Le principe de la purification par membrane métallique, repose sur les affinités qu'ont certains métaux pour l'hydrogène tels que les métaux du groupe V (tantale, niobium, vanadium) ou bien le palladium et ses alliages (Pd-Ag, Pd-Cu,…). La diffusion de l'hydrogène dans ces métaux est très sélective et devient importante à des températures situées dans la plage 300/700°C.

Malgré une perméabilité dix fois inférieure à celle des métaux du groupe V, les propriétés de surface du palladium ainsi que sa résistance aux phénomènes d'oxydation en font le métal privilégié pour la séparation membranaire de l'hydrogène.

La purification par membrane au palladium opère grâce à la différence de pression exercée de chaque coté de la membrane. Seul l'hydrogène peut diffuser à l'intérieur du palladium. La technologie MMC développée par CETH consiste à fabriquer une barrière métallique dense, appelée Membrane Métallique Composite (MMC), dans laquelle seul l’hydrogène peut diffuser dans la structure cristalline grâce à un écart de pression partielle entre l’amont et l’aval. Cette diffusion est très sélective et devient importante à des températures situées dans la plage 300/700°C.

La pureté de l'hydrogène ainsi obtenu peut atteindre 99,99999% (impuretés inférieures à 1ppm). La pureté de l’hydrogène est alors suffisante pour alimenter une pile à combustible PEM (basse température).

La diffusion sélective de l'hydrogène dans le palladium est réalisée en plusieurs étapes:

1. Adsorption : la molécule de dihydrogène (H2) rentre en contact avec le palladium et s'adsorbe en surface
2. Dissociation: le palladium catalyse la dissociation de la molécule adsorbée en rompant la liaison H-H pour former de l'hydrogène monoatomique (H.)
3. Diffusion: l'hydrogène monoatomique, seul capable de traverser une couche danse de palladium, diffuse ensuite dans la maille cristalline du palladium en direction de la surface opposée
4. Recombinaison: une fois en surface, le palladium recombine l'hydrogène monoatomique en hydrogène moléculaire
5. Désorption: l'hydrogène moléculaire se désorbe et repasse en phase gaz

La diffusion sélective de l'hydrogène dans le palladium est sensible à la présence de certains polluants dans le gaz à purifier. Ceci s'explique tout simplement par le caractère catalytique du mécanisme de purification. Un empoisonnement de la membrane de palladium peut intervenir de deux manières:

1. Par réaction chimique entre l'élément polluant et la surface de la membrane tels que cela peut se produire quand le gaz à purifier contient du souffre. A haute température, la présence de souffre sur la couche de palladium entraîne une décoloration de la surface ainsi que des modifications rapides de la structure métallique. Le souffre s'insère alors dans la structure cristalline et provoque des défauts qui peuvent devenir irréversibles même après régénération de la membrane. C'est pourquoi avant de purifier un gaz contenant du souffre, il est fortement recommandé de procéder au préalable à une étape de désulfuration afin de préserver le module de purification membranaire.
2. Par chimisorption de composés hydrocarbonés insaturés sur la surface de la membrane. Il est possible de régénérer la surface contaminée par un traitement sous air à une température supérieure à 400°C. Pour des raisons de sécurité, l'injection d'air dans un module de purification doit être obligatoirement précédée par une phase de dégazage. Il en est de même avant la réintroduction du mélange à purifier.

La technologie MMC propose une structure de membrane de purification "tout métallique" ce qui permet de s’affranchir des problèmes liés au cyclage thermique que rencontrent les membranes à support céramique.

La couche dense de palladium est supportée par une couche intermédiaire métallique très finement poreuse et très peu épaisse qui permet d'assurer un très bon maintient de la couche dense de palladium même à des niveaux de température ou de pression élevés. Cette couche intermédiaire est elle même supportée sur un substrat métallique poreux plus épais.