In recent years, research on high-efficiency, low-cost water electrolyzers has gained widespread attention, as large-scale hydrogen production and utilization are crucial for enhancing the resilience of renewable electricity generation and transmission systems. Currently, the most common method of hydrogen production is through steam reforming of methane or other hydrocarbons, but this process generates significant carbon dioxide emissions. Therefore, water electrolyzers that generate hydrogen and oxygen via electrochemical water splitting have become a research hotspot.
Under high-temperature operating conditions (700–950°C), solid oxide steam electrolyzers (SOECs) have been developed and verified at the laboratory and pilot scale (see Figure 1). The high operating temperature of SOECs allows them to operate at relatively low cell voltages with almost no kinetic limitations, achieving near 100% high heating value (HHV) electrolysis efficiency at a current density of about 1 A/cm². However, high-temperature operation also brings many challenges, such as long startup and shutdown times, rapid degradation due to high-temperature interdiffusion of cell components, and poisoning caused by corrosion products, making SOECs face difficulties in market deployment.
Issues with Alkaline and PEM Electrolyzers
Proton exchange membrane water electrolyzers (PEMWEs) utilize proton exchange membranes (PEM) and ionomers in the electrodes, allowing operation without circulating liquid electrolytes. In this configuration, both the anode and cathode are in direct contact with the non-porous PEM, forming a compact cell arrangement (zero-gap design) (see Figure 3). This design enables PEMWEs to operate at current densities of around 2 A/cm².
Furthermore, the non-porous membrane in PEMWEs supports differential pressure operation, enabling high-pressure hydrogen generation at the cathode and atmospheric pressure oxygen generation at the anode. This reduces the need for secondary mechanical compression for hydrogen storage. Despite these advantages, the high cost of electrocatalysts (such as iridium oxide and platinum), and corrosion-resistant current collectors and bipolar plates used in acidic environments, may become limiting factors for large-scale systems. This is especially true as the stack size increases, and these components significantly contribute to the overall system cost. Both AWEs and PEMWEs are considered mature technologies and have been commercially deployed based on specific application needs.
At low-temperature operating conditions (below 100°C), alkaline water electrolyzers (AWEs) are a mature technology. AWEs use an aqueous solution containing potassium hydroxide (KOH) as the liquid electrolyte and are equipped with porous separator membranes (see Figure 2). Extensive research has been reported on the development of platinum group metal (PGM)-free electrocatalysts for hydrogen and oxygen evolution reactions (i.e., Réaction d'évolution de l'hydrogène (REH)etréaction d'évolution de l'oxygène (OER)). L'orientation actuelle de la recherche se concentre sur des conceptions telles que des configurations à écart nul pour augmenter la densité de courant ou la pression de fonctionnement. Cependant,AWEont des taux de production d'hydrogène relativement faibles, généralement d'environ 200 mA/cm² à une tension de cellule de 1,8 V.
Principes de fonctionnement de l'électrolyseur AEM
Électrolyseurs d'eau à membrane échangeuse d'anions (AEMWE)fonctionnent dans un environnement alcalin et peuvent utiliserCatalyseurs sans métaux du groupe du platine (PGM). Lemembrane échangeuse d'anions (AEM)est un polymère conducteur d'oxyde d'hydrogène non poreux avec des groupes fonctionnels fixes chargés positivement sur ses chaînes principales ou latérales, permettant des configurations à espace nul et un fonctionnement sous pression différentielle (voir Figure 4).
La réaction générale dansAEMWEimplique la réaction d'évolution de l'hydrogène (HER) et la réaction d'évolution de l'oxygène (OER). L'eau ou l'électrolyte liquide alcalin circule à travers la cathode, où l'eau est réduite en ions hydrogène et hydroxyde par l'ajout de deux électrons (H₂O + 2e⁻ → H₂ + OH⁻). Les ions hydroxyde diffusent à travers la cathodeAEMà l'anode, tandis que les électrons sont transférés par le circuit externe vers la cathode. À l'anode, les ions hydroxyde se recombinent pour former de l'oxygène et de l'eau, générant deux électrons (2OH⁻ → ½O₂ + H₂O + 2e⁻). Les gaz hydrogène et oxygène se forment sous forme de bulles à la surface des catalyseurs HER et OER. Similaire àPEMWE, lemembrane non poreuseconfiguration à écart nul deAEMWEpermet une production d’hydrogène à grande vitesse et réduit le besoin de compression mécanique pour le stockage de l’hydrogène.
Il est à noter queAEMWEcombiner les avantages deAWE(catalyseurs sans PGM) etPEMWE(configurations à espacement nul et membranes non poreuses). Il est intéressant de noter que, contrairement àPEMWE, qui utilisent exclusivement des électrolytes polymères, de nombreuxAEMWEutilisent également des électrolytes liquides (tels que des solutions de KOH ou de K₂CO₃).
Des études de modélisation récentes suggèrent que l'ajout d'électrolyte liquide réduit non seulement larésistance ohmiquede la membrane et de la couche catalytique mais améliore également la cinétique de réaction. En ajoutant de l'électrolyte liquide à la cellule, le pH local à l'interface catalyseur-électrolyte augmente, créant ainsi une interface électrochimique supplémentaire.AEMWEaveccatalyseurs à base de nickeldans une solution de KOH 1 M, produisent de l'hydrogène à une tension de 2 V et une densité de courant de 1,8 A/cm², obtenant des performances comparables à celles des solutions conventionnellesPEMWEà pression atmosphérique. En raison du faible coût decatalyseurset le matériel, ainsi que la configuration à écartement nul applicable et le fonctionnement à pression différentielle,AEMWEsuscitent un intérêt croissant pour la production d’hydrogène.
Défis de durabilité des électrolyseurs AEM
Le principal défi technique deAEMWE(électrolyseurs d'eau à membrane échangeuse d'anions) dans des systèmes commercialement viables est leurdurabilité. Durabilité dansAEMWEdésigne généralement la durée de vie de l'appareil. Au cours des premières étapes deLevons-nousdéveloppement, la mesure de la durabilité était relativement facile car la durée de vie des cellules était plus courte (moins de 500 heures). Cependant, comme les cellules étaient plus durablesAEMWEsont développés, mesurer leur durée de vie est devenu plus compliqué.
Il est important de noter que faire fonctionner une cellule pendant plus de 10 000 heures prend plus d'un an. Par conséquent, la durabilité deAEMWELa durabilité est généralement évaluée en mesurant le taux de variation de tension lors de tests à long terme (100 à 1 000 heures) ou en utilisant des tests de contrainte accélérés (AST) dans des conditions de dégradation accélérée (telles que des températures de fonctionnement plus élevées et des densités de courant élevées). Cependant, il convient de noter que les tests à long terme utilisant des taux de variation de tension et des tests de durée de vie dans des conditions AST peuvent ne pas prédire avec précision la durabilité desAEMWE, car la durée de vie des cellules est affectée par de multiples modes de dégradation et est souvent limitée par une défaillance catastrophique. Il reste donc nécessaire de faire fonctionner la cellule en continu dans des conditions de fonctionnement normales pour obtenir sa véritable durée de vie.
Bien que la durée de vie de la pile commercialeélectrolyseurs d'eau à membrane échangeuse de protons (PEMWE)est proche de 20 000 à 60 000 heures, la durée de vie déclarée de la plupartAEMWEest d'environ 3 000 heures. De plus, la plupartAEMWEsont testés dans des conditions de pression atmosphérique.
