Des électrodes à flux continu rendent l’hydrogène 50 fois plus efficace

L’électrolyse, qui consiste à faire passer un courant dans l’eau pour le transformer en hydrogène et en oxygène gazeux, pourrait être un moyen pratique de stocker l’énergie excédentaire provenant de l’énergie éolienne ou solaire. L’hydrogène peut être stocké et utilisé comme carburant plus tard, lorsque le soleil est couché ou que les vents sont calmes.

Malheureusement, sans un dispositif de stockage d’énergie abordable, des milliards de watts d’énergie renouvelable sont gaspillés chaque année.

Pour que l’hydrogène soit la solution au problème du stockage, il faudrait que l’électrolyse avec séparation d’eau soit beaucoup plus abordable et efficace, a déclaré Ben Wiley, professeur de chimie à l’université de Duke. Lui et son équipe ont quelques idées sur la façon d’y parvenir.

Les chercheurs ont récemment testé trois nouveaux matériaux qui pourraient être utilisés comme une électrode poreuse à flux continu permettant d’améliorer l’efficacité de l’électrolyse. Leur but était d’augmenter la surface de l’électrode pour les réactions, tout en évitant de piéger les bulles de gaz qui sont produites.

« La vitesse maximale à laquelle l’hydrogène est produite est limitée par les bulles qui bloquent l’électrode – empêchant littéralement l’eau de monter à la surface et de se diviser« , a déclaré M. Wiley.

Dans un article paru le 25 mai dans Advanced Energy Materials, ils ont comparé trois configurations différentes d’une électrode poreuse à travers laquelle l’eau alcaline peut s’écouler au fur et à mesure que la réaction se produit.

Ils ont fabriqué trois types d’électrodes à flux continu, chacune étant un carré de 4 millimètres de matériau spongieux, d’une épaisseur d’un millimètre seulement. L’une était faite d’une mousse de nickel, une autre était un « feutre » fait de microfibres de nickel, et la troisième était un feutre fait de nanofils de nickel-cuivre.

En faisant passer un courant pulsé par les électrodes pendant cinq minutes en marche et cinq minutes en arrêt, ils ont découvert que le feutre fait de nanofils de nickel-cuivre produisait initialement de l’hydrogène plus efficacement car il avait une plus grande surface que les deux autres matériaux. Mais en 30 secondes, son efficacité a chuté parce que le matériau était bouché par des bulles.

L’électrode en mousse de nickel était la plus efficace pour laisser les bulles s’échapper, mais elle avait une surface nettement inférieure à celle des deux autres électrodes, ce qui la rendait moins productive.

Le point idéal s’est avéré être un feutre de microfibre de nickel qui a produit plus d’hydrogène que le feutre de nanofil, malgré une surface de réaction inférieure de 25 %.

Au cours d’un test de 100 heures, le feutre en microfibres a produit de l’hydrogène à une densité de courant de 25 000 milliampères par centimètre carré. À ce rythme, il serait 50 fois plus efficace que les électrolyseurs alcalins classiques actuellement utilisés pour l’électrolyse de l’eau, ont calculé les chercheurs.

Le moyen le moins cher de produire des quantités industrielles d’hydrogène à l’heure actuelle n’est pas de séparer l’eau, mais de séparer le gaz naturel (méthane) avec de la vapeur très chaude – une approche à forte intensité énergétique qui crée de 9 à 12 tonnes de C02 pour chaque tonne d’hydrogène produite, sans compter l’énergie nécessaire pour créer de la vapeur à 1000 degrés Celsius.

M. Wiley a déclaré que les producteurs commerciaux d’électrolyseurs à eau pourraient améliorer la structure de leurs électrodes en se basant sur ce que son équipe a appris. S’ils pouvaient augmenter considérablement le taux de production d’hydrogène, le coût de l’hydrogène produit à partir de la séparation de l’eau pourrait diminuer, peut-être même suffisamment pour en faire une solution de stockage abordable pour les énergies renouvelables.

Il travaille également avec un groupe d’étudiants du programme Bass Connections de Duke qui étudient la possibilité d’étendre l’électrolyse à flux continu pour produire de l’hydrogène à partir de l’énergie solaire abondante de l’Inde.

Credit : Wiley Lab, Duke University