Des chercheurs de l’Université du Tennessee, Knoxville (UTK), menés par le professeur Feng-Yuan Zhang, procèdent à une restructuration du cœur des électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEM). Ce travail vise à réduire les coûts de production et à améliorer la stabilité de l’hydrogène vert pour soutenir un marché mondial en expansion.
L’hydrogène s’impose progressivement comme une alternative aux combustibles fossiles, trouvant des applications dans les transports, les processus industriels et les systèmes de stockage d’énergie. Selon les projections actuelles, la demande mondiale pour l’hydrogène vert devrait augmenter de plus de vingt fois pour atteindre une valeur de 230 milliards de dollars d’ici 2035. Cette croissance exponentielle impose une urgence technologique : accroître l’efficacité de la production tout en faisant chuter les coûts de revient.
La restructuration technique des électrolyseurs PEM
Au sein du Tickle College of Engineering de l’Université du Tennessee, Knoxville, le professeur Feng-Yuan Zhang, spécialisé en génie mécanique et aérospatial, et le professeur adjoint de recherche Weitian Wang, concentrent leurs travaux sur la réingénierie des électrolyseurs à membrane échangeuse de protons (PEM). Cette technologie est particulièrement prisée pour sa capacité à fonctionner à basse température et sa réactivité rapide face aux fluctuations de l’approvisionnement électrique. Cependant, son adoption à grande échelle est freinée par des coûts d’investissement initiaux élevés.
L’approche de l’équipe de recherche consiste à intervenir directement sur le cœur de l’appareil : l’électrode. En se focalisant sur la couche de catalyseur, Zhang et Wang cherchent à combler le fossé qui sépare encore les performances observées en laboratoire et une exploitation commerciale viable. L’objectif est de transformer un processus actuellement coûteux en une méthode de production industrialisable et économiquement compétitive.
Le défi réside dans la gestion des compromis physiques et chimiques inhérents à ces systèmes. Zhang souligne la difficulté de concilier les exigences techniques et les impératifs économiques :
Nous essayons d’améliorer les performances et la stabilité, tout en réduisant les coûts en même temps.
Feng-Yuan Zhang, professeur de génie mécanique et aérospatial
Il précise que ces objectifs sont souvent antinomiques : Ces éléments fonctionnent généralement l’un contre l’autre.
Réduire la dépendance aux métaux de terres rares
La stratégie de réduction des coûts déployée par l’UTK est multidimensionnelle. L’un des axes majeurs concerne la composition chimique des composants. Les électrolyseurs actuels dépendent lourdement de métaux de terres rares, dont le coût est élevé et l’approvisionnement parfois complexe. En modifiant la structure de la couche de catalyseur, les chercheurs tentent de limiter l’utilisation de ces matériaux coûteux sans sacrifier la capacité de réaction de l’électrolyseur.
Au-delà de la composition chimique, l’optimisation porte également sur les processus de fabrication. L’équipe de recherche travaille sur la réduction du temps de production et la simplification des étapes de fabrication des électrodes. Chaque gain de temps dans la chaîne de montage et chaque simplification des processus de dépôt des matériaux contribuent à abaisser la barrière financière qui limite actuellement la production d’hydrogène vert.
Vers une commercialisation de l’hydrogène vert
Le passage de la recherche fondamentale à l’application industrielle nécessite un accompagnement structurel. Dans ce cadre, l’University of Tennessee Research Foundation (UTRF) joue un rôle de partenaire stratégique pour les travaux de Zhang. L’organisme intervient sur plusieurs fronts, notamment en fournissant des conseils sur la protection de la propriété intellectuelle et sur les stratégies de divulgation des inventions. Avec plus de 15 divulgations et trois brevets d’utilité américains en attente, les travaux de Zhang sur les électrolyseurs s’inscrivent dans une volonté de transfert technologique concret.
Si les avancées sur la génération d’hydrogène par électrolyseurs PEM sont cruciales, elles constituent une étape indispensable avant de pouvoir traiter les problématiques de stockage à grande échelle. La viabilité de l’économie de l’hydrogène dépendra de cette capacité à produire une molécule propre à un prix capable de concurrencer les énergies carbonées traditionnelles.