PEPR Hydrogène décarboné FLEXISOC : FLEXIbilité des cellules SOC vis-à-vis du combustible
(Projet PEPR PROTEC)

Juin 2022 - Mai 2027

Coordinateur du projet : Annie LE GAL LA SALLE   (équipe ST2E)

Partenaires :
FEMTO-ST Institut Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies
Institut de Chimie de la Matière Condensée (ICMCB Bordeaux)
Institut de chimie et procédés pour l’énergie, l’environnement et la santé (ICPEES Schiltigheim)
Institut de Recherche sur les Céramiques (IRCER Limoges)
Institut de Recherche de Chimie (IRCP Paris)
Institut des Sciences Chimiques (ISCR Rennes)
Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (LAPLACE Toulouse)
Laboratoire Georges Friedel (LGF Saint-Étienne)
Unite de Catalyse et Chimie du Solide (UCCS Lille)
Structures, Propriétés et Modélisation des Solides (SPMS Gif-sur-Yvette)


Personnels IMN impliqués :
Olivier JOUBERT (PR UNIV), Clément NICOLLET (CR CNRS), Eric QUAREZ (CR CNRS)

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Actuellement, la conversion de l’hydrogène en électricité dans des systèmes piles à combustible à membrane polymère se positionne à un haut niveau de maturité technologique, mais nécessite de l’hydrogène de très haute pureté. Les piles à combustible haute température à membrane céramique (SOC : Solid Oxide Cell) à conduction anionique ou protonique, bien que moins matures, permettent l’utilisation de combustibles variés, et peuvent fonctionner en mode réversible alternant les fonctions d’électrolyseur et de générateur. L’objectif du projet est donc de mettre au point une cellule complète à la fois robuste et flexible vis-à-vis du combustible, et fonctionnant à relativement basse température (600°C). Ce projet s’articule autour de plusieurs axes, à savoir l’identification de nouveaux matériaux capables d’activer les réactions de reformage interne tout en présentant une bonne tolérance aux poisons de catalyseur généralement rencontrés dans ces systèmes (CO, suies, H₂S), l’architecturation des électrodes pour mettre en œuvre les matériaux sélectionnés, la mise en forme des matériaux d’électrolyte et l’assemblage des cellules avec la mise en œuvre d’interfaces, ainsi qu’une approche par modélisation afin d’optimiser les conditions de fonctionnement des dispositifs et limiter ainsi l’encrassement.

En pratique, la mise au point de catalyseurs actifs et stables à plus basse températures que ceux existant actuellement, avec une cible de vitesse de formation de carbone autour de 0,5 mg_carbon g_cat^-1 h^-1 à 600°C, constituera la première brique du projet. Simultanément, les matériaux d’électrodes à combustible seront adaptés afin de les rendre tolérants à plusieurs polluants, et notamment le sulfure d’hydrogène, en visant des valeurs tolérables minimum en fin de projet de 3 à 5 ppm. De même, la partie électrolyte sera optimisée, notamment en termes de composition et d’épaisseur, avec comme objectif une épaisseur maximale de 10-20 microns.  L’accroissement de la durée de vie des systèmes grâce au contrôle complet du système sous atmosphères diverses et de façon automatisée, ainsi que la mise au point de stratégies efficaces de nettoyage compléteront le projet. Pour la co-génération et mobilité lourde, avec reformage et désulfuration, la durée de vie visée en 2024 est de 60 000h, avec des rendements de Rdt_el > 45% PCI et Rdt_th > 25% PCI. Dans le cas du projet FLEXISOC, avec une cellule permettant de s’affranchir de ces étapes amont, une durée de vie de 30 000 h est visée. Finalement, l’objectif de densité de puissance de la cellule complète, qui permettrait à la fois de faire du reformage interne, de résister à une teneur de 5 ppm de H₂S, et de présenter une durée de vie satisfaisante pourrait être de 1 W cm^-2 en 2027.