Key Priorities for Water Electrolyzer Material & Component Innovation

La production d'hydrogène vert continue d'être au centre de nombreuses stratégies de décarbonisation des gouvernements et des entreprises. L'électrolyseur est une technologie clé qui permet de produire de l'hydrogène vert en séparant les molécules d'eau en hydrogène et en oxygène à l'aide d'électricité renouvelable. Nombreux sont ceux qui mettent l'accent sur la nécessité de mettre en place des usines d'hydrogène vert à grande échelle ainsi que des installations de fabrication d'électrolyseurs. Cependant, l'innovation en matière de matériaux et de composants est souvent moins prioritaire sur le marché au sens large. Cet article met en lumière certaines priorités critiques en matière de matériaux et de composants pour les principales technologies d'électrolyseurs, en s'appuyant sur des informations tirées du rapport IDTechEx intitulé "Matériaux pour la production d'hydrogène vert 2024-2034 : technologies, acteurs, prévisions".

 

 

 

 

L'électrolyseur d'eau alcaline (AWE) est une technologie mature et hautement commercialisée, qui offre le coût d'investissement le plus bas et des performances prévisibles à long terme. La pile de cellules AWE utilise un électrolyte alcalin liquide (hydroxyde de potassium, KOH) couplé à un diaphragme poreux et repose sur des matériaux largement disponibles, tels que le nickel et l'acier inoxydable.

 

L'un des principaux défis de l'AWE est sa faible efficacité par rapport à sa principale technologie concurrente, l'électrolyseur à membrane échangeuse de protons (PEMEL). Par conséquent, les développeurs de technologies et de matériaux pour électrolyseurs se sont concentrés sur la production de revêtements catalytiques à haute performance pour les électrodes afin d'améliorer l'efficacité de la conversion de l'eau en hydrogène et en oxygène. Des revêtements à haute performance existent dans le commerce, mais beaucoup reposent encore sur l'utilisation de métaux du groupe du platine (MGP) critiques, tels que le ruthénium, dans des revêtements d'oxydes mixtes.

 

La recherche sur les revêtements d'électrodes s'est concentrée sur la découverte et l'application de nouveaux matériaux catalytiques. Les stratégies prometteuses comprennent le couplage du nickel avec d'autres éléments de métaux de transition et de non-transition, par exemple dans le NiFeCoP. En outre, l'utilisation d'électrodes poreuses, telles que les mailles de nickel, peut se combiner particulièrement bien avec de tels revêtements, produisant des catalyseurs hautement nanostructurés qui offrent des surfaces élevées pour les réactions.

 

Le fait de presser ces électrodes contre le diaphragme poreux peut encore améliorer l'efficacité en raison de la distance réduite que les espèces chimiques doivent parcourir entre les sites de réaction. C'est ce que l'on appelle la configuration de la cellule à espacement nul, qui est déjà largement utilisée dans les piles commerciales AWE. De Nora est l'un des composants des cellules à espacement zéro et des revêtements d'électrodes avancés et travaille avec des fournisseurs d'AWE bien établis tels que McPhy Energy et thyssenkrupp nucera. IDTechEx s'attend à ce que la combinaison de ces stratégies de conception de matériaux et de composants puisse encore améliorer l'efficacité de l'AWE, mais des efforts commerciaux supplémentaires sont nécessaires dans tous les domaines.

 

 

Les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEMEL) gagnent beaucoup en popularité en raison de leur rendement élevé, de leur conception compacte et de leur adaptabilité aux sources d'énergie renouvelables fluctuantes. Bien qu'il y ait un mouvement vers la normalisation des matériaux dans les piles PEMEL, l'innovation est loin d'être stagnante, en particulier dans le développement de catalyseurs d'anode.

 

Le platine (Pt) et l'iridium (Ir) catalysent les réactions électrochimiques d'évolution de l'hydrogène et de l'oxygène qui se produisent dans l'électrolyseur, respectivement. Les matériaux de pointe utilisés sont le platine sur noir de carbone (Pt/C) pour la cathode et le noir d'iridium (Ir) ou l'oxyde d'iridium (IrO_x ) pour l'anode. L'utilisation de l'iridium à l'anode est particulièrement problématique, car les charges actuelles de 1 à 2,5 g/kW et la forte demande pour les systèmes PEMEL risquent de peser lourdement sur l'offre mondiale d'iridium.

 

Les fournisseurs de catalyseurs, tels que Heraeus Precious Metals, s'attaquent au problème de l'iridium en couplant l'iridium au ruthénium dans un catalyseur à oxyde mixte (IrRuO_x ). Étant donné la nécessité de réduire la charge d'iridium, ce matériau pourrait faire l'objet d'une commercialisation accrue dans un avenir proche. Une autre stratégie explorée par les groupes de R&D universitaires et d'entreprises est l'utilisation de catalyseurs à base d'iridium supporté, similaire à l'approche Pt/C. En outre, une grande partie de la recherche se concentre sur l'élimination de l'iridium en faveur d'autres MGP, tels que le ruthénium, en le couplant avec des métaux de transition dans des oxydes mixtes. Les catalyseurs sans iridium et sans platine sont généralement encore à un stade précoce de développement. IDTechEx prévoit que des efforts de recherche supplémentaires seront nécessaires pour démontrer leur compétitivité et ouvrir la voie à une adoption commerciale généralisée.

 

D'autres composants de l'électrolyseur PEM, tels que les couches de diffusion des gaz (GDL) et les plaques bipolaires, utilisent également des revêtements en métaux précieux ainsi que du titane. Ces deux matériaux pourraient devenir plus problématiques à l'avenir, c'est pourquoi de nombreuses entreprises explorent de nouvelles méthodes de fabrication et de revêtement afin de réduire les besoins en ces matériaux. Pour plus d'informations, veuillez consulter l'article de recherche précédent d'IDTechExsur les matériaux des électrolyseurs PEM.

 

 

L'électrolyseur à membrane échangeuse d'anions (AEMEL) est une technologie relativement jeune mais en plein essor qui vise à combiner le meilleur des technologies alcalines et PEM. L'AEMEL cherche à combiner l'abondance de matériaux de l'AWE avec les caractéristiques de haute efficacité de la PEMEL. Cette technologie connaît une croissance et une innovation rapides, illustrées par des entreprises telles qu'Enapter, qui sont les pionnières des systèmes commerciaux à l'échelle du mégawatt.

 

IDTechEx a noté que de nombreux groupes de recherche étudiant la technologie AEMEL utilisent encore des catalyseurs à base de platine et d'iridium au niveau des électrodes. L'industrie et les nouveaux acteurs commerciaux devraient s'efforcer d'éliminer complètement l'utilisation des platinoïdes et d'opter pour des catalyseurs nanostructurés à haute performance utilisés dans l'espace AWE. En outre, cette technologie pourrait bénéficier de l'application d'électrodes de diffusion de gaz (GDE), qui combinent la couche de diffusion de gaz et l'électrode en un seul composant.

 

Un autre problème est la grande diversité des matériaux des membranes échangeuses d'anions (MEA) et, par conséquent, la diversité de leurs performances et de leur durabilité. Les MAE peuvent bénéficier de certaines stratégies observées dans le domaine des membranes d'échange de protons (MEP), telles que la réticulation des chaînes de polymères et l'utilisation de couches de support (par exemple, le PTFE) sur lesquelles la MAE peut être revêtue. La variation des matériaux va probablement persister, mais les développeurs d'AEMEL peuvent s'inspirer des développements actuels observés dans les technologies AWE et PEMEL, en les appliquant à leurs propres conceptions de cellules et d'empilements.

 

 

L'électrolyseur à oxyde solide (SOEC) est également une technologie relativement nouvelle dans le paysage de l'électrolyse, avec une présence moindre sur le marché par rapport à AWE et PEMEL. Le SOEC fonctionne à des températures beaucoup plus élevées (>600°C) que les technologies à basse température mentionnées précédemment (50-90°C) et, par conséquent, nécessite des matériaux et des approches de conception très différents.

 

La technologie SOEC a massivement bénéficié des développements de matériaux dans la technologie des piles à combustible à oxyde solide (SOFC) car la plupart des piles sont conçues pour fonctionner de manière réversible, c'est-à-dire soit comme électrolyseur (SOEC), soit comme pile à combustible (SOFC). Bien que certains composants céramiques aient déjà été établis dans la technologie, le développement de nouveaux matériaux et d'assemblages électrode-électrolyte dans les SOEC est un domaine d'innovation prometteur.

 

Les priorités en matière d'innovation comprennent l'utilisation d'électrolytes permettant des températures de fonctionnement plus basses qui peuvent offrir une stabilité à long terme et des avantages en termes de coûts. Parmi ces électrolytes, on trouve le cérium dopé à la gadolinia (GDC), qui est déjà utilisé dans certaines piles commerciales et illustré par des entreprises comme Ceres Power. Une autre priorité est l'utilisation de cellules à support métallique (MSC) en raison de plusieurs avantages inhérents par rapport aux cellules à support électrolytique ou électrolytique, qui sont plus courantes dans les piles commerciales. Il s'agit notamment de la réduction des coûts des matériaux et de la capacité à mieux supporter les cycles thermiques et à résister aux contraintes mécaniques. En outre, de nombreux efforts sont déployés pour améliorer la compatibilité thermique et chimique des matériaux des cellules avec les interconnexions, les couches de contact et les produits d'étanchéité.

 

× l'avenir, les piles SOEC pourraient adopter des matériaux plus avancés. Dans l'ensemble, il existe une large gamme de matériaux utilisés dans les piles SOEC, ce qui met en évidence non seulement la diversité de la technologie, mais aussi le potentiel d'innovation des matériaux dans ces électrolyseurs à haute température.

 

 

Les développeurs de technologies et de matériaux pour électrolyseurs sont confrontés à de nombreux défis, dont beaucoup sont interdépendants. Par exemple, la réduction de l'épaisseur de la membrane d'échange de protons ou d'anions peut améliorer l'efficacité mais peut réduire la durabilité de la membrane. D'autre part, l'amélioration de la durabilité grâce à des matériaux et des techniques de fabrication avancés augmente les coûts de fabrication. Par conséquent, il n'existe pas d'approche optimale unique de l'innovation en matière de matériaux et de composants. Toutefois, ce processus d'optimisation ouvre d'importantes perspectives commerciales pour le développement de matériaux d'électrolyse plus sophistiqués.

 

Le marché des composants d'électrolyseurs est sur le point de connaître une expansion significative, les projections d'IDTechEx estimant sa valeur marchande à un montant impressionnant de 31,7 milliards de dollars américains d'ici 2034. Cette croissance est principalement due à l'évolution rapide de l'industrie de l'hydrogène vert, dans laquelle les électrolyseurs jouent un rôle crucial. Dans le rapport "Matériaux pour la production d'hydrogène vert 2024-2034 : technologies, acteurs, prévisions" d'IDTechEx, une analyse approfondie est présentée sur les matériaux et composants actuels et futurs utilisés dans les quatre technologies d'électrolyseurs abordées dans cet article. Le rapport présente une ventilation des coûts de fabrication des piles par composant pour les piles AWE, PEMEL et SOEC. Des listes complètes de fournisseurs d'électrolyseurs, de composants et de matériaux sont disponibles, ainsi que des études de cas sur les principales innovations commerciales dans l'industrie. En outre, il fournit des prévisions granulaires du marché sur 10 ans, quantifiant la demande de matériaux et de composants en tonnes, en mètres carrés (m² ) et en millions de dollars américains par an.

 

Pour en savoir plus sur ce rapport IDTechEx, et notamment pour télécharger des exemples de pages, veuillez consulter le site www.IDTechEx.com/GreenHydrogen.

 

 

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