Progreso de la tecnología de producción de hidrógeno de agua electrolítica de membrana de intercambio de protones (PEM) y análisis económico

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 empresa produce menos celdas PEM, principalmente debido a su limitada producción de hidrógeno, corta vida y 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 juegan un papel importante en la descarga de los gases generados.El grupo de ánodo, cátodo y membrana forman el conjunto de electrodos de membrana (MEA). El electrodo suele estar compuesto por metales preciosos como el platino o el 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 gas hidrógeno.El principio del electrolizador PEM se muestra en la figura.

Las celdas electrolíticas PEM se utilizan generalmente para la producción de hidrógeno a pequeña escala, con una producción máxima de hidrógeno de aproximadamente 30 Nm3/h y un consumo de energía de 174 kW.En comparación con la celda alcalina, la tasa real de producción de hidrógeno de la celda PEM casi cubre todo el rango límite.La celda PEM puede funcionar con una densidad de corriente mayor que la celda alcalina, incluso hasta 1,6 A/cm2, y la eficiencia electrolítica es del 48 % al 65 %.Debido a que la película de polímero no es resistente a altas temperaturas, la temperatura de la celda electrolítica suele estar por debajo de los 80°C.El electrolizador Hoeller ha desarrollado una tecnología de superficie celular optimizada para electrolizadores PEM pequeños. Las celdas se pueden diseñar de acuerdo con los requisitos, reduciendo la cantidad de metales preciosos y aumentando la presión de operación.La principal ventaja del electrolizador PEM es que la producción de hidrógeno cambia casi sincrónicamente con la energía suministrada, lo que es adecuado para el cambio de la demanda de hidrógeno.Las celdas Hoeller responden a cambios de clasificación de carga de 0-100 % en segundos.La tecnología patentada de Hoeller se está sometiendo a pruebas de validación y la instalación de prueba se construirá a fines de 2020.

La pureza del hidrógeno producido por las celdas PEM puede llegar al 99,99 %, que es superior a la de las celdas alcalinas.Además, la permeabilidad a los gases extremadamente baja de la membrana de polímero reduce el riesgo de formar mezclas inflamables, lo que permite que el electrolizador funcione con densidades de corriente extremadamente bajas.La conductividad del agua suministrada al electrolizador debe ser inferior a 1S/cm.Debido a que el transporte de protones a través de la membrana polimérica responde rápidamente a las fluctuaciones de energía, las celdas PEM pueden operar en diferentes modos de suministro de energía.Aunque la celda PEM se ha comercializado, tiene algunas desventajas, principalmente el alto costo de inversión y el alto costo de los electrodos basados ​​en membrana y metales preciosos.Además, la vida útil de las celdas PEM es más corta que la de las celdas alcalinas.En el futuro, la capacidad de la celda PEM para producir hidrógeno debe mejorarse en gran medida.