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Article de référence | Réf : N1205 v1

Matériaux de la filière hydrogène - Production et conversion

Auteur(s) : Florence LEFEBVRE-JOUD, Julie MOUGIN, Laurent ANTONI, Étienne BOUYER, Gérard GEBEL, Fabien NONY

Date de publication : 10 avr. 2010

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Matériaux de la filière hydrogène - Stockage et transport

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RÉSUMÉ

ce jour, le développement d’une filière hydrogène impose de modifier les technologies et les usages actuels pour la rendre respectueuse de l’environnement. Les étapes de production et de conversion de l'hydrogène par électrolyse de l'eau et dans des piles à combustible nécessitent l’utilisation de tous les matériaux traditionnels (polymères, céramiques, alliages métalliques, composites). Leur cahier des charges et les environnements dans lesquels ces matériaux sont appelés à fonctionner sont très spécifiques. De l’étude des interactions et de la compatibilité des matériaux sélectionnés découlent les performances, la durée de vie et le coût de la production et la conversion d’hydrogène.

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ABSTRACT

To date, the development of an environmentally friendly hydrogen technology requires modifying technologies and up-to-date practices. The production and conversion stages of hydrogen by water electrolysis and in fuel cells require the use of all traditional materials (polymers, ceramics, metallic alloys, composite materials). Their specifications and the environments in which these materials are used are extremely specific. The performance, lifetime and production cost of hydrogen conversion is based on the study of the interactions and compatibility of the selected materials.

Auteur(s)

Florence LEFEBVRE-JOUD : Ingénieur chercheur CEA LITEN
Julie MOUGIN : Ingénieur chercheur CEA LITEN
Laurent ANTONI : Ingénieur chercheur CEA LITEN
Étienne BOUYER : Ingénieur chercheur CEA LITEN
Gérard GEBEL : Ingénieur chercheur CEA INAC
Fabien NONY : Ingénieur chercheur CEA-DAM Le Ripault

INTRODUCTION

Dans un contexte de demande croissante d'énergie, d'appauvrissement des ressources fossiles et de menace climatique liée aux émissions de gaz à effet de serre, l'hydrogène constitue un vecteur énergétique alternatif pertinent, susceptible de remplacer à terme les combustibles fossiles et de compléter efficacement les biocombustibles et l'électricité dans un mix énergétique respectueux de l'environnement.

L'hydrogène est déjà massivement utilisé dans l'industrie chimique, sidérurgique et pétrochimique. Toutefois, le développement d'une économie de l'hydrogène respectueuse de l'environnement implique de modifier les usages actuels et de déployer un panel de technologies relevant encore souvent du domaine de la recherche ou de la démonstration. Ces technologies mettent en œuvre un grand nombre de matériaux allant des polymères aux aciers en passant par les céramiques et les hydrures métalliques.

Dans ce premier volet on s'intéresse aux matériaux à propriétés électrochimiques utilisés, d'une part dans les électrolyseurs pour l'étape de production de l'hydrogène et d'autre part dans les piles à combustible pour la phase de combustion de l'hydrogène et de restitution de l'énergie. Le cahier des charges spécifique de chacune de ces deux applications est rappelé afin d'introduire les matériaux sélectionnés, leurs principales propriétés et leur mise en œuvre. Pour conclure, les enjeux spécifiques des différents matériaux et des applications sont présentés.

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BIBLIOGRAPHIE

(1) - ELAM (C.C.), GREGOIRE PADRÓ (C.E.), SANDROCK (G.), LUZZI (A.), LINDBLAD (P.), FJERMESTAD HAGEN (E.) - Realizing the hydrogen future : the International Energy Agency"s efforts to advance hydrogen energy technologies. - International Journal of Hydrogen Energy, 28/6, p. 601 (2003).
(2) - European Commission - Hydrogen Energy and Fuel Cells, A vision of our future. - Directorate-General for Research, Directorate-General for Energy and Transport, Final Report of the high Level Group, Special report EUR 20719 EN (2003).
(3) - ELDER (R.), ALLEN (R.) - Nuclear heat for hydrogen production : coupling a very high/high temperature reactor to a hydrogen production plant. - Progress in Nuclear Energy, 51, p. 500-525 (2009).
(4) - SHERIF (S.A.), BARBIR (F.), VEZIROGLU (T.N.) - Wind energy and the hydrogen economy-review of the technology. - Solar Energy, 78, p. 647-660 (2005).
(5) - GREINERA (C.J.), KORPÅSB (M.), HOLENA (A.T.) - A Norwegian case study on the production of hydrogen from wind power. - International Journal of Hydrogen Energy, 32, p. 1500-1507 (2007).
...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

1 Sites Internet

Projet européen Hi₂H₂ « Highly efficient, High temperature, Hydrogen production by water electrolysis » http://www.hi2h2.com/

Projet européen RELHY « Innovative Solid Oxide Electrolyser Stacks for Efficient and Reliable Hydrogen Production » http://www.relhy.eu/

Projet européen SOFC600 http://www.sofc600.eu

Fiche technique alliage Crofer 22 APU http://thyssenkruppvdm.de/_pdf/Crofer22APU_e.pdf

Informations relatives à l'alliage Sanergy‘ HT de Sandvik http://www.fuelcellseminar.com/pdf/2008/thursday/03_Schuisky_M_RDP42-2.ppt.pdf

Air Liquide sur le programme ANR PAN'H Eolhy http://www.dta.airliquide.com/fr/notre-offre/hydrogene-energie-1/projets-en-cooperation-2/eolhy-element.html

...

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Sommaire
Sommaire détaillé

INTRODUCTION

1 - CAHIERS DES CHARGES DES MATÉRIAUX UTILISÉS POUR LA PRODUCTION ET LA CONVERSION DE L'HYDROGÈNE

1.1 - Contexte du développement d'une filière hydrogène
1.2 - Production d'hydrogène
1.3 - Conversion : piles à combustible
1.4 - Domaines d'application

2 - SÉLECTION ET REVUE DES PROPRIÉTÉS CLÉS DES MATÉRIAUX PAR APPLICATION

2.1 - Membranes polymères conductrices protoniques comme électrolyte des PEMFC
2.2 - Céramiques des matériaux d'électrolyte et d'électrodes EVHT et SOFC
2.3 - Alliages métalliques des catalyseurs et des plaques d'interconnexion électrique
2.4 - Composites graphites pour les plaques d'interconnexion électrique des PAC

3 - MISE EN ŒUVRE DES MATÉRIAUX SUIVANT LES APPLICATIONS

3.1 - Cœur de pile ou d'électrolyseur : une multicouche à propriétés de conduction contrôlées
3.2 - Fabrication des plaques bipolaires en composite à base de graphite