Performance Et Robustesse pour les cellules d’Electrolyse haute température de Nouvelle génération – PEREN

Le projet PEREN proposé est un projet de recherche industrielle. Il s’intéresse aux cellules céramiques constituant le cœur d’électrolyseurs à haute température (EHT) pour la production centralisée d’hydrogène. Il propose de développer des cellules d’architecture innovante à métal support, se caractérisant par un fonctionnement à 600-700°C et optimisées en termes de performance, de durabilité et de robustesse. Sa finalité est la validation technologique de ce concept de cellules à une échelle significative pour un développement industriel ultérieur.
Afin d’optimiser le mode d’élaboration de ce concept de cellules et d’assurer les performances et la robustesse attendues, le projet privilégie la diminution de l’épaisseur de l’électrolyte entre 1 et 5 µm pour limiter sa résistance ohmique, conjointement avec une optimisation des matériaux d’électrode et de leur microstructure. Afin de réaliser un électrolyte mince et dense et de préserver le métal poreux lors d’une éventuelle étape de frittage haute température sous atmosphère oxydante, des procédés de dépôts de couches minces notamment, permettant d’obtenir l’électrolyte dense à une température abaissée ont été sélectionnés. Parallèlement, un revêtement fonctionnel sera développé sur le poreux métallique pour améliorer sa conductivité électrique sous H2/H2O et le protéger contre l’oxydation à l’assemblage et en fonctionnement. Le choix des matériaux repose sur leurs performances électrochimiques reconnues à la température d’application visée de 600-700°C en SOFC et sur la base de premiers résultats obtenus en EHT à 800°C. La finalité du projet est enfin de valider la fiabilité technologique de ce concept de cellules par la réalisation de cellules de taille préindustrielle et leur intégration dans un prototype existant d’électrolyseur EHT à l’échelle d’un SRU (Single Repeat Unit).

Les résultats attendus qui permettront de qualifier la réussite de ce projet sont :
la fabrication de cellules à l’échelle « laboratoire » (environ 3 cm2 de surface active), dans le respect du cahier des charges des composants, possédant les caractéristiques de fonctionnement à 700°C suivantes :
0.5 A/cm² à 1,3 V (650 mW/cm²),
3% de dégradation par 1000 h ;
le changement d’échelle de fabrication des cellules, avec une taille préindustrielle (surface active de 100 cm2),
La validation technologique du concept, à une échelle significative pour un développement industriel futur, par l’intégration des cellules de taille préindustrielles dans un SRU EHT, possédant les caractéristiques de fonctionnement à 700°C suivantes :
0,4 A/cm² à 1,3 V (520 mW/cm²),
5% de dégradation par 1000 h ;
Si les objectifs de performances des cellules complètes sont atteints à 700°C, quelques tests seront menés dans le domaine de 600-700°C pour évaluer l’impact d’une diminution de la température sur la durabilité.
Les domaines scientifiques et techniques principalement mis en avant dans ce projet sont :
la chimie et électrochimie du solide, avec la connaissance des matériaux dédiés aux applications des cellules électrochimiques haute température et au revêtement fonctionnel,
la corrosion haute température, avec le comportement à l’oxydation du poreux métallique en fonctionnement EHT et au frittage,
le génie des matériaux avec l’optimisation des poudres, des microstructures, des traitements de (co-)frittage des composants, la gestion des contraintes aux interfaces,
le génie mécanique, avec l’adaptation d’un prototype EHT existant au concept de cellule à métal support,
le domaine de la mesure physique et de la caractérisation physico-chimique, avec les évaluations de performances des cellules en fonctionnement EHT et leur caractérisation post-fabrication et post-évaluation.

La structure du projet s’appuie sur l’ordre logique de la réalisation des cellules et sur la synergie de compétences complémentaires des différents partenaires.