Caracterização experimental do desempenho eletroquímico de um eletrolisador do tipo PEM e do escoamento bifásico na descarga do ânodo

Abstract

Comos crescentesavanços tecnológicos eabuscada transiçãodamatrizenergéticamundial, umdos principais desafios impostos pelas energias renováveis éa sua intermitência degera ção. Neste contexto, o hidrogênio emerge como um novo vetor energético capaz de atenuar essas oscilações, visto a sua alta densidade de energia por unidade de massa. Portanto, com o intuito de se obter hidrogênio de forma limpa, a eletrólise da água por meio de eletrolisa dores do tipo membrana polimérica (PEM) se destaca pela sua alta eficiência e condições de operação controlada. Sendo assim, o objetivo deste trabalho consistiu no projeto, construção e desenvolvimento de uma bancadaexperimental,instrumentada, dedicada à análise de um eletrolisador do tipo PEM de escala laboratorial. O estudo realizou diversos testes variando a temperatura de entrada (30 °C a 70 °C), corrente (13 A a 50 A) e a vazão de água (60 L/h a 100 L/h), avaliando seus impactos no desempenho eletroquímico e térmico do dispositivo. Alémdisso, a visualização do escoamento bifásico de oxigênio e água na descarga do ânodo complementou o estudo. Os resultados indicaram que a elevação da temperatura reduz as tensões de operação, enquanto as variações de vazão demonstraram impactos negligenciá veis na curva de polarização, reforçando o seu papel principal de gerenciamento térmico. Adicionalmente, as imagens adquiridas mostraram a predominância do regime de elongated bubbles e a transição para o escoamento slug nas condições limites de operação. Contudo, também não influenciou a operação do eletrolisador. Paralelamente, o monitoramento indi vidual de cada célula mostrou alterações de até 0,2 V, evidenciando limitações na hipótese de que todas as células em um conjunto possuam o mesmodesempenho.Porfim,otrabalho fornece uma ampla base de dados em diferentes condições de operação, material essencial para a validação de modelos numéricos e para um maior entendimento dos fenômenos físico-eletroquímicos envolvidos.

One of the main challenges of the continuous technological advances and the search for a new energy matrix lies in the intermittency of renewable energy sources. In this context, hydrogen emerges as a powerful energy vector, capable of hindering these oscillations due to the high energy density of this element. Therefore, aiming to obtain clean hydrogen, the proton exchange membrane water electrolyzer (PEMWE) stands out as a high-performance device with controlled operation conditions. Therefore, the goal of this work is based on the design, development, assembly, and operation of an instrumented test bench to analyze a laboratory-scale PEMWE. Several tests were performed, varying the inlet temperature (30 °C to 70°C), current (13 A to 50 A), and the water flowrate(60L/hto100L/h). Parallel to the electrochemical results, the multiphase flow at the anode discharge was acquired, comple menting the study. The results showed that an increase in the operational temperature leads to lower cellvoltages,whilethewaterflowratehadanegligibleimpact,reinforcingthatther mal management is the main role. Furthermore, the acquired images showed a dominance of elongated bubble flow patterns, with a transition to slug in higher limit conditions, regar dless of thepattern,littleimpactontheelectrolyzerperformancewasobserved.Additionally, the individual data of the cells showed differences up to 0.2 V between them, highlighting limitations on the perfect stack homogeneity hypothesis. Finally, this work provides a large database for future PEMWE numerical models, and also, for a better understanding of the physical-electrochemical phenomena involved during operation.