Clefs n°59 été 2010
Clefs n°59 été 2010
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°59 de été 2010

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 160

  • Taille du fichier PDF : 16,5 Mo

  • Dans ce numéro : les matériaux au coeur du processus d'innovation.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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60 Des matériaux dédiés aux nouvelles technologies pour l’énergie L’EHT, un procédé de production de l’hydrogène très prometteur La production de l'hydrogène par électrolyse de la vapeur d’eau à haute température (EHT) figure comme une solution durable si l'énergie qui l'alimente est décarbonnée. Par ailleurs, elle offre également un rendement théorique meilleur que celui de l’électrolyse de l’eau à basse température. Pour toutes ces raisons, l’EHT s’annonce donc comme un procédé de production d’hydrogène très prometteur qui pourrait répondre à une demande croissante d’hydrogène induite par le contexte énergétique actuel. Test électrochimique d’une cellule d’électrolyseur EHT fonctionnant à 800 °C : mesure des performances en tension et en courant de la cellule avec évaluation de la quantité d’hydrogène produite. CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 D epuis 2005, le CEA a engagé un programme d’étude sur la faisabilité technologique et économique d’une production massive d’hydrogène (1) par EHT. Il faut dire que la raréfaction des réserves d’énergies fossiles, la consommation énergétique des pays développés toujours en hausse, la forte demande des pays émergents, appelaient la mise en place d’un mix énergétique et le développement de nouvelles technologies propres, durables et non émettrices de gaz à effet de serre. Dans ce nouveau contexte, l’hydrogène est apparu comme l’un des vecteurs énergétique capables de concurrencer directement l’électricité et la chaleur. Encore fallait-il en produire massivement – l’hydrogène étant rare dans la nature. Parmi les moyens à disposition, le CEA a choisi de privilégier l’électrolyse de la vapeur d’eau à haute température (EHT) (2). Le procédé consiste à dissocier la molécule d’eau en hydrogène et en oxygène à des températures très élevées comprises entre 700 et 900 °C – d’où le nom du procédé. Deux raisons expliquent ce choix : d’abord, la chaleur (moins chère que l’électricité) peut apporter une partie de l’énergie nécessaire à la réaction ; ensuite, le rendement de cette réaction s’avère meilleur à haute température. Pour démontrer l’intérêt de cette filière, le CEA développe des prototypes d’électro - lyseurs destinés à être couplés à des sources d’énergie (1) L’hydrogène est un terme inventé par le chimiste Antoine Lavoisier (1743-1794) à partir de deux racines grecques hudôr (l’eau) et gennen (engendrer) : l’hydrogène serait donc ce qui « formerait l’eau ». À l’origine, il désignait l’« air inflammable » découvert par Henry Cavendish (1731-1810), à savoir un gaz de formule chimique H 2 dont le nom scientifique est désormais dihydrogène. (2) Il existe plusieurs procédés pour obtenir l’électrolyse de l’eau (H 2 O → H 2 + 1/2 O 2), lesquels se distinguent essentiellement par leur température de fonctionnement. L’électrolyse alcaline fonctionne à basse température (< 100 °C) et utilise une énergie entièrement électrique, alors que dans le cas de l’électrolyse de la vapeur d’eau à haute température (EHT), une partie de l’énergie nécessaire à la dissociation de la molécule d’eau est apportée sous forme de chaleur. F. Rhodes/CEA
d’origine soit nucléaire, soit renouvelable (géothermique ou solaire). Pour atteindre cet objectif, deux entités du CEA ont uni leurs compétences pour étudier les matériaux destinés à la fabrication de différents composants de ce type de systèmes (interconnecteurs et cellules mais aussi joints d’étanchéité) et pour en développer les potentialités. Il s’agit du Laboratoire d’innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Liten) et du Département des matériaux (DMAT). Produire de l’hydrogène par EHT : un défi technologique, un choix économique La conception de l’électrolyseur EHT repose sur un empilement de motifs élémentaires (figure 1). La cellule électrochimique, l’un de ses composants, comprend trois couches céramiques : anode, électrolyte, cathode – lieu où s’opère la réaction de dissociation de la molécule d’eau. L’empilement comprend également des interconnecteurs, dont la mission consiste à amener le courant électrique, à garantir la distribution fluidique au niveau de chaque cellule, et à séparer les compartiments anodique et cathodique des deux cellules adjacentes. L’électrolyseur EHT fonctionne dans une gamme de températures comprises entre 700 et 900 °C. Les atmosphères gazeuses en présence se composent d’un mélange eau/hydrogène (H 2 O/H 2) côté cathode, et d’oxygène (O 2) côté anode. De ce fait, les contraintes pesant sur les matériaux composant cet électrolyseur EHT ne diffèrent guère de celles qui s’appliquent aux piles à combustible SOFC (pour Solid Oxide Fuel Cells) à quelques propriétés spécifiques près.• Ainsi, le matériau employé pour les interconnecteurs de l’électrolyseur EHT (un alliage métallique) doit d’abord offrir une bonne conductivité électrique, une forte résistance à l’oxydation dans les conditions particulières de l’EHT (température et environnement) et ensuite ne pas entraver le bon fonctionnement des cellules électrochimiques. Une double contrainte pèse donc sur lui : sur le plan mécanique, le défi consiste à éviter la rupture des cellules céramiques auxquelles il se trouve lié et donc à sélectionner un matériau d’une capacité de dilatation thermique équivalente ; sur le plan chimique, les études visent à supprimer tout risque d’émission de composés néfastes aux électrodes. À ces impératifs H 2 O motif élémentaire H 2 O courant techniques s’en ajoute un autre, économique celui-là : l’EHT devra rester un système peu onéreux. À ce titre, le matériau d’interconnecteur doit être facile à « travailler », autrement dit apte à la découpe, à l’usinage et/ou à l’emboutissage.• Quant aux caractéristiques recherchées pour les matériaux de la cellule, elles varient en fonction de ses composants : matériaux céramiques pour l’électrolyte ainsi que pour l’anode (lieu de production de l’oxygène) et un composite « céramique-métal », nommé cermet pour la cathode (lieu de production de l’hydrogène). L’électrolyte se compose d’un matériau présentant une étanchéité aux gaz (densité > 95%, porosité ouverte nulle), une bonne conductivité ionique (> 10 -2 S.cm -1 à la température de fonctionnement), un cœfficient de dilatation proche de celui des électrodes (l’objectif visé étant de limiter les contraintes mécaniques), une inertie chimique vis-àvis des matériaux d’électrodes, une stabilité en milieu oxydant et réducteur, puis enfin une stabilité mécanique en condition de fonctionnement. Concernant les électrodes, le matériau retenu doit présenter une conductivité électronique importante (> 100 S/cm) avec, si possible, une part de conductivité ionique destinée à limiter les pertes ohmiques et à délocaliser la réaction électrochimique dans le volume de l’électrode. Ces électrodes se caractérisent par leur grande porosité, propriété indispensable à la diffusion de la vapeur d’eau, mais aussi à l’évacuation de l’hydrogène à la cathode et de l’oxygène à l’anode. Cette porosité devra être optimisée pour éviter des surpressions locales tendant à délaminer les couches constituant les électrodes. Plus spécifiquement, l’électrode à hydrogène nécessite à la fois des propriétés catalytiques indispensables à la réduction de l’eau et une capacité à demeurer stable en milieu réducteur. Quant à l’électrode à oxygène, elle présente des propriétés catalytiques pour l’oxydation des ions O 2- tout en demeurant stable en milieu oxydant. D’un point de vue mécanique, la cellule doit également présenter une tenue suffisante, notamment la couche céramique qui assure le rôle de support mécanique (soit l’électrolyte, soit une des électrodes selon le type de cellule retenue). Enfin, et toujours dans l’optique de développer un procédé viable sur le plan économique, il importe que l’ensemble des matériaux constitutifs des cellules électrochimiques soient disponibles en grande quantité et à faible coût. interconnecteur H 2 +H 2 O cathode - électrode à H 2 électrolyte anode - électrode à O 2 O 2 interconnecteur cathode - électrode à H 2 cathode électrolyte anode Figure 1. Représentation schématique du motif élémentaire d’électrolyseur EHT de technologie planaire et détail des réactions électrochimiques. En bleu, les plaques d’interconnecteurs, puis les trois couches céramiques, lieu de la réaction chimique (jaune, vert, rose). H 2 O+2e - H 2 +O 2- H 2 O H 2 O 2- O 2- O 2- e - A O 2 2O2 - O 2 +4e - CEA CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 61



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