Electrólisis de membrana por intercambio de protones(Electrólisis PEM) utiliza unmembrana de intercambio de protonescomo electrolito, donde ocurren las siguientes reacciones químicas en el ánodo y el cátodo:
Ánodo:
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
Cátodo:
4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂
La electrólisis PEM es una técnica eficienteelectrólisis del aguaTecnología utilizada principalmente para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. El dispositivo de electrólisis PEM consta de un electrolizador y sistemas auxiliares, y los componentes principales del electrolizador incluyen el electrodo de membrana, la capa de difusión de gas y las placas bipolares. El electrodo de membrana es uno de los componentes clave delmembrana de intercambio de protonesDispositivo de electrólisis. La membrana de intercambio de protones (PEM) está recubierto con capas catalíticas en ambos lados, formando el electrodo de membrana. El catalizador del cátodo es típicamente un catalizador a base de platino, similar al que se usa enPilas de combustible, que promueve eficazmenteGeneración de hidrógenoLos requisitos para el catalizador de ánodo son más estrictos debido al entorno fuertemente oxidativo en el lado del ánodo; la reacción de evolución del oxígeno requiere el uso de materiales catalíticos resistentes a la oxidación y a la corrosión. Actualmente, el iridio (Ir), el rutenio (Ru) y sus óxidos (como IrO₂ y RuO₂) son los catalizadores de ánodo más utilizados, ya que estos materiales exhiben una excelente estabilidad y rendimiento catalítico, manteniendo una buena eficiencia de electrólisis a altas densidades de corriente.
Elmembrana de intercambio de protones (PEM)juega un papel crítico enElectrólisis PEMLos materiales PEM más utilizados incluyen la serie Nafion, como Nafion 115 y Nafion 117, que tienen una alta conductividad de protones y estabilidad química, aislando eficazmente los gases y conduciendo protones. Debido a la delgadez de la membrana de intercambio de protones, su resistencia es baja, lo que permite que el dispositivo de electrólisis PEM resista altas corrientes y presiones sin un control estricto de la presión en ambos lados de la membrana. Además, los dispositivos de electrólisis PEM pueden iniciarse y detenerse rápidamente, respondiendo rápidamente a los ajustes de potencia, lo que los hace adecuados para entradas fluctuantes de fuentes de energía renovables.
La capa de difusión de gas (GDL) es otro componente importante de los dispositivos de electrólisis PEM. La GDL suele estar hecha de materiales porosos a base de titanio recubiertos con metales preciosos, que no solo proporcionan buena conductividad y resistencia mecánica, sino que también ofrecen una ruta de difusión de gas uniforme, mejorando así la eficiencia de la electrólisis y la producción de gas.
Electrólisis PEMLa tecnología PEM tiene muchas ventajas. En primer lugar, la alta conductividad de protones y la baja resistencia de la membrana de intercambio de protones permiten que los electrolizadores PEM funcionen a altas densidades de corriente, lo que aumenta la producción de hidrógeno. En segundo lugar, la estructura compacta de los dispositivos de electrólisis PEM permite una alta densidad de potencia, lo que permite una producción significativa de hidrógeno en un espacio limitado. Además, los dispositivos de electrólisis PEM pueden iniciarse y detenerse rápidamente, adaptándose a la variabilidad de la generación de energía renovable, lo que los hace especialmente adecuados para la integración con la energía eólica y solar para la producción de hidrógeno verde.
Sin embargo,Electrólisis PEMLa tecnología también enfrenta algunos desafíos. El primero es el costo de los catalizadores, en particular los metales preciosos costosos como el iridio y el rutenio necesarios para el catalizador del ánodo, lo que limita la aplicación a gran escala. Además, la durabilidad y la estabilidad química de los catalizadoresmembrana de intercambio de protonesy la capa de difusión de gas necesitan más investigación y optimización. Con los avances continuos en la ciencia de los materiales y la tecnología de fabricación, se cree que estos problemas se abordarán gradualmente en el futuro.
En conclusión,Electrólisis PEMLa tecnología de electrolisis PEM demuestra un potencial significativo en la producción de hidrógeno, especialmente en combinación con la generación de energía renovable, y ofrece claras ventajas. Mediante mejoras y optimizaciones tecnológicas continuas, se espera que la electrolisis PEM se convierta en una de las principales rutas tecnológicas para la producción de hidrógeno verde en el futuro, lo que hará una importante contribución a la promoción y aplicación de energía limpia.
