En 1966, la General Electric Company 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. Actuellement, l'entreprise produit moins de cellules PEM, principalement en raison de sa production limitée d'hydrogène, de sa courte durée de vie et de son coût d'investissement élevé. Une cellule PEM a une structure bipolaire et les connexions électriques entre les cellules sont établies via des plaques bipolaires, qui jouent un rôle important dans l'évacuation des gaz générés. L'anode, la cathode et le groupe membrane forment l'ensemble membrane-électrode (MEA). L'électrode est généralement composée de métaux précieux comme le platine ou l'iridium. A 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'hydrogène d'environ 30 Nm3/h et une consommation électrique de 174 kW. Comparé à une pile alcaline, le taux de production réel d’hydrogène de la pile PEM couvre presque toute la plage limite. La cellule PEM peut fonctionner à une densité de courant plus élevée que la cellule alcaline, même jusqu'à 1,6 A/cm2, et l'efficacité électrolytique est de 48 % à 65 %. Le film polymère ne résistant pas aux températures élevées, la température de la cellule électrolytique est souvent inférieure à 80°C. L'électrolyseur Hoeller a développé une technologie de surface cellulaire optimisée pour les petits électrolyseurs PEM. Les cellules peuvent être conçues selon les exigences, réduisant ainsi la quantité de métaux précieux et augmentant la pression de fonctionnement. Le principal avantage de l'électrolyseur PEM est que la production d'hydrogène change de manière presque synchrone avec l'énergie fournie, ce qui est adapté à l'évolution de la demande en hydrogène. Les cellules Hoeller réagissent aux changements de charge de 0 à 100 % en quelques secondes. La technologie brevetée de Hoeller est en cours de tests de validation et l'installation de test sera construite d'ici fin 2020.
La pureté de l'hydrogène produit par les piles PEM peut atteindre 99,99 %, ce qui est supérieur à celui des piles alcalines. De plus, la perméabilité aux gaz extrêmement faible 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 fournie à l'électrolyseur doit être inférieure à 1S/cm. Étant donné que le transport des protons à travers la membrane polymère réagit rapidement aux fluctuations de puissance, les cellules PEM peuvent fonctionner selon différents modes d'alimentation. Bien que la cellule PEM ait été commercialisée, elle présente certains inconvénients, principalement le coût d'investissement élevé et le coût élevé des électrodes à base de membrane et de métaux précieux. De plus, la durée de vie des piles PEM est plus courte que celle des piles alcalines. À l’avenir, la capacité des cellules PEM à produire de l’hydrogène devra être considérablement améliorée.
Heure de publication : 02 février 2023