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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

Fondements théoriques
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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2. Fondements théoriques

2.1 Aspect thermodynamique

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2.1.1 Tension d’électrolyse

Dans une cellule d’électrolyse de l’eau, le courant électrique est utilisé pour effectuer la dissociation de l’eau en ses constituants élémentaires que sont l’hydrogène (H2) et l’oxygène (O2) moléculaires. En milieu acide (cas d’un électrolyseur à membrane acide), cette réaction se décompose en deux demi-réactions :

( 1 )

( 2 )

( 3 )

La demi-réaction [1] se produit à l’anode et la demi-réaction [2] se produit à la cathode. Les protons solvatés sont transférés de l’anode à la cathode par migration à travers le matériau polymère sous l’effet du champs électrique.

La quantité minimum d’énergie électrique (nFE ) à fournir à la cellule est égale à la variation d’enthalpie libre (ΔG d , variation d’énergie libre de Gibbs) associée à la réaction de dissociation [3] :

ΔGd – nFE = 0[nbsp ][nbsp ]où[nbsp ][nbsp ]ΔGd > 0

...

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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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