Tecnologia de eletrólise PEM versus tecnologia de eletrólise ALK: qual tecnologia você prefere?

O hidrogênio, como fonte de energia limpa, renovável e livre de poluição, e com sua alta densidade energética, está se tornando uma direção central de desenvolvimento no processo de transição energética. A produção de hidrogênio por eletrólise da água é a principal tecnologia para a produção de hidrogênio verde, e a competição tecnológica entre eletrolisadores de membrana de troca de prótons (PEM) e eletrolisadores alcalinos (ALK) sempre foi um foco de discussão na indústria. Realizaremos uma discussão detalhada e uma comparação das principais características dessas duas tecnologias.

1. Princípio Fundamental:

Eletrolisador PEM: Utiliza água pura como eletrólito e uma membrana de troca de prótons para conduzir íons de hidrogênio (H+) e isolar gases. No lado do ânodo, a água é utilizada como reagente para a reação de oxidação (OER), gerando oxigênio (O2) e íons de hidrogênio; sob a influência de um campo elétrico, os íons de hidrogênio migram através da membrana de troca de prótons para o cátodo, onde sofrem a reação de redução (HER) para gerar gás hidrogênio.

Célula eletrolítica alcalina: Utilizando uma solução alcalina de hidróxido de potássio (KOH) a 30% como eletrólito, os íons hidróxido (OH⁻) são conduzidos através de um diafragma. As moléculas de água no cátodo ganham elétrons e sofrem uma reação de redução, gerando gás hidrogênio (H₂) e íons hidróxido. Sob a influência do campo elétrico, os íons hidróxido migram para o ânodo e sofrem uma reação de oxidação, gerando, por fim, oxigênio e moléculas de água. O mecanismo de reação específico é mostrado no diagrama abaixo:

Tabela comparativa das tecnologias de produção de hidrogênio por eletrólise da água

2. Comparação de desempenho principal:

A tabela comparativa de tecnologias mostra que a eletrólise da água por membrana de troca de prótons (PEM) para produção de hidrogênio oferece velocidade de resposta dinâmica de segundo nível e ampla capacidade de ajuste de carga, tornando-a adaptável às características de fornecimento intermitente de energia eólica e solar. No entanto, sua dependência de catalisadores de metais preciosos, como irídio e platina, e de materiais de placas bipolares de alto desempenho, como ligas de titânio, resulta em altos custos de fabricação de equipamentos, limitando sua adoção em larga escala. A eletrólise alcalina da água para produção de hidrogênio, por outro lado, possui um alto grau de industrialização e passou por validação de mercado de longo prazo. Ela não requer catalisadores de metais preciosos, resultando em custos gerais de equipamentos mais baixos. Além disso, sua longa vida útil facilita a obtenção de aplicações em larga escala na ordem de gigawatts, tornando-a a principal tecnologia de produção de hidrogênio atualmente.

3. Diferenças estruturais:

As tecnologias de produção de hidrogênio PEM e ALK também se refletem no design e na seleção de materiais de seus componentes:

3.1 Placa bipolar:

Os eletrodos das células eletrolíticas PEM são fabricados com materiais de alto desempenho, como placas de titânio, e pré-revestidos. Uma camada de platina (Pt) é aplicada à superfície do eletrodo para evitar a oxidação. As placas bipolares das células eletrolíticas alcalinas são feitas de aço carbono ou níquel puro, soldadas à estrutura do eletrodo e, em seguida, niqueladas. Ambos os tipos de placas bipolares desempenham múltiplas funções, incluindo condutividade, suporte e transmissão do meio.

3.2 Componentes principais:

Os eletrolisadores PEM são estruturalmente equipados com uma camada adicional de difusão de gás (GDL), utilizando materiais à base de carbono (como papel carbono e tecido de carbono) para o cátodo e materiais à base de titânio (como malha de titânio e espuma de titânio porosa) para o ânodo, controlando com precisão o equilíbrio da transferência de massa gás-líquido e otimizando o ambiente da interface de reação. Sua unidade de reação principal — o conjunto membrana-eletrodo (MEA) — emprega uma estrutura de membrana revestida com catalisador (CCM), fabricada por meio de processos de pulverização ou revestimento rolo a rolo. A precisão do processo de fabricação desse conjunto afeta diretamente a eficiência do eletrolisador. Em contraste, os eletrolisadores alcalinos não requerem uma camada de difusão de gás; seu processo principal concentra-se no projeto compatível da membrana e do eletrodo.

3.3 Catalisadores e Materiais de Membrana:

O eletrolisador PEM utiliza irídio (Ir) e seus óxidos (como IrO₂) como ânodo e um catalisador de platina-carbono (Pt/C) como catalisador primário do cátodo. A membrana de troca de prótons é principalmente uma membrana de ácido perfluorossulfônico (como Nafion) para garantir a condução eficiente de íons hidrogênio. O eletrolisador alcalino oferece maior flexibilidade na seleção do catalisador, permitindo o uso de metais nobres (Pt, Pd, Au, Ag, etc.), metais de transição ou materiais à base de carbono (Fe, Co, Ni, etc.). A membrana utiliza principalmente membranas de PPS ou membranas compósitas para garantir a condução eficaz de íons hidróxido e a separação gás-líquido.

4. Resumo:

Os eletrolisadores PEM, com sua resposta rápida e limpeza eficiente, possuem vantagens insubstituíveis em projetos de hidrogênio verde distribuído e cenários de consumo de energia renovável, sendo a principal direção para futuras atualizações tecnológicas; enquanto os eletrolisadores alcalinos, com suas características consolidadas, estáveis ​​e de custo controlável, continuarão a dominar na produção industrial de hidrogênio em larga escala e em cenários de fornecimento estável de hidrogênio a longo prazo.

Não existe superioridade ou inferioridade inerente entre as abordagens técnicas; a principal consideração é a adaptabilidade ao cenário em questão. Qual abordagem técnica você considera ter o potencial futuro mais promissor?

PERGUNTAS FREQUENTES:

1. Quem somos nós?
A Rubri está sediada em Anhui, na China, e desde 2011 vende para o Sudeste Asiático, América do Norte, Europa Oriental e Sul da Ásia.

2. Quais serviços de cadeia produtiva completa vocês oferecem para a produção de hidrogênio por eletrólise alcalina da água?

A Rubri oferece serviços completos para toda a cadeia produtiva, incluindo sistemas de produção de hidrogênio por eletrólise alcalina da água, eletrolisadores, equipamentos de separação e purificação gás-líquido, além de linhas de produção de eletrolisadores, instalação, substituição e orientação técnica.

3. Quais serviços de cadeia produtiva completa vocês oferecem para a produção de hidrogênio por eletrólise de água PEM?

A Rubri fornece diversas peças de BOP e sistemas completos para todo o processo de produção de hidrogênio PEM.

4. Por que você deveria comprar de nós e não de outros fornecedores?

A Rubri possui uma equipe experiente de pesquisa e desenvolvimento técnico. Oferece capacidade de adaptação de sistemas de controle, pesquisa e desenvolvimento e controle de qualidade. A vantagem de preço é proporcionada pela integração da cadeia de suprimentos.