Une cellule céramique double le rendement en hydrogène propre à partir de vapeur industrielle

Extraire l'hydrogène de la vapeur au sein des usines industrielles

La majeure partie de l'hydrogène industriel est actuellement produite par reformage du gaz naturel, un procédé qui libère d'importants volumes de dioxyde de carbone. Les installations chimiques dépendent de quantités considérables de ce gaz pour raffiner les carburants, synthétiser les engrais et fabriquer des plastiques. Les électrolyseurs classiques à eau liquide exigent une électricité substantielle pour diviser l'eau liquide en hydrogène et en oxygène, ce qui constitue un obstacle énergivore à la durabilité industrielle.

Pour relever ce défi, des ingénieurs chimistes de l'université de Groningue ont conçu une cellule d'électrolyse céramique protonique (PCEC), une invention rapportée par Interesting Engineering. Contrairement aux systèmes liquides classiques, les PCEC traitent la vapeur d'eau à des températures intermédiaires comprises entre 400 °C et 650 °C, en phase avec les conditions thermiques des effluents déjà générés dans les usines chimiques.

« Nous avons découvert une synergie jusqu'ici négligée entre les matériaux de la membrane et ceux de l'électrode. Nos recherches avaient initialement une autre orientation, mais nos premiers résultats nous ont fait envisager une voie entièrement nouvelle. »

— Dr Vassilis Kyriakou, chercheur principal à l'université de Groningue

Comment la membrane céramique sépare l'hydrogène pur

Le cœur de la PCEC repose sur une membrane céramique sélective aux ions. Lorsque la vapeur pénètre dans la cellule et rencontre le courant électrique, elle se décompose en oxygène et en ions hydrogène chargés positivement, appelés protons. Comme seuls les protons d'hydrogène sont assez petits pour traverser les pores du matériau céramique, les autres éléments restent de l'autre côté de la barrière.

Une fois les protons ayant traversé la membrane, une charge négative opposée leur permet de gagner des électrons et de se recombiner en hydrogène moléculaire (H2). Selon Interesting Engineering, cette migration sélective isole complètement l'hydrogène des autres gaz. Le dispositif élimine ainsi les étapes de purification coûteuses qu'exigent les électrolyseurs classiques.

Une électrode pérovskite auto-assemblée

Un goulot d'étranglement technique récurrent dans la conception des PCEC consistait à trouver une électrode capable de résister à des conditions extrêmes de haute température sans perdre son activité catalytique. Une équipe de recherche dirigée par l'inventeur Dr Vassilis Kyriakou a résolu ce problème en créant une électrode auto-assemblée à base d'une matrice d'oxyde de pérovskite.

Lorsque les chercheurs ont chauffé l'ensemble à l'air ambiant, des ions ont migré à travers l'interface reliant la membrane et l'électrode. Ce mouvement spontané a fait apparaître des nanoparticules d'oxyde de praséodyme à la surface. Pour accroître l'efficacité, l'équipe a soumis la surface à un lavage acide, multipliant le nombre de sites catalytiques actifs sur le matériau.

Gains d'efficacité et déploiement futur

L'innovation électrochimique ainsi obtenue a fait preuve d'une résilience remarquable lors des essais en laboratoire. La cellule modifiée a fonctionné plus de 500 heures en continu sans présenter de perte mesurable de stabilité opérationnelle, selon Interesting Engineering.

Pendant les tests, le dispositif a converti plus de 95 pour cent du courant électrique fourni directement en hydrogène, doublant le rendement de production des conceptions céramiques précédentes. En s'intégrant directement à la chaleur résiduelle des usines, la conception offre un modèle opérationnel aux procédés industriels Power-to-X cherchant à abandonner le reformage du gaz naturel, ouvrant de nouvelles perspectives pour les dépôts de brevets et la commercialisation des technologies propres.

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