Confié au LEMTA* au printemps 2022, le prototype de compresseur d’hydrogène électrochimique a enfin été livré à l’Agence spatiale européenne (ESA) pour les missions aérospatiales du futur !
Giuseppe Sdanghi, enseignant-chercheur au LEMTA, présente le système de compression électrochimique d’hydrogène conçu et construit de toutes pièces au LEMTA, dans le cadre d’un projet collaboratif avec l’ESA et le CEA-Irig de Grenoble :
“L’ESA nous a confié la mission de faire du froid et même du froid extrême puisqu’il s’agit de descendre sous -250°C afin d’assurer le bon fonctionnement de capteurs embarqués dans l’espace. Nos travaux de recherche ont abouti à la réalisation d’un prototype d’un système couplé compresseur d’hydrogène électrochimique + sécheur à membrane polymère, dont l’intérêt est de supprimer toutes les vibrations occasionnées par un compresseur mécanique, qui réduisent la qualité des observations extraterrestres. L’hydrogène à haute pression issu de ce dispositif, qui est extrêmement sec, est ensuite injecté dans une détente Joule-Thomson, qui permet de créer du froid, et cela sans qu’aucune pièce n’entre en mouvement”.
L’équipe composée de Jean-Yves Morel – service Conception et réalisation mécanique, Giuseppe Sdanghi, Gaël Maranzana et Jérôme Dillet – équipe Hydrogène et systèmes électrochimiques, a été invitée en avril 2024 au Centre européen de recherche et de technologie spatiales (ESTEC) aux Pays-Bas, pour présenter le prototype de compresseur d’hydrogène non mécanique à l’équipe d’ingénieurs de l’ESA.
Le système de compression consiste en un empilement de 4 cellules et, est basé sur la technologie des membranes échangeuses de protons, permettant une compression de 1:100 bar en une seule étape. Le système a une capacité de débit massique de l’ordre de 1 mg/s d’hydrogène à 100 bars, mais le débit pompé peut être fortement augmenté en fonction du nombre de cellules utilisées.
Une autre originalité du projet est le système de séchage du débit à haute pression, qui utilise une membrane polymère du même type que celles utilisées dans les piles à combustible :
“Ce système de séchage très flexible peut atteindre une température de point de rosée inférieure à -60°C, ce qui se traduit par une concentration d’eau de 0,1 ppm et une pureté des gaz de sortie inférieure à N5.0. Un sécheur structuré de cette manière permet de s’affranchir des méthodes de séchage couramment utilisées, telles que les cycles TSA ou PSA, qui sont très exigeantes en termes de puissance et de rejet de chaleur. Un tel système convient aux applications aérospatiales, mais aussi aux applications terrestres de l’hydrogène, telles que l’injection dans des gazoducs ou le stockage dans des cavités salines souterraines.”
Le système de compression électrochimique développé s’est avéré étanche à des pressions élevées et a été validé pour un niveau TRL 4. Néanmoins, plusieurs mécanismes de transport et d’électrochimie au sein du dispositif restent à comprendre :
“L’ESA a validé les objectifs fixés au début du projet en termes de conception du système. Cependant, l’optimisation du transport des gaz et la gestion de l’eau dans le compresseur électrochimique sont cruciales pour maîtriser son fonctionnement. A cet effet, une thèse débutera en octobre, avec pour objectif de lever les derniers verrous scientifiques à la compréhension fine de l’ensemble des phénomènes intervenant lors d’un fonctionnement sous pression. De nouvelles aventures sont encore au rendez-vous !”
* Laboratoire Énergies & Mécanique Théorique et Appliquée (CNRS/Université de Lorraine)