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RÉSUMÉ
L’électrolyse de l’eau permet d’obtenir de l’hydrogène et de l’oxygène de grande pureté. Mais le contexte énergétique actuel provoque un regain d’intérêt pour la production électrolytique d’hydrogène à partir de sources d’énergies renouvelables. La technologie à membrane acide, appelée PEM, présente des avantages certains par rapport à la technologie alcaline. En particulier, l’absence d’électrolyte liquide corrosif permet de concevoir des électrolyseurs fiables, fonctionnant à haute pression, sous forte densité de courant avec des rendements énergétiques supérieurs à 80 %.
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Pierre MILLET : Ingénieur de l’Institut national polytechnique de Grenoble - Maître de conférences à l’université Paris-sud
INTRODUCTION
L’électrolyse de l’eau permet d’obtenir de l’hydrogène et de l’oxygène de grande pureté, traditionnellement utilisés dans différents secteurs industriels tels que l’industrie agroalimentaire, l’industrie des semi-conducteurs, ou les applications spatiales et sous-marines. Mais dans le contexte énergétique actuel, la raréfaction des sources d’énergie fossiles liée à la nécessité de réduire les émissions de gaz à effet de serre provoque un regain d’intérêt pour la production électrolytique d’hydrogène (vecteur énergétique) à partir de sources d’énergies renouvelables (voir « Combustible hydrogène. Production » [BE 8 565]). En dépit d’un coût d’investissement encore élevé, du fait de l’utilisation d’électrocatalyseurs à base de métaux nobles, la technologie à membrane acide (plus connue sous l’acronyme anglo-saxon PEM : « proton exchange membrane ») présente des avantages certains par rapport à la technologie alcaline, bien que celle‐ci soit plus mature sur le plan industriel. En particulier, l’absence d’électrolyte liquide corrosif permet de concevoir des électrolyseurs fiables, fonctionnant à haute pression, sous forte densité de courant avec des rendements énergétiques supérieurs à 80 %.
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1. Procédés d’électrolyse de l’eau
C’est à William Nicholson (1753-1813), chimiste anglais, qu’est attribuée la paternité de l’électrolyse de l’eau (1800). Après avoir lu les travaux de Volta sur les batteries électriques, il construisit lui-même une pile qu’il testa, et il découvrit fortuitement qu’en immergeant les extrémités des conducteurs électriques dans l’eau, celle-ci était décomposée en hydrogène et oxygène moléculaires. Avec cette découverte, Nicholson devint le premier homme dont l’Histoire a gardé le nom qui réussit à effectuer une réaction chimique à l’aide de l’électricité. L’électrolyse de l’eau s’est développée sur le plan industriel au cours du XXe siècle, sur des sites où les ressources en énergie hydroélectrique étaient abondantes.
1.1 Types de cellules d’électrolyse de l’eau
La production d’hydrogène et d’oxygène moléculaires par électrolyse de l’eau fait partie de ces procédés électrochimiques dans lesquels un gaz est produit à la surface de chacune des deux électrodes. La production de composés gazeux dans l’espace interpolaire est un problème à double titre. Tout d’abord, un séparateur (donc une résistance ohmique supplémentaire) doit être inséré entre les deux électrodes pour éviter la recombinaison chimique des produits formés. Ensuite, la densité de courant maximum est limitée à des valeurs assez faibles du fait de la formation d’un film gazeux continu extrêmement résistif à la surface des électrodes. Il existe une distance interpolaire optimale dont la valeur dépend de la densité de courant [1]. À pression atmosphérique, la taille moyenne des bulles varie linéairement entre 80 et 220 µm lorsque la densité de courant passe de 100 mA · cm–2 à 1 A · cm–2. Les phénomènes de coalescence de bulles et de décrochement de la surface des électrodes sont encore mal connus ainsi que l’évolution de la taille des bulles avec la pression de fonctionnement [2].
Compte tenu de ces différents problèmes, le concept traditionnel de gap cell (figure 1 a...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - LEROY (R.L.), JANJUA (M.B.I.), RENAUD (R.), LEUENBERGER (U.) - Analysis of Time-Variation in Water Electrolyzers. - Journal of the Electrochemical Society, 126, 1674-1682 (1979).
-
(2) - NAGAI (N.), TAKEUCHI (M.), NAKAO (M.) - Influences of Bubbles between Electrodes onto Efficiency of Alkaline Water Electrolysis. - Proceeding of the fourth Pacific Symposium on Flow Visualisation and Image Processing (PSFVIP-4), Chamonix, France, 3-5 juin 2003.
-
(3) - LEROY (R.L.), BOWEN (C.T.), LEROY (D.J.) - The Thermodynamics of Aqueous Water Electrolysis. - Journal of the Electrochemical Society, 127, 1954 (1980).
-
(4) - ONDA (K.), KYAKUNO (T.), HATTORI (K.), ITO (K.) - Prediction of production power for high-pressure hydrogen by high-pressure water electrolysis. - Journal of Power Sources, 132, 64-70 (2004).
-
(5) - DAMJANOVIC (A.), DEY (A.), BOCKRIS (J.O’M.) - Electrokinetic parameters for hydrogen evolution in aqueous acidic media. - Journal of the Electrochemical Society, 113, 739 (1966).
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ANNEXES
1 Constructeurs (de cellules, de membranes)
(liste non exhaustive)
CETH (Compagnie Européenne des Technologies de l’Hydrogène)DuPont Fuel Cellshttps://www.dupont.com/industries/energy.html
Norsk Hydro HAUT DE PAGEEuropean Hydrogen and Fuel Cell Technology Platform (HFP)
HAUT DE PAGEGenHyPEM
http://www.genhypem.u-psud.fr:80/
Projets européens autour de l’hydrogènehttp://ec.europa.eu/research/leaflets/h2/page_100_fr.html
HAUT DE PAGECEA Grenoble
http://www.cea.fr/le_cea/les_centres_cea/grenoble
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