Soutenance de thèse de M Konakpo Parfait Kamara

Résumé : La France dans le but de décarboner son mix énergétique et baisser ses émissions de CO2 a décidé d’investir massivement dans la production décarbonée d’hydrogène comme vecteur d’énergie pour des applications de mobilités ou stationnaires[1]. Sur le million de tonnes d’hydrogène produit en France, 96 % est produit par vaporeformage d’hydrocarbures. La stratégie Française vise à développer la filière hydrogène en investissant dans l’installation d’électrolyseurs. De plus les dernières découvertes d’énormes gisements d’hydrogène naturel (46 millions de tonnes d’hydrogène en Lorraine) crée l’enthousiasme et agrandi le champ des perspectives. [2]. Une autre filière de production d’hydrogène décarboné dont on parle le moins est la filière biologique qui présente un grand potentiel de diversifications des voies de productions. L’hydrogène issu de ces filières pose le problème de sa qualité pour une application dans la mobilité ou le stationnaire dans des systèmes de pile à combustible.
L’objet de ces travaux de thèse est de définir des stratégies pour l’utilisation du bio hydrogène ou hydrogène naturel par la technologie de pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) et en passant par les étapes de production de l’hydrogène jusqu’à sa conversion électrochimique.
La première partie a consisté à étudier l’impact des impuretés ou diluants (N2, Ar, He, CH4, CO2) contenus dans l’hydrogène issu des filières biologique et natif dans une demi-cellule (cellule de diffusion de gaz, GDE). Ensuite cette étude a été étendue à une mono cellule de pile à combustible à membrane échangeuse de protons. Enfin un réacteur biologique à échelle du laboratoire a permis de produire de l’hydrogène à partir de sources organiques par photo fermentation (PF) qui a ensuite été testé en GDE. Plusieurs techniques de caractérisations électrochimiques et physicochimiques comme la voltammétrie cyclique, la chrono amperommétrie, la mesure de surface électro-active par CO stripping, la microscopie électronique à balayage et à transmission, la chromatographie ionique etc…ont permis d’évaluer les performances de la PEMFC alimenté par du bio hydrogène ainsi que son impact sur les éléments d’une pile à combustible.
Les résultats de l’activité des électrodes pour la réaction d’oxydation de l’hydrogène en GDE ont mis évidence des effets de limitations par le transport de matières pour l’ensemble mélange, avec des comportements particuliers observés pour le mélange à l’azote, et les mélanges au méthane et au dioxyde de carbone qui en plus de la dilution ont un effet d’empoisonnement au monoxyde de carbone de l’électrode.
Ensuite, les tests en mono cellule alimenté par les mélanges H2/Ar, H2/N2 et H2/CO2 à 30 et 40 % volumique en H2 pour une application stationnaire ont révélé des pertes de performances plus importantes pour le mélange au dioxyde carbone, les mélanges à l’argon et à l’azote ont des performances quasiment équivalentes. Ces pertes de performances sont dues à des pertes de surfaces électro actives.
Enfin la production de bio hydrogène par PF a montré que le choix de la biomasse, le prétraitement et la souche bactérienne influençaient la qualité du biogaz produit et les performances électrochimiques obtenues à partir de ce dernier sans étapes de purification.
Références
[1] « Présentation de la stratégie nationale pour le développement de l’hydrogène décarboné en France ». Consulté le: 11 janvier 2024. [En ligne]. Disponible sur: https://www.economie.gouv.fr/presentation-strategie-nationale-developpement-hydrogene-decarbone-france
[2] « Le plus gros gisement d’hydrogène naturel du monde vient d’être découvert en France », SudOuest.fr. Consulté le: 11 janvier 2024. [En ligne]. Disponible sur: https://www.sudouest.fr/economie/energie/le-plus-gros-gisement-d-hydrogene-naturel-du-monde-vient-d-etre-decouvert-en-france-17826239.php