Les challenges et améliorations attendues pour l'électrolyse PEM
Présentation de Stacks Technology
Stacks Technology a été créée en mai 2021, après une phase préparatoire en 2020. La société a reçu un premier soutien d'investissement en août 2022 et a démarré sa production initiale en 2023.
L'équipe compte une quinzaine de personnes, principalement dans les fonctions techniques. L'expérience cumulée des collaborateurs permet de proposer une expertise technique approfondie dans le domaine de l'électrolyse PEM — au niveau du stack, des bancs de test et des électrolyseurs.
Le positionnement de Stacks Technology cible l'électrolyse PEM de grande échelle pour les marchés de la raffinerie, de l'ammoniac, des e-fuels (méthanol) et du power-to-gas par injection dans le réseau.
Le produit phare est le projet Megascale : un stack conçu pour la production industrielle de forte puissance, avec une haute disponibilité, un faible downtime et un capex maîtrisé. Son design intègre les contraintes industrielles avec un processus de fabrication permettant l'automatisation et des opérations d'assemblage optimisées.
Principe de l'électrolyse PEM
L'électrolyse PEM est une méthode de production d'hydrogène par passage d'un courant électrique à travers de l'eau déminéralisée dans une cellule électrolytique.
À l'anode, les électrons libérés réagissent avec l'eau pour former des ions oxygène et des ions hydroxyle. À la cathode, les protons réagissent avec les électrons pour former des molécules d'hydrogène gazeux. La membrane échangeuse de protons (MEA) sépare les deux électrodes : elle permet uniquement aux protons (ions H⁺) de passer, tout en bloquant les électrons et en maintenant les gaz produits séparément. L'hydrogène produit est ensuite purifié et collecté.
L'avantage de l'électrolyse PEM réside dans sa réactivité rapide et son efficacité à basse température.
La membrane échangeuse de protons
La membrane PEM est généralement fabriquée à partir de polymères conducteurs de protons — des dérivés de sulfonates de polyfluorocarbure. Les groupes d'acides sulfoniques facilitent la conduction des ions H⁺ à travers la membrane. Elle est mince pour maximiser la conductivité ionique, durable pour résister aux conditions d'exploitation (eau pure, réactions électrochimiques prolongées), et efficace à des températures relativement basses — un avantage significatif par rapport à d'autres technologies d'électrolyse.
Composition d'une cellule d'électrolyse
Une cellule comprend cinq éléments principaux :
— La plaque bipolaire (bipolar plate) : assure la conduction électrique dans la cellule
— Le spacer : transmet le courant et répartit homogènement la pression lors du serrage du stack
— Le PTL (porous transport layer) : élément poreux facilitant la réaction entre l'eau et l'électricité
— La MEA : joue le rôle de barrière sélective, ne laissant passer que les ions H⁺
— Le joint (gasket) : assure l'étanchéité de tous les compartiments
L'assemblage et la précision
Pour obtenir un bon rendement, la précision d'assemblage est déterminante. Un alignement optimal de chaque élément améliore les réactions chimiques. L'homogénéité du serrage et des efforts de compression améliore la conductivité électrique. La gestion de l'évolution dans le temps est primordiale pour maintenir un rendement optimal tout au long de la durée de vie du stack.
Schéma de principe d'un électrolyseur
Le stack se trouve au centre du système. L'alimentation électrique passe par un redresseur qui délivre le courant avec la bonne intensité et le bon signal. L'eau pure est introduite dans un réservoir séparateur O₂, puis conditionnée en température via un échangeur. Elle est ensuite injectée dans le stack par deux pompes.
En sortie, deux séparateurs récupèrent d'un côté l'eau et l'oxygène, de l'autre l'eau et l'hydrogène. Par effet de miscibilité, le ciel gazeux de chaque séparateur se remplit du gaz correspondant. L'oxygène passe dans un condensateur à plaques pour en extraire l'eau — conservée dans le séparateur — avant d'être évacué. L'hydrogène suit le même processus, puis passe dans une unité de purification et un analyseur pour vérifier la conformité aux spécifications client.
Challenges et améliorations attendues
1. Augmentation de la pression
L'augmentation de la pression dans les stacks PEM présente des avantages et des inconvénients.
Avantages : amélioration de la densité de puissance et donc de l'efficacité globale, accélération des réactions électrochimiques, meilleure séparation des gaz réduisant le risque de mélange H₂/O₂.
Inconvénients : conception plus exigeante et plus coûteuse pour résister aux pressions élevées, risque accru de fuites nécessitant des matériaux et des designs adaptés, coût énergétique de la compression pouvant contrebalancer les gains si l'énergie utilisée n'est pas renouvelable, et exigences de sécurité renforcées.
2. Augmentation de la surface active des cellules
Augmenter la surface active de la membrane PEM offre plusieurs avantages : amélioration de l'efficacité électrochimique globale, augmentation de la capacité de production d'hydrogène pour des applications industrielles à forts volumes, réduction des pertes ohmiques en diminuant la résistance électrique des composants. L'augmentation de la surface active s'accompagne également d'une automatisation et d'une fiabilisation accrues de la production des cellules et de l'assemblage du stack.
3. Autres pistes d'amélioration du rendement
— Optimisation des paramètres opérationnels : tension, courant, température, dans les limites de sécurité et de durabilité
— Catalyseurs améliorés : les avancées en recherche sur les catalyseurs constituent un levier majeur d'efficacité
— Optimisation de la conception des cellules : géométrie des électrodes, disposition des cellules
— Réduction des pertes ohmiques : matériaux conducteurs de haute qualité, minimisation des résistances électriques
— Recirculation des gaz : amélioration du transport des gaz à travers la membrane, réduction des pertes
— Contrôle de la qualité de l'eau : surveillance et traitement de l'eau d'alimentation pour éviter toute contamination
— Membranes optimisées : haute conductivité ionique et séparation efficace des gaz
— Électrolyse haute pression : augmentation de la densité volumique d'hydrogène produit
— Récupération de chaleur : valorisation de l'énergie thermique générée pendant l'électrolyse
4. Défis environnementaux
Amélioration de la tolérance aux impuretés des membranes
Plusieurs approches sont envisagées : membranes hydrophobes repoussant les impuretés aqueuses, revêtements anti-encrassement facilitant le nettoyage de surface, polymères résistants à la dégradation chimique prolongeant la durée de vie, matériaux de renfort (nanomatériaux, fibres) réduisant la sensibilité aux dommages, membranes composites combinant les avantages de plusieurs matériaux, et ionomères résistants à la contamination maintenant la conductivité ionique.
Gestion de l'eau dans le balance-of-plant
La gestion de l'eau est un enjeu critique : le traitement de déionisation représente 22 % du coût total du BOP d'un électrolyseur d'1 MW.
Les leviers d'optimisation sont : systèmes de collecte de condensat (condensateurs, drainage efficace), systèmes de purification de l'eau récupérée, recyclage de l'eau pour réduire la dépendance aux sources externes, surveillance en temps réel de la qualité de l'eau, optimisation des systèmes de drainage pour minimiser les pertes, traitement des effluents si nécessaire, et approche globalement durable de la gestion des ressources hydriques.
Purification de l'hydrogène
Plusieurs méthodes sont utilisées selon le niveau de pureté requis : absorption physique (charbon actif, tamis moléculaires) pour les impuretés gazeuses, déshydratation par absorption (agents hygroscopiques) pour l'eau, filtration pour les impuretés liquides et solides, et compression-refroidissement favorisant la condensation de certaines impuretés résiduelles.
5. Les métaux critiques : platine et iridium
En 2022, la production mondiale de platine était d'environ 200 tonnes par an, et celle de l'iridium de quelques dizaines de tonnes — des quantités limitées au regard des besoins potentiels d'un déploiement massif de l'électrolyse PEM.
La demande en ces métaux pourrait augmenter considérablement avec le développement de la filière. Des efforts importants de recherche sont en cours pour développer des catalyseurs à base de métaux non nobles et des matériaux moins rares, visant à réduire ou remplacer le platine et l'iridium. Ces avancées sont essentielles pour assurer la durabilité et la viabilité économique de l'électrolyse PEM à grande échelle.
