Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
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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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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Équipement annexe de production
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5. Électrolyseurs
5.1 Empilements cellulaires
La production de quantités importantes d’hydrogène et d’oxygène par électrolyse requiert l’association de plusieurs cellules individuelles en empilement compact de type filtre-presse. Dans une configuration monopolaire (figure 20 a ), chaque électrode joue le rôle d’anode ou de cathode sur ses deux faces (montage parallèle) alors que dans une configuration bipolaire (figure 20 b ), chaque électrode joue l’un ou l’autre rôle sur l’une ou l’autre de ses faces (montage série). Les caractéristiques courant – tension de la source de courant disponible pour alimenter l’électrolyseur peuvent amener à choisir l’une ou l’autre configuration. Un inconvénient de la configuration monopolaire est la nécessité d’amenées de courant individuelles pour chaque électrode de l’empilement. Dans le procédé à membrane acide considéré ici, la faible épaisseur des cellules (5 mm) et la forte intensité (plusieurs centaines d’ampères) rendent préférable le choix d’une configuration bipolaire. Il est à noter qu’en électrolyse à membrane acide, il n’y a pas d’électrolyte circulant ; de ce fait, la configuration bipolaire n’est pas pénalisée par l’existence de courants vagabonds qui pourraient exister entre électrodes et tubulures d’admission. Alternativement, un système à anode centrale (figure 20 c ) peut être envisagé afin de réduire la tension 6Fd’alimentation mais cette configuration rend plus difficile la pressurisation pour les applications haute pression.
Les cellules à symétrie circulaire sont préférées pour les systèmes de petite taille, d’une part parce que la découpe et l’usinage des différents éléments sont plus aisées, et d’autre part parce que le serrage de l’empilement peut être assuré de manière plus homogène.
HAUT DE PAGE5.2 Applications haute pression
L’étanchéité des cellules est assurée par compression des zones périphériques des membranes sur des joints en élastomère. Dans ce cas,...
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Électrolyseurs
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).
-
...
ANNEXES
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/
HAUT DE PAGE
European Hydrogen and Fuel Cell Technology Platform (HFP) https://www.hfpeurope.org/
HAUT DE PAGE
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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CEA Grenoble ...
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