Nouvelles électrodes pour électrolyseurs H2/O2

par Paul Arcidiacono

Thèse de doctorat en Chimie et physico-chimie des matériaux

Sous la direction de Frédéric Favier.

Soutenue le 24-11-2016

à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques Balard , en partenariat avec Institut Charles Gerhardt (Montpellier) (laboratoire) .

Le président du jury était Deborah Jacqueline Jones.

Le jury était composé de Frédéric Favier, Deborah Jacqueline Jones, Thierry Brousse, Nicola Pinna, Alexis Grimaud.

Les rapporteurs étaient Thierry Brousse, Nicola Pinna.


  • Résumé

    L’efficacité énergétique d’un électrolyseur alcalin est liée aux surtensions de réactions aux électrodes. Dans le but d’améliorer cette efficacité, nous avons développé de nouvelles électrodes composites polymère/particules maximisant la surface active des meilleurs catalyseurs, les propriétés de conductivité électrique et de transport des espèces en choisissant le polymère-liant le plus avantageux pour la cinétique réactionnelle. Les notions théoriques et l’état de l’art des principaux matériaux d’anodes et de cathodes et des différents paramètres régissant le fonctionnement d’un électrolyseur alcalin sont présentés afin de faire une synthèse des nombreux travaux réalisés. Des méthodes de fabrication d’électrodes au laboratoire ou lors d’essais préindustriels ont été explorées et comparées. Les performances électrochimiques des cathodes et anodes composites développées pour les réactions de l’évolution d’hydrogène et d’oxygène en milieu alcalin concentré sont étudiées par voltammétrie cyclique, polarisation linéaire et spectroscopie d’impédance électrochimique. Ce travail donne lieu à la description des différents paramètres clés du fonctionnement des électrodes composites polymère/particules. Différentes formulations de cathodes et d’anodes ont donc été étudiées afin d’établir des corrélations entre les propriétés physico-chimiques des polymères liants et des particules sur le comportement électrochimique des électrodes réalisées. Ces résultats sont discutés en termes de surtension de réactions, de cinétique électrochimique et de densités de sites actifs. Enfin, les résultats de la mise à l’échelle des cathodes composites et de leur procédé de fabrication pour une application industrielle sont rapportés avec l’objectif d’intégrer celles qui ont démontré des performances supérieures à celles de l’état de l’art dans un dispositif prototype industriel d’électrolyse. La démarche de la mise à l’échelle, les moyens expérimentaux développés, et une partie des résultats des essais y sont présentés.

  • Titre traduit

    New électrodes for electrolyzers H2/O2


  • Résumé

    The electrolyzer efficiency is directly related to the electrode reaction overpotentials. To improve this efficiency, new composite electrodes with selected binders and electrocatalysts showing large active area have been formulated to enhance the electrochemical kinetics. First, a state of the art of electrode materials and electrolysis parameters have been reported in a relevant literature survey about different topics developed in the thesis manuscript. Then, a few laboratory and preindustrial electrode fabrication processes were explored and compared on both technical and economical aspects. Moreover, the electrochemical performances of composite cathodes and anodes for hydrogen and oxygen evolution reactions have been studied by cyclic voltammetry, linear polarization and electrochemical impedance spectroscopy. This comprehensive study leads to a precise description of the interfacial phenomena at the microscopic scale during gas production and the evaluation of key parameters for the formulation of advanced electrodes. Many electrode formulations were studied for the correlation of physicochemical properties of components and corresponding electrochemical behaviors. These results are discussed in terms of overpotentials, electrochemical kinetics and active site density. Finally, scale-up of composite cathode is reported. The aim of this work is to integrate the best formulated composite electrodes in a real scale prototype. The scale-up process, experimental devices developed and some electrochemical results are presented.

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