Électrolyseur (ioniseur ou activateur) vs générateurs d'eau hydrogène

Comment fonctionnent les inoniseurs et les générateurs d’eau H₂

Souvent, les électrolyseurs sont également appelés ioniseurs ou activateurs d’eau. Cependant, il est plus précis de les appeler électrolyseurs, car ce nom reflète l'essence des processus se déroulant dans les appareils. Quelle est la différence dans le fonctionnement des ioniseurs d'eau et des générateurs d'eau à hydrogène ?

Qu'est-ce qu'un électrolyseur (ioniseur ou activateur) ? Qu'est-ce que l'eau activée ou alcaline ?

Souvent, les électrolyseurs sont également appelés ioniseurs ou activateurs d’eau. Cependant, il est plus précis de les appeler électrolyseurs, car ce nom reflète l'essence des processus se déroulant dans les appareils

Dans l'électrolyseur (ioniseurs), l'eau est divisée en deux types : l'eau alcaline avec un pH supérieur à 8 et l'eau acide avec un pH inférieur à 6.

• Le principe de fonctionnement des électrolyseurs d'eau (ioniseurs)
  Un ioniseur d'eau est un appareil dans lequel 2 électrodes ou plus sont immergées dans une solution saline dans l'eau.
  S'il y a 2 électrodes : Anode - électrode chargée positivement A(+) et Cathode C(-) - électrode chargée négativement, le schéma de l'électrolyseur ressemble à ceci :

Essentiellement, les générateurs d'eau hydrogène sans membrane échangeuse de protons sont les ioniseurs d'eau hydrogène les plus simples avec 2 électrodes.

Pour rendre les processus plus intenses, les électrolyseurs plus coûteux utilisent plusieurs plaques d'électrodes.

Quels processus se produisent dans un électrolyseur ?

Comme son nom l’indique, le processus qui se produit dans un électrolyseur est l’électrolyse. L'électrolyse est la décomposition d'une substance en ses composants à l'aide d'un courant électrique. Le courant traverse très faiblement l’eau chimiquement pure (distillée ou même plus propre, désionisée), ce qui rend l’électrolyse de l’eau pure difficile. Essayez de verser de l'eau distillée dans un ioniseur domestique ; ça ne marchera pas.

L'électrolyse de l'eau potable ordinaire, par exemple prélevée au robinet, est possible précisément grâce à la présence de divers sels dans l'eau, comme le calcium, le sodium, le magnésium, etc. Pour que les électrolyseurs fonctionnent, il est important qu'il y en ait suffisamment sels, pour lesquels l'eau est en outre minéralisée.

Il s’agit essentiellement de l’électrolyse d’une solution d’eau saline.

Les sels les plus courants dans l'eau potable sont les bicarbonates, les sulfates de calcium, le magnésium et le chlorure de sodium (sel de table).
Lorsqu'ils sont dissous dans l'eau, les sels se dissocient en ions - des particules chargées électriquement. De plus, les molécules d’eau elles-mêmes se dissocient également partiellement en H⁺ et OH^-.
Dans l’eau potable « flotte » :

chargé positivement Ca^₂+, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, H⁺
chargé négativement HCO₃^-, SO₄^2-, Cl^-, OH^-.

La liste des ions est toujours indiquée sur les étiquettes des eaux en bouteille.

Under the influence of an electric field, ions start moving towards the electrode with the opposite charge, where chemical reactions occur with them.

Let's clarify that the electrodes must be inert, meaning during electrolysis they only serve as electron transmitters. The material of such electrodes does not participate in electrode processes (this can be, for example, Pt (platinum), Ir (iridium), meaning the electrodes themselves do not participate in the reaction. Otherwise, the electrode itself will first react and be destroyed (dissolved): Me (metal) —> Me⁺ + e^-, before other reactions begin. Understandably, electrodes made of platinum or iridium are very expensive, so they are only made with a platinum coating, and the quality of this coating is critically important.

Puisque tous les métaux dont les ions sont présents dans notre eau potable – Ca, Mg, Na, K – sont placés dans la série électrochimique :

Li→Cs→Rb→K→Ba→Sr→Ca→Na→Mg→Al→Ti→Mn→Zn→Cr→Fe→Cd→Co→Ni→Sn→Pb→H→Sb→Bi→Cu→Hg→Ag→Pd→Pt→Au

à gauche de l'aluminium inclus, le métal n'est pas réduit à la cathode, mais l'hydrogène de l'eau est réduit. Cela se produit comme suit :
À la cathode (-), 2 molécules d'eau se combinent avec des électrons pour former de l'hydrogène gazeux et des ions OH^-, c'est-à-dire un environnement alcalin.

K(-) 2H₂O + 2e‾ → H₂ + 2OH^_-

Several reactions occur at the anode (+):

Since the anion of an oxygen-containing acid (SO₄^2-) is present, oxidation of oxygen atoms from water to oxygen molecules occurs, and hydrogen ions H⁺ are also formed:

2H₂O - 4e → O₂ + 4H⁺, oxygen gas is released and an acidic environment is formed - hydrogen ions H⁺

In our case, there is also the anion of a non-oxygen acid (Cl-). Its oxidation to a simple substance occurs:
gaseous chlorine is formed

2Cl^- - 2e → Cl₂

So, at the negative electrode, hydrogen gas and an alkaline environment are produced, at the positive electrode - oxygen and chlorine gases and an acidic environment. It is important to note that chlorine is a poisonous gas.

Cependant, il est important que les produits de réaction se mélangent et réagissent les uns avec les autres.

Lors de ce mélange, de l'hypochlorite se forme par la réaction :

Cl₂ + 2OH^- → Cl^- + ClO^- + H₂O

Ensuite, à température ambiante dans une solution acide, du chlorate (un composé de l'acide chloreux) se forme par la réaction :

2HClO + ClO^- → ClO₃^- + 2H⁺ + 2Cl^-

Pourquoi est-il indispensable que les générateurs d’eau hydrogène disposent d’une membrane SPE/PEM ?

Avantages de la membrane SPE/PEM échangeuse de protons

Grâce à la présence de la membrane PEM/SPE, l'hydrogène est séparé des sous-produits de l'électrolyse - l'oxygène et d'autres impuretés (comme l'ozone et le chlore). Cela signifie que l’utilisateur n’a pas besoin de surveiller méticuleusement la composition de l’eau. Sans membrane échangeuse de protons, utilisant de l'eau en présence de sels de chlore, le processus d'électrolyse s'accompagnerait de l'émission d'une forte odeur de chlore. La membrane échangeuse de protons agit comme un électrolyte polymère solide, où l'électrolyse se produit, c'est-à-dire que l'électrolyse se produit à l'intérieur de la membrane, et l'eau n'est pas l'électrolyte mais est uniquement saturée d'hydrogène. Cela permet l’utilisation d’eau distillée ou d’eau purifiée par osmose inverse (eau RO). Dans les appareils sans membrane PEM/SPE, l’utilisation d’eau distillée ou RO ne produira pas d’hydrogène.

 

Les membranes échangeuses de protons sont fabriquées à partir d'électrolytes polymères solides (SPE). Ces électrolytes, comprenant des matériaux à structure polymère, comprennent des groupes fonctionnels capables de se dissocier pour former des cations ou des anions. Le mouvement dirigé de ces ions au sein de la structure du polymère lui confère la conductivité ionique.

Dans nos appareils, la membrane est un polymère fluorocarboné contenant des groupes sulfoniques fonctionnels capables d'échanger des cations liés électrostatiquement (des particules chargées positivement, comme les protons, les noyaux des atomes d'hydrogène) avec l'environnement extérieur. La conductivité ionique d'une membrane échangeuse de protons, un type d'électrolyte polymère solide (SPE), est due au mouvement des cations qui font déjà partie de sa composition. Lors de l'électrolyse directe d'une solution saline, la conductivité est facilitée par les ions de ces sels dans la solution aqueuse.

Lors de l'électrolyse de l'eau dans un électrolyte polymère solide (SPE), le processus commence par l'alimentation en eau distillée du compartiment anodique de l'électrolyseur. L'eau pénètre à travers les pores de l'anode jusqu'à l'interface entre l'électrode et la membrane (PEM-SPE). A cette interface, l'eau subit une électro-oxydation, libérant de l'oxygène :

2H₂O ——► O₂ + 4H⁺ + 4e^-

L'oxygène est ensuite éliminé de la zone de réaction. Les protons (H+) traversent la membrane vers la cathode, où ils sont réduits pour former de l'hydrogène gazeux :

2H⁺ + 2e^- —► H₂

En termes simples, dans un générateur d'hydrogène et d'eau, les protons sont conduits de l'anode (électrode chargée positivement) à la cathode (électrode chargée négativement).

L'imperméabilité de la membrane PEM à l'oxygène empêche sa pénétration dans l'espace cathodique, évitant ainsi la formation d'un mélange oxyhydrogène potentiellement explosif.

Les réactions cathodiques et anodiques sont facilitées par l'introduction de catalyseurs tels que du platine finement dispersé et de l'oxyde d'iridium (IV) aux interfaces électrode/SPE, rendant le processus d'électrolyse plus efficace.

Simultanément, la membrane échangeuse de protons sert d’isolant pour les électrons et de barrière contre les réactifs tels que l’oxygène, l’hydrogène, l’ozone et le chlore.

La fonction principale de la membrane échangeuse de protons dans un assemblage membrane-électrode (MEA) est de séparer les réactifs et de transférer les protons à travers la membrane tout en bloquant le chemin direct des électrons à travers la membrane.

L'utilisation du PEM pour l'électrolyse a été introduite pour la première fois dans les années 1960 par General Electric, qui a développé cette technologie pour surmonter les inconvénients de la technologie de l'électrolyse alcaline.

Le procédé d'électrolyse utilisant une membrane échangeuse de protons (PEM) présente plusieurs avantages :

Opérations à haute densité de courant : L’un des avantages les plus importants de l’électrolyse PEM est sa capacité à fonctionner à des densités de courant élevées. Cette capacité est due à l'utilisation d'un électrolyte polymère qui permet à l'électrolyseur PEM de fonctionner avec une membrane très fine (environ 100-200 micromètres) sous haute pression. Cette configuration entraîne de faibles pertes ohmiques, principalement dues à la conduction protonique à travers la membrane (0,1 S/cm), et conduit à un rendement élevé en hydrogène.

Pureté élevée du produit : La membrane électrolytique polymère, avec sa structure solide, a un faible taux de perméation des gaz. Cet attribut contribue à la très grande pureté de l’hydrogène produit. La faible perméabilité garantit une contamination croisée minimale des gaz, ce qui est crucial dans les applications où de l'hydrogène de haute pureté est requis.

Ces caractéristiques rendent l'électrolyse PEM particulièrement adaptée aux scénarios dans lesquels une production d'hydrogène à haute efficacité, haute pureté et haute pression est requise. De plus, la nature compacte de l’électrolyseur, due à la fine membrane, permet un encombrement système plus réduit par rapport aux autres technologies d’électrolyse.