Membrana de troca de prótons (PEM) progresso da tecnologia de produção de hidrogênio de água eletrolítica e análise econômica

Em 1966, a General Electric Company desenvolveu uma célula eletrolítica de água baseada no conceito de condução de prótons, usando membrana de polímero como eletrólito.As células PEM foram comercializadas pela General Electric em 1978.Atualmente, a empresa produz menos células PEM, principalmente por causa de sua produção limitada de hidrogênio, vida curta e alto custo de investimento.Uma célula PEM possui uma estrutura bipolar, e as conexões elétricas entre as células são feitas por meio de placas bipolares, que desempenham um papel importante na descarga dos gases gerados.O ânodo, o cátodo e o grupo de membranas formam o conjunto de eletrodos de membrana (MEA). O eletrodo geralmente é composto de metais preciosos, como platina ou irídio.No ânodo, a água é oxidada para produzir oxigênio, elétrons e prótons.No cátodo, o oxigênio, os elétrons e os prótons produzidos pelo ânodo circulam pela membrana até o cátodo, onde são reduzidos para produzir gás hidrogênio.O princípio do eletrolisador PEM é mostrado na figura.

As células eletrolíticas PEM são geralmente usadas para produção de hidrogênio em pequena escala, com uma produção máxima de hidrogênio de cerca de 30Nm3/h e um consumo de energia de 174kW.Em comparação com a célula alcalina, a taxa real de produção de hidrogênio da célula PEM cobre quase toda a faixa limite.A célula PEM pode trabalhar com uma densidade de corrente mais alta que a célula alcalina, até 1,6 A/cm2, e a eficiência eletrolítica é de 48% a 65%.Como o filme de polímero não é resistente a altas temperaturas, a temperatura da célula eletrolítica geralmente fica abaixo de 80°C.O eletrolisador Hoeller desenvolveu uma tecnologia de superfície celular otimizada para pequenos eletrolisadores PEM. As células podem ser projetadas de acordo com os requisitos, reduzindo a quantidade de metais preciosos e aumentando a pressão de operação.A principal vantagem do eletrolisador PEM é que a produção de hidrogênio muda quase sincronizadamente com a energia fornecida, o que é adequado para a mudança da demanda de hidrogênio.As células Hoeller respondem a alterações de classificação de carga de 0 a 100% em segundos.A tecnologia patenteada da Hoeller está passando por testes de validação e a instalação de teste será construída até o final de 2020.

A pureza do hidrogênio produzido pelas células PEM pode chegar a 99,99%, o que é superior ao das células alcalinas.Além disso, a permeabilidade a gases extremamente baixa da membrana de polímero reduz o risco de formação de misturas inflamáveis, permitindo que o eletrolisador opere em densidades de corrente extremamente baixas.A condutividade da água fornecida ao eletrolisador deve ser inferior a 1S/cm.Como o transporte de prótons através da membrana polimérica responde rapidamente às flutuações de energia, as células PEM podem operar em diferentes modos de fornecimento de energia.Embora a célula PEM tenha sido comercializada, ela apresenta algumas desvantagens, principalmente o alto custo de investimento e o alto custo tanto de membrana quanto de eletrodos à base de metais preciosos.Além disso, a vida útil das células PEM é menor do que a das células alcalinas.No futuro, a capacidade da célula PEM de produzir hidrogênio precisa ser muito melhorada.