Em 1966, a General Electric Company desenvolveu uma célula eletrolítica de água baseada no conceito de condução de prótons, utilizando uma membrana polimérica como eletrólito. As células PEM foram comercializadas pela General Electric em 1978. Atualmente, a empresa produz menos células PEM, principalmente devido à sua limitada produção de hidrogênio, curta vida útil e alto custo de investimento. Uma célula PEM possui uma estrutura bipolar, e as conexões elétricas entre as células são feitas através de placas bipolares, que desempenham um papel importante na descarga dos gases gerados. O conjunto ânodo, cátodo e membrana forma o conjunto membrana-eletrodo (MEA). O eletrodo é geralmente 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 através da 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 utilizadas para a produção de hidrogênio em pequena escala, com uma produção máxima de cerca de 30 Nm³/h e um consumo de energia de 174 kW. Comparada com as células alcalinas, a taxa de produção real de hidrogênio da célula PEM abrange praticamente toda a faixa de valores permitidos. A célula PEM pode operar com uma densidade de corrente superior à da célula alcalina, chegando a 1,6 A/cm², e a eficiência eletrolítica varia de 48% a 65%. Como o filme polimérico não é resistente a altas temperaturas, a temperatura da célula eletrolítica geralmente fica abaixo de 80 °C. A Hoeller Electrolyzer desenvolveu uma tecnologia de superfície de célula otimizada para pequenos eletrolisadores PEM. As células podem ser projetadas de acordo com as necessidades, reduzindo a quantidade de metais preciosos e aumentando a pressão de operação. A principal vantagem do eletrolisador PEM é que a produção de hidrogênio varia quase que simultaneamente com a energia fornecida, o que é adequado para atender às variações da demanda de hidrogênio. As células Hoeller respondem a mudanças de carga de 0 a 100% em segundos. A tecnologia patenteada de Hoeller está passando por testes de validação, e as instalações de teste serão construídas até o final de 2020.
A pureza do hidrogênio produzido por células PEM pode chegar a 99,99%, superior à das células alcalinas. Além disso, a permeabilidade extremamente baixa a gases da membrana polimérica reduz o risco de formação de misturas inflamáveis, permitindo que o eletrolisador opere com densidades de corrente extremamente baixas. A condutividade da água fornecida ao eletrolisador deve ser inferior a 1 S/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 alimentação. Embora a célula PEM já esteja comercializada, apresenta algumas desvantagens, principalmente o alto custo de investimento e o elevado custo tanto da membrana quanto dos eletrodos à base de metais preciosos. Além disso, a vida útil das células PEM é menor que a das células alcalinas. No futuro, a capacidade de produção de hidrogênio das células PEM precisa ser significativamente aprimorada.
Data da publicação: 02/02/2023