Une technologie utilisée sur Mars pourrait contribuer à produire de l’énergie propre

Une nouvelle technologie développée par OxEon Energy avec le soutien du NETL pourrait bien révolutionner la production d’hydrogène. En s’appuyant sur le succès de missions spatiales précédentes, cette technologie ouvre la voie à un système stable, robuste et peu coûteux capable de produire de l’hydrogène à haute pression. Une étape cruciale vers la commercialisation d’énergies propres.

Des électrolyseurs inspirés de l’espace

OxEon a conçu et livré une pile à électrolyse à la mission Mars 2020 du rover Perseverance de la NASA, rappelle Drew O’Connell, chef de projet au NETL. Cette pile a répondu à tous les besoins de la mission, amenant la NASA à lui attribuer un niveau de maturité technologique de 9, une première pour une pile à oxyde solide. Cette technologie a servi de base au projet mené avec le NETL.

Dans cette collaboration, OxEon s’est attelé à faire fonctionner une cellule d’électrolyse à oxyde solide (SOEC) produisant de l’hydrogène à une pression élevée de 2 à 3 bars. Les SOEC fonctionnent de manière similaire aux piles à combustible à oxyde solide (SOFC) mais dans le sens inverse, produisant de l’hydrogène en le séparant de l’eau grâce à un courant électrique.

Surmonter les défis techniques

Ce projet visait également à relever les défis fréquemment rencontrés par l’industrie des SOEC. Notamment en mettant en œuvre des modifications de procédés et de composants de cellules pour démontrer de meilleures performances et stabilité des cellules, la récupération d’oxydation de l’électrode combustible, la stabilité des performances à travers des cycles thermiques, et l’évaluation de l’effet de contaminants.

Cette démonstration a impliqué de tester une pile pendant 1 800 heures en alternant entre les modes SOEC et SOFC. Le taux de dégradation était de 0,6% pour 1 000 heures en mode SOEC et 0,3% pour 1 000 heures en mode SOFC.

Des progrès encourageants

« La dégradation est une préoccupation majeure dans le développement des SOEC« , souligne Drew O’Connell. « L’amélioration des performances et de la stabilité démontrée dans ce test est un exemple de ce qui sera nécessaire pour atteindre les objectifs de coût et de performance du Département américain de l’Énergie, dont l’atteinte de 40 000 heures opérationnelles. Ces améliorations progressives des performances de base montrent également une voie vers une production d’hydrogène à faible coût.

L’équipe projet a également testé l’électrode SOEC au Pacific Northwest National Laboratory en l’exposant à de la vapeur toute une nuit pour oxyder complètement la partie nickel. Ils ont ensuite pu restaurer totalement les performances de la cellule simplement en appliquant une tension sans apporter de gaz hydrogène externe, démontrant la récupération d’oxydation.

Il est crucial de garder le nickel de l’électrode hydrogène dans un état métallique, donc montrer qu’il se rétablit après oxydation grâce à de l’hydrogène auto-généré était une réussite importante », explique Drew O’Connell. « Auparavant, une interruption des conditions de la boucle de recyclage pouvait causer une oxydation permanente et irréparable de l’électrode combustible. »

Par ailleurs, une pile SOEC testée à OxEon combinait l’électrode de combustible améliorée et une couche sans strontium sur l’électrode d’oxygène. La pile a démontré une récupération complète des performances après l’oxydation de l’électrode de combustible à base de nickel sans nécessiter la présence d’hydrogène dans l’entrée de vapeur.

Après cinq cycles de récupération de l’oxydation, la pile a été soumise à cinq cycles thermiques profonds, de la température de fonctionnement à la température ambiante. La pile n’a montré aucune perte de performance après chaque cycle thermique et a conservé de faibles caractéristiques de dégradation.

« La précipitation, la migration et la réaction du strontium avec d’autres composants de cellules sont des mécanismes de dégradation connus du fonctionnement SOFC/SOEC« , rappelle Drew O’Connell. « Donc pouvoir l’éliminer sans affecter les performances est une avancée importante.« 

En synthèse

Cette nouvelle technologie développée par OxEon Energy ouvre des perspectives prometteuses pour la production commerciale d’hydrogène propre. En s’appuyant sur des succès spatiaux, elle a permis de créer un système d’électrolyse solide performant et stable. Plusieurs défis techniques ont été surmontés, comme l’amélioration de la durée de vie des cellules ou la suppression d’éléments néfastes. Même si des progrès restent à faire, cette technologie constitue une étape cruciale vers des dispositifs énergétiques propres et compétitifs.

Pour une meilleure compréhension

D’où vient cette technologie ?

Cette technologie développée par OxEon Energy s’appuie sur une pile à électrolyse précédemment conçue et livrée par OxEon pour la mission Mars 2020 du rover Perseverance de la NASA. Cette pile spatiale a servi de base technologique pour le projet mené avec le NETL.

Comment fonctionne-t-elle ?

Il s’agit d’une cellule d’électrolyse à oxyde solide (SOEC) qui produit de l’hydrogène en le séparant de l’eau grâce à un courant électrique. Elle fonctionne de manière similaire à une pile à combustible à oxyde solide mais dans le sens inverse.

Quels défis techniques ont été surmontés ?

Plusieurs défis ont été relevés comme l’amélioration des performances et de la stabilité des cellules, la récupération de l’électrode combustible après oxydation, la suppression d’éléments néfastes comme le strontium, ou encore l’évaluation de l’effet de contaminants.

Quels sont les principaux résultats obtenus ?

Les tests ont montré une amélioration significative de la durée de vie des cellules, avec des taux de dégradation de seulement 0,6% pour 1000h en mode SOEC. L’équipe a aussi réussi à récupérer les performances d’une électrode oxydée, et à éliminer le strontium des cellules sans impacter les performances.

Quelles sont les prochaines étapes ?

Il faudra poursuivre les efforts pour atteindre les objectifs du Département américain de l’Énergie, comme 40 000 heures de fonctionnement. Cette technologie ouvre néanmoins la voie à une production compétitive d’hydrogène propre à grande échelle.

Légende illustration article : La cellule d’électrolyse à oxyde solide d’OxEon s’est révélée très prometteuse pour la production d’hydrogène à haute pression. Crédit OxEon Energy