Étude de cas : Mousse de titane pour les électrolyseurs d'eau PEM

Introduction

Stanford Advanced Materials (SAM), une source fiable de matériaux avancés et de métaux spéciaux, a récemment soutenu un projet de recherche universitaire aux États-Unis qui nécessitait une mousse de titane de haute qualité dans le cadre d'un électrolyseur d'eau PEM(membrane d'échange de protons).

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Le défi

L'équipe de recherche a approché SAM avec les exigences suivantes :

• Adéquation du matériau à la recherche sur les PEM - La mousse de titane devait démontrer sa stabilité lorsqu'elle était exposée à des conditions de fonctionnement très acides, typiques des électrolyseurs PEM.
• Intégrité structurelle et porosité - La mousse devait être mécaniquement stable tout en offrant des réseaux de pores appropriés pour faciliter la diffusion du gaz et la dispersion du catalyseur.
• Dimensions de l'échantillon à l'échelle de la recherche - Le test a nécessité un dispositif expérimental et l'essai d'une feuille de mousse de titane (20 cm × 20 cm × 5 mm) en laboratoire.

La solution

Le conseiller technique de SAM a recommandé l'utilisation de la mousse de titane TI1816, un produit de titane poreux de très haute qualité largement utilisé dans les applications énergétiques et électrochimiques.

La mousse de titane de SAM contient une couche d'oxyde naturelle qui la protège contre la corrosion dans les environnements acides. La mousse fournie présentait une surface élevée et une porosité ouverte, ce qui a augmenté l'utilisation du catalyseur tout en favorisant une libération efficace de l'hydrogène et de l'oxygène.

Les résultats

Le groupe de recherche a réussi à mettre en œuvre la mousse de titane de SAM dans ses activités de R&D concernant les électrolyseurs d'eau PEM. Les principaux résultats sont les suivants

• Validation de la mousse de titane en tant que substrat approprié - Le matériau a démontré qu'il pouvait servir de support d'électrode, en répondant aux exigences structurelles et de résistance à la corrosion.
• Amélioration de l'efficacité de la recherche - Les dimensions précises ont permis une intégration directe dans les assemblages d'essai sans usinage supplémentaire.
• Faciliter la R&D en matière d'énergie propre - Grâce à l'acquisition de mousse de titane auprès de SAM, le projet a poursuivi son objectif d'optimisation de l'efficacité des électrolyseurs et de la performance de la production d'hydrogène.

Qu'est-ce que la mousse de titane ?

La mousse de titane est un métal léger poreux tridimensionnel qui combine les avantages mécaniques et chimiques du titane avec les caractéristiques de performance uniques d'une structure en mousse. Elle est fabriquée à l'aide de méthodes telles que la métallurgie des poudres avec des techniques de support spatial, le moulage par congélation ou la fabrication additive (impression 3D), qui permettent de contrôler la porosité, la taille des pores et l'homogénéité de la structure.

Caractéristiques structurelles

La mousse de titane possède généralement une porosité comprise entre 40 % et 80 %, qui peut être ajustée en fonction de l'application souhaitée. La taille des pores peut être adaptée de quelques dizaines de microns à plusieurs millimètres, ce qui permet d'obtenir des caractéristiques de transport de masse sur mesure. Malgré sa structure ouverte, la mousse de titane présente une résistance à la compression et une rigidité par rapport à la densité très élevées, ce qui la rend résistante sous charge. La structure métallique continue assure une bonne conductivité électrique et convient donc comme support d'électrode ou collecteur de courant.

Caractéristiques principales

1. Résistance à la corrosion - Le revêtement TiO₂ du titane résiste à la dégradation par l'acide et l'oxydation.
2. Surface spécifique élevée - Offre de nombreux sites de réaction pour faciliter les réactions électrochimiques et le dépôt de catalyseurs.
3. Perméabilité aux gaz et aux fluides - Les pores sont reliés de manière à permettre l'évacuation des gaz et le transport de l'eau.
4. Structure à faible densité - La densité est plus faible que celle du titane solide, mais la résistance requise est conservée.
5. Biocompatibilité - Non toxique et compatible avec les systèmes biologiques, elle est donc également utilisée dans les applications biomédicales.

Applications de la mousse de titane

• Énergie et électrochimie : La mousse de titane sert de substrat d'anode, de support de catalyseur et de collecteur de courant dans les électrolyseurs d'eau PEM, ainsi que de champ d'écoulement et de couche de diffusion de gaz dans les piles à combustible. Elle est également utilisée comme échafaudage conducteur dans les batteries lithium-ion et à semi-conducteurs.
• Ingénierie biomédicale : La mousse de titane dans les échafaudages osseux et les implants osseux améliore l'ostéointégration et dans les prothèses dentaires et les implants chirurgicaux en raison de sa biocompatibilité et de sa ténacité.
• Traitement chimique et catalyse : Le titane est utilisé comme support de catalyseur dans les réactions d'hydrogénation et d'oxydation, ainsi que dans les filtres et réacteurs électrochimiques nécessitant une résistance à la corrosion.
• Aérospatiale et défense : La mousse de titane fournit des éléments structurels légers et résistants à la corrosion ainsi que des composites de gestion thermique pour les applications aérospatiales.

Pourquoi la mousse de titane et pas d'autres matériaux ?

Lors de la sélection des matériaux d'électrode et de substrat pour les électrolyseurs d'eau PEM, il existe plusieurs options, mais la mousse de titane présente certains avantages :

Pour plus d'informations et de matériaux avancés, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).

Qu'est-ce que la mousse de titane TI1816 de SAM ?

La mousse de titane TI1816 est un matériau poreux unique en titane fourni par Stanford Advanced Materials. Livré dans des dimensions, épaisseurs et taux de porosité spéciaux pour répondre aux exigences particulières des clients, il est fabriqué avec une pureté et une homogénéité structurelle élevées et convient particulièrement aux environnements exigeants tels que l'électrolyse, la catalyse et la recherche biomédicale.

Conclusion

Grâce à cette collaboration, Stanford Advanced Materials a fourni une mousse de titane sur mesure pour la recherche sur l'électrolyseur d'eau PEM. En répondant aux exigences du projet en matière de résistance structurelle et à la corrosion et en fournissant des dimensions précises, SAM s'est imposé comme un collaborateur fiable pour les clients de l'industrie et du monde universitaire.

Références :

[1] Lettenmeier, Philipp & Gago, Aldo & Friedrich, K. (2017). Protective Coatings for Low-Cost Bipolar Plates and Current Collectors of Proton Exchange Membrane Electrolyzers for Large Scale Energy Storage from Renewables. 10.5772/intechopen.68528.