En 1966, General Electric a mis au point une cellule électrolytique à eau basée sur le principe de la conduction protonique, utilisant une membrane polymère comme électrolyte. Les cellules PEM ont été commercialisées par General Electric en 1978. Aujourd'hui, la production de cellules PEM par l'entreprise est réduite, principalement en raison de leur faible production d'hydrogène, de leur courte durée de vie et de leur coût d'investissement élevé. Une cellule PEM possède une structure bipolaire, et les connexions électriques entre les cellules sont réalisées par des plaques bipolaires, qui jouent un rôle essentiel dans l'évacuation des gaz produits. L'anode, la cathode et la membrane forment l'ensemble membrane-électrode (MEA). 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. Comparée aux cellules alcalines, la cellule PEM offre un débit de production d'hydrogène optimal, couvrant la quasi-totalité de sa plage de fonctionnement. Elle peut fonctionner à une densité de courant plus élevée, jusqu'à 1,6 A/cm², avec un rendement électrolytique de 48 % à 65 %. Le film polymère étant sensible aux hautes températures, la température de la cellule est souvent inférieure à 80 °C. Hoeller a développé une technologie de surface optimisée pour les petits électrolyseurs PEM. Ces cellules peuvent être conçues sur mesure, permettant de réduire la quantité de métaux précieux et d'augmenter la pression de fonctionnement. Le principal avantage des électrolyseurs PEM réside dans la quasi-synchronisation de la production d'hydrogène avec l'énergie fournie, ce qui les rend parfaitement adaptées aux variations de la demande. Les cellules Hoeller réagissent à des variations de charge de 0 à 100 % en quelques secondes. La technologie brevetée de Hoeller est actuellement soumise à des tests de validation, et le centre d'essais sera construit d'ici la fin de 2020.
La pureté de l'hydrogène produit par les piles PEM peut atteindre 99,99 %, supérieure à celle des piles alcalines. De plus, la très faible perméabilité aux gaz de la membrane polymère réduit le risque de formation de mélanges inflammables, permettant ainsi 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 piles PEM peuvent fonctionner avec différents modes d'alimentation. Bien que commercialisées, les piles PEM présentent certains inconvénients, notamment un coût d'investissement élevé et le prix élevé de la membrane et des électrodes à base de métaux précieux. Par ailleurs, leur durée de vie est plus courte que celle des piles alcalines. À l'avenir, il sera nécessaire d'améliorer considérablement la capacité de production d'hydrogène des piles PEM.
Date de publication : 2 février 2023