Produire de l'hydrogène bon marché par électrolyse simplifiée

Remplacer les carburants fossiles par de l'hydrogène est un rêve que poursuivent de nombreux scientifiques. Comme il n'émet aucune particule de CO2, l'hydrogène est un candidat idéal pour faire fonctionner des moteurs ou stocker des énergies renouvelables. Or la production d'hydrogène propre, qui consiste à «casser» des molécules d'eau en hydrogène et en oxygène à l'aide d'un courant électrique, demeure problématique. Elle est pour l'instant beaucoup trop coûteuse pour rivaliser avec les sources d'énergies conventionnelles.

A l'EPFL, l'équipe de Demetri Psaltis présente un système de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau simplifié et adaptable. En jouant avec les forces inhérentes à la mécanique des fluides, les chercheurs ont montré qu'il était possible de se passer de la membrane coûteuse placée entre les électrodes dans les systèmes conventionnels existants. Une découverte qui a fait l'objet d'une publication dans Energy and Environmental Science.

Un démonstrateur microfluidique révolutionnaire
Dans un système traditionnel, deux électrodes sont plongées dans l'eau et séparées par une membrane en polymère. Un courant électrique est envoyé dans l'une des électrodes (la cathode), puis est récupérée par l'autre (anode). Le courant, aidé par un catalyseur, provoque la séparation des molécules d'eau en oxygène et en hydrogène. Afin d'éviter que ces deux gaz ne se mélangent et entraînent une explosion, on implante une membrane de polymère entre les catalyseurs, qui maintient les deux gaz séparés.

Dans le domaine académique et industriel, ces membranes à conductivité ionique sont pour la majorité fabriquées en Nafion, en raison de leur stabilité. Elles coûtent cher, leur durée de vie est limitée, et elles ne peuvent fonctionner que dans des solutions très acides, ce qui limite le choix des catalyseurs.
Pour s'en débarrasser, les scientifiques ont placé les électrodes à moins d'une centaine de micromètres l'une de l'autre, dans un dispositif microfluidique. Lors du passage du liquide à une certaine vitesse entre les électrodes, les gaz sont entraînés dans des directions opposées grâce à un effet de portance (effet Segré-Silberberg), sans qu'il y ait besoin de membrane pour les diriger.

Ce design ouvre la voie à la fabrication de dispositifs pouvant fonctionner avec tous types de liquides électrolytes (contenant des ions) et tous types de catalyseurs. Jusqu'ici, seuls les catalyseurs faits de métaux nobles tels que le platine pouvaient résister au pH imposé par la membrane. Sans membrane, il n'est plus nécessaire de maintenir un taux d'acidité très élevé dans la solution, ce qui permettrait d'utiliser des catalyseurs variés et moins onéreux. "Notre dispositif peut en outre potentiellement surpasser les performances des systèmes traditionnels impliquant une membrane", explique MoMohammad Hashemi, premier auteur de la publication. Les électrolytes liquides ont en effet une conduction ionique plus élevée que les membranes traditionnelles"

Le défi consiste à présent à passer d'un dispositif microfluidique à des systèmes utilisable à l'échelle standard. Comme la seule partie qui doit rester petite est la distance entre les électrodes, les chercheurs étudient notamment la possiblité d'utiliser de larges surfaces d'électrodes, qui font figure de "mur" entre les minuscules canaux remplis d'électrolyte.