Aperçu de la production d'hydrogène PEM par électrolyse de l'eau I

Vue générale de Production d'hydrogène PEM par Électrolyse de l'eau I

L’hydrogène est un vecteur d’énergie propre et flexible qui peut être utilisé pour fournir de l’électricité et de la chaleur. Les véhicules fonctionnant à l’hydrogène et la production d’électricité stationnaire sont des technologies zéro émission. L’hydrogène peut être produit à la fois à partir de combustibles fossiles traditionnels et à partir de sources d’énergie sans carbone, toutes deux utilisées pour stocker l’énergie et assurer une gestion réactive du réseau.

Actuellement, seulement 4 % de l’hydrogène est produit par électrolyse, principalement à l’aide de méthodes de préparation peu coûteuses telles que le reformage du gaz naturel ou le gaz de raffinerie. Toutefois, à l’avenir, les sources d’énergie renouvelables (SER) représenteront une part importante de l’électricité produite. L’électrolyse est considérée comme le moyen le plus propre de produire de l’hydrogène à partir d’énergies renouvelables.

Une application émergente des électrolyseurs concerne le secteur du « power to gas ». L'hydrogène produit par les électrolyseurs connectés aux RES est injecté dans le réseau de gaz. Cette approche permet d’utiliser les gazoducs comme de grands « réservoirs de stockage » et évite de construire de nouvelles infrastructures. La quantité d'hydrogène injectée dépend de la réglementation de chaque pays. Ce problème peut être résolu par la méthanation, où l’hydrogène et le monoxyde de carbone/dioxyde de carbone sont convertis en méthane durable. L’hydrogène stocké dans les infrastructures de gaz naturel peut être utilisé pour le chauffage, le transport ou reconverti en électricité. Les stations de ravitaillement avec production d’hydrogène sur site constituent une autre application des électrolyseurs.

Les principaux avantages de l’électrolyse PEM par rapport à l’électrolyse alcaline sont une sécurité et une fiabilité accrues, puisqu’aucun électrolyte corrosif n’est utilisé. De plus, la possibilité de fonctionner à des différences de pression élevées à travers la membrane évite la compression de l'oxygène. Grâce aux membranes solides et minces, l'électrolyse PEM a un transport d'ions plus rapide que l'électrolyse alcaline. Les électrolytes liquides ont une plus grande inertie en termes de transport d'ions. Les électrolyseurs alcalins réagissent lentement lorsque l'électrolyseur fonctionne dans des conditions fluctuantes et ont des difficultés à démarrer après un arrêt. De plus, la technologie peut fonctionner à des densités de courant plus élevées que les électrolyseurs alcalins.

Catalyseur
Des matériaux nobles coûteux sont généralement utilisés comme électrocatalyseurs dans l’électrolyse PEM. Le palladium ou le platine à la cathode pour la réaction de dégagement d'hydrogène (HER) et l'oxyde d'iridium ou de ruthénium à l'anode pour la réaction de dégagement d'oxygène (OER) sont les plus couramment utilisés. IrO2 présente une résistance à la corrosion plus élevée que RuO2, mais présente une faible activité REL. RuO2 fonctionne bien dans la plage de faible surtension, mais les problèmes de stabilité entravent les applications pratiques. La stabilité de RuO2 peut être légèrement améliorée en utilisant des solutions solides binaires IrO2 – RuO2. L'utilisation de particules IrO2 de petite taille (2 à 3 nm) peut réduire la charge en métaux nobles tout en conservant des performances similaires. La conductivité, l'activité électrocatalytique et la stabilité sont des aspects difficiles des catalyseurs à métaux non nobles.

Membrane échangeuse de protons
Dans l'électrolyse PEM, des membranes d'acide perfluorosulfonique (PFSA) sont utilisées comme électrolytes solides. Les propriétés importantes des membranes électrolyseurs PEM sont un faible crossover, la capacité de fonctionner à des températures élevées (>100°C) et une résistance mécanique élevée. Le croisement dans PEMWE peut endommager la membrane et entraîner une défaillance de la pile. La réaction de l’hydrogène et de l’oxygène est très exothermique et provoque un échauffement local qui, avec le temps, peut endommager la membrane. Ce problème est particulièrement important lorsque l'électrolyseur fonctionne à haute pression (jusqu'à 350 bars). La possibilité de fonctionner à haute pression permet de réduire l'énergie mécanique nécessaire à la pressurisation du gaz.

Dans ces applications, un faible niveau de croisement est nécessaire et nécessite une épaisseur de film polymère appropriée. Une autre propriété mécanique importante des films polymères est la résistance à la déchirure. En effet, lors du processus d'assemblage de l'empilement, des contraintes importantes sont générées, notamment entre les bords des électrodes et les joints. De bonnes propriétés de traction et une faible résistance à la propagation des déchirures sont des propriétés clés des membranes polymères dans les électrolyseurs à membrane échangeuse de protons. Généralement, des membranes composites ou renforcées sont utilisées pour fonctionner à des pressions et des températures élevées. Les électrolyseurs PEM fonctionnent à des températures élevées (>100°C), ce qui réduit le changement d'énergie libre de Gibb et améliore la cinétique de réaction. De plus, leur faible coût en fait une option réelle et attractive pour Électrolyseurs PEM.