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Matériaux d’électrode pour l’électrolyse alcaline de l’eau

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’H_2(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’H_2(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’H_2(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.