La production d’hydrogène par électrolyse de l’eau consiste à dissocier les molécules d’eau en hydrogène et en oxygène par un procédé électrochimique sous l’action d’un courant continu ; les deux gaz sont ensuite séparés respectivement à la cathode et à l’anode. Selon la membrane employée, on distingue l’électrolyse alcaline, l’électrolyse à membrane échangeuse de protons (PEM) et l’électrolyse à oxyde solide.
L’application industrielle de la technologie d’électrolyse de l’eau remonte aux années 1920. L’électrolyse alcaline à électrolyte liquide a permis la production d’hydrogène à grande échelle pour des usages industriels tels que la fabrication d’ammoniac et le raffinage pétrolier. Après les années 1970, la pénurie d’énergie, la pollution environnementale et la conquête spatiale ont stimulé le développement de l’électrolyse de l’eau par membrane échangeuse de protons. Parallèlement, des électrolyseurs alcalins compacts et fonctionnant à haute pression ont été conçus pour répondre aux besoins de secteurs spécifiques.
Électrolyseur alcalin à électrolyte liquide pour l’électrolyse de l’eau
La technologie d’électrolyse de l’eau en milieu alcalin utilise des solutions aqueuses de KOH ou de NaOH comme électrolyte et, par exemple, de la toile d’amiante comme membrane. Sous l’action d’un courant continu, l’eau est électrolysée afin de produire de l’hydrogène et de l’oxygène ; les gaz générés doivent ensuite être démistés pour éliminer l’alcali. Industrialisée au milieu du XXe siècle, la cellule d’électrolyse alcaline se caractérise par un électrolyte liquide et un séparateur poreux.
Typiquement, ces électrolyseurs fonctionnent à une densité de courant d’environ 0,25 A/cm² et affichent une efficacité énergétique avoisinant 60 %. L’électrolyte alcalin (tel que le KOH) réagit avec le CO₂ de l’air pour former des carbonates (K₂CO₃) insolubles qui peuvent obstruer la couche catalytique poreuse, entraver le transport des réactifs et produits et dégrader fortement les performances de l’appareil. D’autre part, ces électrolyseurs sont difficiles à arrêter ou à démarrer rapidement ; la pression doit rester équilibrée entre anode et cathode pour éviter le passage des gaz hydrogène-oxygène à travers la
membrane poreuse, ce qui entraînerait un risque d’explosion. Il est donc compliqué pour cette technologie de s’adapter aux sources renouvelables à fluctuations rapides.
Production d’hydrogène par électrolyse à membrane polymère solide
Les limites des électrolyseurs alcalins ont favorisé le développement rapide de la technologie d’électrolyse de l’eau à membrane polymère solide (SPE). La première membrane SPE réellement opérationnelle est la membrane échangeuse de protons (PEM), également appelée électrolyseur PEM.
La membrane d’amiante est remplacée par une membrane échangeuse de protons qui conduit les protons tout en isolant les gaz des deux côtés de l’électrode, éliminant ainsi les inconvénients liés aux électrolytes alcalins concentrés.
La cellule PEM adopte une conception « zéro espace », ce qui la rend plus compacte, réduit la résistance ohmique et améliore notablement les performances globales.
La densité de courant couramment atteinte dépasse 1 A/cm², soit au moins quatre fois celle des systèmes alcalins, faisant de cette technologie l’une des plus prometteuses pour la production d’hydrogène.
Les principaux composants d’un électrolyseur PEM classique
Les principaux composants d’une cellule PEM typique comprennent les plaques d’extrémité cathodique et anodique, les couches de diffusion de gaz, les couches catalytiques et la membrane échangeuse de protons.
Les plaques d’extrémité fixent l’assemblage, assurent la conduction électrique et la distribution de l’eau et des gaz ; la couche de diffusion collecte le courant et favorise le transport gaz/liquide ; le cœur de la couche catalytique est constitué d’un catalyseur, d’un conducteur électronique et d’un conducteur protonique formant une interface triphasée où se déroule la réaction électrochimique ; la membrane échangeuse de protons, généralement une membrane d’acide perfluorosulfonique, isole les gaz produits, bloque les électrons et transporte les protons.
Le principe de l’électrolyse PEM est illustré à la Figure 2. Les membranes courantes incluent Nafion® (DuPont), Dow, Flemion® (Asahi Glass), Aciplex®-S (Asahi Chemical) et Neosepta-F® (Tokuyama).
Contrairement à l’électrolyse alcaline, la filière PEM ne nécessite pas de désalcalinisation et dispose d’une large marge de réglage de pression. Le coût initial réside surtout dans la cellule PEM elle-même ; l’augmentation de la densité de courant permet de réduire l’investissement en équipements, et la grande plage de fonctionnement facilite l’intégration aux énergies renouvelables fluctuantes.
Comment gérer l’hydrogène issu de l’électrolyseur (oxygène non compris)
Quelle quantité d’oxygène et d’hydrogène se sépare dans l’électrolyseur ?
Cela dépend de la taille de l’électrolyseur et de l’intensité du courant qui le traverse. De façon générale, un électrolyseur utilise un courant continu (CC) pour scinder l’eau en oxygène et en hydrogène. Ce procédé, appelé électrolyse, consiste à faire passer un courant électrique dans une solution électrolytique aqueuse, provoquant la dissociation des molécules d’eau en atomes d’oxygène et d’hydrogène.
