Le nouveau chouchou de l'énergie hydrogène : comment l'alliage mousse fer-nickel transforme les électrolyseurs de production d'hydrogène

1. La nouvelle ère de l'hydrogène

Depuis sa découverte au XVIe siècle, l’hydrogène est considéré comme une source d’énergie propre essentielle en raison de son abondance, de sa densité énergétique élevée et de ses propriétés vertes et à faible teneur en carbone.

Actuellement, les procédés de production d'hydrogène sont classés en fonction de leurs émissions de carbone : hydrogène gris, hydrogène bleu et hydrogène vert. Parmi ces procédés, l'hydrogène vert, produit par électrolyse de l'eau grâce à des énergies renouvelables, n'émet aucun gaz à effet de serre ni substance nocive et présente une grande pureté. Il s'agit de la méthode de production d'hydrogène la plus propre et représente la principale orientation future de l'énergie hydrogène.

L’hydrogène vert est principalement obtenu parélectrolyse de l'eau, où un électrolyseur décompose l'eau en hydrogène et en oxygène. Il existe actuellement quatre principales technologies d'électrolyseurs : l'ALK (électrolyse alcaline de l'eau), la PEM (électrolyse à membrane échangeuse de protons), la SOEC (cellule d'électrolyse à oxyde solide) et l'AEM (électrolyse à polymère solide).Danssur l'électrolyse à membrane échangeuse).

Dans le contexte de la neutralité carbone mondiale, l'hydrogène vert est indéniablement devenu un secteur clé de la transition énergétique. La capacité de la technologie des électrolyseurs à réduire encore les coûts et à améliorer l'efficacité est essentielle à son succès futur dans ce domaine crucial.

2. Le pilier : les électrolyseurs alcalins

L'électrolyse alcaline de l'eau (ALK) pour la production d'hydrogène se déroule dans un environnement électrolytique alcalin, généralement à l'aide de solutions de KOH ou de NaOH. Le principal avantage de cette technologie d'électrolyse est que les plaques anodique et cathodique ne contiennent pas de métaux précieux.Métals, ce qui se traduit par le coût d'électrolyseur le plus bas. De plus, ce type d'électrolyseur est le plus mature commercialement, bénéficiant d'une vaste expérience d'exploitation, et domine le marché. Les indicateurs de performance clés de certains équipements critiques nationaux ont atteint des niveaux avancés internationaux, permettant une production d'hydrogène à grande échelle par cellule, ce qui les rend facilement adaptables à l'électrolyse alimentée par le réseau.

Un électrolyseur alcalin se compose principalement de composants tels que des plaques d'extrémité, des joints, des plaques bipolaires,Électrodeplaques et diaphragmes. L'électrolyseur est composé de dizaines, voire de centaines, de cellules d'électrolyse, assemblées par des vis et des plaques d'extrémité pour former une forme cylindrique ou carrée. Chaque cellule d'électrolyse, délimitée par deux plaques adjacentes, comprend six parties : des plaques bipolaires positive et négative, une électrode anodique, un diaphragme, un joint d'étanchéité et une électrode cathodique.

L'électrode de l'électrolyseur alcalin est essentielle pour déterminer l'efficacité de la production d'hydrogène de l'électrolyseur. La plupart des électrodes utilisées dans les grands électrolyseurs alcalins domestiques sont à base de nickel, comme le nickel pur en maille, le nickel mousse ou les substrats de nickel pur en maille/mousse recouverts de catalyseurs hautement actifs. Parmi ces derniers, le nickel mousse est un produit peu coûteux et mature. Son matériau d'électrode est rempli de nombreux micropores, offrant une vaste surface. Cela augmente considérablement la surface de contact entre la solution et l'électrode, réduit la distance de transfert de masse et améliore considérablement l'efficacité de la réaction d'électrolyse.

Matériau en mousse d'alliage fer-nickelSurpasse les matériaux traditionnels à base de nickel, offrant davantage de sites d'évolution d'oxygène actifs, et son efficacité catalytique est nettement supérieure. C'est un véritable coup de maître pour l'électrolyse alcaline de l'eau, qui va encore progresser. Selon des tests faisant autorité, en conditions réelles, l'efficacité de l'électrolyse alcaline de l'eau utilisant de la mousse de fer-nickel est supérieure à celle des treillis de nickel traditionnels. D'après les recherches de pointe nationales et internationales actuelles, la consommation d'énergie en courant continu peut atteindre 4,0 à 4,3 kWh/m³ standard, avec un rendement énergétique atteignant 80 à 85 %.

3. L'aube des électrolyseurs AEM

L'électrolyse de l'eau par membrane échangeuse d'anions polymère solide (AEM) est un processus de production d'hydrogène qui utilise une membrane échangeuse d'anions à moindre coût comme séparateur, une solution alcaline à faible concentration ou de l'eau pure comme électrolyte et des catalyseurs métalliques non précieux pour la réaction.

Dans les électrolyseurs AEM, l'anode est généralement constituée d'oxydes de métaux de transition (par exemple, l'oxyde de nickel, l'oxyde de cobalt), tandis que la cathode est généralement constituée de métaux précieux ou de leurs alliages, tels que le nickel, le platine ou le palladium.

La réaction à l'anode est : 4OH−−4e−→O2​↑+2H2​O La réaction à la cathode est : 2H2​O+2e−→H2​↑+2OH−

Les 4OH− mentionnés ici sont les anions mis en évidence dans ce processus. Sous l'action de la membrane échangeuse d'anions, les OH− produits à la cathode peuvent migrer vers l'anode, augmentant ainsi la concentration en OH− côté anodique, ce qui entraîne une production accrue d'oxygène et d'eau à l'anode. Il en résulte naturellement un hydrogène plus pur à la cathode.

Le rôle principal des matériaux de cathode et d'anode est de catalyser la réaction de dissociation de l'eau et d'extraire efficacement l'hydrogène et l'oxygène produits. Par conséquent, ils doivent tous deux posséder une forte activité catalytique et une forte porosité. Pour le bon déroulement des réactions d'électrode, ils doivent également présenter une conductivité anionique et électronique élevée.

Actuellement, les matériaux de cathode les plus utilisés sont les alliages de nickel, et les matériaux d'anode sont principalement des alliages nickel-fer. Le fer et le nickel présentent non seulement une forte activité catalytique pour la séparation de l'eau, mais sont également largement disponibles et peu coûteux. L'AEM ne fonctionnant pas dans des environnements hautement corrosifs, il ne nécessite pas de catalyseurs à base de métaux précieux comme l'iridium ou le titane dans les matériaux d'anode et de cathode. Cela réduit considérablement le coût de fabrication des équipements AEM, et leurs performances ne sont pas inférieures à celles de la technologie PEM, ce qui en fait la principale orientation pour les nouveaux électrolyseurs d'hydrogène développés dans le monde entier.

4. Surfer sur la vague : l'essor deMousse de fer-nickel

Qu'il s'agisse de l'électrolyse alcaline (ALK) actuelle ou de la technologie émergente AEM, la mousse de fer-nickel offre des avantages d'application uniques et de vastes perspectives.

Caractéristiques du matériau : conception révolutionnaire en maille 3D

• Surface spécifique ultra élevée :Avec des pores de 20 à 450 μm et une porosité ≥ 98 %, sa surface active est des centaines de fois supérieure à celle des électrodes planes. Cela améliore considérablement les vitesses de réaction, augmente considérablement la surface de contact entre la solution et l'électrode, réduit la distance de transfert de masse et améliore considérablement l'efficacité de la réaction d'électrolyse.
• Catalyse efficaceLa surface de la mousse fer-nickel est recouverte de catalyseurs à base de nickel et de fer. Ces catalyseurs favorisent la réaction d'électrolyse de l'eau, qui décompose l'eau en hydrogène et en oxygène.
• Support structurel :La structure tridimensionnelle du nickel mousse offre un excellent support, aidant à maintenir la stabilité et l'intégrité structurelle de l'électrode, garantissant un fonctionnement à long terme.
• Haute conductivité :Le fer et le nickel sont tous deux de bons conducteurs électriques, et la structure tridimensionnelle de la mousse de fer-nickel offre une grande surface, facilitant la distribution du courant.

Application de la couche catalytique

Actuellement, les couches de catalyseur d'électrolyseur comprennent principalement lescouche de catalyseur anodique (OER-CL)et lecouche de catalyseur cathodique (HER-CL), qui facilitent respectivement la réaction de dégagement d'oxygène (OER) et la réaction de dégagement d'hydrogène (HER). L'OER et l'HER étant toutes deux inertes cinétiquement, des catalyseurs sont généralement chargés sur les électrodes pour améliorer l'activité réactionnelle et réduire la consommation d'énergie. C'est la fonction de la couche catalytique (CL). Étant donné que les catalyseurs à base de nickel présentent une activité élevée et une excellente résistance à la corrosion en milieu alcalin, et qu'ils sont plus stables que d'autres métaux de transition (tels que Fe et Co), ils sont largement utilisés comme catalyseurs OER et HER. En raison de sa forte affinité pour l'oxygène, le Fe a tendance à adsorber les espèces OH− et est donc souvent utilisé comme promoteur cinétique OER.Matériau en alliage de nickel-fer en mousse, qui combine les propriétés des métaux NiFe, présente des avantages significatifs lorsqu'il est utilisé comme matériau d'anode pour la production d'hydrogène.

Application de la couche de diffusion

La couche de diffusion gazeuse (GDL) est principalement utilisée pour la diffusion gazeuse : l'hydrogène à la cathode et l'oxygène à l'anode. De plus, grâce à sa conductivité métallique et thermique, elle facilite également le transfert d'électrons et de chaleur, d'où son nom de couche de transport poreuse (PTL). Actuellement, le nickel cellulaire est largement utilisé comme matériau de couche de diffusion sur le marché. De plus, le fer-nickel cellulaire de haute qualité et économique constitue désormais une option plus économique.