Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
L’électrolyse de l’eau à membrane polymère acide - PEM - est une technologie prometteuse permettant la production d’hydrogène et d’oxygène de grande pureté, répondant aux enjeux énergétiques et environnementaux actuels. Cet article expose les fondements théoriques sous-jacents, décrit le fonctionnement des cellules élémentaires et le rôle des composants clés tels que les électrocatalyseurs et les membranes polymères, et dresse la liste des équipements auxiliaires nécessaires au bon fonctionnement des machines. Les principales applications industrielles sont présentées. Les niveaux de performance atteignables et les limitations et perspectives d’amélioration sont également analysés et discutés.
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Pierre MILLET : Docteur-ingénieur de l’Institut national polytechnique de Grenoble - Professeur à l’université Paris-Saclay - Directeur scientifique chez Elogen - Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d’Orsay-UMR 8182 – Université Paris-Saclay, Orsay, France
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 alimentaire, l’industrie des semiconducteurs, ou les applications spatiales et sous-marines. Au cours des dernières décennies, l’évolution du contexte énergétique et la nécessité de réduire les émissions de gaz à effet de serre a provoqué un regain d’intérêt pour la production d’hydrogène électrolytique (vecteur énergétique) à partir de sources d’énergies renouvelables. En dépit d’un coût d’investissement encore élevé, du fait de l’utilisation d’électrocatalyseurs à base de métaux précieux et d’ionomères fluorés, la technologie à membrane polymère acide (plus connue sous l’acronyme anglo-saxon PEM qui signifie « Proton-Exchange Membrane » ou « Polymer Electrolyte Membrane ») présente une complémentarité voire des avantages importants par rapport à la technologie alcaline de référence. En particulier, l’absence d’électrolyte liquide corrosif permet de concevoir des électrolyseurs fiables, fonctionnant en régime transitoire sous haute pression voire sous différentiel de pression, sous forte densité de courant et avec des rendements énergétiques élevés. L’objectif de cet article est de fournir une analyse détaillée du fonctionnement et des performances des électrolyseurs PEM, tout en explorant les défis technologiques et économiques associés à cette technologie. Ce travail s’inscrit dans un contexte technico-économique où l’électrolyse de l’eau est vue comme un levier essentiel pour la production d'hydrogène vert, en lien avec les politiques énergétiques actuelles visant à réduire les émissions de gaz à effet de serre. À travers une exploration des fondements théoriques, des composants clés, des fonctionnalités auxiliaires et des performances, cet article vise à fournir aux acteurs industriels et scientifiques une compréhension claire des opportunités et des obstacles associés à cette technologie de production d'hydrogène propre.
L'expertise technique et scientifique de référence
MOTS-CLÉS
Efficacité énergétique Électrolyse de l'eau Membrane échangeuse de protons Réacteur électrochimique
VERSIONS
- Version archivée 1 de sept. 2007 par Pierre MILLET
DOI (Digital Object Identifier)
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Produits et domaines d’application5. Analyse de performance
5.1 Performance début de vie
Lors des phases de R&D, une bonne pratique consiste à qualifier les différentes fonctionnalités du stack (accostage électrique, homogénéité des signatures électrochimiques, tenue en pression, absence de fuites). La mesure des courbes de polarisation de chaque cellule (mesures en parallèle à l’aide d’un échantillonneur ad hoc) donne une cartographie précise de la qualité du stack et de sa capacité à fonctionner correctement sur des périodes (durée de vie) extrêmement longues. L’état de l’art dans le domaine a démontré que, lorsqu’ils sont correctement conçus et montés, les stacks peuvent fonctionner continûment plusieurs dizaines de milliers d’heures, une durée d’environ 70 000 heures étant assez classique. Tout comme les voitures ne sont pas vendues avec un kilométrage garanti (il dépend de la conduite, du lieu de conduite et de l’entretien), les électrolyseurs ne sont pas garantis avec une durée de vie contractuelle. Par contre, il existe des garanties indirectes (par exemple, la possibilité d’échanges standards) qui peuvent être incluses dans les contrats.
HAUT DE PAGE5.2 Pertes de performance
Comme tout équipement, les performances diminuent au fil du temps. En technologie PEM, une tension habituelle de début de vie est de 1,8 V par cellule. La tension de fin de vie (après 70 000 heures) est souvent fixée à 2,3 V. Une augmentation de 0,5 V sur 70 000 heures correspond en moyenne à 7 mV toutes les 1 000 heures (7 µV.h−1), c’est-à-dire un peu moins de 0,5 % de la tension initiale toutes les 1 000 heures. Il existe différents processus qui concourent à l’augmentation de la tension de cellule. Une perte d’efficacité plus ou moins rapide et plus ou moins prononcée est observée lorsque la résistivité de l’eau est insuffisante (celle-ci doit typiquement être maintenue au-dessus de 1 MΩ.cm). Pour les applications de longue durée, la résistivité de l’eau doit être mesurée en continu et ajustée par circulation sur une résine échangeuse d’ions. Les processus d’échange d’ions au niveau de la membrane acide abaissent le pH de l’eau en circulation,...
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Analyse de performance
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - TRASATTI (S.) - 1799-1999 : Alessandro Volta’s ‘Electric Pile’. - In : Journal of Electroanalytical Chemistry, vol. 460, p. 1-4 – 10.1016/S0022-0728(98)00302-7 (1999).
-
(2) - DE LEVIE (R.) - The electrolysis of water. - In : Journal of Electroanalytical Chemistry, vol. 476, p. 92-93 – 10.1016/S0022-0728(99)00365-4 (1999).
-
(3) - LEROY (R.L.), BOWEN (C.T.), LEROY (D.J.) - The Thermodynamics of Aqueous Water Electrolysis. - In : Journal of The Electrochemical Society, vol. 127, p. 1954-1962 – 10.1149/1.2130044 (1980).
-
(4) - The European Hydrogen Backbone (EHB) initiative. - https://ehb.eu/ [s.d.].
-
(5) - HANKE-RAUSCHENBACH (R.), BENSMANN (B.), MILLET (P.) - Hydrogen production using high-pressure electrolyzers. - In : Compendium of Hydrogen Energy, Elsevier, p. 179-224 – https://doi.org/10.1016/B978-1-78242-361-4.00007-8 (2015)
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Chemours :
DuPont Fuel Cells :
https://www.dupont.com/industries/energy.html
Elogen :
NEL hydrogen Hydro :
https://nelhydrogen.com/water-electrolysers-hydrogen-generators/
Plug Power :
Siemens Energy :
HAUT DE PAGE1.2 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
European Hydrogen and Fuel Cell Technology Platform :
Hydrogen Europe :
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