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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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Florence LEFEBVRE-JOUD : Ingénieur chercheur CEA LITEN
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Julie MOUGIN : Ingénieur chercheur CEA LITEN
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Laurent ANTONI : Ingénieur chercheur CEA LITEN
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Étienne BOUYER : Ingénieur chercheur CEA LITEN
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Gérard GEBEL : Ingénieur chercheur CEA INAC
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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 actuels spécifiques des différents matériaux et des applications sont présentés.
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Enjeux actuels des matériaux de la filière hydrogèneArticle inclus dans l'offre
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3. Mise en œuvre des matériaux suivant les applications
Afin de se concentrer sur les mises en œuvre spécifiques de la filière hydrogène, on ne reprendra pas dans ce document la description des procédés de mises en œuvres traditionnels des céramiques, des métaux ou des polymères. Seules les élaborations des « multicouches », caractéristiques des cœurs de pile ou d'électrolyseur, et des plaques composites seront abordées.
3.1 Cœur de pile ou d'électrolyseur : une multicouche à propriétés de conduction contrôlées
3.1.1 Mise en œuvre des membranes polymères et de l'assemblage membrane-électrodes
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Les deux procédés principaux de fabrication de membranes sont l'extrusion et la coulée-évaporation.
L'extrusion a été longtemps utilisée pour produire les membranes Nafion®. Celles-ci étaient sous forme de fluorure de sulfonyl (—SO2F) puis hydrolysées. En effet, les groupes ioniques génèrent des réticulations physiques qui augmentent la température de ramollissement d'une centaine de degrés, rendant la mise en œuvre plus difficile. Dans le cas des membranes à base de polyaromatiques sulfonés, la difficulté est encore plus grande, car les polymères thermostables non ioniques présentent déjà des températures de transition vitreuse très élevées proches des températures de dégradation thermique. Il faut alors ajouter des additifs pour favoriser leur mise en œuvre .
La coulée-évaporation (figure 10) est le plus souvent préférée, en particulier pour produire des films très minces...
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BIBLIOGRAPHIE
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(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).
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(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).
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(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).
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(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).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
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 https://dumas.ccsd.cnrs.fr/ICB-IRM-M4OXE/hal-00493252v1
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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