Les processus électrochimiques comme l’électrolyse de l’eau prendront de plus en plus d’importance à l’avenir à la lumière du changement climatique et de la nécessité qui en résulte d’une transition énergétique et des matières premières. L’Institut Fraunhofer de microingénierie et microsystèmes IMM collabore avec hte GmbH pour développer des cellules électrochimiques modulaires. Ces Flow Cells sont utilisées dans des tâches de criblage, contribuant ainsi à optimiser les processus de production électrochimiques, tels que l’électrolyse de l’eau.
Dans le contexte de la transition énergétique et des matières premières, les procédés électrochimiques présentent un avantage, car ils fonctionnent à l’électricité plutôt qu’à des réactifs chimiques. Ils peuvent également réagir activement aux fluctuations de l’alimentation électrique en connectant des processus électrochimiques en cas d’excès d’électricité et en les éteignant en cas de manque d’électricité.
Un cas d’utilisation important est l’électrolyse de l’eau. Cela génère de l’hydrogène, une source d’énergie flexible et facile à transporter qui joue un rôle central dans la transition énergétique. Pour cette raison, Fraunhofer IMM développe et améliore des microréacteurs électrochimiques, également connus sous le nom de « cellules à circulation » – destinés à être utilisés dans des processus de synthèse verte comme l’électrosynthèse et comme moyen d’étudier l’électrolyse de l’eau.
Ces microréacteurs permettent le développement et le criblage des synthèses à l’échelle du laboratoire, tout en permettant simultanément de transférer la synthèse à l’échelle pilote. Aux côtés de hte GmbH, basée à Heidelberg, Fraunhofer IMM a développé un concept modulaire et flexible pour une cellule à circulation électrochimique qu’ils ont utilisé pour des tâches de criblage à haut débit en électrocatalyse.
« Les processus chimiques peuvent être contrôlés avec précision à l’aide de microréacteurs. Cela s’applique également à nos cellules électrochimiques, qui peuvent être utilisées pour optimiser les processus de production électrochimiques, par exemple lorsqu’il s’agit de production chimique durable ou d’électrolyse de l’eau. La conception permet de tester un certain nombre de catalyseurs et de conditions de traitement en très peu de temps.
« Des modifications doivent être apportées aux plates-formes de criblage pour l’électrocatalyse. Outre l’électrocatalyseur lui-même, les conditions du processus telles que la pression, la température, la tension des cellules, les débits et la composition de l’électrolyte doivent également être étudiées. C’est là que nos réacteurs à circulation entrent en jeu. jouent un rôle dans le système de criblage », explique le Dr Patrick Löb, chef du groupe Flow Chemistry du Fraunhofer IMM à Mayence.
Un concept de réacteur basé sur une pile de plaques
Le concept de réacteur de base développé par Fraunhofer IMM pour les applications électrochimiques utilise une conception à empilement de plaques. Une seule cellule électrochimique est constituée d’un ensemble de plaques d’électrodes et d’autres composants. La pile peut contenir soit une cellule pour un fonctionnement individuel, soit un ensemble de cellules pouvant fonctionner en parallèle, en série ou dans une combinaison des deux. Le mode de fonctionnement parallèle est particulièrement adapté aux tâches de contrôle. Il est donc possible d’étudier l’influence du matériau de la membrane sur le processus électrochimique puisque différentes membranes peuvent être installées dans chacune des cellules électrochimiques de l’empilement, qui sont par ailleurs les mêmes. Les résultats de l’enquête peuvent ensuite être utilisés pour sélectionner la meilleure membrane pour le procédé.
« Le réacteur permet un grand nombre de variations cellulaires, ce qui signifie que différents matériaux de membrane et électrocatalyseurs peuvent être modifiés et testés, par exemple », explique le chercheur. Les Flow Cells de hte GmbH sont uniques dans le fait que leur structure cellulaire fondamentale (la configuration du réacteur) peut être davantage variée.
Un premier prototype de module de criblage comportant quatre cellules électrochimiques disposées en parallèle a été livré et est en cours de validation. Nous sommes en train d’étendre ce système à 16 cellules parallèles. Ces réacteurs peuvent être utilisés par exemple pour étudier la manière d’optimiser l’électrolyse de l’eau. Ici, il faut déterminer quels électrocatalyseurs et membranes augmentent l’efficacité du processus. Grâce à leur conception modulaire, ils peuvent également être utilisés pour d’autres processus.
En conséquence, la conception actuelle des cellules permet de couvrir diverses configurations de réacteurs, par exemple avec différents espacements d’électrodes, illustrant le large éventail d’applications. Les nombreuses configurations de réacteurs permettent d’adapter la plateforme de criblage à différents domaines d’application. Ainsi, d’autres tâches peuvent également être envisagées en plus de l’électrolyse de l’eau, comme la production de principes actifs pharmaceutiques ou la décomposition des déchets lors du traitement des eaux usées.
Selon les premières estimations, les tests parallèles, rendus possibles par les nouvelles cellules à circulation électrochimiques, pourraient accélérer jusqu’à quatre fois le criblage des catalyseurs par rapport aux approches classiques adoptées dans les expériences à long terme. Au cours de l’année, les nouvelles Flow Cells devraient être intégrées dans l’usine pilote de hte GmbH.
« De manière générale, nous pouvons apporter des adaptations spécifiques à nos microréacteurs électrochimiques évolutifs afin qu’ils puissent être utilisés dans différents types de tâches. L’électrochimie connaît actuellement une renaissance motivée par la recherche de procédés de synthèse verts et les efforts visant à utiliser directement (excessivement) durablement l’énergie générée », résume Löb.