Électrolyseur pour la production d'hydrogène et d'oxygène.

Électrolyseur, Générateur d'hydrogène
Crystec Technology Trading GmbH

Électrolyseur pour la production d'hydrogène

Un électrolyseur est utilisé pour produire de l'hydrogène de haute pureté. En appliquant un courant électrique, l'eau (H2O) subit une décomposition chimique (dissociation) en hydrogène (H2) et en oxygène (O2). Étant donné que seules des ressources renouvelables sont nécessaires à la production, les électrolyseurs représentent une technologie verte.

Dans l'électrolyse de l'eau, on peut distinguer l'électrolyse à membrane échangeuse de protons (PEM) et l'électrolyse alcaline :

Électrolyseur PEM / Électrolyseur acide

Dans Proton-Exchange-Membran-Electrolyser (PEM) en français Membrane d'échange de protons ou encore membrane électrolytique polymère est une technologie de production d'hydrogène par dissociation de l'eau dans un milieu acide. Il se distingue de l'électrolyse alcaline, où la réaction se déroule dans un milieu basique. Un avantage majeur de l'électrolyse PEM réside dans la mobilité ionique plus rapide des ions hydrogène (H+) par rapport aux ions hydroxyde (OH-), ce qui permet des vitesses plus élevées. De plus, la technologie permet une pureté élevée de l'hydrogène allant jusqu'à 99,999 % et est utilisée dans de nombreux domaines.

Principe de fonctionnement de l'électrolyse PEM

Le principe de l'électrolyse PEM repose sur l'utilisation d'une membrane échangeuse de protons. Cette membrane semi-perméable laisse passer les protons (H+) tout en empêchant l'échange de gaz d'oxygène (O2) et d'hydrogène (H2). À l'anode, l'eau est divisée en oxygène, électrons et protons par l'action catalytique d'électrodes revêtues de métaux nobles (platine, sulfure de molybdène). Les protons diffusent à travers la membrane vers la cathode, où ils se combinent avec des électrons pour former de l'hydrogène. Les gaz produits sont collectés et transportés hors de la cellule via des structures de canaux spéciales.

La décomposition de l'eau peut être décrite ici à l'aide des équations de réaction suivantes.

HER (Hydrogen evolution reaction, réaction de dégagement d'hydrogène):    4 H+ + 4 e- arrow 2 H2
OER (Oxygen evolution reaction, réaction de dégagement d'oxygène): 4 OH- arrow 2 H2O + 4 e- + O2

PEM Electrolyse

La membrane échangeuse de protons est le cœur de cette technologie d'électrolyse. Elle est constituée d'un polymère solide, ce qui garantit une résistance à la corrosion et de faibles besoins d'entretien. Les électrodes, qui sont en contact direct avec la membrane, sont souvent constituées de métaux nobles tels que le platine à l'anode et l'iridium ou l'oxyde de ruthénium à la cathode. Les collecteurs de courant assurent le contact des électrodes et conduisent le courant électrique. L'une des innovations technologiques réside dans la conception de la pile d'électrolyse PEM. Celle-ci est constituée de plusieurs couches, notamment des électrodes, des collecteurs de courant et des joints, qui assurent le haut rendement de la production d'hydrogène.

Notre partenaire, SHANDONG SAIKESAISI, utilise pour ses systèmes une membrane CCM (Catalyst-Coated-Membrane), qui est fabriquée selon un procédé de pressage à chaud breveté. Cette membrane permet une production d'hydrogène stable, efficace et de longue durée. La conception et les matériaux des cellules d'électrolyse ont été optimisés pour garantir des densités de courant élevées, de faibles tensions d'électrolyse et une longue durée de vie (jusqu'à 15 ans).

PEM Cell Structure

Nos électrolyseurs PEM peuvent être livrés dans un système de conteneurs sur mesure, offrant une solution flexible, sûre et efficace pour la production d'hydrogène.

            
Électrolyseur PEM (SHANDONG SAIKESAISI)
  • Pureté de l'hydrogène de 99,999% ; point de rosée : -65°C
  • Démarrage rapide
  • Pas de corrosion
  • Faible entretien
  • Haut degré d'automatisation
  • Débits d'hydrogène à un seul réservoir entre 50 mL/h et 260 Nm³/h
  • Température de fonctionnement : 5-65°C
  • Installation facile grâce au boîtier
  • Certification CE complète
PEM-Elektrolyseur

Les systèmes d'électrolyse PEM sont modulaires et sont souvent installés dans des conteneurs pour offrir une solution compacte et flexible. Le conteneur est divisé en plusieurs compartiments séparés afin de répondre aux exigences de sécurité et de protection contre les explosions. Cette structure comprend une salle de contrôle électrique, une salle d'électrolyse et une salle de refroidissement. Chaque salle est strictement séparée pour garantir un fonctionnement sûr et efficace.

Avantages de l'électrolyse PEM

Électrolyseur alcalin

Dans l'électrolyse alcaline (AEL), les électrodes sont en métal et présentent une très grande stabilité à long terme. En règle générale, on utilise des anodes stables dimensionnellement (DSA) en fer ou en titane. Sur cette électrode électriquement conductrice, une couche de catalyseur poreuse à grande surface, appelée ECSA (Electrochemical active surface area), est appliquée. Celle-ci peut être constituée, par exemple, d'oxyde de métal noble ou de nickel de Raney. Un diaphragme perméable est utilisé comme membrane. Dans les conceptions antérieures, le modèle dit "cell gap", les électrodes étaient fixées à la membrane avec un petit espace pour permettre à l'échappement du gaz produit. La distance variait entre quelques centimètres et quelques millimètres. Dans les électrolyseurs AEL modernes, en revanche, on utilise la conception "zero gap". Dans ce cas, les électrodes sont placées directement sur la membrane afin de réduire la résistance électrique et de permettre des densités de courant plus élevées. Le gaz produit s'échappe par les pores des électrodes dans cette conception. Un électrolyte liquide est également nécessaire pour cette conception. Avec cette méthode, des débits de gaz nettement plus élevés peuvent être obtenus que, par exemple, avec l'électrolyse PEM. Un électrolyseur alcalin est donc particulièrement recommandé pour les très grandes installations.
La vitesse de la réaction dépend principalement de deux facteurs. Plus la température est élevée, plus la réaction est rapide et moins de tension est nécessaire. D'autre part, des températures trop élevées sont difficiles à gérer. C'est pourquoi nos systèmes fonctionnent à une température d'environ 85°C. Deuxièmement, la vitesse est influencée par le type d'ions dans l'électrolyte. Le potassium présente une mobilité ionique nettement meilleure que le sodium, par exemple. En ajoutant de la potasse (KOH ; solution d'hydroxyde de potassium), on crée un électrolyte qui conduit beaucoup mieux que l'eau. Cela permet une séparation rapide du gaz aux électrodes. La dissociation de l'hydrogène a donc lieu en milieu basique et peut être décrite par l'équation de réaction suivante :

HER (Réaction d'évolution de l'hydrogène, HER en anglais):    4 H2O + 4 e- arrow 2 H2 + 4 OH-
OER (Réaction d'évolution de l'oxygène, OER en anglais): 4 OH- arrow 2 H2O + 4 e- + O2

Les électrodes sont séparées par une membrane perméable (diaphragme). Celle-ci permet le transport des ions hydroxyde (OH-) mais empêche l'échange des gaz produits, l'oxygène et l'hydrogène, tant sous forme dissoute que sous forme de bulles de gaz. Pour permettre la diffusion des ions en solution aqueuse, la membrane doit présenter des propriétés hydrophiles. Cela est réalisé aujourd'hui par une combinaison de plastiques organiques hydrophobes tels que le PTFE ou le polysulfone comme matériau support et de céramiques hydrophiles telles que le titanate de potassium ou l'oxyde de zirconium. De telles membranes sont chimiquement et mécaniquement stables et permettent de remplir les pores d'électrolyte. En appliquant une tension continue, de l'oxygène est produit à l'anode et de l'hydrogène à la cathode.


Électrolyse alcaline

La technologie de production d'hydrogène alcalin est mature et se caractérise par des coûts de production faibles. Actuellement, nos électrolyseurs alcalins permettent une production d'hydrogène de 5 Nm³/h à 2000 Nm³/h. La pression de service d'un tel système est = 16 bar. Un fonctionnement à charge partielle de 30 à 100 % est possible. La membrane séparatrice n'est pas parfaite. La proportion de gaz traversant la membrane ne dépend que des concentrations et non des quantités de gaz produites. Par conséquent, un mélange indésirable des gaz dans la plage de charge partielle inférieure a un effet plus important qu'en fonctionnement à pleine charge.

                                                
Électrolyseur alcalin (SinoHy)
                                                                         
                     
                                                          
  • Pureté de l'hydrogène de 99,999%; Point de rosée: -70°C
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  • Faible coût
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  • Débits de gaz entre 5 Nm³/h et 2000 Nm³/h
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  • Charge de débit de gaz flexible: 30-100%
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  • Température de fonctionnement: 85°C
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  • Pression de service: = 16 bar
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  • Installation facile grâce à l'encapsulation
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  • Certification CE complète
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      Électrolyseur alcalin
               

Qualité de l'eau requise

Pour tous les types d'électrolyseurs, une bonne qualité de l'eau est indispensable. En fonction de vos analyses d'eau, nous pouvons intégrer en option un traitement de l'eau dans nos installations.

Purification et séchage de l'hydrogène

Après l'électrolyse alcaline ou PEM, il reste de l'humidité résiduelle dans le gaz hydrogène produit. Le séchage nécessaire est déjà intégré dans nos installations. L'oxygène et la majeure partie de l'eau sont renvoyés dans le réservoir d'eau après l'électrolyse et sont éliminés du système par une pompe à oxygène. L'hydrogène pénètre dans un séparateur hydrogène-eau pour la séparation initiale de l'hydrogène et d'une petite quantité d'eau. Après cette séparation primaire, l'hydrogène brut est introduit dans l'unité de purification intégrée du système, qui assure le séchage et la purification.

Ce séchage du gaz peut être réalisé par refroidissement du gaz et par l'utilisation d'un sécheur à adsorption à pression variable (PSA). Un tel système se compose de trois colonnes remplies de tamis moléculaires à base de silicate ou d'oxyde d'aluminium, qui absorbent ou régénèrent l'humidité dans un cycle à trois cylindres. Le passage de l'adsorption à la régénération s'effectue par un changement de température ou de pression induit. Grâce à ce système, la pureté de l'hydrogène brut est portée à 99,999 %. De plus, de nombreux capteurs tels que des capteurs de pression, de fuite d'hydrogène et de débit d'eau sont intégrés dans l'ensemble du système, qui surveillent en permanence les paramètres de fonctionnement et assurent un fonctionnement sans problème du générateur.

Applications

La haute pureté de l'hydrogène produit permet des applications variées :

La technologie d'électrolyse offre une base prometteuse pour la future économie de l'hydrogène, qui est considérée par les politiciens et les stratèges comme une technologie clé pour un approvisionnement énergétique durable au 21e siècle. L'accès à l'hydrogène provenant de sources d'énergie renouvelables en fait une source d'énergie pratiquement inépuisable et respectueuse de l'environnement.

Crystec se réjouit de construire pour vous une installation rentable qui répond à vos exigences les plus strictes.