En 1966, General Electric Company desarrolló una celda electrolítica de agua basada en el concepto de conducción de protones, utilizando una membrana de polímero como electrolito. Las celdas PEM fueron comercializadas por General Electric en 1978. Actualmente, la compañía produce menos celdas PEM, principalmente debido a su limitada producción de hidrógeno, su corta vida útil y su alto costo de inversión. Una celda PEM tiene una estructura bipolar, y las conexiones eléctricas entre las celdas se realizan a través de placas bipolares, que desempeñan un papel importante en la descarga de los gases generados. El ánodo, el cátodo y el grupo de membrana forman el conjunto membrana-electrodo (MEA). El electrodo generalmente está compuesto de metales preciosos como platino o iridio. En el ánodo, el agua se oxida para producir oxígeno, electrones y protones. En el cátodo, el oxígeno, los electrones y los protones producidos por el ánodo circulan a través de la membrana hacia el cátodo, donde se reducen para producir hidrógeno gaseoso. El principio del electrolizador PEM se muestra en la figura.
Las celdas electrolíticas PEM se utilizan habitualmente para la producción de hidrógeno a pequeña escala, con una producción máxima de aproximadamente 30 Nm³/h y un consumo energético de 174 kW. En comparación con las celdas alcalinas, la tasa de producción real de hidrógeno de las celdas PEM cubre prácticamente todo el rango límite. Las celdas PEM pueden funcionar a una densidad de corriente mayor que las celdas alcalinas, incluso hasta 1,6 A/cm², y su eficiencia electrolítica oscila entre el 48 % y el 65 %. Debido a que la película de polímero no es resistente a altas temperaturas, la temperatura de la celda electrolítica suele ser inferior a 80 °C. Hoeller Electrolyzer ha desarrollado una tecnología de superficie de celda optimizada para electrolizadores PEM pequeños. Las celdas se pueden diseñar según los requisitos, reduciendo la cantidad de metales preciosos y aumentando la presión de funcionamiento. La principal ventaja del electrolizador PEM es que la producción de hidrógeno varía casi sincrónicamente con la energía suministrada, lo que resulta adecuado para las variaciones de la demanda de hidrógeno. Las celdas Hoeller responden a cambios de carga del 0 % al 100 % en cuestión de segundos. La tecnología patentada de Hoeller está siendo sometida a pruebas de validación, y las instalaciones de prueba estarán construidas para finales de 2020.
La pureza del hidrógeno producido por las celdas PEM puede alcanzar el 99,99%, superior a la de las celdas alcalinas. Además, la bajísima permeabilidad a los gases de la membrana polimérica reduce el riesgo de formación de mezclas inflamables, lo que permite que el electrolizador opere a densidades de corriente extremadamente bajas. La conductividad del agua suministrada al electrolizador debe ser inferior a 1 S/cm. Gracias a la rápida respuesta del transporte de protones a través de la membrana polimérica ante las fluctuaciones de potencia, las celdas PEM pueden operar con diferentes modos de alimentación. Si bien la celda PEM se ha comercializado, presenta algunas desventajas, principalmente el elevado coste de inversión y el alto precio de la membrana y los electrodos de metales preciosos. Asimismo, su vida útil es menor que la de las celdas alcalinas. En el futuro, será necesario mejorar significativamente la capacidad de producción de hidrógeno de las celdas PEM.
Fecha de publicación: 2 de febrero de 2023