En 1966, General Electric a développé une cellule électrolytique à eau basée sur le concept de conduction protonique, utilisant une membrane polymère comme électrolyte. Les cellules PEM ont été commercialisées par General Electric en 1978. Aujourd'hui, l'entreprise produit moins de cellules PEM, principalement en raison de leur production limitée d'hydrogène, de leur courte durée de vie et de leur coût d'investissement élevé. Une cellule PEM a une structure bipolaire, et les connexions électriques entre les cellules sont réalisées par des plaques bipolaires, qui jouent un rôle important dans l'évacuation des gaz générés. L'anode, la cathode et le groupe membrane forment l'assemblage membrane-électrode (AME). L'électrode est généralement composée de métaux précieux tels que le platine ou l'iridium. À l'anode, l'eau est oxydée pour produire de l'oxygène, des électrons et des protons. À la cathode, l'oxygène, les électrons et les protons produits par l'anode circulent à travers la membrane jusqu'à la cathode, où ils sont réduits pour produire de l'hydrogène gazeux. Le principe de l'électrolyseur PEM est illustré sur la figure.
Les cellules électrolytiques PEM sont généralement utilisées pour la production d'hydrogène à petite échelle, avec une production maximale d'environ 30 Nm³/h et une consommation électrique de 174 kW. Comparé à une cellule alcaline, le taux de production d'hydrogène réel d'une cellule PEM couvre presque toute la plage limite. La cellule PEM peut fonctionner à une densité de courant supérieure à celle d'une cellule alcaline, allant jusqu'à 1,6 A/cm², et son rendement électrolytique est de 48 à 65 %. Le film polymère n'étant pas résistant aux températures élevées, la température de la cellule électrolytique est souvent inférieure à 80 °C. Hoeller Electrolyzer a développé une technologie de surface cellulaire optimisée pour les petits électrolyseurs PEM. Les cellules peuvent être conçues selon les besoins, réduisant la quantité de métaux précieux et augmentant la pression de fonctionnement. Le principal avantage de l'électrolyseur PEM est que la production d'hydrogène varie presque en synchronisme avec l'énergie fournie, ce qui permet de s'adapter aux variations de la demande en hydrogène. Les cellules Hoeller réagissent à des variations de charge de 0 à 100 % en quelques secondes. La technologie brevetée de Hoeller est en cours de tests de validation et l'installation d'essai sera construite d'ici la fin de 2020.
La pureté de l'hydrogène produit par les cellules PEM peut atteindre 99,99 %, un niveau supérieur à celui des cellules alcalines. De plus, la très faible perméabilité aux gaz de la membrane polymère réduit le risque de formation de mélanges inflammables, permettant à l'électrolyseur de fonctionner à des densités de courant extrêmement faibles. La conductivité de l'eau alimentant l'électrolyseur doit être inférieure à 1 S/cm. Le transport de protons à travers la membrane polymère réagissant rapidement aux fluctuations de puissance, les cellules PEM peuvent fonctionner sous différents modes d'alimentation. Bien que commercialisée, la cellule PEM présente certains inconvénients, notamment un coût d'investissement élevé et le coût élevé de la membrane et des électrodes à base de métaux précieux. De plus, sa durée de vie est plus courte que celle des cellules alcalines. À l'avenir, la capacité des cellules PEM à produire de l'hydrogène devra être considérablement améliorée.
Date de publication : 02/02/2023