L'électrolyse de l'eau à membrane échangeuse d'anions (AEM) est en quelque sorte un hybride entre l'électrolyse à membrane échangeuse de protons (PEM) et l'électrolyse traditionnelle à membrane. Le principe de fonctionnement d'une cellule électrolytique AEM est illustré à la figure 3. À la cathode, l'eau est réduite pour produire de l'hydrogène et des ions OH⁻. Ces derniers circulent à travers la membrane jusqu'à l'anode, où ils se recombinent pour former de l'oxygène.
Li et al. [1-2] ont étudié un électrolyseur d'eau haute performance à membrane échangeuse d'anions (MEA) en polystyrène et polyphénylène hautement quaternisés. Leurs résultats ont montré une densité de courant de 2,7 A/cm² à 85 °C sous une tension de 1,8 V. L'utilisation de NiFe et de PtRu/C comme catalyseurs pour la production d'hydrogène a entraîné une diminution significative de la densité de courant, qui a atteint 906 mA/cm². Chen et al. [5] ont étudié l'application d'un catalyseur électrolytique à base de métal non noble à haute efficacité dans un électrolyseur à film polymère alcalin. Des oxydes de NiMo ont été réduits par les gaz H₂/NH₃, NH₃, H₂ et N₂ à différentes températures afin de synthétiser des catalyseurs pour la production électrolytique d'hydrogène. Les résultats indiquent que le catalyseur NiMo-NH₃/H₂, réduit par H₂/NH₃, présente les meilleures performances, avec une densité de courant atteignant 1,0 A/cm² et un rendement de conversion énergétique de 75 % à 1,57 V et 80 °C. S'appuyant sur sa technologie de membranes de séparation de gaz, Evonik Industries a développé un matériau polymère breveté destiné aux cellules électrolytiques AEM et développe actuellement une ligne pilote pour la production de ces membranes. La prochaine étape consiste à vérifier la fiabilité du système et à améliorer les spécifications des batteries, tout en augmentant la production.
Actuellement, les principaux défis auxquels sont confrontées les cellules électrolytiques AEM sont le manque de conductivité et de résistance alcaline de la membrane échangeuse d'anions (AEM), ainsi que l'augmentation du coût de fabrication des dispositifs électrolytiques due aux électrocatalyseurs à base de métaux précieux. Parallèlement, la pénétration de CO₂ dans le film de la cellule réduit la résistance de ce dernier et celle des électrodes, diminuant ainsi les performances électrolytiques. Les orientations futures du développement des électrolyseurs AEM sont les suivantes : 1. Développer une AEM à haute conductivité, sélectivité ionique et stabilité alcaline à long terme. 2. Surmonter le problème du coût élevé des catalyseurs à base de métaux précieux et développer un catalyseur performant sans métaux précieux. 3. L'objectif actuel est de réduire le coût des électrolyseurs AEM à 20 $/m², en utilisant des matières premières bon marché et en simplifiant les étapes de synthèse, afin de diminuer leur coût global. 4. Réduire la teneur en CO₂ dans la cellule électrolytique et améliorer ses performances.
[1] Liu L, Kohl P A. Copolymères multiblocs conducteurs d'anions avec différents cations liés [J].Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 2018, 56(13): 1395 — 1403.
[2] Li D, Park EJ, Zhu W, et al. Ionomères de polystyrène hautement quaternisés pour électrolyseurs d'eau à membrane échangeuse d'anions haute performance [J]. Nature Energy, 2020, 5 : 378 — 385.
Date de publication : 2 février 2023