Description des cellules d’électrolyse
Électrolyseurs de l’eau à membrane acide

1 - Procédés d’électrolyse de l’eau

• 1.1 - Types de cellules d’électrolyse de l’eau
  Figure 1 - Différentes façons d’utiliser une membrane échangeuse d’ions dans une cellule électrochimique Figure 2 - Principe de l’électrolyse de l’eau à membrane acide
• 1.2 - Procédé à membrane acide
• 1.3 - Performances comparées des procédés acide et alcalin

2 - Fondements théoriques

• 2.1 - Aspect thermodynamique
  Figure 3 - Variation de la tension thermodynamique E et de la tension enthalpique V d’électrolyse de l’eau liquide avec la température Figure 4 - Rôle de la pression et de la température sur les tensions thermodynamique et enthalpique d’électrolyse de l’eau Tableau 1
• 2.2 - Aspect cinétique
  Figure 5 - Caractéristique courant-tension schématique en électrolyse de l’eau à 298 K Figure 6 - Caractéristiques courant-tension obtenues à différentes températures (surface de l’échantillon S = 1 cm2) Figure 7 - Caractéristique courant-tension mesurée à 80 oC avec les différents termes constitutifs de la tension de cellule Figure 8 - Évolution du facteur de rugosité sur une membrane lisse ou abrasée en surface et de la teneur en platine en fonction du nombre de cycles de chargement – précipitation Figure 9 - Rôle de la température sur les différents termes de la tension de cellule à 1 A/cm2 Figure 10 - Rôle de la pression de fonctionnement sur la caractéristique courant-tension (AME 5 cm2) Tableau 2 Tableau 3
• 2.3 - Aspect énergétique : rendement d’électrolyse
  Figure 11 - Caractéristique courant-tension d’un électrolyseur GenHy 500 (12 cellules de 250 cm2) (source CETH)

3 - Description des cellules d’électrolyse

• 3.1 - Cellule d’électrolyse complète
• 3.2 - Électrolyte polymère solide
  Figure 12 - Schéma de principe d’une cellule d’électrolyse de l’eau à membrane acide Figure 13 - Formule chimique des membranes perfluorosulfonées Nafion Figure 14 - Microstructure d’un AME Pt/Nafion 117
• 3.3 - Électrocatalyseurs
• 3.4 - Distributeurs de courant
  Figure 15 - Clichés MEB montrant la microstructure de deux distributeurs en titane poreux
• 3.5 - Espaceurs et circulation des fluides
• 3.6 - Plaques séparatrices

4 - Préparation des assemblages membrane-électrode

• 4.1 - Prétraitements des membranes perfluorosulfonées
• 4.2 - Procédés
  Figure 16 - Profils de concentration obtenus par microsonde à balayage Figure 17 - Excitation ampérométrique d’une cellule à électrolyte polymère solide soumise à un train d’ondes galvanostatiques… Figure 18 - Réponse chronoampérométrique à l’excitation de la figure Figure 19 - Performances électrochimiques en électrolyse de l’eau, avant et après dépôt galvanostatique pulsé de platine, à deux températures de travail différentes

5 - Électrolyseurs

• 5.1 - Empilements cellulaires
  Figure 20 - Différents types d’empilement cellulaire
• 5.2 - Applications haute pression
• 5.3 - Durée de vie

6 - Équipement annexe de production

• 6.1 - Environnement de production
  Figure 21 - Schéma de principe du système de production
• 6.2 - Contrôle – commande
  Figure 22 - Électrolyseur automatisé de 100 NL/h (source CETH)

7 - Domaines d’application

• 7.1 - Débits inférieurs à 500 L/h
• 7.2 - Débits de quelques mètres cubes par heure
  Figure 23 - GenHy1500® fonctionnant sous 30 bar (source CETH)
• 7.3 - Débits supérieurs à 10 m3/h
• 7.4 - Applications militaires et spatiales

8 - Limitations et perspectives

• 8.1 - Analyse de coût
  Figure 24 - Ventilation des coûts dans un électrolyseur à membrane acide à 1 Nm3/h
• 8.2 - Densité de courant
• 8.3 - Électrocatalyse
• 8.4 - Température de fonctionnement
  Figure 25 - Influence de la pression et de la densité de courant sur la pureté de l’oxygène (AME Pt/Nafion 117/Ir)
• 8.5 - Pression de fonctionnement
• 8.6 - Couplage à des sources d’énergie renouvelable