De nouveaux matériaux pour l'électrolyse : produire de l'hydrogène vert à moindre coût

L’hydrogène peut remplacer les combustibles fossiles et constitue ainsi un pilier essentiel de la transition énergétique. Le principe est simple : l’électricité issue de sources renouvelables, combinée à l’eau, produit de l’hydrogène et de l’oxygène. Lorsque l’hydrogène est brûlé, il réagit avec l’oxygène atmosphérique pour former à nouveau de l’eau, bouclant ainsi le cycle sans aucune émission de gaz à effet de serre.

Du moins, c’est le scénario idéal. En réalité, la production d’hydrogène « vert » par électrolyse fait face à une forte concurrence. Plus de 90% de l’hydrogène est aujourd’hui produit à partir de sources fossiles, principalement du gaz naturel. La raison principale : l’hydrogène issu de l’électrolyse, plus durable, coûte environ deux fois plus cher à produire.

Dans le cadre d’un projet soutenu par le Fonds national suisse (FNS) et l’Agence nationale de la recherche (ANR) française, des chercheurs de l’Empa issus du laboratoire « Materials for Energy Conversion » souhaitent désormais remédier à cette situation. Les matériaux utilisés dans les électrolyseurs constituent un facteur de coût majeur. En collaboration avec les instituts français « Institut de la Corrosion » à Brest et « LEMTA » à Nancy, ils travaillent à la mise au point d’alternatives moins coûteuses pour deux composants clés.

Les chercheurs s’intéressent particulièrement à la technologie dite « Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolysis », ou PEMWE. Ces électrolyseurs sont efficaces et supportent les fluctuations d’énergie auxquelles on peut s’attendre avec les sources renouvelables. L’environnement à l’intérieur de l’électrolyseur est toutefois hautement corrosif. Dans la chambre centrale, l’acier se dissout tout simplement « comme du sucre dans une tasse de thé », explique Konstantin Egorov, chercheur à l’Empa. Même les composants qui n’entrent pas en contact avec ce milieu hautement acide se corrodent. Et la moindre quantité de métaux dissous dans l’eau d’alimentation ultra-pure réduit les performances et la durée de vie de l’appareil.

Les composants chargés de l’alimentation et de l’évacuation de l’eau et des gaz à l’intérieur de l’électrolyseur sont donc en titane, un matériau à la fois coûteux et difficile à traiter. Mais cela ne suffit pas : pour éviter que le titane ne s’oxyde et ne compromette l’efficacité de l’électrolyseur, les composants doivent en outre être recouverts de platine, un métal précieux, ce qui fait encore grimper les coûts.

Le spécialiste des sciences des matériaux Egorov cherche donc un substitut au platine, trop coûteux, qui permette de conserver la résistance à la corrosion. Il a trouvé la solution dans une forme particulière d’oxyde de titane, appelée « rutile hautement cristallin pauvre en oxygène ». Dans cet oxyde, des atomes d’oxygène sont absents à certains endroits, ce qui confère au matériau une bonne conductivité électrique, tandis que sa haute cristallinité assure sa résistance à la corrosion, exactement les conditions requises pour l’électrolyse PEMWE. Les chercheurs remplacent le titane, matériau de support, par de l’acier. « L’acier est non seulement moins cher, mais aussi beaucoup plus facile à mettre en œuvre. Cela permet de concevoir de nouveaux composants innovants qui augmentent l’efficacité de la cellule », explique Egorov. Grâce à ce revêtement robuste, l’environnement corrosif ne devrait plus pouvoir endommager le matériau.

Les premiers résultats confirment la grande résistance à la corrosion de ce revêtement innovant. « Nous avons pu mettre au point une méthode permettant de revêtir avec succès de l’oxyde de titane le premier composant de l’électrolyseur PEMWE, appelé plaque bipolaire », déclare Egorov. La méthode utilisée à cet effet s’appelle le dépôt physique en phase vapeur (en anglais « physical vapour deposition » ou PVD) et est largement répandue dans l’industrie. « Il est important pour nous de développer quelque chose dont l’industrie puisse réellement se servir », souligne le chercheur.

Les composants fabriqués par Egorov à l’Empa sont soumis par ses partenaires à des tests de corrosion approfondis, d’abord en conditions de laboratoire, puis dans un électrolyseur en fonctionnement. La plaque bipolaire a déjà passé ces tests avec succès. Dans un prochain temps, les chercheurs souhaitent recouvrir d’oxyde de titane un autre composant clé, la « couche de transport poreuse ».

« Le revêtement de matériaux poreux présente de nombreux défis », relève Egorov. Les pores doivent être recouverts de manière homogène afin que le matériau sous-jacent ne se corrode pas, mais ils ne doivent pas pour autant se boucher. Egorov est toutefois convaincu que cela est réalisable. Le projet se poursuivra jusqu’en 2026. Les scientifiques de l’Empa espèrent ensuite trouver un partenaire industriel afin de mener cette technologie jusqu’à sa commercialisation.