L'hydrogène peut remplacer les combustibles fossiles et constitue donc un pilier important de la transition énergétique. L'idée est simple : l'électricité issue de sources renouvelables et l'eau donnent de l'hydrogène et de l'oxygène. Si l'on brûle l'hydrogène, il réagit avec l'oxygène atmosphérique pour former à nouveau de l'eau et la boucle est bouclée – sans aucune émission de gaz à effet de serre.

C'est du moins le cas idéal. Dans la réalité, la production d'hydrogène « vert » par électrolyse est fortement concurrencée. Plus de 90 pour cent de l'hydrogène est aujourd'hui produit à partir de sources fossiles, principalement du gaz naturel. La raison principale : l'hydrogène plus durable issu de l'électrolyse est environ deux fois plus cher à produire.

Dans le cadre d'un projet soutenu par le Fonds national suisse (FNS) et l'Agence nationale de la recherche (ANR) française, des chercheurs de l'Empa du laboratoire « Materials for Energy Conversion » veulent maintenant y remédier. Les matériaux utilisés pour la fabrication des électrolyseurs sont en effet un facteur de coût de l'électrolyse. En collaboration avec des chercheurs des instituts de recherche français Institut de la Corrosion à Brest et LEMTA à Nancy, les chercheurs de l'Empa travaillent à des alternatives moins chères pour deux composants clés des appareils d'électrolyse.

Ne pas craindre la corrosion

La technologie dite « Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolysis », ou PEMWE, est dans le collimateur des chercheurs. Les électrolyseurs PEMWE sont efficaces et compatibles avec les fluctuations d'énergie attendues des sources renouvelables. L'environnement qui règne dans l'électrolyseur est toutefois corrosif. Dans la chambre centrale de l'électrolyseur, l'acier se dissout tout simplement « comme du sucre dans une tasse de thé », explique Konstantin Egorov, chercheur à l'Empa. Même les composants qui ne sont pas en contact avec le milieu hautement acide se corrodent. Et même la plus petite quantité de métal dissous dans l'eau ultrapure qui s'écoule dans l'appareil pour l'électrolyse entraîne une baisse de ses performances et de sa durée de vie.

Les composants pour l'arrivée et l'évacuation de l'eau et des gaz produits à l'intérieur de l'électrolyseur sont donc en titane, un matériau à la fois coûteux et difficile à travailler. Mais cela ne suffit pas : pour éviter que le titane ne s'oxyde et ne nuise à l'efficacité de l'électrolyseur, les composants doivent encore être recouverts d'un métal précieux, le platine, ce qui augmente encore les coûts.

Le scientifique des matériaux Konstantin Egorov cherche donc des moyens de remplacer le platine coûteux sans compromettre la résistance à la corrosion. Pour cela, il mise sur une forme particulière d'oxyde de titane, le rutile hautement cristallin à faible teneur en oxygène. Dans cet oxyde, il manque des atomes d'oxygène à certains endroits, ce qui confère au matériau une bonne conductivité, tandis que sa haute cristallinité assure une grande résistance à la corrosion – exactement les conditions requises pour l'électrolyse PEMWE. Les chercheurs remplacent le matériau porteur, le titane, par de l'acier. « L'acier est non seulement moins cher, mais aussi beaucoup plus facile à travailler. Cela permet de concevoir de nouveaux composants avancés qui augmentent l'efficacité de la cellule », explique Konstantin Egorov. Grâce au revêtement robuste, l'environnement corrosif ne devrait plus avoir d’effet négatif sur le matériau.

La mise en œuvre dans l'industrie
Les premiers résultats confirment la grande résistance à la corrosion de ce revêtement innovant. « Nous avons pu développer une méthode pour revêtir avec succès d'oxyde de titane le premier composant de l'électrolyseur PEMWE, la plaque dite bipolaire », explique Konstantin Egorov. La méthode utilisée à cet effet par le scientifique de l'Empa s'appelle le dépôt physique en phase vapeur (en anglais « physical vapour deposition » ou PVD) et est très répandue dans l'industrie. « Il est important pour nous de développer quelque chose que l'industrie peut réellement utiliser », souligne le chercheur.

Les composants que Konstantin Egorov fabrique à l'Empa sont soumis par ses partenaires à des tests de corrosion approfondis, d'abord dans des conditions de laboratoire, puis dans un électrolyseur en fonctionnement. La plaque bipolaire a déjà passé les tests avec succès. Les chercheurs veulent ensuite revêtir d'oxyde de titane un autre composant clé, la couche de transport dite poreuse.

« Le revêtement de matériaux poreux comporte de nombreux défis », dit Konstantin Egorov. Les pores doivent être revêtus de manière uniforme afin d'éviter la corrosion du matériau sous-jacent, mais ils ne doivent pas non plus se boucher. L'expert en revêtement est toutefois confiant quant à la faisabilité de ce projet. Le projet se poursuit jusqu'en 2026, après quoi les chercheurs de l'Empa espèrent convaincre un partenaire industriel de développer cette technologie innovante en vue de sa commercialisation.