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Alain DAMIEN : Ingénieur des Arts et Manufactures - Ingénieur-chercheurÉlectricité de France (EDF)
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Lire l’articleINTRODUCTION
En fonction des débits souhaités et des disponibilités énergétiques locales, la production d’hydrogène s’effectue selon divers procédés :
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la décomposition des hydrocarbures par reformage à la vapeur du gaz naturel ou oxydation partielle des coupes pétrolières, du charbon... ;
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le craquage du méthanol ;
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l’électrolyse de l’eau, qui fait l’objet de cet article.
L’hydrogène peut aussi être obtenu comme sous-produit d’unités de craquage, de vapocraquage, de reformage catalytique, d’électrolyse de saumures, de cokéfaction.
Le stockage et le transport de l’hydrogène nécessitent la compression de ce gaz. Par conséquent, l’électrolyse de l’eau est opérée suivant deux techniques :
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à pression atmosphérique [appareils Norsk-Hydro, Bamag, Demag, CJB (Constructor John Brown), de Nora, Oerlikon distribué par ABB (Asea Brown Boveri)...] suivie d’une compression ;
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à une pression inférieure ou égale à 3 MPa (soit 30 bar) (Lurgi) pour les appareils industriels et pouvant dépasser 10 MPa (soit 100 bar) sur certains modèles destinés aux sous-marins.
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4. Conception des appareils industriels
4.1 Structures monopolaire et bipolaire
Les premiers appareils d’électrolyse disposaient d’électrodes monopolaires (figure 5) : chaque anode est connectée au pôle plus, chaque cathode au pôle moins. Cette disposition conduit à utiliser des transforedresseurs fonctionnant sous basse tension et forte intensité, de coût onéreux et engendrant des chutes ohmiques de contact importantes. Une première amélioration consiste à mettre en série des cuves d’électrolyse, mais la liaison de cuve à cuve nécessite toujours des conducteurs de forte section.
Le perfectionnement ultime est obtenu grâce aux électrodes bipolaires (figure 6) : une cellule d’électrolyse est définie par deux électrodes se faisant face et constituant les fonds. Chaque électrode est cathode sur une face et anode sur l’autre face. Les liaisons externes de cuve à cuve sont supprimées, la conduction s’opère à l’intérieur de l’électrode au travers de son épaisseur : la chute ohmique devient minimale. Cette conception se retrouve aujourd’hui sur tous les appareils industriels, à l’exception de ceux de Noranda (Canada) qui semble attaché à la structure monopolaire héritée de Cominco. Cette conception introduit cependant une difficulté : l’électrode présente une face en milieu oxydant (l’anode) et une face en milieu réducteur (la cathode). En milieu basique, le choix du matériau d’électrode devient alors fort limité. Jusqu’à 90 oC, l’acier doux muni d’un nickelage soigné du côté anodique convient parfaitement ; au-delà, les nickelages ne présentent pas une durée de vie suffisante, il devient nécessaire de faire appel au nickel massif.
HAUT DE PAGE4.2 Contrôle des températures et des concentrations
Un électrolyseur industriel fonctionne en général sous une tension comprise entre 1,8 et 2,2 V, située au-dessus de la tension thermoneutre. La consommation énergétique est comprise entre 4,5 et 5 kWh / Nm3 d’hydrogène. Le rendement énergétique est donc toujours inférieur à 1 et il convient d’éliminer en permanence...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BRENNER - Electrodeposition of alloys. Principles and practice. - Academic Press Inc. (1963) (o).
-
(2) - NORSK-HYDRO - Procédé de préparation de cathodes actives pour des appareils électrochimiques. - Brevet français, no 2381836, 22 sept. 1978.
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(4) - MOROZOV (V.N.), ALESKOVSKII (V.B.) - * - Soviet Electrochem., 7, 9, p. 1220-1222 (1971) (o).
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(5) - FEDOTEV (N.P.), BEREZINA (N.V.), KRUGLOVA (E.G.) - * - Zh. Prikl. Khim., 21, p. 317-328 (1948) (o).
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(6) - SASAKI (K.), SUGYANO (K.) - * - Kogyo Kogaku Zasshi, p. 387-392, juin 1957 (o).
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