Le 9 décembre dernier, Gen-Hy a inauguré à Orly sa première unité pilote de fabrication de membranes AEM pour la production d’hydrogène vert à haut rendement. Une première en France.
Pour comprendre l’intérêt de la solution apportée par Gen-Hy, il faut se rappeler au moins sommairement l’intérêt et les limites des 3 possibilités d’obtenir de l’hydrogène vert par électrolyse. La technologie PEM, à membrane échangeuse de protons, est aujourd’hui privilégiée parce qu’elle permet d’obtenir de l’hydrogène d’une grande pureté exploitable dans les piles à combustible pour la mobilité.
En revanche, du fait de l’emploi de matériaux critiques, l’électrolyse PEM est coûteuse, obligeant à trouver d’autres pistes pour obtenir de l’H2 vert compétitif. Couplée à de la chaleur fatale issue d’une activité industrielle, l’électrolyse à haute température apparaît intéressante. L’absence de matériaux coûteux permet d’envisager de l’hydrogène vert bon marché, avec un rendement qui pourrait dépasser les 90 % (84 % aujourd’hui dans le démonstrateur développé par Genvia à Béziers). Cette solution est cependant loin d’être mature et, surtout, elle demande des conditions spécifiques pour disposer de haute température perdue. Et l’électrolyse alcaline ?
Electrolyse alcaline ou AEM
Pour lancer à grande échelle la production d’hydrogène vert, il faut commencer par exploiter une technologie mature qui peut être déployée facilement. C’est le cas de l’électrolyse alcaline à membrane échangeuse d’anions. Pas de matériaux critiques non plus, ce qui permet d’envisager un prix raisonnable au kilo.
Deux inconvénients cependant : une difficulté d’adapter le fonctionnement des électrolyseurs à des productions intermittentes d’énergie comme le solaire et l’éolien. Et, surtout, une pureté insuffisante pour la mobilité à PAC H2. Par ailleurs le rendement oscille entre 53 et 70 %, assez proche de la technologie PEM. Gen-Hy vient bouleverser la donne en apportant à la solution AEM ce qui lui manquait jusqu’à présent pour l’envisager plus largement et durablement. Ainsi un rendement de 85 %, et une haute pureté de l’hydrogène compatible avec les besoins des piles à combustible embarquées dans des véhicules très divers.
Fonctionnement de l’électrolyse alcaline
De façon générale, un électrolyseur compte 2 chambres distinctes pour séparer l’hydrogène et l’oxygène produits par les électrodes. Cette configuration favorise la circulation des ions.
A l’occasion de l’inauguration de sa nouvelle unité de production à Orly (94), Gen-Hy a rappelé le fonctionnement d’un système AEM : «
Dans l’électrolyse alcaline classique, un diaphragme séparateur est placé entre les 2 chambres. Il permet le passage du liquide par des microporosités ouvertes et impose d’écarter les chambres du séparateur afin d’éviter que les gaz produits ne traversent avec le liquide d’une chambre à l’autre ». Avec quel inconvénient ? «
Le phénomène de mélange des gaz, appelé ‘cross-over’, diminue les rendements et la pureté des gaz produits. L’écart entre les électrodes augmente la tension nécessaire à l’électrolyse, diminuant également le rendement », souligne Gen-Hy.
Une membrane étanche aux gaz
Qu’apporte la nouvelle membrane AEM qui va être produite à Orly ? Elle autorise le passage des ions tout en étant parfaitement étanche aux gaz. L’entreprise a également conçu des stacks (générateurs d’hydrogène) autour de sa pellicule «
dans une architecture zero-gap ». C’est en plaçant les électrodes directement au contact avec elle que Gen-Hy obtient de hauts rendements de l’ordre de 85 % avec une grande pureté de l’hydrogène vert ainsi produit.
Concrètement, en améliorant l’efficience des systèmes, l’entreprise française hisse l’électrolyse alcaline en concurrent sérieux de la solution à haute température. Son savoir-faire est unique en France, et rare à l’échelle européenne. Lauréate de l’édition 2020 du concours d’innovation i-Nov de l’Ademe, la nouvelle membrane a nécessité plus de 5 ans de travaux en R&D. En collaboration avec le laboratoire Armines rattaché à Paris Tech et l’Ecole des Mines.
Processus de fabrication de la membrane AEM
Lors de l’inauguration de sa nouvelle unité, jeudi 9 décembre dernier, Gen-Hy a levé le voile sur le processus de fabrication artisanale de sa membrane AEM. La ligne de pré-industrialisation est installée dans les 1 000 m² de bâtiments qui abritent aussi le siège social et le laboratoire interne. Elle démarre avec l’introduction dans un malaxeur d’un mélange composite dont la recette n’a pas été révélée.
A l’issue de cette première opération est obtenue une pâte intermédiaire appelée «
Précurseur », rapidement placée à l’étude. Il en sort une matière sèche et poudreuse qui, avec ajout d’un liquide, donne le pâton prêt à être mis en forme. Après découpe, passage au laminage afin de recueillir une membrane à la bonne épaisseur. Grâce à elle, l’intensité surfacique des électrolyseurs alcalins atteint un niveau jamais connu de 0,7 A/cm2, contre 0,3 A/cm2 en général. La pellicule peut même encaisser temporairement des charges à plus de 1,2 A/cm2, lors de pics de production d’hydrogène.
