La nouvelle technologie de production à grande échelle de Toshiba pour les électrodes d’électrolyse pour la production d’hydrogène à partir d’énergies renouvelables réduit l’utilisation d’iridium à 1/10
Promotion des électrolyseurs d’eau PEM pour la technologie power to gas qui contribueront à la réalisation d’une économie de l’hydrogène
TOKYO, le 06 octobre 2022–(BUSINESS WIRE)–Toshiba Corporation (TOKYO : 6502) a développé une technologie de production à grande échelle pour les électrodes qui réalise un haut niveau d’efficacité dans la technologie Power to Gas (P2G), un savoir-faire essentiel pour progresser vers une société neutre en carbone , tout en réduisant l’utilisation d’iridium, l’un des métaux précieux les plus rares au monde, à 1/10*1.
Ce communiqué de presse est multimédia. Consultez le communiqué complet ici : https://www.businesswire.com/news/home/20221006005600/en/
Figure 1 : Structure de MEA (Graphique : Business Wire)
P2G utilise l’électrolyse de l’eau pour convertir l’énergie renouvelable en hydrogène, pour le stockage et le transport là où elle est nécessaire. L’électrolyse à membrane électrolytique polymère (PEM) est considérée comme une méthode de conversion très prometteuse, car elle réagit rapidement aux fluctuations de puissance et est très durable. Cependant, PEM utilise l’iridium, l’un des métaux précieux les plus rares, comme catalyseur dans ses électrodes. L’application pratique nécessite la réduction de l’iridium utilisé, un véritable défi.
Toshiba a développé un catalyseur stratifié de nanofeuilles d’oxyde d’iridium qui a réduit les besoins en iridium à 1/10 en 2017. La société a maintenant développé une technologie de production à grande échelle qui dépose le catalyseur sur une surface maximale de 5 m2 à un moment donné. Cette avancée devrait faire avancer la commercialisation précoce du P2G pour la conversion d’énergie à grande échelle et contribuera à la réalisation de la neutralité carbone. Toshiba vise une commercialisation au cours de l’exercice 2023 ou après.
Plus de 120 pays et régions se sont fixé l’objectif de neutralité carbone d’ici 2050, et des mesures de décarbonisation sont envisagées aux niveaux national, régional et des entreprises. Les énergies renouvelables sont essentielles pour atteindre l’objectif et réduire les émissions de CO2, mais leur production fluctue considérablement en fonction du climat et des conditions météorologiques, et les installations ne peuvent être situées que dans des régions appropriées. Pour maximiser leur potentiel et garantir une alimentation électrique stable et abordable, une méthode de stockage et de transport de l’électricité à partir d’énergies renouvelables est nécessaire.
Le P2G est considéré comme une solution essentielle pour atteindre la neutralité carbone d’ici 2050. Il utilise l’électrolyse pour convertir l’électricité issue des énergies renouvelables en hydrogène, prêt à être stocké et transporté. La technologie clé du processus est les électrolyseurs d’eau qui convertissent l’énergie en hydrogène sans émettre de CO2. L’électrolyse de l’eau PEM, qui offre une excellente adaptabilité aux fluctuations de puissance et une grande durabilité, et l’Europe et les États-Unis ont ouvert la voie au développement du procédé actuel.
PEM utilise un ensemble membrane-électrode (MEA) qui intègre la membrane électrolytique et l’électrode (Fig. 1). La conversion à grande échelle de l’électricité en hydrogène nécessite un grand nombre de MEA, et les prévisions prévoient une échelle de marché d’environ 580 millions de dollars d’ici 2028*2.
Cependant, l’électrode MEA repose sur une grande quantité d’iridium pour assurer une efficacité électrolytique suffisante. L’iridium est l’un des métaux précieux les plus rares. La production mondiale annuelle est de l’ordre de 7 à 10 tonnes, bien moins que les 200 tonnes de platine, et elle coûte quatre à cinq fois plus*3. La formation d’électrodes nécessite un revêtement uniforme de fines particules d’oxyde d’iridium, mais la réduction de l’oxyde d’iridium entraîne une application inégale et des réactions non uniformes qui dégradent les performances de l’électrolyse de l’eau.
Le catalyseur multicouche de Toshiba utilise une nouvelle technologie de pulvérisation cathodique (Fig. 2) pour déposer des couches alternées de films de nanofeuilles d’oxyde d’iridium et de couches vides (Fig. 3). Lors de la pulvérisation cathodique, des ions, tels que l’argon, bombardent un matériau de dépôt, la cible, dans le vide, et déposent les particules éjectées sur un substrat (Fig. 2). Dans le processus de Toshiba, l’iridium est la cible et un film mince d’oxyde d’iridium est formé en injectant de l’oxygène lorsque la cible est déposée sur le substrat. Le contrôle de l’épaisseur est au niveau du nanomètre, réalisant le dépôt de couches d’oxyde d’iridium uniformes avec une plus petite quantité d’iridium.
L’utilisation de la structure de nanofeuilles stratifiées de Toshiba dans la couche de catalyseur réduit avec succès l’iridium requis à 1/10, tout en maintenant les performances d’électrolyse de l’eau (Fig. 4). Il augmente également considérablement la surface de dépôt. Comme la pulvérisation est réalisée sous vide, le dépôt sur une grande surface est difficile. Cependant, en modifiant le rapport de distribution de dépôt pour plusieurs cibles métalliques, y compris l’iridium, et le niveau d’apport d’oxygène, Toshiba a développé avec succès une technologie de production à grande échelle qui réalise le dépôt de catalyseur sur une zone allant jusqu’à 5 m.2 à la fois (Fig. 5).
En collaboration avec Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation, Toshiba a construit des prototypes MEA avec des électrodes basées sur la technologie développée et a commencé des tests d’évaluation avec un fabricant d’électrolyseurs d’eau. À l’avenir, la société améliorera le rendement et la qualité vers la production de masse de MEA, visant une commercialisation au cours de l’exercice 2023 ou après.
*1 : https://www.global.toshiba/content/dam/toshiba/migration/corp/techReviewAssets/tech/review/2018/03/73_03pdf/a03.pdf
https://www.global.toshiba/content/dam/toshiba/jp/technology/corporate/review/2022/04/a04.pdf
*2 : Estimation de Toshiba
*3 : https://matthey.com/pgm-market-report-2022
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