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Article

1 - PROCÉDÉS D’ÉLECTROLYSE DE L’EAU

2 - FONDEMENTS THÉORIQUES

3 - DESCRIPTION DES CELLULES D’ÉLECTROLYSE

4 - PRÉPARATION DES ASSEMBLAGES MEMBRANE-ÉLECTRODE

5 - ÉLECTROLYSEURS

6 - ÉQUIPEMENT ANNEXE DE PRODUCTION

7 - DOMAINES D’APPLICATION

8 - LIMITATIONS ET PERSPECTIVES

Article de référence | Réf : J4810 v1

Équipement annexe de production
Électrolyseurs de l’eau à membrane acide

Auteur(s) : Pierre MILLET

Date de publication : 10 sept. 2007

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RÉSUMÉ

L’électrolyse de l’eau permet d’obtenir de l’hydrogène et de l’oxygène de grande pureté. Mais le contexte énergétique actuel provoque un regain d’intérêt pour la production électrolytique d’hydrogène à partir de sources d’énergies renouvelables. La technologie à membrane acide, appelée PEM, présente des avantages certains par rapport à la technologie alcaline. En particulier, l’absence d’électrolyte liquide corrosif permet de concevoir des électrolyseurs fiables, fonctionnant à haute pression, sous forte densité de courant avec des rendements énergétiques supérieurs à 80 %.

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ABSTRACT

Electrolysis of water yields hydrogen and oxygen of high purity. But the current energy situation has provoked renewed interest in electrolytic production of hydrogen from renewable energy sources. Acid membrane technology, called PEM, has certain advantages over alkaline technology. In particular, the absence of corrosive liquid electrolyte allows for the design of reliable electrolyzers that can operate at high pressure under high current density with greater than 80% energy output.

Auteur(s)

  • Pierre MILLET : Ingénieur de l’Institut national polytechnique de Grenoble - Maître de conférences à l’université Paris-sud

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 agroalimentaire, l’industrie des semi-conducteurs, ou les applications spatiales et sous-marines. Mais dans le contexte énergétique actuel, la raréfaction des sources d’énergie fossiles liée à la nécessité de réduire les émissions de gaz à effet de serre provoque un regain d’intérêt pour la production électrolytique d’hydrogène (vecteur énergétique) à partir de sources d’énergies renouvelables (voir « Combustible hydrogène. Production » [BE 8 565]). En dépit d’un coût d’investissement encore élevé, du fait de l’utilisation d’électrocatalyseurs à base de métaux nobles, la technologie à membrane acide (plus connue sous l’acronyme anglo-saxon PEM : « proton exchange membrane ») présente des avantages certains par rapport à la technologie alcaline, bien que celle‐ci soit plus mature sur le plan industriel. En particulier, l’absence d’électrolyte liquide corrosif permet de concevoir des électrolyseurs fiables, fonctionnant à haute pression, sous forte densité de courant avec des rendements énergétiques supérieurs à 80 %.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-j4810


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6. Équipement annexe de production

6.1 Environnement de production

La collecte des gaz à partir des mélanges biphasiques issus de l’électrolyseur se fait classiquement dans deux démixeurs munis de systèmes statiques de séparation (figure 21).

D’après les demi-réactions [1] et [2], l’eau doit être fournie uniquement côté anodique. Sur les appareils fonctionnant à petit débit, la circulation de l’eau est assurée naturellement par gravité (phénomène de pump lift ), le dégagement gazeux entraînant la circulation d’eau. Pour les électrolyseurs de taille plus importante, une pompe de circulation est nécessaire sur la boucle anodique et la boucle cathodique. Cette circulation forcée permet l’extraction des gaz des compartiments de production. Elle contribue également à l’homogénéisation de la température en fonctionnement. L’eau transférée du compartiment anodique au compartiment cathodique par flux électro-osmotique peut être recyclée par mise en communication des deux circuits sur un point bas, là où il n’y a pas de gaz. Les solubilités de l’hydrogène et de l’oxygène dans l’eau sont faibles et les mélanges ainsi effectués ne sont pas dangereux. Les traces d’hydrogène injectées dans le circuit anodique sont oxydées à l’anode des AME et les traces d’oxygène sont réduites sur les cathodes. La gestion du procédé est assurée par un ensemble de vannes pneumatiques et la production par des vannes débitmétriques. Cette approche est à proscrire à haute pression.

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6.2 Contrôle – commande

Les systèmes fonctionnant à pression atmosphérique peuvent être placés sous le contrôle d’un automate d’état simplifié destiné d’une part à assurer l’intégrité...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - LEROY (R.L.), JANJUA (M.B.I.), RENAUD (R.), LEUENBERGER (U.) -   Analysis of Time-Variation in Water Electrolyzers.  -  Journal of the Electrochemical Society, 126, 1674-1682 (1979).

  • (2) - NAGAI (N.), TAKEUCHI (M.), NAKAO (M.) -   Influences of Bubbles between Electrodes onto Efficiency of Alkaline Water Electrolysis.  -  Proceeding of the fourth Pacific Symposium on Flow Visualisation and Image Processing (PSFVIP-4), Chamonix, France, 3-5 juin 2003.

  • (3) - LEROY (R.L.), BOWEN (C.T.), LEROY (D.J.) -   The Thermodynamics of Aqueous Water Electrolysis.  -  Journal of the Electrochemical Society, 127, 1954 (1980).

  • (4) - ONDA (K.), KYAKUNO (T.), HATTORI (K.), ITO (K.) -   Prediction of production power for high-pressure hydrogen by high-pressure water electrolysis.  -  Journal of Power Sources, 132, 64-70 (2004).

  • (5) - DAMJANOVIC (A.), DEY (A.), BOCKRIS (J.O’M.) -   Electrokinetic parameters for hydrogen evolution in aqueous acidic media.  -  Journal of the Electrochemical Society, 113, 739 (1966).

  • ...

1 Constructeurs (de cellules, de membranes)

(liste non exhaustive)

CETH (Compagnie Européenne des Technologies de l’Hydrogène) http://www.ceth.fr/

DuPont Fuel Cells https://www.dupont.com/industries/energy.html

Norsk Hydro http://www.hydro.com/

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2 Organisme

European Hydrogen and Fuel Cell Technology Platform (HFP) https://www.hfpeurope.org/

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3 Programmes de recherche

GenHyPEM http://www.genhypem.u-psud.fr:80/

Projets européens autour de l’hydrogène http://ec.europa.eu/research/leaflets/h2/page_100_fr.html

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4 Laboratoire de recherche

CEA Grenoble ...

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