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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Accueil > Ressources documentaires > Énergies > Hydrogène > Procédés de production de l'hydrogène > Électrolyse de l'eau à membrane polymère acide > Réacteur multicellules
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Procédé et équipements auxiliaires3. Réacteur multicellules
3.1 Choix de la géométrie de cellule
Est-il préférable de fabriquer des stacks ayant une géométrie de cellule circulaire ou rectangulaire ? Plusieurs facteurs doivent être pris en compte, même si, à la fin, c’est le coût qui impose le choix. La taille du réacteur est l’un des éléments qui influencent la géométrie de la cellule. L’usinage de composants de grande taille peut être facilité s’ils sont de forme circulaire.
Mais cela conduit inévitablement, lors de la découpe, à des pertes de matière qui, dans le cas du PEM, deviennent vite rédhibitoires. D’autre part, les techniques d’injection des matériaux thermoplastiques permettent de passer assez facilement au format rectangulaire. D’un autre côté, la pression de service joue aussi un rôle. La géométrie circulaire permet une répartition radiale homogène de cette pression. Dans le cas d’une cellule rectangulaire, la pression interne exerce des forces de déformation qui peuvent accélérer le vieillissement ou la fatigue sous cyclage, notamment dans les coins. Enfin, l’électrolyse PEM se caractérise par des densités de courant de fonctionnement élevées donc des quantités de chaleur importantes à extraire. Le débit d’eau en circulation (qui sert essentiellement à refroidir les cellules) doit être distribué de la manière la plus homogène possible, ce qui est plus facile à obtenir sur des rectangles de grande surface. Dans le cas de l’électrolyse PEM, la géométrie circulaire est souvent choisie pour les petites surfaces actives (quelques centaines de cm2) et la géométrie rectangulaire pour les grandes surfaces actives (quelques milliers de cm2, cf. figure 14).
HAUT DE PAGE3.2 Options d’empilement cellulaire
La capacité de production d’un réacteur d’électrolyse de l’eau peut être ajustée de manière précise en choisissant la taille de la cellule élémentaire et le nombre de cellules élémentaires interconnectées. Le réacteur d’électrolyse de l’eau PEM, souvent appelé « stack », un mot anglais signifiant « empilement », est généralement...
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Réacteur multicellules
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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