Visão geral da produção de hidrogênio PEM por eletrólise da água I

Visão geral de Produção de hidrogênio PEM por Eletrólise de Água I

O hidrogénio é um transportador de energia limpo e flexível que pode ser utilizado para fornecer eletricidade e calor. Os veículos movidos a hidrogénio e a geração de energia estacionária são tecnologias com emissões zero. O hidrogénio pode ser produzido tanto a partir de combustíveis fósseis tradicionais como de fontes de energia isentas de carbono, sendo que ambas são utilizadas para armazenar energia e proporcionar uma gestão responsiva da rede.

Atualmente, apenas 4% do hidrogénio é produzido por eletrólise, utilizando principalmente métodos de preparação de baixo custo, como a reforma do gás natural ou o gás de refinaria. Contudo, no futuro, as fontes de energia renováveis (FER) representarão uma parte significativa da electricidade produzida. A eletrólise é considerada a forma mais limpa de produzir hidrogênio utilizando energia renovável.

Uma aplicação emergente para eletrolisadores está no setor “power to gas”. O hidrogénio produzido por eletrolisadores ligados a FER é injetado na rede de gás. Esta abordagem permite utilizar gasodutos como grandes “tanques de armazenamento” e evita a construção de novas infra-estruturas. A quantidade de hidrogénio injetada depende da regulamentação de cada país. Este problema pode ser resolvido através da metanação, onde o hidrogénio e o monóxido de carbono/dióxido de carbono são convertidos em metano sustentável. O hidrogénio armazenado na infraestrutura de gás natural pode ser utilizado para aquecimento, transporte ou reconvertido em eletricidade. Os postos de abastecimento com produção local de hidrogénio são outra aplicação dos eletrolisadores.

As principais vantagens da eletrólise PEM sobre a eletrólise alcalina são maior segurança e confiabilidade, uma vez que não é utilizado eletrólito corrosivo. Além disso, a possibilidade de operar com diferenças de pressão elevadas através da membrana evita a compressão do oxigênio. Devido às membranas sólidas e finas, a eletrólise PEM tem um transporte de íons mais rápido do que a eletrólise alcalina. Os eletrólitos líquidos apresentam maior inércia em termos de transporte de íons. Os eletrolisadores alcalinos reagem lentamente quando o eletrolisador é operado sob condições flutuantes e têm dificuldade de inicialização após o desligamento. Além disso, a tecnologia pode ser operada com densidades de corrente mais altas do que os eletrolisadores alcalinos.

Catalisador
Materiais nobres caros são geralmente usados como eletrocatalisadores na eletrólise PEM. Paládio ou platina no cátodo para reação de evolução de hidrogênio (HER) e irídio ou óxido de rutênio no ânodo para reação de evolução de oxigênio (OER) são mais comumente usados. O IrO2 apresenta maior resistência à corrosão que o RuO2, mas apresenta baixa atividade REA. O RuO2 tem um bom desempenho na faixa de baixo sobrepotencial, mas problemas de estabilidade dificultam aplicações práticas. A estabilidade do RuO2 pode ser ligeiramente melhorada usando soluções sólidas binárias de IrO2 – RuO2. O uso de IrO2 de tamanho de partícula pequeno (2–3 nm) pode reduzir a carga de metal nobre, mantendo um desempenho semelhante. Condutividade, atividade eletrocatalítica e estabilidade são aspectos desafiadores dos catalisadores de metais não nobres.

Membrana de troca de prótons
Na eletrólise PEM, membranas de ácido perfluorossulfônico (PFSA) são usadas como eletrólitos sólidos. Propriedades importantes das membranas eletrolisadoras PEM são o baixo cruzamento, a capacidade de trabalhar em altas temperaturas (>100°C) e a alta resistência mecânica. O cruzamento no PEMWE pode danificar a membrana e levar à falha da pilha. A reação do hidrogênio e do oxigênio é muito exotérmica e causa aquecimento local, que com o tempo pode danificar a membrana. Este problema é particularmente importante quando o eletrolisador funciona a alta pressão (até 350 bar). A possibilidade de operar em alta pressão permite reduzir a energia mecânica necessária para a pressurização do gás.

Nestas aplicações, é necessário um baixo nível de cruzamento e requer uma espessura de filme de polímero apropriada. Outra propriedade mecânica importante dos filmes poliméricos é a resistência ao rasgo. Na verdade, durante o processo de montagem da pilha, são geradas grandes tensões, especialmente entre as bordas dos eletrodos e as juntas. Boas propriedades de tração e baixa resistência à propagação de rasgos são propriedades essenciais das membranas poliméricas em eletrolisadores de membrana de troca de prótons. Normalmente, membranas compostas ou reforçadas são usadas para operar em altas pressões e temperaturas. Os eletrolisadores PEM operam em altas temperaturas (>100°C), o que reduz a mudança de energia livre de Gibb e melhora a cinética da reação. Além disso, seu baixo custo os torna uma opção real e atraente para Eletrolisadores PEM.