PEM Electrolyzer Materials - Niche Market with Large Opportunities

L'hydrogène vert est de plus en plus reconnu comme une matière première industrielle propre et le vecteur énergétique de l'avenir. L'électrolyseur d'eau est au cœur de la production d'hydrogène vert. Historiquement, l'électrolyseur d'eau alcaline (AWE) a dominé le marché en raison de sa maturité et de son développement. Cependant, au cours des deux dernières décennies, l'électrolyseur à membrane échangeuse de protons (PEMEL) a connu des progrès rapides et a rapidement trouvé des applications commerciales. Particulièrement populaire en Europe, le PEMEL se distingue par sa grande efficacité énergétique et sa compatibilité avec les sources d'énergie renouvelables intermittentes.

 

L'électrolyseur PEM partage de nombreux matériaux et composants avec la pile à combustible PEM (PEMFC), bénéficiant grandement des progrès réalisés dans le secteur des piles à combustible. Lancée par la NASA, la technologie PEMFC a évolué de manière significative, ce qui a permis à la PEMEL et à la PEMFC de devenir des technologies relativement bien établies. Cependant, elles doivent encore faire face à de nombreux défis.

 

L'essor du marché de l'hydrogène vert stimule la demande de systèmes d'électrolyse, ce qui génère à son tour une demande de matériaux et de composants d'électrolyse. Cette montée en puissance offre aux fournisseurs de matériaux et de composants, ainsi qu'à divers acteurs de l'industrie, une vaste opportunité de tirer parti de cette croissance, d'innover et de lancer de nouveaux produits. Cet article de recherche se penche sur les matériaux et les composants essentiels de l'électrolyseur PEM, en mettant en évidence les problèmes et les opportunités clés de ce secteur en pleine évolution. Pour plus d'informations sur ce sujet, veuillez consulter le rapport IDTechEx, "Matériaux pour la production d'hydrogène vert 2024-2034 : technologies, acteurs, prévisions".

 

 

 

La membrane échangeuse de protons (MEP) est l'épine dorsale de l'électrolyseur, située entre la cathode et l'anode. Les PEM facilitent le transfert des protons (ions H⁺ ) de l'anode à la cathode. Elles assurent également l'isolation électrique entre les électrodes et garantissent que les réactions de transformation de l'hydrogène et de l'oxygène ont lieu séparément, ce qui permet d'obtenir de l'hydrogène de grande pureté et d'éviter le mélange des gaz, en particulier de l'hydrogène avec de l'oxygène.

 

Les membranes sont constituées d'ionomères d'acides sulfoniques perfluorés (PFSA). Nafion, une marque de Chemours (développée à l'origine par DuPont), est le matériau historique et le plus connu utilisé dans les PEMEL et les PEMFC. Le marché est dominé par des acteurs établis comme Chemours et W. L. Gore & Associates. Toutefois, ces entreprises continuent d'essayer d'innover leurs produits afin d'obtenir de meilleures performances.

 

Le principal problème lié à l'amélioration des PEM réside dans les compromis entre les performances, la sécurité et la durabilité. En effet, l'augmentation des performances nécessite des membranes plus fines pour améliorer la conductivité ; cependant, cela entraîne une augmentation du passage de l'hydrogène à l'oxygène et une dégradation plus rapide des membranes. Une tactique d'atténuation courante explorée dans l'industrie est l'utilisation d'une couche de renforcement, telle que le polytétrafluoroéthylène (PTFE) expansé, sur laquelle l'ionomère PFSA est ensuite enduit.

 

Pour faire progresser la technologie, il sera essentiel de trouver des compromis en matière d'amélioration en utilisant de nouveaux matériaux composites pour les membranes. Malgré ces problèmes, les membranes PFSA resteront le matériau de référence en raison de l'absence de solutions de remplacement adaptées et prêtes à être commercialisées. Il existe donc un marché important pour les membranes dans les secteurs des électrolyseurs et des piles à combustible.

 

 

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.

 

Les catalyseurs sont combinés à des résines ionomères PFSA sous forme d'encre, qui est ensuite enduite sur la membrane, produisant ainsi la membrane enduite de catalyseur (CCM). La production de CCM est une voie de recherche essentielle, car les performances de l'électrolyseur dépendent largement de ses propriétés. L'accent est mis sur le développement de processus efficaces et continus de rouleau à rouleau pour la production de CCM, qui peuvent garantir des performances constantes, une perte minimale d'encres catalytiques et une production à grande échelle hautement automatisée.

 

L'axe de recherche le plus important est la nécessité de réduire la charge d'iridium aux anodes. Les charges actuelles de 1 à 2,5 g/kW des électrolyseurs PEM sont problématiques, car la demande future d'électrolyseurs PEM pourrait peser lourdement sur l'offre mondiale d'iridium. Pour résoudre ce problème, les fabricants de catalyseurs comme Heraeus Precious Metals introduisent sur le marché de nouveaux produits qui réduisent la charge d'iridium. Il s'agit notamment de l'oxyde d'iridium-ruthénium (IrRuO_x ), qui commence déjà à être utilisé commercialement. Toutefois, de nouveaux catalyseurs à base d'iridium supportés (concept similaire à celui du platine supporté par le carbone) seront finalement nécessaires pour réduire la dépendance à l'égard de l'approvisionnement en iridium. Il existe donc d'importantes possibilités de développer et d'introduire sur le marché de nouveaux produits catalytiques qui offrent des performances compétitives par rapport à l'Ir et l'IrO_x actuels, tout en réduisant la charge globale d'iridium à moins de 1 g/kW.

 

 

Les couches de diffusion des gaz (GDL), également connues sous le nom de couches de transport poreuses (PTL), sont un autre élément clé des cellules PEMEL. Ces composants sont présents des deux côtés des électrodes et facilitent le transfert de l'eau vers la membrane, l'élimination des gaz produits (H₂ & O₂ ) des électrodes et le flux d'électrons à travers la cellule.

 

Le papier carbone, composé de fibres de carbone, de PTFE et de noir de carbone, est utilisé comme matériau de cathode. Le côté anode repose sur l'utilisation d'un feutre de titane, recouvert d'une fine couche de platine. Le titane est nécessaire pour sa résistance à la corrosion du côté de l'anode, tandis que le platine améliore la conductivité électrique et la stabilité. Ces matériaux sont là pour rester et feront partie de toutes les piles PEMEL.

 

Le papier carbone a été mis au point grâce aux efforts de l'industrie des piles à combustible PEM et est déjà assez mûr. Par conséquent, le développement se concentre principalement sur le côté anode afin de réduire l'épaisseur du feutre de titane, d'optimiser la porosité et de réduire la quantité de platine nécessaire. La charge de platine est particulièrement importante et peut être réduite en utilisant des technologies de revêtement avancées, telles que le dépôt physique en phase vapeur (PVD).

 

 

Les plaques bipolaires servent de barrière physique pour séparer les cellules. Plus important encore, ces plaques conduisent les électrons de l'anode d'une cellule à la cathode d'une autre, et fournissent des canaux pour l'écoulement de l'eau et du gaz dans les cellules. Contrairement aux piles à combustible PEM, où des plaques bipolaires en graphite peuvent être utilisées, les électrolyseurs PEM s'appuient sur des plaques en titane, plus résistantes à la corrosion. Des revêtements d'or et de platine sont nécessaires sur les faces de la cathode et de l'anode, respectivement, pour une meilleure résistance à la corrosion et une faible résistance au contact électrique, à l'instar du platine utilisé dans les GDL en titane.

 

Une fois de plus, ces composants bénéficient de la fabrication de plaques bipolaires métalliques hautement développées par l'industrie des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM). Parmi les entreprises fournissant des technologies de fabrication de plaques, on peut citer Dana Inc, Schuler, Elcon Precision et bien d'autres. Tous les fabricants utilisent des technologies différentes, chacune ayant ses propres avantages et inconvénients. Malgré le niveau élevé de développement, les fabricants peuvent encore optimiser la production en réduisant les déchets de matériaux et en accélérant les chaînes de production.

 

Le revêtement des plaques bipolaires est un domaine qui pourrait bénéficier de nouveaux concepts. Par exemple, des technologies de revêtement plus avancées, telles que le PVD, peuvent réduire l'utilisation de métaux précieux. Des alternatives au titane pourraient également être trouvées pour réduire le coût total de fabrication. Pour ce faire, il faut expérimenter divers alliages métalliques et combinaisons de matériaux, tels que l'acier inoxydable revêtu de titane. Ce dernier est considéré comme une option prometteuse, mais doit encore faire l'objet d'essais approfondis dans le cadre d'une exploitation commerciale.

 

 

Les joints sont généralement négligés lors de la conception des piles d'électrolyseurs, mais ces composants sont tout aussi essentiels. Ils servent d'éléments d'étanchéité, créant une interface entre différents composants, tels que les plaques bipolaires et le séparateur. Ces barrières conçues avec précision garantissent que les gaz, l'eau et les composants de la cellule restent confinés et séparés selon les besoins. Les joints se présentent généralement sous la forme de feuilles ou de bandes minces, qui sont prises en sandwich entre les plaques bipolaires.

 

Les matériaux des joints sont généralement choisis pour assurer une faible perméabilité à l'hydrogène gazeux afin d'éviter les fuites, ainsi qu'une résistance chimique aux conditions acides et oxydantes de l'électrolyseur. Ils doivent également présenter une compressibilité et des propriétés mécaniques adéquates pour résister aux forces de compression. Les matériaux généralement utilisés sont le caoutchouc éthylène-propylène-diène-monomère (EPDM), le caoutchouc fluoré (FKM), le PTFE et le silicone.

 

Les joints préformés sont les plus courants. Ils sont moulés par injection pour s'adapter à l'empilement d'électrolyseurs. La conception complexe des plaques bipolaires exige une étanchéité parfaite, c'est pourquoi les fabricants de joints s'associent généralement aux fournisseurs d'électrolyseurs ou de plaques bipolaires. De cette manière, le fabricant peut déposer les joints directement sur les composants du client et les lui renvoyer. Les stratégies d'innovation en matière de joints se concentrent sur l'optimisation du matériau et du processus de fabrication, ainsi que sur le contournement de l'étape d'exécution en fournissant des résines que les clients peuvent déposer et durcir eux-mêmes.

 

 

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. Comme le montre cet article, il existe de vastes possibilités de fourniture de composants et d'innovation sur ce marché.

 

Le rapport "Matériaux pour la production d'hydrogène vert 2024-2034 : technologies, acteurs, prévisions" d'IDTechEx fournit également des informations similaires sur les matériaux et les composants utilisés dans les électrolyseurs à eau alcaline (AWE), à membrane échangeuse d'anions (AEMEL) et à oxyde solide (SOEC). Des listes complètes de fournisseurs de composants et de matériaux pour les électrolyseurs sont disponibles, ainsi que des études de cas sur les principales innovations commerciales dans l'industrie. En outre, le rapport 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. Veuillez consulter le rapport pour obtenir un aperçu plus approfondi des tendances actuelles et des opportunités clés sur le marché des composants d'électrolyseurs d'eau.

 

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