR : Chargé d’Études, Docteur en Chimie de l’université de Rennes - Institut des Sciences chimiques de Rennes, UMR n° 6226, Rennes, France & SAS H2X Ecosystems, Bruz, France
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Loïc PERRIN : Directeur scientifique & Écosystèmes, Docteur en Génie de l’environnement de l’École des Mines de Saint-Étienne - SAS H2X Ecosystems, Bruz, France
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Bruno FABRE : Directeur de recherches CNRS, Docteur en Chimie de l’université de Grenoble 1, - Ingénieur de l’École Nationale Supérieure d’Électrochimie et d’Électrométallurgie de Grenoble (ENSEEG) - Institut des Sciences Chimiques de Rennes, UMR Université de Rennes et CNRS n° 6226, Rennes, France
INTRODUCTION
La hausse spectaculaire des prix de l’énergie, au début des années 2020, couplée au besoin de décarbonation de l’industrie, a propulsé la filière de l’hydrogène vers un développement rapide. Ce vecteur d’énergie pour la mobilité pouvant stocker 123 MJ · kg–1 est, en effet, utilisé notamment pour la production d’ammoniac, mais aussi dans la sidérurgie, ainsi que comme réactif dans les procédés de raffinage des bruts en produits pétroliers, carburants et biocarburants. On peut aussi l’utiliser pour stocker temporairement l’excédent d’énergie produit par les sources d’énergie renouvelables, afin de pallier leur intermittence dans le cadre de leur développement.
Toutefois, malgré la hausse des prix de l’énergie, la production d’hydrogène renouvelable (émettant moins de 3,38 kg de CO2 par kg d’H2(g) produit à partir d’une source d’énergie renouvelable), en opposition à l’hydrogène carboné issu du vaporeformage, reste très onéreuse. L’hydrogène est, de plus, qualifié de bas carbone lorsque sa production émet moins de 3,38 kg de CO2 par kg d’H2(g) produit, mais que la source d’énergie employée n’est pas qualifiée de renouvelable. L’hydrogène issu du vaporeformage émet environ 11 kg de CO2 par kg d’H2(g) produit. Le prix du kg d’hydrogène obtenu devrait, quant à lui, atteindre moins de 3 €, alors que sa production par électrolyse de l’eau revient encore entre 10 et 20 €.
L’électrolyse de l’eau représente aujourd’hui à peine 4 % de la production d’hydrogène, mais devrait progresser rapidement d’ici 2030 pour se substituer au vaporeformage. Plusieurs procédés sont utilisés pour la réaliser. Le plus ancien, et le plus mature, est l’électrolyse alcaline de l’eau avec diaphragme. Le deuxième, plus récent, encore en cours d’optimisation, est l’électrolyse PEMWE (Proton Exchange Membrane Water Electrolysis). En milieu acide, il utilise une membrane échangeuse de protons. Encore émergent, le procédé d’électrolyse alcaline de l’eau avec membrane échangeuse d’anions (AEMWE), est l’un des plus récents. D’autres procédés (électrolyse alimentée par capillaire, électrolyseurs sans membranes, électrolyseur haute température) ont fait l’objet de récentes parutions internationales.
Si le milieu acide permet de bons rendements (80-90 %), de grandes densités de courant (600-2 000 mA · cm–2), et un gaz plus pur en sortie (99,99 %), il contraint à l’usage de métaux nobles et rares, comme le Pt ou le Ru, et dispose d’une durabilité faible (40 000 h). Le milieu alcalin atteint, inversement, de plus faibles densités de courant (200-400 mA · cm–2), avec un rendement plus faible (60-70 %), et une pureté des gaz en sortie plus faible (99,5 %), mais il n’utilise pas de métaux précieux du groupe du Pt, et il a une meilleure durabilité (80 000 h).
En vertu de ces données, et de la rareté et du prix des métaux utilisés en milieu acide, une des pistes les plus prometteuses est l’utilisation d’un milieu alcalin pour l’électrolyse de l’eau. Cependant, il apparaît nécessaire, à l’échelle de la filière hydrogène, d’améliorer la performance des matériaux d’électrodes utilisés dans ce milieu, à base de Ni et de métaux de transition, pour atteindre les objectifs de l’Union Européenne aux horizons 2024 et 2030 (49 puis 48 kWh · kg–1 d’hydrogène). De nouvelles technologies, comme l’impression 3D métallique SLM, peuvent, de plus, permettre l’émergence de nouveaux électrolyseurs, afin de ne plus utiliser de membrane échangeuse d’anions.
L’objectif de cet article est de faire un état des lieux, dans le cadre des électrolyseurs alcalins, des travaux concernant la mise au point d’électrodes (composition, techniques de fabrication actuelles et émergentes, performances, méthodes d’évaluation et protocoles d’essais). Il est centré sur les électrodes, facteur d’optimisation prioritaire des électrolyseurs modernes, tout en abordant le contexte général des électrolyseurs alcalins principalement, mais sans le détailler.
KEYWORDS
3D printing | renewable hydrogen | Alkaline Water Electrolysis | Electrodes
DOI (Digital Object Identifier)
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1. Évaluation des performances d’un matériau d’électrode
Il est essentiel, avant d’aborder les différentes méthodes de fabrication d’électrodes, et de les comparer, de qualifier succinctement, et de commenter, les moyens par lesquels lesdites électrodes sont généralement évaluées par la communauté scientifique. Ces moyens doivent permettre d’évaluer l’activité électrocatalytique, la stabilité, le rendement faradique, et la dégradation des matériaux d’électrode lorsqu’elles sont soumises à l’Hydrogen Evolution Reaction (HER) à la cathode :
et à l’Oxygen Evolution Reaction (OER) à l’anode :
Combinées, ces deux réactions donnent la réaction globale d’électrolyse de l’eau :
Cinq étapes d’évaluation successives ont généralement lieu (figure 1). Les journaux scientifiques (notamment ceux de l’American Chemical Society) essaient, de plus en plus, de hiérarchiser ces étapes, et de fournir des normes communes d’analyse, pour comparer les données entre publications.
1.1 Caractérisations initiales du matériau d’électrode
La première étape consiste en une caractérisation précise de la morphologie et de la composition du matériau produit et de son milieu d’étude....
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - YU (Z.), DUAN (Y.), FENG (X.), YU (X.), GAO (M.), YU (S.) - Clean and Affordable Hydrogen Fuel from Alkaline Water Splitting: Past, Recent Progress, and Future Prospects. - In Advanced Materials, 33(31), p. 2007100 (2021). 10.1002/adma.202007100
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(2) - TRASATTI (S.), PETRII (O.A.) - Real surface area measurements in electrochemistry. - In Journal of Electroanalytical Chemistry, 327(1), p. 353‑376 (1992). 10.1016/0022-0728(92)80162-W
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(3) - VOIRY (D.), CHHOWALLA (M.), GOGOTSI (Y.), KOTOV (N.A.), LI (Y.), PENNER (R.M.), SCHAAK (R.E.) et al - Best Practices for Reporting Electrocatalytic Performance of Nanomaterials. - In ACS Nano, 12(10), p. 9635‑9638 (2018). 10.1021/acsnano.8b07700
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(4) - MIOMANDRE (F.), SADKI (S.), AUDEBERT (P.), MÉALLET-RENAUD (R.) - Électrochimie : des concepts aux applications. - Dunod (2019).
-
(5) - TRIBOLLET (B.), ORAZEM (M.E.) - Electrochemical Impedance Spectroscopy. - John Wiley & Sons (2008).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Ordonnance n° 2021-167 du 17 février 2021 relative à l'hydrogène, JORF n° 0042 du 18 février 2021.
European Energy Research Alliance & Hydrogen Europe Research (HER). – Key Performance Indicators (KPIS) for FCH Research and Innovation, 2020-2030 (2020).
European Commission – Directorate-General for Energy. – Delegated regulation on Union methodology for RFNBOs. (2023). https://energy.ec.europa.eu/publications/delegated-regulation-union-methodology-rfnbos_en#details
HAUT DE PAGE2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Mousses métalliques. Recemat https://www.recemat.nl/accueil/
Feutres de carbone. Toray https://toray-cfe.com/
Impression 3D métallique. SLS France https://sls-france.fr/
Electrode DSA. ECS Tarn https://www.ecstarn.com/
Solutions...
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