Un nouveau type d'acier inoxydable est optimisé pour l'électrolyse de l'hydrogène.
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Un projet de recherche dirigé par le professeur Mingxin Huang au département de génie mécanique de l'université de Hong Kong (HKU) a réalisé une toute nouvelle percée sur l'acier inoxydable conventionnel et le développement de l'acier inoxydable pour l'hydrogène (SS-H2).
Sous la direction du professeur Mingxin Huang du département de génie mécanique de l'université de Hong Kong, une équipe de chercheurs a mis au point un nouvel alliage baptisé acier inoxydable pour hydrogène (SS-H₂). Ce matériau est conçu pour résister aux conditions extrêmement corrosives et à haute tension rencontrées lors de l'électrolyse de l'eau, permettant potentiellement à un acier bon marché de remplacer certains composants en titane, coûteux, actuellement utilisés dans les systèmes de production d'hydrogène.
Lors de tests réalisés avec une solution de chlorure de sodium à 3,5 %, soit une concentration saline proche de celle de l'eau de mer, l'acier inoxydable SS-H₂ a résisté à la corrosion à des potentiels électrochimiques allant jusqu'à environ 1 700 mV. Ce potentiel dépasse les 1 600 mV environ associés à l'oxydation de l'eau dans les conditions expérimentales des chercheurs, et atteint un niveau où même les aciers inoxydables conventionnels très résistants à la corrosion rencontrent des difficultés, ce qui le rend particulièrement intéressant pour la production d'hydrogène vert.
L'hydrogène peut être produit par électrolyse de l'eau , un procédé qui consiste à faire passer un courant électrique à travers l'eau pour déclencher deux réactions électrochimiques. L'hydrogène se forme à la cathode, tandis que l'oxygène est produit à l'anode. Si l'électricité provient de sources renouvelables, l'hydrogène ainsi obtenu peut être produit avec de très faibles émissions de carbone liées à son fonctionnement, ce qui en fait un hydrogène « vert ».
L'eau de mer représente une source d'eau potentielle intéressante car elle est abondante et permet de réduire la consommation d'eau douce, une ressource de plus en plus précieuse. Cependant, l'eau salée crée un environnement particulièrement hostile pour les composants métalliques de l'électrolyseur. Les ions chlorure attaquent facilement de nombreux alliages, tandis que les composants situés du côté de l'anode productrice d'oxygène sont simultanément soumis à des potentiels électrochimiques fortement oxydants.
Même l'acier inoxydable, réputé pour son excellente résistance à la corrosion, finit par trouver ici son maître.
L'acier inoxydable ne rouille pas comme l'acier au carbone ordinaire ou le fer, notamment grâce à sa teneur en chrome. Le chrome contenu dans l'alliage réagit en surface pour former une pellicule d'oxyde protectrice extrêmement fine, composée principalement d'oxyde de chrome. Cette couche passive isole le métal sous-jacent de son environnement et peut se reformer en cas de dommage, conférant ainsi à l'acier inoxydable sa résistance à la corrosion.
Malheureusement, cette protection a ses limites.
À un potentiel électrochimique d'environ 1 000 mV, l'oxyde de chrome stable peut s'oxyder davantage, produisant des espèces Cr(VI) solubles. La couche protectrice commence alors à se dégrader, un processus appelé corrosion transpassive. Ceci pose problème, car l'oxydation de l'eau se produit à environ 1 600 mV dans les conditions étudiées par les chercheurs. Autrement dit, l'acier inoxydable conventionnel peut commencer à perdre le mécanisme même qui le protège de la corrosion plusieurs centaines de millivolts avant d'atteindre sa plage de fonctionnement prévue.
Même le 254SMO, un acier inoxydable « super austénitique » chargé de chrome, de nickel, de molybdène et d'azote et réputé pour sa résistance à la corrosion par piqûres dans l'eau de mer, rencontre ce point faible fondamental à des potentiels suffisamment élevés.
Une solution consiste à utiliser des matériaux plus résistants. Les électrolyseurs fonctionnant à l'eau de mer dessalée ou à des solutions acides utilisent généralement des composants structurels en titane, y compris du titane protégé par des revêtements coûteux en or ou en platine. Le titane supporte bien mieux ces conditions électrochimiques extrêmes, mais présente un inconvénient majeur : son prix est nettement supérieur à celui de l'acier.
L'équipe de Huang est donc revenue à l'acier inoxydable et a donné une seconde vie à sa protection contre la corrosion.
L'acier inoxydable expérimental pour alliage d'hydrogène présente la composition massique Fe-20,73Cr-20,2Co-17,7Mn-1,7Si, ce qui signifie qu'en plus de sa base en fer, il contient des quantités exceptionnellement élevées de chrome, de cobalt et, surtout, de manganèse. Les chercheurs ont coulé l'alliage par fusion sous vide par induction, l'ont forgé en une plaque à 1200 °C (2192 °F), l'ont homogénéisé à cette température pendant 4 heures, puis l'ont trempé dans l'eau. Le matériau obtenu possède une structure cristalline cubique à faces centrées, mais sa caractéristique la plus importante n'apparaît qu'à des potentiels électrochimiques élevés.
Comme l'acier inoxydable ordinaire, l'acier SS-H₂ repose initialement sur une passivation au chrome. Cependant, aux alentours de 720 mV, un phénomène inattendu se produit : le manganèse commence à former une seconde couche protectrice sur le film riche en chrome existant. À mesure que le potentiel augmente et que la protection au chrome classique atteint les conditions de dégradation normale, la couche à base de manganèse prend le relais.
L'équipe qualifie ce mécanisme de « double passivation séquentielle ». Ce phénomène est particulièrement contre-intuitif, car on a longtemps considéré que le manganèse nuisait à la résistance à la corrosion de l'acier inoxydable. « Au départ, nous n'y croyions pas, car l'opinion générale est que le manganèse altère la résistance à la corrosion de l'acier inoxydable », explique le Dr Kaiping Yu, premier auteur de l'étude.
L'analyse à l'échelle atomique a finalement convaincu les chercheurs que ce comportement étrange était réel. Au lieu de reposer sur une seule défense à base de chrome sur toute la plage de fonctionnement, l'alliage modifie en réalité son mécanisme de protection lorsque le potentiel électrochimique augmente.
Ce phénomène a permis à SS-H₂ de rester protégé dans une solution de NaCl à 3,5 % en poids jusqu'à un potentiel de rupture d'environ 1 700 mV par rapport à l'ECS – environ 700 mV de plus que le point auquel la passivation conventionnelle à base de chrome atteint sa limite transpassive, et surtout, au-dessus du potentiel d'oxydation de l'eau d'environ 1 600 mV mis en évidence par les chercheurs.
L'équipe a également testé le matériau dans un électrolyseur à eau salée, obtenant des performances comparables à celles des matériaux structuraux en titane utilisés dans les équipements actuels de production d'hydrogène. Cependant, cela ne résout pas à lui seul tous les problèmes liés à l'électrolyse directe de l'eau de mer. L'eau de mer engendre des difficultés supplémentaires dues à la chimie du chlore, aux catalyseurs, aux impuretés et aux dépôts. Le SS-H₂ permet de préserver le métal structural dans un environnement électrochimique salin à potentiel élevé, ce qui pourrait résoudre un problème particulièrement coûteux.
Les scientifiques principaux, le professeur Mingxin Huang et le docteur Kaiping Yu
Selon l'équipe de l'Université de Hong Kong, un système d'électrolyse à membrane échangeuse de protons (PEM) de 10 MW coûte environ 17,8 millions de dollars hongkongais (environ 2,3 millions de dollars américains), les composants structurels représentant jusqu'à 53 % de ce coût. Remplacer les composants onéreux en titane recouvert d'or ou de platine par du SS-H₂ permettrait, selon les estimations des chercheurs, de réduire le coût du matériau structurel concerné d'un facteur 40 environ !
Cela ne signifie pas pour autant que l'hydrogène produit deviendra soudainement 40 fois moins cher. L'électricité, les catalyseurs, les membranes, les équipements auxiliaires et de nombreux autres coûts demeurent. Cependant, une réduction drastique de l'un des principaux coûts matériels de l'électrolyseur pourrait contribuer à abaisser le coût d'investissement des systèmes de production d'hydrogène vert, notamment si l'acier s'avère finalement un matériau viable pour les équipements fonctionnant avec des matières premières issues de l'eau de mer.
Le développement a également dépassé le stade des premières phases expérimentales. Les chercheurs affirment avoir déjà produit des tonnes de fil à base d'acier inoxydable au hydrogène (SS-H₂) en partenariat avec un fabricant industriel, le projet s'orientant ainsi vers la fabrication de composants fonctionnels. Cependant, de nombreux défis d'ingénierie restent à relever avant que le fil ne soit commercialisé et éprouvé. Des composants tels que les mailles poreuses et les mousses doivent être produits à grande échelle, intégrés à des systèmes opérationnels et il est nécessaire de démontrer qu'ils conservent leur résistance exceptionnelle à la corrosion sur de longues périodes d'utilisation.
« Des matériaux expérimentaux aux produits concrets, tels que les mailles et les mousses, pour les électrolyseurs d'eau, il reste encore des défis à relever », a déclaré Huang.
Ce mécanisme pourrait avoir des implications bien au-delà de cet acier en particulier. En concevant des alliages où différents éléments assurent la protection à différents potentiels électrochimiques, les chercheurs pensent que la passivation séquentielle pourrait ouvrir la voie à des matériaux capables de résister à des environnements pour lesquels les aciers inoxydables conventionnels ne sont tout simplement pas conçus.