Électrolyse à membrane électrolytique polymère

L'électrolyse de l'eau a pour objectif de convertir l'énergie électrique fournie au système en énergie chimique sous forme d'hydrogène H₂ et d'oxygène O₂, à partir de l'eau H₂O de la cuve d'électrolyse. Cette énergie chimique peut être utilisée ultérieurement et permettre de lisser la production d'électricité à partir de sources d'énergie intermittentes telles que l'énergie éolienne et l'énergie solaire en affectant l'électricité excédentaire à la production d'hydrogène, par exemple comme carburant pour véhicules à pile à combustible. C'est ainsi l'un des modes de stockage chimique de l'énergie solaire.

L'électrolyse à membrane électrolytique polymère utilise un électrolyte polymère perméable aux protons de l'anode vers la cathode mais isolant électrique entre les électrodes afin de bloquer le retour des électrons de l'anode vers la cathode. Dans les conditions normales de température et de pression, l'enthalpie de décomposition de l'eau vaut ΔH = 285,9 kJ/mol, fournie en partie sous forme d'énergie thermique, le reste étant fourni sous forme d'énergie électrique[8].

La tension de circuit ouvert U_OC d'une cellule d'électrolyse en fonctionnement se situe entre 1,23 et 1,48 V selon la manière dont la conception de la cellule permet d'utiliser l'énergie thermique. Cette valeur est cependant difficile à déterminer car ces cellules en fonctionnement connaissent également d'autres pertes de tension en raison par exemple de résistances électriques internes, de la conductivité des protons, de l'efficacité des catalyseurs d'électrolyse, etc.

La demi-réaction d'oxydation se déroule sur l'anode, où l'eau H₂O est clivée en oxygène O₂, en protons H⁺ et en électrons e⁻ :

2 H₂O_(l) ⟶ O_{2 (g)} + 4 H⁺_(aq) + 4 e⁻.

Côté cathode, la demi-réaction de réduction consiste à recombiner les protons qui ont traversé la membrane électrolytique avec les électrons du circuit électrique pour libérer l'hydrogène :

4 H⁺_(aq) + 4 e⁻ ⟶ 2 H_{2 (g)}.