Fraunhofer ISE démontre des couches de transport ultrafines pour électrolyseurs

Couche finale microporeuse sur un substrat en fibre de titane après le processus de sérigraphie. Lors d'une étape suivante, les deux couches sont frittées. La couche microporeuse, avec une rugosité de surface réduite, permet une interface optimisée avec la couche de catalyseur. En conséquence, la charge en iridium du catalyseur peut être réduite et des membranes plus fines sont possibles. © Fraunhofer ISE/Joscha Feuerstein

La pâte composée de poudre de titane, de solvant et d'additifs est appliquée sur la grille de pression. Ensuite, la pâte est étalée à l'aide d'une raclette à travers la grille comme une fine couche microporeuse sur un substrat en fibres de titane. © Fraunhofer ISE/Joscha Feuerstein

L'image de microscopie par balayage laser montre la réduction significative de la rugosité de la surface. © Fraunhofer ISE

Pour la production d'hydrogène vert par électrolyse, les membranes échangeuses de protons (PEM) sont l'une des technologies les plus prometteuses. Afin de réduire les coûts matériels et de fabrication des électrolyseurs PEM, l'institut Fraunhofer pour les systèmes énergétiques solaires ISE recherche des procédés de production évolutifs. Il a désormais été possible pour la première fois de fabriquer des couches de transport poreuses ultrafines en titane par impression sérigraphique, ce qui permet de diminuer les coûts des matériaux catalytiques. Des installations industrielles évolutives courantes ont été utilisées. Lors du salon Hannover Messe (31.03.-04.04., Halle 13, C41), l'institut présente, aux côtés d'autres innovations, des échantillons de la couche de transport microporeuse optimisée.

L'électrolyse PEM est une technologie centrale pour le lancement sur le marché de l'économie de l'hydrogène vert, car elle peut fonctionner avec une haute densité de courant et une offre électrique flexible issue des énergies renouvelables. Au cœur de ses performances, en plus de la membrane catalysée, se trouvent les couches de transport poreuses (Porous Transport Layers, PTL). « En tant que 'poumon' de la membrane catalysée, les PTL sont notamment responsables du transport de l'eau et des gaz. L'optimisation des PTL et de leurs propriétés de surface constitue un levier majeur pour réduire les coûts et augmenter la performance de l'électrolyse PEM », explique Stefan Bercher, chef de projet au Fraunhofer ISE.

Pour améliorer les propriétés de surface, des couches de titane microporeuses (microporous layers, MPL) sont appliquées entre la couche PTL et la membrane catalysée. Grâce à leur faible rugosité de surface, elles permettent d'utiliser des couches catalytiques avec une charge en iridium nettement réduite, en améliorant considérablement l'adhérence et l'utilisation du catalyseur. Elles simplifient également l'utilisation de membranes plus fines, ce qui réduit les pertes ohmiques. L'objectif du groupe de projet du Fraunhofer ISE était d'optimiser la MPL à base de titane pour qu'elle soit parfaitement adaptée à la couche catalytique à contacter, et de la réaliser aussi fine que possible, car ces métaux représentent une des principales sources de coûts dans les électrolyseurs. « Au Fraunhofer ISE, nous disposons de plusieurs décennies d'expérience dans la fabrication et la caractérisation de composants pour l'électrolyse PEM. Nous utilisons ce savoir-faire dans l'ingénierie des interfaces pour optimiser conjointement ces deux couches, et non plus séparément comme auparavant », explique Tom Smolinka, responsable du département électrolyse et infrastructure hydrogène au Fraunhofer ISE.

Preuve de concept réussie avec la technique d'impression sérigraphique

Pour l'impression des structures MPL ultrafines, le Fraunhofer ISE mise sur la technique de sérigraphie, dont l'institut possède une longue expérience dans la production photovoltaïque. La sérigraphie permet un contrôle précis de l'épaisseur et de la structure des couches, ce qui donne à l'équipe de projet un fort potentiel pour cette technologie.

Lors de séries de tests, les chercheurs ont examiné si les PTL recouverts de couches de transport microporeuses obtenaient de meilleurs résultats que ceux disponibles commercialement. Les différentes étapes de fabrication et leurs paramètres, depuis la préparation de l'encre avec des particules de titane jusqu'au processus de sérigraphie sur des installations industrielles, puis la frittation, ont été optimisées. Lors de la caractérisation des couches MPL imprimées sur une PTL grossière, la rugosité de surface et la performance ont été particulièrement mesurées. « Nous avons pu imprimer des couches très fines d'environ 20 µm d'épaisseur et réduire la rugosité de surface de 46 %. Cela améliore le contact avec la couche catalytique, dans laquelle la charge en iridium, un métal précieux, est constamment réduite », explique Stefan Bercher. Cela est essentiel pour atteindre les objectifs européens en matière d'économie de matériaux et de lancement sur le marché, malgré des ressources limitées. L'équipe de recherche recherche désormais des partenaires industriels pour continuer à optimiser et adapter la couche microporeuse aux couches de transport poreuses spécifiques à chaque client.

Autres innovations du Fraunhofer ISE présentées au Hannover Messe :

Sur le stand du Fraunhofer ISE dans le cadre de l’exposition « Hydrogen+ Fuel Cells Europe », d’autres innovations sont également visibles :

Outre la fabrication de PTL et MPL, le Fraunhofer ISE étudie d’autres procédés sur mesure pour la fabrication d’unités membrane-électrode (MEA) pour électrolyseurs et piles à combustible, du laboratoire à l’échelle industrielle. Les chercheurs disposent d’un savoir-faire approfondi en développement de procédés et d’encres pour la sérigraphie et le revêtement par extrusion. Sur leur stand, ils présentent différentes conceptions de MEA avec une charge en métaux précieux réduite, fabriquées à partir de matériaux commercialement disponibles.

L’exposition 3D « Infrastructure hydrogène » montre une infrastructure locale typique, autonome, comprenant production, distribution et stockage régionaux, ainsi que des points de raccordement à des infrastructures nationales et internationales. Elle illustre ainsi l’étendue des compétences du Fraunhofer ISE tout au long de la chaîne de valeur de l’hydrogène.

Conférences du Fraunhofer ISE au Hannover Messe

31 mars, 15h00-15h20, Forum public, Halle 13 : Prof. Dr. Christopher Hebling : « Des barrières aux ponts : défis et solutions du marché mondial de l’hydrogène »

1er avril, 11h00-12h30, Forum technique, Halle 13 : Conférences « Hydrogène chez Fraunhofer »

Séance 1 : Production d’hydrogène « Performance électrochimique et fabrication » : Stefan Bercher : « Optimisation de l’interface entre l’électrode et la PTL pour augmenter la performance électrochimique dans les cellules d’électrolyse à eau PEM »