Em 1966, a General Electric Company desenvolveu uma célula eletrolítica de água baseada no conceito de condução de prótons, usando 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 produção limitada de hidrogênio, vida útil curta e alto custo de investimento. Uma célula PEM tem 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 membrana formam o conjunto de eletrodos de membrana (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 para 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 hidrogênio de cerca de 30 Nm³/h e um consumo de energia de 174 kW. Comparada com a célula alcalina, a taxa real de produção de hidrogênio da célula PEM cobre quase toda a faixa limite. A célula PEM pode operar com uma densidade de corrente maior do que a célula alcalina, chegando a 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 costuma ficar 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 operacional. A principal vantagem do eletrolisador PEM é que a produção de hidrogênio muda quase em sincronia com a energia fornecida, o que é adequado para a variação da demanda de hidrogênio. As células Hoeller respondem a mudanças de carga de 0 a 100% em segundos. A tecnologia patenteada da Hoeller está passando por testes de validação, e a instalação de testes será construída até o final de 2020.
A pureza do hidrogênio produzido pelas células PEM pode chegar a 99,99%, superior à das células alcalinas. Além disso, a baixíssima permeabilidade a gases da membrana polimérica 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 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 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 da membrana quanto dos 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 significativamente aprimorada.
Horário da publicação: 02/02/2023