Comprendre les composants d’un électrolyseur PEM et leurs fonctions

Membrane échangeuse de protons (PEM) électrolyseurs gagnent en popularité grâce à leur efficacité pour produire de l’hydrogène par électrolyse de l’eau. Dans cet article, nous explorerons les principaux composants d’un électrolyseur PEM, notamment la plaque de compression, les plaques bipolaires, la couche de diffusion de gaz, les processus d’anode et de cathode, et l’assemblage membrane-électrode. Nous avons démonté un électrolyseur PEM. En comprenant les matériaux et les fonctions de ces composants, vous pouvez approfondir vos connaissances de cette technologie de pointe et de son rôle dans le paysage des énergies propres.

Plaque de compression

La plaque de compression est en alliage d’aluminium et sert à maintenir l’ensemble de la cellule d’électrolyse.

Plaques bipolaires (BPP)

Les plaques bipolaires (BPP) sont des plaques séparatrices plates (avec treillis métallique ou stratification de grille, ou encore avec canaux de champ d’écoulement gravés dans des séparateurs métalliques épais) utilisées pour adapter la tension d’alimentation en empilant plusieurs cellules d’électrolyse en série. Elles séparent les unités adjacentes et les relient électriquement. Elles doivent présenter une faible résistance, une stabilité mécanique et chimique élevée, assurer la distribution des fluides et une conductivité thermique élevée car elles contribuent également au transfert de chaleur.

Le titane est généralement considéré comme le matériau le plus avancé car il offre une excellente résistance, une faible résistivité, une conductivité thermique élevée et une faible perméabilité à l’hydrogène. Cependant, le titane est sujet à la corrosion, surtout côté anode, où les potentiels peuvent dépasser 2 V, entraînant l’accumulation d’oxydes de surface, ce qui augmente la résistance de contact et réduit la conductivité thermique. Pour éviter cela, un mince revêtement de platine peut être appliqué afin de réduire la résistance de surface.

Couche de diffusion de gaz (GDL)

La couche de diffusion de gaz, aussi appelée collecteur de courant GDL ou PTL, sert de conducteur électronique entre la MEA et les BPP et assure un transfert de masse efficace des liquides et des gaz entre les électrodes et les BPP.

À l’anode, l’eau liquide se déplace des canaux des BPP vers la couche catalytique sur la membrane via le collecteur de courant, où elle est décomposée en oxygène et en protons. L’oxygène généré diffuse ensuite en sens inverse à travers le collecteur de courant vers les canaux d’écoulement.

À la cathode, l’eau liquide et l’hydrogène sont transportés de la membrane vers les canaux des BPP via le collecteur de courant. Les électrons partent de la couche catalytique côté anode, traversent le collecteur de courant et les BPP, puis atteignent la cathode. Dans les électrolyseurs PEM, le potentiel anodique est suffisamment élevé pour oxyder les matériaux carbonés ; d’autres matériaux doivent donc être utilisés. Le titane est souvent choisi pour les collecteurs de courant à l’anode. 

Assemblage membrane-électrode (MEA)

La MEA se compose d’une membrane conductrice de protons revêtue de couches d’électrocatalyseur poreuses sur les faces anode et cathode ; c’est le composant central de l’électrolyseur, où l’eau est décomposée en hydrogène et oxygène gazeux sous l’effet du courant électrique. À l’anode, l’eau est oxydée en oxygène et protons. Les protons hydratés migrent ensuite vers la cathode. Les électrons rejoignent la cathode via le circuit externe.

À la cathode, les protons captent des électrons et sont réduits pour former de l’hydrogène gazeux. L’oxyde d’iridium est généralement considéré comme le catalyseur le plus avancé pour l’électrolyse PEM. Parmi les oxydes de métaux de transition, RuO₂ présente l’activité OER la plus élevée, mais il n’est pas stable dans les conditions d’un électrolyseur. IrO₂ offre une activité légèrement inférieure, mais une résistance à la corrosion plus élevée.