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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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1. Fondements
L'électrolyse de l'eau est un procédé électrochimique qui permet de décomposer l'eau en ses deux éléments constitutifs, l’hydrogène et l’oxygène moléculaires (dihydrogène et dioxygène), sous l'action d'un courant électrique. Ce phénomène repose sur des principes fondamentaux de nature thermodynamique et cinétique.
Les principes en question sont décrits dans cette section afin de fournir aux lecteurs et lectrices les éléments nécessaires à la compréhension des mécanismes sous-jacents de l'électrolyse de l'eau.
C'est aux chimistes anglais Anthony Carlisle (1768-1840) et William Nicholson (1753-1813) qu'est généralement attribuée la paternité de l'électrolyse de l'eau (1800), même si une controverse apparue au moment du bicentenaire de Volta en 1999 a montré l’antériorité des travaux des Néerlandais Adriaan Paets van Troostwijk (1752-1837) et Jan Rudolph Deiman (1743-1808) . Il est généralement admis qu’après avoir lu les travaux de Volta sur les batteries électriques, les deux pionniers anglais construisirent eux-mêmes une pile qu’ils testèrent, et découvrirent fortuitement qu'en immergeant les extrémités des conducteurs électriques dans l'eau, celle-ci était décomposée en hydrogène et oxygène moléculaires. Avec cette découverte, ils devinrent les premiers dont l'Histoire a gardé le nom qui réussirent à effectuer une réaction chimique endergonique à l'aide de l'électricité. Les progrès réalisés au cours du XIXe siècle sur les générateurs de courant continu ont conduit à l’essor industriel des procédés d’électrolyse. L’électrolyse de l’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).
-
(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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