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Électrolyse à membrane électrolytique polymère

L’électrolyse à membrane électrolytique polymère est un procédé d'électrolyse de l'eau en hydrogène et oxygène sous l'effet d'un courant continu à travers une membrane échangeuse de protons ; cette membrane permet à la fois d'isoler électriquement les deux électrodes, de séparer physiquement les deux gaz produits et de faire circuler librement les protons depuis l'anode, au contact de l'eau et où est libéré l'oxygène, vers la cathode, où est produit l'hydrogène[1],[2]. On parle parfois d'électrolyse PEM, pour Polymer Electrolyte Membrane[3] ou Proton-Exchange Membrane[4], les deux termes étant équivalents. Cette technologie a été développée pour résoudre les difficultés posées par l'électrolyse alcaline de l'eau (en), notamment la perte de tension, la faible intensité de courant et la faible pression d'hydrogène produit[5],[6]. La faible empreinte écologique de cette technologie la rend intéressante du point de vue du développement durable car elle ne produit par elle-même aucune émission carbonée[7].

(en) Schéma de principe d'une électrolyse à membrane électrolytique polymère avec cathode (ici en catalyseur platine sur papier carbone ou laine de carbone) et anode (ici en catalyseur iridium sur titane) autour d'une membrane échangeuse de protons (par exemple en Nafion).

Principe et réactions modifier

L'électrolyse de l'eau a pour objectif de convertir l'énergie électrique fournie au système en énergie chimique sous forme d'hydrogène H2 et d'oxygène O2, à partir de l'eau H2O de la cuve d'électrolyse. Cette énergie chimique peut être utilisée ultérieurement et permettre de lisser la production d'électricité à partir de sources d'énergie intermittentes telles que l'énergie éolienne et l'énergie solaire en affectant l'électricité excédentaire à la production d'hydrogène, par exemple comme carburant pour véhicules à pile à combustible. C'est ainsi l'un des modes de stockage chimique de l'énergie solaire.

L'électrolyse à membrane électrolytique polymère utilise un électrolyte polymère perméable aux protons de l'anode vers la cathode mais isolant électrique entre les électrodes afin de bloquer le retour des électrons de l'anode vers la cathode. Dans les conditions normales de température et de pression, l'enthalpie de décomposition de l'eau vaut ΔH = 285,9 kJ/mol, fournie en partie sous forme d'énergie thermique, le reste étant fourni sous forme d'énergie électrique[8].

La tension de circuit ouvert UOC d'une cellule d'électrolyse en fonctionnement se situe entre 1,23 et 1,48 V selon la manière dont la conception de la cellule permet d'utiliser l'énergie thermique. Cette valeur est cependant difficile à déterminer car ces cellules en fonctionnement connaissent également d'autres pertes de tension en raison par exemple de résistances électriques internes, de la conductivité des protons, de l'efficacité des catalyseurs d'électrolyse, etc.

La demi-réaction d'oxydation se déroule sur l'anode, où l'eau H2O est clivée en oxygène O2, en protons H+ et en électrons e− :

2 H2O(l) ⟶ O2 (g) + 4 H+(aq) + 4 e−.

Côté cathode, la demi-réaction de réduction consiste à recombiner les protons qui ont traversé la membrane électrolytique avec les électrons du circuit électrique pour libérer l'hydrogène :

4 H+(aq) + 4 e− ⟶ 2 H2 (g).

Notes et références modifier

  1. ↑ (en) A. H. Abdol Rahim, Alhassan Salami Tijani, S. K. Kamarudin et S. Hanapi, « An overview of polymer electrolyte membrane electrolyzer for hydrogen production: Modeling and mass transport », Journal of Power Sources, vol. 309,‎ , p. 56-65 (DOI 10.1016/j.jpowsour.2016.01.012, Bibcode 2016JPS...309...56A, lire en ligne).
  2. ↑ (en) A. S. Aricò, S. Siracusano, N. Briguglio, V. Baglio, A. Di Blasi et V. Antonucci, « Polymer electrolyte membrane water electrolysis: status of technologies and potential applications in combination with renewable power sources », Journal of Applied Electrochemistry, vol. 43, no 2,‎ , p. 107-118 (DOI 10.1007/s10800-012-0490-5, lire en ligne).
  3. ↑ (en) CH. Lee, J. K. Lee, B. Zhao, K. F. Fahy et A. Bazylak, « Transient Gas Distribution in Porous Transport Layers of Polymer Electrolyte Membrane Electrolyzers », Journal of The Electrochemical Society, vol. 167, no 2,‎ , article no 024508 (DOI 10.1149/1945-7111/ab68c8, Bibcode 2020JElS..167b4508L, lire en ligne  ).
  4. ↑ (en) Shaoyun Hao, Hongyuan Sheng, Min Liu, Jinzhen Huang, Guokui Zheng, Fan Zhang, Xiangnan Liu, Zhiwei Su, Jiajun Hu, Yang Qian, Lina Zhou, Yi He, Bo Song, Lecheng Lei, Xingwang Zhang et Song Jin, « Torsion strained iridium oxide for efficient acidic water oxidation in proton exchange membrane electrolyzers », Nature Nanotechnology, vol. 16, no 12,‎ , p. 1371-1377 (PMID 34697492, DOI 10.1038/s41565-021-00986-1, Bibcode 2021NatNa..16.1371H, lire en ligne).
  5. ↑ (en) « Development of Water Electrolysis in the European Union » [PDF], Framework Program #7, sur fch.europa.eu, Fuel Cells and Hydrogen Joint Technology Initiative, Union européenne, (consulté le ).
  6. ↑ (en) Marcelo Carmo, David L. Fritz, Jürgen Mergel et Detlef Stolten, « A comprehensive review on PEM water electrolysis », International Journal of Hydrogen Energy, vol. 38, no 12,‎ , p. 4901-4934 (DOI 10.1016/j.ijhydene.2013.01.151, lire en ligne).
  7. ↑ (en) S. Shiva Kumar et V. Himabindu, « Hydrogen production by PEM water electrolysis – A review », Materials Science for Energy Technologies, vol. 2, no 3,‎ , p. 442-454 (DOI 10.1016/j.mset.2019.03.002, S2CID 141506732, lire en ligne).
  8. ↑ (en) J. Mergel, M. Carmo et D. Fritz, « Status on Technologies for Hydrogen Production by Water Electrolysis », dans D. Stolten, Transition to Renewable Energy Systems, 2013, Wiley-VCH. (ISBN 978-3-527-33239-7)
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