Especialmente popular na Europa, o PEMEL destaca-se pela sua elevada eficiência energética e compatibilidade com fontes de energia renováveis intermitentes.
O eletrolisador PEM partilha muitos materiais e componentes com a célula de combustível PEM (PEMFC), beneficiando enormemente dos avanços no setor das células de combustível. Iniciada pela NASA, a tecnologia PEMFC evoluiu significativamente, levando tanto o PEMEL como o PEMFC a tornarem-se tecnologias relativamente bem estabelecidas. No entanto, ainda enfrentam inúmeros desafios.
O crescente mercado do hidrogénio verde está a impulsionar a procura por sistemas de eletrolisadores, o que, por sua vez, gera procura por materiais e componentes para estes equipamentos. Este crescimento representa uma oportunidade significativa para os fornecedores de materiais e componentes, bem como para os diversos participantes do setor, capitalizarem este crescimento, inovarem e lançarem novos produtos.
Esquema simplificado dos componentes de uma célula eletrolítica de membrana de permuta de protões (PEMEL). Fonte: IDTechEx
Membrana de troca de protões (PEM)
A membrana de troca de protões (PEM) é a espinha dorsal do eletrolisador, localizada entre o cátodo e o ânodo. As PEM facilitam a transferência de protões (iões H+) do ânodo para o cátodo. Proporcionam também isolamento elétrico entre os elétrodos e garantem que as reações de evolução de hidrogénio e oxigénio ocorrem separadamente, resultando na produção de hidrogénio de elevada pureza e evitando a mistura de gases, especialmente hidrogénio e oxigénio.
As membranas são constituídas por ionómeros de ácido sulfónico perfluorado (PFSA). O Nafion, uma marca da Chemours (originalmente desenvolvido pela DuPont), é o material mais conhecido e amplamente utilizado nos PEMELs e PEMFCs. O mercado é dominado por empresas consolidadas como a Chemours e a WL Gore & Associates. No entanto, estas empresas continuam a inovar os seus produtos para alcançar um desempenho ainda melhor.
O principal desafio na melhoria das PEM é equilibrar o desempenho, a segurança e a durabilidade. Isto porque o aumento do desempenho exige membranas mais finas para melhorar a condutividade; no entanto, isto leva a uma maior troca gasosa entre o hidrogénio e o oxigénio e a uma degradação mais rápida da membrana. Uma tática comum de mitigação explorada na indústria é a utilização de uma camada de reforço, como o politetrafluoretileno expandido (PTFE), sobre a qual o ionómero PFSA é revestido.
Superar os desafios de melhorar o desempenho das membranas com novos materiais compósitos será fundamental para o avanço da tecnologia. Apesar destes desafios, as membranas de PFSA continuarão a ser o material dominante devido à falta de alternativas adequadas e prontamente disponíveis. Consequentemente, existe um mercado significativo para estas membranas nas indústrias de eletrolisadores e de células de combustível.
Catalisadores de metais do grupo da platina e membrana revestida com catalisador (CCM)
A platina (Pt) e o irídio (Ir) catalisam as reações eletroquímicas de evolução de hidrogénio e oxigénio que ocorrem no eletrolisador, respetivamente. Os materiais de última geração utilizados são a platina suportada em negro de carbono (Pt/C) para o cátodo e o negro de irídio (Ir) ou óxido de irídio (IrOx) para o ânodo.
Os catalisadores são combinados com resinas de ionómero PFSA sob a forma de uma tinta, que é depois aplicada sobre a membrana, produzindo a membrana revestida com catalisador (CCM). A produção de CCM é uma área de investigação fundamental, dado que o desempenho do eletrolisador depende fortemente das suas propriedades. Um aspeto crucial é o desenvolvimento de processos de produção em rolo contínuos e eficientes para CCM, que possam garantir uma produção consistente, uma perda mínima de tintas catalíticas e uma produção em grande escala e altamente automatizada.
O objetivo mais importante da investigação é a necessidade de reduzir a quantidade de irídio nos ânodos. As quantidades actuais, de 1 a 2,5 g/kW, nos electrolisadores PEM são problemáticas, uma vez que a procura futura destes equipamentos pode exercer uma pressão significativa sobre o fornecimento global de irídio. Para resolver este problema, os fabricantes de catalisadores, como a Heraeus Precious Metals, estão a lançar novos produtos que reduzem a quantidade de irídio. Entre eles, encontra-se o óxido de irídio-ruténio (IrRuOx), que já começa a ser utilizado comercialmente. No entanto, com o tempo, serão necessários novos catalisadores de irídio suportados (um conceito semelhante ao da platina suportada em carbono) para reduzir a dependência do fornecimento de irídio. Assim sendo, existem oportunidades significativas para desenvolver e comercializar novos catalisadores que ofereçam um desempenho competitivo em comparação com os atuais catalisadores de Ir e IrOx, reduzindo simultaneamente a quantidade total de irídio para menos de 1 g/kW.
Camadas de difusão de gás (GDL)
As camadas de difusão de gás (GDLs), também conhecidas como camadas de transporte porosas (PTLs), são outro componente fundamental das células PEMEL. Estes componentes estão presentes em ambos os lados dos elétrodos e facilitam a transferência de água para a membrana, a remoção dos gases produzidos (H2 e O2) dos elétrodos e o fluxo de eletrões através da célula.
O papel químico, composto por fibras de carbono, PTFE e negro de fumo, é utilizado como material catódico. O ânodo é feito de feltro de titânio revestido com uma fina camada de platina. O titânio é necessário devido à sua resistência à corrosão no lado do ânodo, enquanto a platina proporciona uma maior condutividade elétrica e estabilidade adicional. Estes materiais vieram para ficar e serão utilizados em todas as baterias PEMEL.
O papel de carbono foi desenvolvido graças aos esforços da indústria das células de combustível PEM e já se encontra numa fase bastante avançada. Assim sendo, o foco principal do desenvolvimento está no lado do ânodo, visando reduzir a espessura do feltro de titânio, otimizar a porosidade e diminuir a quantidade de platina necessária. A quantidade de platina é particularmente importante e pode ser reduzida com a utilização de tecnologias de revestimento avançadas, como a deposição física de vapor (PVD).
Placas bipolares
As placas bipolares atuam como uma barreira física para separar as células. Mais importante ainda, estas placas conduzem os eletrões do ânodo de uma célula para o cátodo de outra e também fornecem canais para o fluxo de água e gás dentro das células. Ao contrário das células de combustível PEM, que podem utilizar placas bipolares de grafite, os eletrolisadores PEM utilizam placas de titânio, que são mais resistentes à corrosão. São necessários revestimentos de ouro e platina nas faces do cátodo e do ânodo, respetivamente, para aumentar a resistência à corrosão e reduzir a resistência de contacto elétrico, semelhante à platina utilizada nos DOFs de titânio.
Mais uma vez, estes componentes beneficiam do fabrico de placas bipolares metálicas altamente desenvolvidas no setor das células de combustível PEM. As empresas que oferecem tecnologias de fabrico de placas incluem a Dana Inc., a Schuler, a Elcon Precision e muitas outras. Cada fabricante utiliza tecnologias diferentes, cada uma com as suas próprias vantagens e desvantagens. Apesar do elevado nível de desenvolvimento, os fabricantes podem ainda otimizar a produção reduzindo o desperdício de material e acelerando as linhas de produção.
O revestimento de placas bipolares é uma área que poderá beneficiar muito com novos conceitos. Por exemplo, tecnologias de revestimento mais avançadas, como a PVD (Deposição Física de Vapor), podem reduzir a utilização de metais preciosos. Também poderiam ser encontradas alternativas ao titânio para diminuir o custo total de fabrico. Isto requer experimentação com diversas ligas metálicas e combinações de materiais, como o aço inoxidável revestido com titânio. Este último é considerado uma opção promissora, mas ainda tem de passar por extensos testes em operações comerciais.
Juntas e materiais de vedação
As juntas ou vedantes são frequentemente negligenciadas no design de células eletrolíticas, mas estes componentes são igualmente vitais. Servem como elementos de vedação, criando uma interface entre diferentes componentes, como as placas bipolares e o separador. Estas barreiras, concebidas com precisão, garantem que os gases, a água e os componentes da célula permanecem contidos e separados, conforme necessário. As juntas têm geralmente a forma de folhas ou fitas finas intercaladas entre as placas bipolares.
Os materiais das juntas são geralmente escolhidos para proporcionar uma baixa permeabilidade ao gás hidrogénio, evitando fugas, bem como resistência química às condições ácidas e oxidantes do eletrolisador. Devem ainda apresentar compressibilidade e propriedades mecânicas adequadas para suportar forças de compressão. Os materiais típicos utilizados incluem a borracha de etileno-propileno-dieno (EPDM), a borracha fluorada (FKM), o PTFE e o silicone.
As juntas pré-fabricadas são o tipo mais comum. São moldadas por injeção para se ajustarem à pilha do eletrolisador. Os designs complexos das placas bipolares exigem uma selagem meticulosa, pelo que os fabricantes de juntas estabelecem frequentemente parcerias com fornecedores de eletrolisadores ou placas bipolares. Isto permite que o fabricante deposite as juntas diretamente nos componentes do cliente e as envie para ele. As estratégias de inovação em juntas concentram-se na otimização do material e do processo de fabrico, bem como na eliminação da fase de aplicação, fornecendo resinas que os clientes podem aplicar e curar por si próprios.
Perspetivas de mercado e estratégias
O mercado de componentes para eletrolisadores está prestes a registar uma expansão significativa, com a IDTechEx a projetar que o seu valor de mercado atinja a impressionante marca de 31,7 mil milhões de dólares até 2034. Este crescimento é impulsionado principalmente pela rápida evolução da indústria do hidrogénio verde. Como este artigo demonstra, existem oportunidades substanciais para o fornecimento de componentes e inovação neste mercado.
O relatório da IDTechEx, "Materiais para a Produção de Hidrogénio Verde 2024-2034: Tecnologias, Empresas e Previsões", também fornece informações semelhantes sobre os materiais e componentes utilizados em eletrolisadores alcalinos de água (AWE), eletrolisadores de membrana de troca aniónica (AEMEL) e eletrolisadores de óxido sólido (SOEC). São oferecidas listas abrangentes de fornecedores de pilhas de eletrolisadores, componentes e materiais, juntamente com estudos de caso de inovações comerciais importantes no setor.
Além disso, o relatório fornece previsões de mercado detalhadas para 10 anos, quantificando a procura de materiais e componentes em toneladas, metros quadrados (m²) e milhões de dólares anualmente. Consulte o relatório para obter informações aprofundadas sobre as tendências atuais e as principais oportunidades no mercado de componentes para eletrolisadores de água.
Autor: Chingis Idrissov, Analista de Tecnologia da IDTechEx
