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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.
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MOTS-CLÉS
Efficacité énergétique Électrolyse de l'eau Membrane échangeuse de protons Réacteur électrochimique
VERSIONS
- Version archivée 1 de sept. 2007 par Pierre MILLET
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2. Cellule élémentaire
2.1 Différentes couches fonctionnelles
La figure 10 montre le schéma de principe d’une cellule élémentaire d’électrolyse de l’eau à membrane polymère acide et son circuit électrique équivalent .
Sur cette vue en coupe, la cellule élémentaire (épaisseur typique de 5 à 7 mm) est délimitée par deux plaques métalliques appelées « plaques bipolaires » (5 & 5′). Deux couches catalytiques microporeuses de faible épaisseur (< 10 µm) notées (2) et (2′) sont déposées de part et d’autre d’un film polymère conducteur protonique (membrane notée 1). Cette membrane sépare donc la cellule en deux compartiments, un compartiment anodique et un compartiment cathodique. Chaque compartiment est alimenté par de l’eau déionisée (dont le rôle est d’alimenter la réaction à l’anode mais aussi de refroidir la cellule). Lorsqu’une différence de potentiel électrique suffisante est appliquée entre ces deux électrodes, l’électrolyse se produit. Les protons produits à l’anode migrent à travers la membrane sous l’effet du champ électrique et viennent se réduire à la cathode en hydrogène moléculaire. Le matériau membranaire sert donc à la fois d’électrolyte « solide » qui évite le court-circuit électrique et de séparateur pour éviter la recombinaison chimique spontanée de
et O2. Il est à noter qu’en dépit du mécanisme de Grotthuss discuté précédemment les protons qui migrent à travers la membrane polymère tendent à entraîner avec eux un cortège de molécules d’eau....
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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).
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(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)
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...
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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