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Des Matériaux de coeur de pile à combustible ou électrolyseur haute température à la transformation de l’hydrogène pour la production de carburants innovants

07 Sep. 21

Unité de Catalyse et Chimie du Solide, Univ. Lille, CNRS, Centrale Lille, Univ. Artois, UMR 8181 – UCCS – Unité de Catalyse et Chimie du Solide, F-59000 Lille, France


Membre de la Fédération de Recherche Hydrogène du CNRS (FR2044, appelée FRH2), l’Unité de Catalyse et Chimie du Solide (UMR CNRS 8181) est fortement impliquée dans l’étude des matériaux de cœur de piles ou d’électrolyseurs haute température et la valorisation du biogaz et du gaz de synthèse (mélange d’hydrogène et de monoxyde de carbone) pour la production de carburants innovants.

L’équipe « Matériaux Inorganiques, Structures, Systèmes et Propriétés, MISSP » a une expérience de plus d’une trentaine d’année dans la recherche et la caractérisation de matériaux conducteurs par ions oxyde. Ces matériaux constituent le coeur des piles à combustible à oxyde solide (Solid Oxide Fuel Cells en anglais, SOFC) et des électrolyseurs à haute température (EHT, Solid Electrolyser Cells, SOEC). Ils présentent de meilleurs rendements que les cellules alcalines actuellement commercialisées, avec l’avantage de permettre la co-électrolyse de l’eau et du dioxyde de carbone et l’utilisation, en mode pile, de combustibles variés contrairement aux piles à membrane polymère qui nécessitent de l’hydrogène de très haute pureté. Les températures de fonctionnement de ces dispositifs restent cependant élevées, supérieures à 700°C, ce qui pose des problèmes de choix des composants auxiliaires et de durabilité des systèmes. Dans ce contexte, l’équipe MISSP travaille actuellement sur le développement de piles à combustible à oxyde solide basse température (ANR BIBELOT) et la recherche et le développement rapide de matériaux pour des piles à combustible à oxydes conducteurs protoniques (ANR-AUTOMAT-PROCELLS). L’utilisation d’un électrolyte bi-couche, constitué d’une couche à base d’oxyde de bismuth coté air, protégée par une couche de cérine dopée ou de zircone stabilisée, ou l’utilisation d’un matériau céramique conducteur protonique devraient permettre d’abaisser les températures de fonctionnement de ces dispositifs en dessous de 600°C. Le développement d’électrodes capables de fonctionner à aussi basse température reste néanmoins un verrou à lever. Les matériaux d’électrodes utilisés dans les dispositifs classiques ne peuvent pas être directement utilisés. C’est ainsi que l’équipe a récemment montré que des manganites de lanthane riches en strontium étaient plus adaptés aux électrolytes bi-couches que les manganites classiquement utilisés (1). L’équipe travaille également sur le développement d’outils de caractérisation des modes de dégradation de ces dispositifs dans le cadre d’un projet EUROSTAR porté par une PME Suisse, Fiaxell qui commercialise un dispositif de test d’éléments de pile flexible, sans nécessité de scellement.

L’étanchéité des dispositifs à haute température est également un enjeu sur lequel travaille l’équipe RM2I (RMN et matériaux Inorganique, RM2I) avec en particulier le développement de verres de scellement autocicatrisants pour dispositifs fonctionnant à haute température (2).
Les équipes VAALBIO (Valorisation des Alcanes et de la Biomasse), et CEMOP (Catalyse pour l’Energie et la synthèse de MOlécules Plateforme) sont quant à elles très impliquées dans la valorisation du biogaz, l’étude des réactions d’oxydation du méthane et la transformation de l’hydrogène en molécule à valeur ajoutée pour la production de carburant innovant (3) (4). L’accès à la plateforme de criblage catalytique haut débit, Realcat (Figure 1), permet la synthèse et la caractérisation rapide de catalyseurs. Dans ce contexte une étude est actuellement menée dans le cadre du projet Interreg E2C (Electron to high value chemical products) sur l’étude de la conversion directe du dioxyde de carbone avec l’hydrogène pour la production de diméthyl éther, un carburant alternatif au diesel du fait de son indice de cétane élevé (>55) et les faibles émissions associées (CO, NOx et particules).

1 Influence of the strontium ontent on the performance of La1-xSrxMnO3/Bi1.5Er0.5O3 composite electrodes for low temperature Solid Oxide Fuel Cells, M. Pajot, V. Duffort, E. Capoen, A.S. Mamede, R.N.
Vannier, Journal of Power Sources, vol. 450, pg. 227649 (2020)
2 New viscous sealing glasses for electrochemical cells, D. Coillot, F.O. Méar, H. Nonnet, L. Montagne, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 37, pg. 9351-9358, 2012 ; Composition de verre pour
joints d’appareils fonctionnant à des hautes températures et procédés d’assemblage les utilisant, H. Nonnet, A. Grandjean, C. Vallat, D. Coillot, L. Montagne, brevet, FR2947540, 2011
3 Ni, Co, Fe supported on Ceria and Zr doped Ceria as oxygen carriers for chemical looping dry reforming of methane, J. Guerrero-Caballero, T. Kane, N. Haidar, L. Jalowiecki-Duhamel, A. Löfberg Axel,
Catalysis Today, vol. 333, pg. 251-258 (2019)
4 Embryonic zeolites for highly efficient synthesis of dimethyl ether from syngas.
A. Palčic Ana, S. Navarro-Jaén, D. Wu Dan, M. Mengdie, C. Liu, E. Pidko, A. Khodakov, V. Ordomsky, V. Valtchev,
Microporous and Mesoporous Materials, vol. 322, pg. 111138 (2021)

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