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Électrolyseur PEM / électrolyse acide

La technologie PEM (Proton Exchange Membrane) est une méthode de production d'hydrogène par la séparation de l'eau en milieu acide. Elle se distingue de l'électrolyse alcaline, qui se déroule en milieu basique. Un avantage majeur de la PEM est la mobilité plus rapide des ions hydrogène (H⁺) par rapport aux ions hydroxyde (OH^-), ce qui permet des vitesses de réaction plus élevées. De plus, cette technologie permet d'obtenir une pureté d'hydrogène élevée, jusqu'à 99,999 %, et trouve de nombreuses applications.

Principe de fonctionnement de l'électrolyse PEM

Le principe repose sur l'utilisation d'une membrane échangeuse de protons. Cette membrane semi-perméable laisse passer les protons (H⁺) tout en empêchant l'échange des gaz oxygène (O₂) et hydrogène (H₂). À l'anode, l'eau est dissociée sous l'effet catalytique d'électrodes revêtues de métaux nobles (platine, sulfure de molybdène) en oxygène, électrons et protons. Les protons traversent la membrane vers la cathode où ils se recombinent avec des électrons pour former de l'hydrogène. Les gaz produits sont collectés et évacués via des canaux spécifiques.

La décomposition de l'eau peut être décrite par les équations de réaction ci‑dessous.

HER (Hydrogen evolution reaction) :	4 H+ + 4 e- ⟶ 2 H2
OER (Oxygen evolution reaction) :	H2O ⟶ 4 H+ + 4 e- + O2

La membrane échangeuse de protons est le cœur de cette technologie. Elle est constituée d'un polymère solide, offrant résistance à la corrosion et faibles besoins de maintenance. Les électrodes en contact direct avec la membrane sont souvent en métaux nobles comme le platine à l'anode et l'iridium ou l'oxyde de ruthénium à la cathode. Des collecteurs de courant assurent la connexion des électrodes et la conduction électrique. Une innovation technologique réside dans la construction du stack PEM, composé de plusieurs couches (électrodes, collecteurs de courant, joints) optimisées pour une haute efficacité de production d'hydrogène.

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

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

Avantages de l'électrolyse PEM

• Démarrage rapide – réactivité et flexibilité face aux variations d'approvisionnement (p. ex. PV / éolien)
• Haute pureté – jusqu'à 99,999 %, adaptée aux applications de l'industrie électronique et aux piles à combustible
• Haute efficacité – meilleure mobilité des protons par rapport aux ions hydroxyde
• Fonctionnement en charge partielle – stable dès 5 % de charge
• Résistance à la corrosion et faible maintenance grâce à la membrane polymère
• Modulaire et évolutif – extension par modules supplémentaires

Les systèmes PEM sont modulaires et souvent installés dans des conteneurs pour offrir une solution compacte et flexible. Le conteneur est divisé en plusieurs locaux distincts (salle de commande électrique, salle d'électrolyse, salle de refroidissement) pour répondre aux exigences de sécurité et de protection contre les explosions. Chaque local est strictement séparé afin d'assurer un fonctionnement sûr et efficace.

Électrolyseur alcalin

Dans l'électrolyse alcaline (AEL), les électrodes sont métalliques et présentent une très bonne stabilité à long terme. On utilise généralement des anodes DSA (dimensionally stable anodes) en fer ou en titane. Sur cette électrode conductrice est appliquée une couche catalytique poreuse à grande surface appelée ECSA (Electrochemical Active Surface Area). Celle‑ci peut être constituée d'oxydes de métaux nobles ou de Raney‑nickel. Une membrane perméable (diaphragme) est utilisée comme séparation.

Dans les anciennes conceptions (« cell gap »), les électrodes étaient montées à une certaine distance de la membrane pour permettre l'échappement des gaz ; cet écart variait de quelques millimètres à quelques centimètres. Les électrolyseurs alcalins modernes utilisent le principe « zero gap » : les électrodes sont placées directement contre la membrane pour réduire la résistance électrique et atteindre des densités de courant plus élevées. Le gaz s'échappe à travers les pores des électrodes. Un électrolyte liquide reste néanmoins nécessaire.

Cette méthode permet d'obtenir des débits gazeux nettement supérieurs à ceux de la PEM. Les électrolyseurs alcalins sont donc particulièrement adaptés aux installations de grande échelle.

La vitesse de la réaction dépend principalement de deux facteurs : la température (plus élevée → réaction plus rapide et tension nécessaire plus faible) et la nature des ions dans l'électrolyte (le potassium présente une mobilité ionique supérieure au sodium). L'ajout d'une solution de KOH augmente fortement la conductivité de l'électrolyte, favorisant une séparation rapide des gaz à la surface des électrodes.

La dissociation de l'eau en milieu basique peut être décrite par les équations suivantes :

HER (réaction d'évolution de l'hydrogène) :	4 H2O + 4 e- ⟶ 2 H2 + 4 OH-
OER (réaction d'évolution de l'oxygène) :	4 OH- ⟶ 2 H2O + 4 e- + O2

La technologie alcaline est mature et se caractérise par des coûts de production faibles. Avec nos électrolyseurs alcalins, il est possible d'atteindre des productions d'hydrogène de 5 Nm³/h à 2000 Nm³/h. La pression de service est ≤ 16 bar. Un fonctionnement en charge partielle de 30–100 % est possible. La membrane de séparation n'est pas parfaitement étanche : la fraction de gaz traversant dépend des concentrations et non du débit produit. Ainsi, un mélange indésirable des gaz est proportionnellement plus important en basse charge qu'en pleine charge.

Nos électrolyseurs alcalins sont disponibles en systèmes conteneurisés modulaires et offrent une solution rentable, robuste et durable pour la production d'hydrogène à grande échelle.

Remarque

La technologie à diaphragme n'est pas entièrement étanche aux gaz ; pour des applications critiques, nous recommandons des unités de purification et de séchage additionnelles ainsi qu'une instrumentation complète pour garantir la qualité (capteurs de pression, d'humidité et de fuite).

Qualité de l'eau requise

Une bonne qualité d'eau est requise pour tous les types d'électrolyseurs. Sur la base de vos analyses d'eau, nous pouvons intégrer en option un système de traitement de l'eau dans nos installations.

Préparation et séchage de l'hydrogène

Après l'électrolyse, qu'elle soit alcaline ou PEM, une humidité résiduelle est présente dans l'hydrogène produit. Le séchage nécessaire est déjà intégré dans nos installations. L'oxygène et la majeure partie de l'eau sont renvoyés au réservoir d'eau et expulsés du système à l'aide d'une pompe à oxygène. L'hydrogène passe par un séparateur eau‑hydrogène pour une séparation primaire. Ensuite, le gaz brut est dirigé vers l'unité de purification intégrée qui effectue le séchage et le nettoyage.

Le séchage peut être réalisé par refroidissement et par un sécheur par adsorption (SAD – Swing Adsorption Dryer), typiquement une TSA (Temperature Swing Adsorption) ou une PSA (Pressure Swing Adsorption). Une telle installation comporte trois colonnes remplies de tamis moléculaires (base silice ou alumine) fonctionnant en cycle à trois cylindres pour adsorber et régénérer l'humidité. Le basculement entre adsorption et régénération s'effectue par un changement de température ou de pression. Ce système permet d'atteindre une pureté de l'hydrogène brut jusqu'à 99,999 %. De nombreux capteurs (pression, détection de fuite H₂, débit d'eau, etc.) surveillent en permanence le fonctionnement pour garantir la sécurité et la fiabilité de l'installation.

Applications

La haute pureté de l'hydrogène produit permet de nombreuses applications :

• Hydrogène pour piles à combustible (véhicules, moteurs à hydrogène, systèmes énergétiques stationnaires)
• Industrie électronique pour la fabrication de semi‑conducteurs et de puces
• Énergies renouvelables : couplage avec l'éolien et le solaire pour stocker l'énergie excédentaire
• Centrales nucléaires : pour le refroidissement et la réduction dans certains générateurs thermonucléaires
• Industrie chimique : hydrogène pour des réactions chimiques, p.ex. dans le raffinage
• Médecine : utilisation des molécules d'hydrogène en recherche médicale
• Militaire : support aux piles à combustible dans des applications telles que sous-marins ou capteurs météorologiques
• Production d'ammoniac : l'hydrogène généré convient à la production d'ammoniac, qui peut servir de vecteur pour le transport en grandes quantités ; il peut être retransformé en hydrogène sur site via un crackeur d'ammoniac.

La technologie de l'électrolyse constitue une base prometteuse pour l'économie de l'hydrogène, considérée par les décideurs comme une technologie clé pour un approvisionnement énergétique durable au XXIᵉ siècle. L'accès à l'hydrogène produit à partir de sources renouvelables en fait une ressource quasi inépuisable et respectueuse de l'environnement.

Crystec se réjouit de concevoir pour vous une installation économique répondant à vos exigences les plus strictes.