Produire de l’hydrogène bon marché par électrolyse simplifiée

Un dispositif simplifié et performant développé à l’EPFL devrait permettre de produire de l’hydrogène à bas coût. Les chercheurs sont parvenus à réaliser une électrolyse de l’eau sans utiliser la membrane coûteuse et contraignante placée entre les électrodes dans les systèmes traditionnels.

Remplacer les carburants fossiles par de l’hydrogène est un rêve que poursuivent de nombreux scientifiques. Comme il n’émet aucune particule de CO2, l’hydrogène est un candidat idéal pour faire fonctionner des moteurs ou stocker des énergies renouvelables. Or la production d’hydrogène propre, qui consiste à «casser» des molécules d’eau en hydrogène et en oxygène à l’aide d’un courant électrique, demeure problématique. Elle est pour l’instant beaucoup trop coûteuse pour rivaliser avec les sources d’énergies conventionnelles.

A l’EPFL, l’équipe de Demetri Psaltis présente un système de production d’hydrogène par électrolyse de l’eau simplifié et adaptable. En jouant avec les forces inhérentes à la mécanique des fluides, les chercheurs ont montré qu’il était possible de se passer de la membrane coûteuse placée entre les électrodes dans les systèmes conventionnels existants. Une découverte qui a fait l’objet d’une publication dans Energy and Environmental Science.

Un démonstrateur microfluidique révolutionnaire

Dans un système traditionnel, deux électrodes sont plongées dans l’eau et séparées par une membrane en polymère. Un courant électrique est envoyé dans l’une des électrodes (la cathode), puis est récupérée par l’autre (anode). Le courant, aidé par un catalyseur, provoque la séparation des molécules d’eau en oxygène et en hydrogène. Afin d’éviter que ces deux gaz ne se mélangent et entraînent une explosion, on implante une membrane de polymère entre les catalyseurs, qui maintient les deux gaz séparés.

Dans le domaine académique et industriel, ces membranes à conductivité ionique sont pour la majorité fabriquées en Nafion, en raison de leur stabilité. Elles coûtent cher, leur durée de vie est limitée, et elles ne peuvent fonctionner que dans des solutions très acides, ce qui limite le choix des catalyseurs.

Pour s’en débarrasser, les scientifiques ont placé les électrodes à moins d’une centaine de micromètres l’une de l’autre, dans un dispositif microfluidique. Lors du passage du liquide à une certaine vitesse entre les électrodes, les gaz sont entraînés dans des directions opposées grâce à un effet de portance (effet Segré-Silberberg), sans qu’il y ait besoin de membrane pour les diriger.

Ce design ouvre la voie à la fabrication de dispositifs pouvant fonctionner avec tous types de liquides électrolytes (contenant des ions) et tous types de catalyseurs. Jusqu’ici, seuls les catalyseurs faits de métaux nobles tels que le platine pouvaient résister au pH imposé par la membrane. Sans membrane, il n’est plus nécessaire de maintenir un taux d’acidité très élevé dans la solution, ce qui permettrait d’utiliser des catalyseurs variés et moins onéreux. "Notre dispositif peut en outre potentiellement surpasser les performances des systèmes traditionnels impliquant une membrane", explique MoMohammad Hashemi, premier auteur de la publication. Les électrolytes liquides ont en effet une conduction ionique plus élevée que les membranes traditionnelles"

Le défi consiste à présent à passer d’un dispositif microfluidique à des systèmes utilisable à l’échelle standard. Comme la seule partie qui doit rester petite est la distance entre les électrodes, les chercheurs étudient notamment la possibilité d’utiliser de larges surfaces d’électrodes, qui font figure de "mur" entre les minuscules canaux remplis d’électrolyte.

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Papijo

Des électrodes placées à moins de 100 microns (0,1 mm) l’une de l’autre et de plusieurs mètres carrés (si on sort du laboratoire), ça tient longtemps sans se boucher ou sans entrer en contact et créer un court-circuit ?

Pastilleverte

YAPLUKA si j’ai bien compris…. (pourrait, devrait et potentiellement) Soyons positifs et souhaitons bonne chance à l’ EPFL

Samivel51

Serait-ce un trait profondement francais? Ou simplement une carateristique des lecteurs d’Enerzine? A chaque innovation, on s’attache avant tout a demontrer que ca ne marchera jamais. Comme si l’innovation etait avant tout un danger. La France est par exemple la championne du monde du “principe de precaution”. Ca me rappelle le banquier Danglars dans Monte Cristo: “Investir dans les chemins de fer? Mais vous n’y pensez pas! Quand les trains entreront dans les tunnels a la vitesse vertigineuse de 14 km/h, les passagers mourront ecrases sous la pression!”…

Devoirdereserve

@Papijo : l’un des principes de la microfluidique, c’est de fabriquer et faire travailler en parallèle des milliers/millions/milliards de micro-réacteurs. Chacun ne fait que quelques mm2. @Tony : les méthodes de fabrication sont, souvent, les mêmes qu’en micro-électronique, avec des coûts de production qui plongent dès qu’on passe à l’échelle. Un peu de lithographie, de la découpe laser… Mais ça peut-être aussi des méthodes de fabrication plus légères, comme on en voit dans les FabLabs, MakerSpaces et autres HackerSpaces… de la lithographie ou de la découpe laser, aussi, mais hors salle blanche, avec des équipements à quelques k€… Cerise sur le gâteau, le dispositif est thermodynamiquement réversible, sans rien changer. Autrement dit : c’est l’électrolyseur ET la pile-à-combustible. Donc, même si en pratique on en utilise deux, le coût plonge puisque c’est le même objet. Tiens, j’ai bien envie de m’en faire une paire pour tester le rendement global…

Bibi51

Ce que je voudrai pour mon projet de “générateur électrique pour V.H.” moins cher à fabriquer! Qui pourrai me brancher sur un motoriste volontaire?… Car le V.E. n’aboutira jamais sur un produit acceptable pour le grand public JC BIdois

Lionel-fr

Les extruders des fabLabs utilisent des matériaux peu enclins à travailler sous pression. D’autre part et c’est récurrent en impression 3D, on est obligé de faire avec les matériaux bruts, càd qu’on peut pas armaturer avec des fibres. Même remarque dans la fabrication des maisons d’ailleurs. Par contre, on peut produire des moules sur les objets imprimés et passer à l’étape injection mais ce n’est pas du tout la même démarche même si les coûts peuvent chuter grâce qux économies d’échelle (l’extrusion se prète pas bien à la fabrication en volume) M’enfin bref, pour égaler en qualité les processus industriels dans un design aussi sensible que le crackage de l’eau sous pression , les FabLabs sont un peu limités même si un tas de pièces détachées peuvent être extrudées, le corps des engins est forcément sous pression .. Je dis ça parce que je l’ai fait et qu’à un moment donné , j’ai renoncé pour ne pas risquer plus de vies que la mienne ! Je pense que la fabrication d’hydrogène à bas coût est l’affaire des géants industriels qui font homologuer leurs procédés. J’éspère que l’hydrogène ne deviendra pas aussi ennuyeux que le PV et qu’on pourra continuer à bricoler des trucs avec mais j’ai bien peur que son industrialisation le rende plus inaccessible au commun des mortels que les engins à pétrole ou gaz lourd genre propane. L’hydrogène, c’est un peu le méthane en pire, si vous voyez ce que je veux dire. C’est certainement un révolution dans l’énergie mais pour les artisans , la tâche consistera surtout à se procurer des machines-outil. Le corps des machines quant à lui se commandera par internet et les restrictions quant aux modifications seront fortes Tant qu’on est en HHO et qu’on ne met rien sous pression, c’est facile mais dés qu’on dépasse 5bar, les choses se compliquent Aussi , il est très difficile de se faire une idée sur les travaux de l’EPFL car on ne peut pas savoir où en sont les autres et même si ce procédé sera viable en contexte d’hydrogène-énergie. Ce dernier avatar de l’hydrogène repose sur des méthodes industrielles assez récentes mais leur transposition à l’impression 3D reste à démontrer, cela n’enlève rien à la révolution des extruders mais pour l’instant , j’exclue les pressions de travail > à 3bar en extrusion quel que soit le matériau (plastique, ABS, Résines, PLA, PLS..) du fait de la nature de la fab additive qui ne tolère aucune armature (fibres, métal) dans les objets produits

Devoirdereserve

Je parlais juste de la plaque constituant le micro-réacteur d’électrolyse…

Tech

à papy papijo et elle sont de quelle tailles les membranes de désalinisation de l’eau de mer en quantité industrielle? les solutions de filtrage existent et heureusement! au passage papy, les centaines de microns c’est gigantesque par rapport aux “nano” tech ;o)) et les nanotech c’est aujourd’hui !

Lionel-fr

Ok, honnètement , je trouve qu’il manque un croquis à cet article 🙂 Je comprends très bien ce qu’on veut faire mais je fais mal la jointure entre “micro-fluidique” , “passage du liquide à une certaine vitesse” et la nécessaire collecte des gaz en sortie de réacteur Je ne vois pas comment on accélère un fluide dans un micro-réacteur , et encore moins comment on peut transformer des gaz en eau + courant.. Pour avoir fait le design de plusieurs engins de ce genre, je sais comment accélérer le fluite en utilisant sa propre énergie de convection et évidemment , j’ai exploité cette énergie pour “éloigner les bulles” et logiquement rapprocher les électrodes mais là je ne vois pas trop le rapport avec micro. Pire : si les réacteurs sont nombreux et enfermés dans une enceinte sous pression , comment collecter les gaz puisque le risque de rencontre indésirable augmente avec le nombre de réacteurs…. Anyway même avec une membrane, le risque de mélange existe en cas de rupture de pression d’aun coté ou de l’autre entrainant la détente des deux cotés et fort logiquement, le mélange tant redouté Mais une rupture étant un accident, le système de sécurité se met alors en marche et ferme les électrovannes + déclenche des exceptions de sécurité comme l’aération du local ou autre.. Mais là je dois dire que je suis un peu perdu..

Papijo

Il faut faire une distinction entre le mm3 et les milliers ou millions de m3 ! Pour l’instant, la technologie “marcherait” à l’échelle du mm3. Attendons qu’elle ait progressé avant d’écrire des articles triomphalistes ! Au fait, ce n’est pas moi qui ai écrit: “Le défi consiste à présent à passer d’un dispositif microfluidique à des systèmes utilisable à l’échelle standard”. C’est les chercheurs de l’EPFL eux-mêmes (dernièrre phrase de l’article ci-dessus)

Devoirdereserve

@Lionel-fr Evidemment, le schéma serait utile. J’ai accès à la publication, il y a tout ce qu’il faut dedans. Mais le copyright… Si je trouve un croquis ailleurs, je le poste, promis. Bon en gros : le réacteur, c’est un injecteur, un micro-canal de quelques mm de long, bordé de part et d’autre par les électrodes. Le fluide s’écoule en régime laminaire strict : il me semble que c’est bien ça, une des spécificité de ce genre de dispositifs micro-fluidiques. Les bulles restent donc coincées au voisinage de leur électrode de naissance respective. La seule cause de mélange est la diffusion des gaz dissouts. Jusque là, rien de nouveau. Puis, au bout du réacteur, une intersection en T, avec un point d’arrêt, permet d’évacuer le fluide vers deux sorties, où chacun des gaz est collecté. C’est là, je crois qu’est l’idée clé : le dimensionnement du T conditionne le non mélange des bulles. @Papijo : et oui, il faut de l’imagination pour anticiper que l’on peut passer du PC avec un processeur à un coeur, à une grappe de milliers de processeurs multicoeurs, parfaitement identiques. Evidemment, les conditions dans lesquelles le “scale-up” se fait avec performances sont parfois délicates. Mais après coup, on se dit qu’il était évident que cela marcherait… puisqu’on a fait que multiplier le micro-dispositif initial, avec en plus les bienfaits de la statistique.

Lionel-fr

Merci , votre explication me suffit, si j’en veux plus je les contacterai. Je comprends mieux votre souhait de prototyper un engin, cela dit vous serez également soumis au copyright et donc les fablab’s vous poseront problème. Fablab est une marque déposée par le MIT qui implique une licence open-source sur les projets développés. Par contre de nombreux équivalents commerciaux existent , enfin nombreux, c’est aller vite en besogne, il seront nombreux “un jour” Sinon je vais avoir une Ultimaker 2 sous la main .. Je travaille le plus souvent sous Blender mais Autodesk commence à truster l’univers des petites applis quasi gratuites (scanner 3D via smartPhone notamment) Stocker l’hydrogène dans des ballons de baudruche est quand même léger , je voudrais passer à l’étape plastique-armaturé (fibre)

Tech

j’admire votre envie de passer à la réalisation, mais stocker de l’H2 sous pression c’est du lourd ! les bulles de O2 et de H2 qui restent chacune du coté de leur électrode et qu’on récupère au bout du flux, OK, mais après , faut comprimer ! et être bien sur que tout ces gaz n’ait pas l’occasion de se recombiner et d’éviter les étincelles , sinon, boum!

Devoirdereserve

Oh non, pas Blender, pas AutoDesk ! Utilisez OpenScad, pour le côté open-source. Ou 3DSlash pour le côté fun.

Lionel-fr

J’ai regardé openScad, ça me rappelle POV, j’ai adoré POV .. Mais depuis j’ai découvert d’autres univers. D’abord la CSG (constructive solid geometry) nécessite d’être entièrement calculée avant de situer les polygones.. Càd qu’il faut un second format interne au logiciel simplement pour assurer l’affichage ! Ici c’est le .dxf , bonjour Autocad des 90’s .. .dxf ne gère que des triangles, si vous voulez plus d’angles, il suffit d’ajouter des triangles.. ouais .. c’était vrai en 90 mais les choses ont quand même évolué OK , c’est vrai que les booléens sont nuls sous blender, difficile de les employer pour faire un trou dans une structure pex.. En CSG , tous les objets sont infinis et créés aux coordonnées 0,0,0 puis déplacées et sizées, enfin on ajoute d’autres objets via opérateurs logiques AND, OR, XOR, NOT… C’est génial, les primitives restent mathématiquement parfaites jusqu’au dernier moment.. càd , jusqu’à la conversion en dxf ! Mais comme on peut le voir dans Maya, Blender, Catia etc… Les conversions de primitives en polygones sont très aléatoires.. Souvent complètement ratées elles se contentent de placer les sommets et les arrètes au bon endroit, une sphère parfaite à l’écran car calculée au millieme de pixel , va se transformer en sphère approximée avec des triangles et le résultat est MOCHE ! Importez au moins votre dxf sous blender pour avoir la surface subdivisée (lissage) mais aïe ! Blender ne travaille qu’en quadrilatères , zut son mode dxf triangle ne vous permet pas de retravailler votre mesh correctement , rezut, il va falloir trouver un vieux programme utilisant des triangles en natif pour faire ça correctement et rezuzuzut : ces programmes sont si vieux q’il manque 50% des fonctions indispensables pour faire de l’extrusion ! Donc , plutôt que d’apprendre le language OpenScad, apprenez plutôt python, le language de script de blender, il a lui aussi une librairie math double précision et gère toutes les fonctions de Blender qui a au moins le mérite d’être un logiciel moderne , mis à jour 2 fois par an , qui connait le mpeg ! possède trois renders internes (l’ancien, Cycles, OpenGL) Par contre , comme j’aime bien POV, j’aime bien le language OpenScad , et il existe quand même sous Blender une fonction “reshape” qui duplique une topologie en lowpoly , la zone sélectionnée de votre objet se retrouve avec une “deuxieme peau” qui est peut être au format blender (quads) plutôt qu’en triangles.. à tester.. Pour écrire des objets 3D en code autre que script python, il y a le format collada qui est un xml, reste à calculer les offset/ratio pour convertir ça vers autre chose. Mais le collada est si répandu que vous trouverez sûrement des passerelles intéressantes sur internet bonne pêche , mais je ne vois pas comment faire de la 3D sans passer par un grand logiciel moderne

Lionel-fr

J’ai parlé un peu vite.. La société MarkForged a créé une imprimante 3D qui imprime de la fibre de carbone (ou fibre de silice (verre)) Si vous préférez une interview en anglais dans un salon : Vous pouvez donc extruder des objets prévus pour supporter l’hydrogène sous pression enjoy..

Devoirdereserve

Top la MarkForged, merci pour le lien. Où ai-je mis ma carte bleue ?

Lionel-fr

Ok, l’engin et les matériaux ne sont pas donnés. Il y a quelques solutions à ce problème, la première consiste à mutualiser l’utilisation de la machine, ça prend du temps et suppose de créer une structure qui embauche des gens. Argh ! on est d’accord , embaucher en France , c’est un peu comme mettre la main dans l’huile de friture, une sorte d’hara-kiri franchouillard où tout le monde vous applaudit pendant que vous agonisez.. Désolé d’avoir été si grossier.. L’autre méthode est de recourir aux services facturés d’une société qui a eu les couilles de le faire , comme Sculpteo. Or Sculpteo possède des machines très intéressantes : plutôt à poudre qu’à filament mais à part la ceramique , on reste dans l’ABS dont les propriétés mécaniques ne permettent pas de supporter l’hydrogène sous pression ou en tous cas pas supérieure à 2 ou 3bar Néammoins vous pouvez remettre à plus tard l’aspect “robustesse” de votre objet et commencer par travailler le le rendement en expulsant les gaz vers de ballons de baudruche. Si vous n’avez pas encore sauté le pas de l’extrusion , c’est ce que je vous conseille, vous devrez alors vous familiariser avec un logiciel modeleur comme Blender, Autocad, Sketchup, Catia…. Je vous confirme que ça marche très bien.. On a même l’avantage de pouvoir vider facilement le ballon de son air avant de le remplir d’HH ce qui évite les accidents. Lorsque votre objet sera au point , vous pourrez passer à l’étape “mise sous pression” et vous mettre en quète d’un fournisseur qui peut extruder vos modèles en kevlar ou silice Evidemment, c’est moins long de prototyper un modèle qui réponde à toutes les contraintes en une seule fois. Mais c’est aussi beaucoup plus hasardeux que de procéder par étapes.. La méthode empirique a toujours été la seule possible pour acquérir les connaissances en réalisant .. Mais les Fablabs sont encore rares et leur modèle économique ne les rend pas très attractifs, donc il faudra faire avec ça. Anyway, comme l’extrusion d’engins de guerre est toujours à craindre, il y aura toujours des restrictions quant à l’usage des meilleures machines , le meilleur moyen de passer outre ces restriction est de le faire rapidement (les autorités vont bien mettre 10 ans avant de comprendre le problème de mettre ce genre de machine entre de mauvaises mains). Il en résultera sans doute des restrictions d’usage excessives, castratrices, inutilement punitives .. Mais il ne faut pas trop en vouloir à l’autorité , les élus ne sont pas forcément des flèches en technique , ce n’est pas le critère pricipal pour se faire élire.. C’est la vie

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