Coordinatrice: LEFEBVRE-JOUD Florence (LITEN-CEA) florence.lefebvre-joud(at)cea.fr
Le projet CELCER-EHT vise le développement de cellules d’Electrolyse de la vapeur d’eau à Haute Température (EHT) offrant des niveaux de performance et durabilité au-delà de l’état de l’art actuel :
- En 2024, grâce à une amélioration aigue des matériaux de cellule actuels, un niveau de dégradation de 1%/1000h lors d’un fonctionnement à 0.85 A/cm² et 1.3V par cellule, ainsi qu’une robustesse de l’électrode à hydrogène autorisant un temps de démarrage à froid de 8h et de démarrage à chaud de 300s.
- A l’horizon 2026, grâce à la mise en œuvre de nouveaux matériaux considérés aujourd’hui comme très prometteurs, un niveau de dégradation de 0,7%/1000h lors d’un fonctionnement à 1 A/cm² et 1.3V par cellule.
Ces cibles, incluses dans les feuilles de route française et européenne, conditionnent la commercialisation de l’EHT et positionne le projet CELCER-EHT en réponse directe de la priorité n°1 du plan national Hydrogène : « décarboner l’industrie en faisant émerger une filière française de l’électrolyse ».
La stratégie de recherche pour atteindre ces objectifs ambitieux est centrée sur le développement de matériaux et de procédés et se décline en deux temps. A court terme, le projet vise à tirer le meilleur parti des matériaux de cellule aujourd’hui les plus prometteurs (cermet Ni-YSZ, zircone dopée et oxydes de type perovskite) en optimisant leurs compositions, leurs microstructures et leurs interfaces. A plus long terme, la recherche porte sur le développement de nouveaux matériaux de cellule (e.g. cérine dopée, nickelates et produits de décomposition), de nouvelles microstructures (e.g. poudres cœur-coquilles, interfaces fonctionnalisées, texturation) et sur leur mise en œuvre dans une cellule totalement en rupture.
Les développements matériaux et procédés intègrent le cahier des charges spécifique et extrêmement sévère de l’EHT et sont organisés suivant une démarche exhaustive depuis l’accroissement des propriétés intrinsèques des matériaux jusqu’à la définition de microstructures spécifiques de l’électrolyse intégrées et optimisées en cellule. Cette démarche s’appuie d’une part sur des caractérisations avancées de plusieurs natures (chimique, électrochimique, mécanique et microstructurale), à différentes échelles (matériau, cellules symétriques, cellules complètes) et dans les conditions opératoires et d’autre part sur les résultats de modélisation et de simulation multi physique et multi échelle constituant des jumeaux numériques.
Les partenaires du projet sont tous des scientifiques reconnus dans le domaine des cellules céramique pour l’EHT. Ils rassemblent le socle d’expertises nécessaire à l’atteinte des objectifs ambitieux du projet : en chimie du solide sur différentes familles de céramiques ou de vitrocéramiques (CIRIMAT, IMN, ICMCB et UCCS), en catalyse (ICPEES), en dépôt et caractérisation de couches minces céramiques avec différentes techniques de dépôt (FEMTO, IRCP, GREMI et LEPMI), en mise en œuvre des céramiques (CEA-LR, CEA Liten et IRCER), en électrochimie (CEA-Liten, ICMCB, IMN, IRCP et LEPMI), ainsi qu’en caractérisation microstructurale avancée et modélisation multi-physique et multi-échelle (CEA-Liten, ICPEES et LGF). Tel que constitué, le consortium a la capacité d’accélérer le développement de céramiques complètement nouvelles et de les mettre en œuvre dans des cellules au-delà de l’état de l’art dans un délai réduit.
Au sein du PEPR H2, Le projet CELCER-EHT se positionne en complémentarité des projets PROTEC et FLEXISOC . Ces trois projets seront conduits en étroite synergie car bien qu’ils concernent des cahiers des charges, des matériaux et des tests différents, ils font appel aux mêmes domaines d’expertise.
