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Membranes pour purifier l’hydrogène : l’innovation tous azimuts !

Énergie du futur, l’hydrogène vert est pro­duit à par­tir d’énergies renou­ve­lables. Mais son exploita­tion pour des piles à com­bustible néces­site un très haut niveau de pureté. Plusieurs insti­tuts de recherche ont dévelop­pé de nou­velles mem­branes révolutionnaires.

La sépa­ra­tion par mem­brane per­met d’atteindre un degré de pureté supérieur à 99,9 % indis­pens­able pour faire fonc­tion­ner les piles à com­bustible. Sim­ple en théorie, cette solu­tion offre l’avantage d’être énergé­tique­ment économique. Mais ce procédé se heurte à deux prob­lèmes impor­tants : faible per­méa­bil­ité à l’hydrogène, gon­fle­ment dû à l’eau.

La mem­brane, en polymère, en céramique, en métal ou liq­uide, sert de sépara­teur. L’hydrogène s’y dif­fuse. Les chercheurs japon­ais du Nagoya Insti­tute of Tech­nol­o­gy ont dévelop­pé une mem­brane organique et inor­ganique for­mée de polymère poly­car­bosi­lane (PCS) déposé sur une couche d’oxyde d’aluminium perméable.

Le pro­fesseur Yuji Iwamo­to a ain­si indiqué : « En util­isant un PCS de haute masse molécu­laire avec un point de fusion supérieur à 200 oC, nous avons mon­tré qu’une mem­brane PCS super­hy­drophobe peut être déposée sur un sup­port tubu­laire mul­ti­couche, méso­poreuse y‑AI2O3 modifiée/macroporeuse a‑AI2O3. Avec ce développe­ment tech­nologique, nous nous atten­dons à de gros pro­grès dans la pro­duc­tion durable d’hydrogène respectueuse de l’environnement. »

Ce sys­tème à mem­brane a été testé par sépa­ra­tion photo­électrochimique (PEC) et a obtenu de bons résul­tats, notam­ment pour la mem­brane PCS superhydrophobe.

Les con­clu­sions des essais réal­isés avec cette nou­velle mem­brane ont été pub­liés dans le jour­nal Sep­a­ra­tion and Purifi­ca­tion Tech­nol­o­gy.

Une mem­brane de sépa­ra­tion et de purifi­ca­tion de nou­velle génération

En décem­bre 2021, la start-up sin­gapouri­enne Divi­Gas a annon­cé une lev­ée de fonds de 3,6 mil­lions de dol­lars pour la con­struc­tion de la pre­mière usine de fab­ri­ca­tion de mem­branes polymères de sépa­ra­tion pour récupér­er et puri­fi­er l’hydrogène.

Divi­Gas a ain­si indiqué que chaque année, 110 mil­liards de dol­lars d’hydrogène gazeux sont pro­duits dans les raf­finer­ies, les usines chim­iques et d’engrais. Or, 15 % (16 mil­liards de dol­lars) de cette pro­duc­tion sont per­dus à cause de la tech­nique du tor­chage. Divi­Gas a ain­si dévelop­pé une mem­brane pour recy­cler l’hydrogène gazeux. Pour une raf­finer­ie, cela veut dire trois à six mil­lions de dol­lars de gain par an et un retour sur investisse­ment de deux à trois mil­lions de dollars.

Divi‑H est, selon les ter­mes d’André Lorenceau, PDG de Divi­Gas, une mem­brane révo­lu­tion­naire. Un fil­tre pour recy­cler l’hydrogène irrécupérable et brûlé dans les torchères des usines a été instal­lé. Par ailleurs, la mem­brane est très résis­tante aux hautes tem­péra­tures et aux acides, jusqu’à 150 oC. La mem­brane est com­posée de fibres polymères de nou­velle généra­tion. Chaque tube com­prend 300 kilo­mètres de fibres creuses polymériques. Le gaz est ain­si poussé dans ces fibres et la pres­sion pro­duit la sépa­ra­tion molécu­laire de l’hydrogène. L’hydrogène pur sort à une pres­sion inférieure à la pres­sion de départ, ce qui le sépare des autres gaz.

Mais Divi­Gas tra­vaille sur un autre pro­duit : une mem­brane pour puri­fi­er le CO2. L’objectif est de capter les émis­sions des cen­trales élec­triques au char­bon et au gaz, des cimenter­ies et des aciéries. Cette mem­brane servi­ra à cap­tur­er le CO2 et à le stock­er, deux secteurs très onéreux en ter­mes de coûts financiers et énergétiques.

L’« ultime » mem­brane de purification ?

L’innovation dans le secteur de l’hydrogène est en réal­ité tous azimuts. Une équipe de recherche menée par Chris Arges, de l’Université d’État de Penn­syl­vanie, a indiqué en mars dernier avoir trou­vé un nou­veau moyen de puri­fi­er l’hydrogène grâce à de nou­velles membranes.

Ce sys­tème con­ver­tit le monoxyde de car­bone en dioxyde de car­bone lui-même soumis à un procédé d’absorption pour isol­er l’hydrogène. L’hydrogène puri­fié est par la suite pres­surisé grâce à un com­presseur, soit pour une util­i­sa­tion immé­di­ate, soit pour être stocké.

Selon Chris Arges, la clé est d’utiliser de très hautes tem­péra­tures, mais aus­si une mem­brane à élec­trolyte polymère (MEP), donc échangeuse de pro­tons, capa­ble de sépar­er l’hydrogène du dioxyde de car­bone et du monoxyde de car­bone très rapi­de­ment et sans sur­coût. La pompe élec­trochim­ique équipée de la MEP est beau­coup plus effi­cace que les méth­odes con­ven­tion­nelles, car elle sépare et com­presse simul­tané­ment l’hydrogène du mélange gazeux. Cette pompe peut fonc­tion­ner à de très hautes tem­péra­tures, de l’ordre de 200 à 250 oC, soit 20 à 70 °C de plus que d’autres pom­pes MEP. Cela améliore la sépa­ra­tion de l’hydrogène des autres gaz.

Chris Arges, indique : « C’est une manière effi­cace et poten­tielle­ment peu chère de puri­fi­er l’hydrogène, surtout lorsqu’il y a de grandes quan­tités de monoxyde de car­bone. Per­son­ne n’a atteint ce niveau de pureté, surtout avec une ali­men­ta­tion en gaz qui con­tient plus de 3 % de monoxyde de car­bone et en util­isant une pompe hydrogène électrochimique. »

Dans la pompe, l’électrode chargée pos­i­tive casse l’hydrogène en deux pro­tons et deux élec­trons. Les pro­tons passent à tra­vers la mem­brane alors que les élec­trons nav­iguent à tra­vers la pompe con­nec­tée à un fil relié à l’électrode chargée pos­i­tive. Après avoir tra­ver­sé la mem­brane vers l’électrode chargée néga­tive, les pro­tons se recom­bi­nent avec les élec­trons pour reformer l’hydrogène. La MEP per­met le pas­sage des pro­tons, mais empêche les molécules de monoxyde de car­bone, de dioxyde de car­bone, de méthane et de nitrogène de la traverser.

L’équipe de Chris Arges tra­vaille égale­ment sur une pile à com­bustible équipée d’une mem­brane à élec­trolyte polymère haute tem­péra­ture pour les véhicules lourds comme les paque­bots, les poids lourds et les avions. « C’est dif­fi­cile d’électrifier ce type de véhicules avec des bat­ter­ies con­ven­tion­nelles, car celles-ci sont trop lour­des et le temps de recharge est trop long. Or les véhicules à hydrogène équipés de piles à com­bustible ne génèrent aucune émis­sion et n’ont pas besoin d’être rechargés », a souligné Chris Arges.

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