Électrodes 3D pour la production électrochimique d'hydrogène à grande échelle

(fre) L’hydrogène représente aujourd’hui l’un des moyens les plus prometteurs afin de répondre aux enjeux environnementaux parce qu’il peut être utilisé comme carburant pour les véhicules (bus, voitures,…) mais également pour stocker l’électricité résiduelle produite par les sources d’énergie comme le soleil et le vent. Utiliser de l’électricité verte pour produire de l’hydrogène à partir d'eau est actuellement la façon la plus durable et écologique pour remplir ces fonctions. L’objectif de ce mémoire est d’étudier le comportement électrochimique d’une cellule électrolytique dans laquelle des électrodes 3D formées de mousses métalliques sont utilisées afin d’augmenter la surface réactionnelle/l’interface électrolyte-électrode. En procédant ainsi, une diminution de la densité de courant dans la cellule et une amélioration du transfert de masse sont espérées. Des pompes permettant des flux adaptables sont employées pour alimenter en électrolyte la cellule Micro Flow Cell utilisée afin de réaliser nos différentes expériences d’électrolyse de l’eau. L’électrolyte est une solution 1M KOH ; le procédé est donc réalisé dans un milieu alcalin à un pH de 14. Les mousses métalliques avec des pores de différents diamètres et surfaces spécifiques sont composées de nickel qui en plus d’être bon marché possède une bonne activité électrocatalytique. Une procédure de voltammétrie cyclique a été implémentée afin de balayer la cellule en potentiel et ainsi mesurer le courant induit. Ce courant est la représentation électrique de la production de gaz. Une procédure galvanostatique a également permis de calculer le rendement faradique de la cellule. Les procédures galvanostatiques ont permis de mesurer que le rendement faradique pour la production d’hydrogène est proche de 100% ce qui montre le bon comportement de nos mousses en nickel comme électrocatalyseur. Le potentiel nécessaire pour maintenir le courant durant cette procédure s’est révélé être plus petit lorsque des électrodes 3D étaient présentes dans les compartiments anodique et cathodique que quand des électrodes 2D étaient employées. La consommation électrique est donc réduite. Les voltammétries cycliques réalisées à différentes valeurs de flux anodique et cathodique ont montré que pour une configuration où les mousses ne sont utilisées que du côté cathodique, aucune dépendance signification en débit n’a pu être remarquée quelque soit le diamètre de pores des mousses. D’un autre côté, pour une configuration où les mousses sont utilisées des deux côtés, augmenter simultanément les flux anodique et cathodique induisent une amélioration importante de la valeur du courant (et donc de la production d’hydrogène) en particulier pour des petits diamètres de pores. Élever la valeur du flux cathodique a le plus d’impact sur la mesure du courant

(eng) Hydrogen nowadays represents one of the most promising way to respond environmental issues because it can be used as a fuel for vechicles (buses, cars,...) but also to store residual electricity produced by intermittent sources of energy as the wind or the sun. Using green electricity to produce hydrogen from water is actually the most sustainable way to fulfill these functions. The objective pursued in this master thesis is to study the electrochemical behaviour of an electrolytic cell in which 3D electrodes formed of metallic foams are used in order to increase the overall reactional surface which is in fact the electrolyte-electrode interface. By doing so, lowering current densities and improving mass transfer are expected. Pumps with adaptative flows are used to feed in electrolyte the Micro Flow Cell used to realize different experiments on water electrolysis process. The electrolyte will be a solution of 1M ce{KOH} so the process is performed in an alkaline medium with a pH of 14. The metallic foams with different pores diameters and thus different specific areas are made of nickel which proves to be a good and especially cheap electrocatalyst. A cyclic voltammetry have been implemented to sweep the potential and measure the current which is the electrical representation of the gases production while a galvanostatic procedure allows to calculate the faradaic yield of the cell. From galvanostatic procedures, it has been measured that the faradaic yield for hydrogen production is close to 100% which shows a good behaviour of nickel foams as electrocatalyst. The potential necessary to maintain the current during these procedures has prooved to be lower when 3D electrodes have been mounted both in the cathodic and anodic compartments compared to the use of simple 2D electrodes/plates. The electrical consumption is thus reduced. The cyclic voltammetries realized at different flows show that for a configuration in which the foams are only used in the cathodic side, none significative fluxes dependance has been observed for any pores diameters. On the other hand, increasing both cathodic and anodic flows exhibits an important enhancement of the current value (and thus hydrogen production) in a configuration in which foams with small pores diameters are used on both sides. Raising the cathodic flux brings to the highest increase in current