El hidr贸geno verde est谩 cada vez m谩s reconocido como una materia prima industrial limpia y el vector energ茅tico del futuro. El electrolizador de agua es fundamental para la producci贸n de hidr贸geno verde. Hist贸ricamente, el electrolizador de agua alcalina (AWE) ha dominado el mercado debido a su madurez y desarrollo. Sin embargo, el electrolizador de membrana de intercambio de protones ha experimentado un r谩pido avance, pasando r谩pidamente a las aplicaciones comerciales.
El electrolizador de membrana de intercambio de protones PEM comparte muchos materiales y componentes con la pila de combustible PEMFC. Se benefici谩 en gran medida de los avances en el sector de las pilas de combustible. Iniciada por la NASA, la tecnolog铆a PEMFC ha evolucionado significativamente, lo que ha llevado a que ambos equipos se hayan convertido en tecnolog铆as relativamente consolidadas.
El floreciente mercado del hidr贸geno verde est谩 impulsando la demanda de sistemas electrolizadores, lo que a su vez genera demanda de materiales y componentes para electrolizadores. Este auge representa una gran oportunidad para que los proveedores de materiales y componentes, junto con diversos agentes del sector, aprovechen este crecimiento, innoven e introduzcan nuevos productos.
La membrana PEM
La membrana de intercambio prot贸nico (PEM) es la columna vertebral del electrolizador, situada entre el c谩todo y el 谩nodo. Las PEM facilitan la transferencia de protones (iones H+) del 谩nodo al c谩todo. Tambi茅n proporcionan aislamiento el茅ctrico entre los electrodos y garantizan que las reacciones de evoluci贸n del hidr贸geno y el ox铆geno se produzcan por separado, con lo que se consigue una producci贸n de hidr贸geno de gran pureza y se evita la mezcla de gases, especialmente de hidr贸geno en ox铆geno.
Las membranas est谩n hechas de ion贸meros de 谩cido sulf贸nico perfluorado (PFSA). Nafion es una marca de Chemours, que est谩 desarrollada originalmente por DuPont. Nafion es el material m谩s conocido y utilizado en los electrolizadores de membrana de intercambio de protones. El mercado est谩 dominado por empresas consolidadas como Chemours y W. L. Gore & Associates. Sin embargo, estas empresas siguen intentando innovar sus productos para lograr un mejor rendimiento.
El principal problema a la hora de mejorar los electrolizador de membrana de intercambio de protones es el equilibrio entre rendimiento, seguridad y durabilidad. Esto se debe a que para aumentar el rendimiento es necesario que las membranas sean m谩s finas para mejorar la conductividad. Sin embargo, esto provoca un mayor cruce de hidr贸geno en gas ox铆geno y una degradaci贸n m谩s r谩pida de la membrana. Una t谩ctica de alivio com煤n explorada en la industria es el uso de una capa de refuerzo, como el politetrafluoroetileno expandido (PTFE), sobre la que se recubre el ion贸mero PFSA.
Resolver los problemas de mejora con nuevos materiales compuestos de membrana ser谩 clave para el avance de la tecnolog铆a de electrolizadores de hidr贸geno. A pesar de los problemas, las membranas de PFSA seguir谩n siendo el material dominante debido a la falta de alternativas adecuadas listas para el mercado. De ah铆 que exista un mercado importante para las membranas en las industrias de electrolizadores y pilas de combustible.
El catalizador del electrolizador de membrana de intercambio de protones
El platino (Pt) y el iridio (Ir) catalizan las reacciones electroqu铆micas de evoluci贸n del hidr贸geno y el ox铆geno que tienen lugar en el electrolizador, respectivamente. Los materiales de 煤ltima generaci贸n utilizados son platino soportado sobre negro de humo (Pt/C) para el c谩todo y negro de iridio (Ir) u 贸xido de iridio (IrOx) para el 谩nodo.
Los catalizadores se combinan con resinas de ion贸mero PFSA en forma de tinta, que luego se recubre sobre la membrana, produciendo la membrana recubierta de catalizador (CCM). La producci贸n de MCP es una v铆a de investigaci贸n clave, ya que el rendimiento del electrolizador depende en gran medida de sus propiedades. Un aspecto clave es el desarrollo de procesos eficientes y continuos de rollo a rollo para la producci贸n de MCP, que puedan garantizar un rendimiento constante, una p茅rdida m铆nima de tintas catal铆ticas y una producci贸n a gran escala altamente automatizada.
El objetivo de investigaci贸n m谩s importante es la necesidad de reducir la carga de iridio en los 谩nodos. Las cargas actuales de 1 a 2,5 g/kW de los electrolizadores PEM son problem谩ticas, ya que la futura demanda de estos equipos puede ejercer una presi贸n significativa sobre el suministro mundial de iridio. Para solucionar este problema, fabricantes de catalizadores como Heraeus Precious Metals est谩n introduciendo en el mercado nuevos productos que reducen la carga de iridio. Entre ellos figura el 贸xido de iridio y rutenio (IrRuOx), que ya empieza a utilizarse comercialmente. Sin embargo, con el tiempo se necesitar谩n nuevos catalizadores de iridio soportados (concepto similar al del platino soportado sobre carbono) para reducir la dependencia del suministro de iridio. De ah铆 que existan importantes oportunidades para desarrollar e introducir en el mercado nuevos productos catalizadores que ofrezcan un rendimiento competitivo respecto a los actuales Ir e IrOx, reduciendo al mismo tiempo la carga total de iridio a menos de 1 g/kW.
Capas de difusi贸n de gas (GDL)
Las capas de difusi贸n de gases (GDL), tambi茅n conocidas como capas porosas de transporte (PTL), son otro componente clave de las c茅lulas PEMEL. Estos componentes est谩n presentes en ambos lados de los electrodos y facilitan la transferencia de agua a la membrana, la eliminaci贸n de los gases de producto (H2 y O2) de los electrodos y el flujo de electrones a trav茅s de la c茅lula.
Como material cat贸dico se utiliza papel carb贸n, compuesto de fibras de carb贸n, PTFE y negro de humo. La parte an贸dica se basa en el uso de fieltro de titanio, que est谩 recubierto con una fina capa de metal de platino. El titanio es necesario por su resistencia a la corrosi贸n en el lado del 谩nodo, mientras que el platino proporciona una mayor conductividad el茅ctrica y estabilidad adicional. Estos materiales han llegado para quedarse y formar谩n parte de todas las pilas PEMEL.
El papel de carbono se desarroll贸 gracias a los esfuerzos de la industria de las pilas de combustible PEM y ya est谩 bastante maduro. Por lo tanto, el principal foco de desarrollo est谩 en el lado del 谩nodo para reducir el grosor del fieltro de titanio, optimizar la porosidad y reducir la cantidad de platino que se necesita. La carga de platino es especialmente importante y puede reducirse empleando tecnolog铆as avanzadas de recubrimiento, como la deposici贸n f铆sica de vapor (PVD).
Placas bipolares
Las placas bipolares sirven de barrera f铆sica para separar las c茅lulas. Y lo que es m谩s importante, estas placas conducen los electrones del 谩nodo de una c茅lula al c谩todo de otra, adem谩s de proporcionar canales para el flujo de agua y gas en las c茅lulas. A diferencia de las pilas de combustible PEM, en las que pueden utilizarse placas bipolares de grafito, los electrolizador de membrana de intercambio de protones utilizan placas de titanio. Estas placas son m谩s resistentes a la corrosi贸n. Se necesitan revestimientos de oro y platino en las caras que dan al c谩todo y al 谩nodo, respectivamente. Esto sirve para aumentar la resistencia a la corrosi贸n y reducir la resistencia el茅ctrica de contacto, de forma similar al platino utilizado en los GDL de titanio. Estos conceptos se pueden ampliar en el curso de corrosi贸n en energ铆as renovables ofrecido por TECPA Formaci贸n de Ingenieros.
Una vez m谩s, estos componentes se benefician de la fabricaci贸n de placas bipolares met谩licas altamente desarrolladas en el sector de las pilas de combustible PEM. Entre las empresas que ofrecen tecnolog铆as de fabricaci贸n de placas se encuentran Dana Inc, Schuler, Elcon Precision y muchas m谩s. Todos los fabricantes utilizan tecnolog铆as diferentes, cada una con sus pros y sus contras. A pesar del alto nivel de desarrollo, los fabricantes a煤n pueden optimizar la producci贸n reduciendo el desperdicio de material y acelerando las l铆neas de producci贸n.
El revestimiento de placas bipolares es un 谩rea que podr铆a beneficiarse m谩s de los nuevos conceptos. Por ejemplo, las tecnolog铆as de recubrimiento m谩s avanzadas, como el PVD, pueden reducir el uso de metales preciosos. Tambi茅n podr铆an encontrarse alternativas al titanio para reducir el coste total de fabricaci贸n. Para ello es necesario experimentar con diversas aleaciones met谩licas y combinaciones de materiales, como el acero inoxidable recubierto de titanio. Este 煤ltimo se considera una opci贸n prometedora, pero a煤n debe someterse a pruebas exhaustivas en operaciones comerciales.
Materiales de sellado en el electrolizador de membrana de intercambio de protones
Las juntas o sellos suelen pasarse por alto a la hora de dise帽ar las pilas de electrolizadores, pero estos componentes son igualmente vitales. Sirven como elementos de sellado, creando una interfaz entre distintos componentes, como las placas bipolares y el separador. Estas barreras dise帽adas con precisi贸n garantizan que los gases, el agua y los componentes de la c茅lula permanezcan contenidos y separados seg煤n sea necesario. Las juntas suelen adoptar la forma de finas l谩minas o cintas que se intercalan entre las placas bipolares.
Los materiales de las juntas se eligen normalmente para proporcionar una baja permeabilidad al gas hidr贸geno para evitar fugas, as铆 como resistencia qu铆mica a las condiciones 谩cidas y oxidantes del electrolizador. Tambi茅n deben tener una compresibilidad y unas propiedades mec谩nicas adecuadas para soportar fuerzas de compresi贸n. Los materiales t铆picos utilizados son el caucho mon贸mero de etileno propileno dieno (EPDM), el caucho fluorado (FKM), el PTFE y la silicona.
Las juntas preformadas son el tipo m谩s com煤n. Se moldean por inyecci贸n para adaptarse a la pila del electrolizador. Los intrincados dise帽os de las placas bipolares requieren un sellado minucioso, por lo que los fabricantes de juntas suelen asociarse con los proveedores de electrolizadores o placas bipolares. De este modo, el fabricante puede depositar las juntas directamente sobre los componentes del cliente y envi谩rselas a 茅ste. Las estrategias de innovaci贸n en juntas se centran en optimizar el material y el proceso de fabricaci贸n, as铆 como en evitar la fase de ejecuci贸n suministrando resinas que los clientes puedan depositar y curar ellos mismos.
El mercado del electrolizador de membrana de intercambio de protones
El mercado de componentes de electrolizador de membrana de intercambio de protones est谩 preparado para una expansi贸n significativa. Las proyecciones estiman que su valor de mercado alcanzar谩 la impresionante cifra de 31.700 millones de d贸lares en 2034. Este crecimiento est谩 impulsado principalmente por la r谩pida evoluci贸n de la industria del hidr贸geno verde. En nuestra opini贸n, hay buenas oportunidades para el suministro de componentes y la innovaci贸n en este mercado.
