PEM Electrolizadores de membrana de intercambio de protones

A finales de la década de 1950, surgió la idea de utilizar polímeros conductores de iones como electrolitos sólidos para aplicaciones electroquímicas. Una década después con el descubrimiento de las membranas de intercambio iónico perfluoradas Nafion de DuPont, por parte de Leonard Niedrach y Thomas Grubb, cuando trabajaban para General Electic, en la década de los 60's, como aplicación en los programas Gemini y Apollo de la NASA, para Pilas de Combustible, se construyeron los primeros electrolizadores de intercambio de protones (PEM).

Así pues, la base de la tecnología PEM es la membrana conductora de protones, que le da a esta tecnología muchas de sus ventajas. La membrana tiene un espesor normalmente de 100 y 175 μm, es mecánicamente estable, tiene alta conductividad de protones y baja permeabilidad a los gases.

Los PEM pueden operar a alta densidad de corriente (> a 2 A/cm2), bajo un amplio rango de

potencia (de vatios a megavatios) y bajo presión. Se obtiene hidrógeno de hasta 99,999 % en pureza.

Debido al ambiente altamente corrosivo (membrana ácida) y operación a corrientes altas, se necesitan materiales costosos como catalizadores de metales nobles y colectores de corriente a base de titanio. El alto CAPEX por los materiales, y también por la membrana, es el principal inconveniente de la tecnología.

COMPONENETES DE UNA PEM

MEA

El componente central de una celda PEM es el conjunto de membrana de electrodos, conocido como MEA (Membrane electrode assembly), que está compuesto de la membrana conductora de protones recubierta con capas porosas de electrolizadores, tanto en cátodo como en el ánodo en configuración "Zero Gap".

Este ensamblado (MEA) esta sujeto entre dos colectores de corriente porosa que permiten el transporte de agua y de los gases producidos, además de permitir que la corriente eléctrica fluya hacia los electrodos.

A ambos lados hay placas bipolares (BPP) que transmiten la corriente a la celda desde la fuente de alimentación externa y separa cada una de las celdas, que constituyen la pila PEM.

El conjunto de celdas individuales se apilan eléctricamente en serie (configuración bipolar).

Los Catalizadores

Los catalizadores, son necesarios para que los electrolizadores puedan reducir los sobrepotenciales y evitar la mayor pérdida de energía posible. La evolución del oxígeno es más lenta y compleja que la evolución de hidrógeno y por eso normalmente se utiliza una mayor carga de catalizador en el ánodo (2mg/m2) frente al cátodo (1mg/cm2).

El óxido de iridio (IrO2) es el catalizador de última generación para los ánodos en electrolizadores PEM, y aunque presenta menor actividad que el RuO2, es mas estable.

En el caso del cátodo, el catalizador de referencia es el platino, altamente disperso sobre carbono, el platino presenta una actividad óptima y alta resistencia a la corrosión, propiedades adecuadas para un medio acido (como son las PEM), mientras que el carbono actúa como conductor de electrones y protones. Se han conseguido electrodos competitivos con cargas de Pt/C por debajo 0.05 mg/cm2.

La membrana

Los colectores de corriente

Los colectores de corriente son capas porosas intercaladas entre el MEA y los BPP tanto en el ánodo como en el del cátodo. También se denominan capas de transporte porosas (PTL). Los colectores actúan como un conductor electrónico entre el electrodo y el BPP y asegura el transporte del líquido y del gas entre gas entre el electrodo y los BPP.

Suelen estar fabricados en polvo de titanio sinterizado, fieltro de titanio sinterizado o malla de titanio expandido para el ánodo. En el lado del cátodo se pueden utilizar materiales a base de carbono: papel o tela de carbono o acero inoxidable poroso (revestido).

Las Placas Bipolares

Las placas bipolares que conectan electrónicamente las celdas y distribuyen la corriente.

Los componentes que deben tener una resistencia eléctrica baja, proporcionar aislamiento entre una cámara de ánodo y otra de cátodo (entre dos celdas), evitar la mezcla de gases, tener una alta estabilidad mecánica y química, distribuir el agua hasta el electrodo y facilitar el transporte de calor.

El titanio se considera el material más avanzado, ya que ofrece una excelente resistencia, baja resistividad inicial, alta conductividad térmica y baja permeabilidad al hidrógeno. Sin embargo, el titanio se corroe, especialmente en el lado del ánodo donde los potenciales pueden exceder los 2 V causando la acumulación de óxido superficial que aumenta la resistencia eléctrica y reduce la conductividad térmica. Para evitar esto, se suele aplicar una capa fina de platino para reducir la resistencia eléctrica de la superficie. Esto también aumenta el coste. Recubrimientos alternativos de TiN, (Ti, Zr)N, o Ti-Ag se están desarrollando.

La placa bipolar representa entre el 12 % y el 21 % del coste de una pila PEM. Así que hay mucho interés en abaratar este elemento. En términos de estabilidad mecánica, los BPP podrían estar hecho de materiales de bajo coste como el acero inoxidable, pero no es resistente a la corrosión bajo las duras condiciones en la electrólisis del agua PEM (altas corrientes y medio ácido). Recubrimientos sobre acero inoxidable para los BPP en electrolizadores PEM es una de las líneas que se está desarrollando, todavía sin éxito.

Entre los recubrimientos para acero inoxidable se han aplicado Ti/Pt, TiN, Au o Ti/Nb. Hay dos tipos principales de de ensamblaje BPP en desarrollo; hojas planas separadas con mallas metálicas para el transporte del agua, y separadores de metal sólido con los canales de flujo grabados.

FUNCIONAMIENTO

Los electrolizadores PEM generalmente operan entre 50-80 º C, ya que la membrana perderá estabilidad estructural a temperaturas superiores. En este rango de temperatura tiene altas propiedades mecánicas, lo que permite el funcionamiento a alta presión (> 30 bar). De esta forma, el hidrógeno se puede obtener a alta presión, que se consigue bajo operación de presión diferencial -solo el cátodo está bajo presión.

A diferencia de los catalizadores alcalino, una celda PEM puede operar a densidades de corriente mayores (por encima de 2 A/cm2) con espesores de membrana entre 30 y 200 μm. No obstante, aunque ofrecen mejor eficiencia que las alcalinas, la mayoría de modelos industriales funcionan a menor eficiencia por operar a mayor corriente (mayor sobreponciales) y menor temperatura.

Las membranas muy delgadas mejoran la curva intensidad - voltage, pero pueden favorecer el cruce de productos. Del hidrógeno hacia el ánodo y en menor medida del O2 al cátodo. Para controlar esta contaminación, es fundamental el espesor de la membrana, la presión en el cátodo y la densidad de corriente.