En los últimos años, la investigación sobreElectrolizadores de agua de alta eficiencia y bajo costoha ganado una amplia atención, ya que la producción y utilización de hidrógeno a gran escala son cruciales para mejorar la resiliencia de los sistemas de generación y transmisión de electricidad renovable. Actualmente, el método más común de producción de hidrógeno es mediante el reformado con vapor de metano u otros hidrocarburos, pero este proceso genera importantes emisiones de dióxido de carbono. Por lo tanto,electrolizadores de aguaque generan hidrógeno y oxígeno a través dedivisión electroquímica del aguase han convertido en un foco de investigación.
En condiciones de funcionamiento a alta temperatura (700–950 °C),Electrolizadores de vapor de óxido sólido (SOEC)Se han desarrollado y verificado a escala de laboratorio y piloto (ver Figura 1). La alta temperatura de funcionamiento deSOECles permite operar a voltajes de celda relativamente bajos con casi ninguna limitación cinética, logrando cerca del 100%Eficiencia de electrólisis de alto valor calorífico (HHV)a una densidad de corriente de aproximadamente 1 A/cm². Sin embargo, el funcionamiento a alta temperatura también conlleva muchos desafíos, como tiempos de arranque y apagado prolongados, degradación rápida debido a la interdifusión a alta temperatura de los componentes de la celda y envenenamiento causado por productos de corrosión, lo que hace queSOECenfrentan dificultades en la implementación del mercado.
Problemas con alcalinos yElectrolizadores PEM
Electrolizadores de agua con membrana de intercambio de protones (PEMWE) utilizarmembranas de intercambio de protones (PEM)y ionómeros en los electrodos, lo que permite el funcionamiento sin circulación de electrolitos líquidos. En esta configuración, tanto el ánodo como el cátodo están en contacto directo con el material no poroso.PEM, formando una disposición de celdas compacta (diseño sin espacio entre celdas) (ver Figura 3). Este diseño permitePEMWEpara operar a densidades de corriente de alrededor de 2 A/cm².
Además, la membrana no porosa enPEMWEapoyaOperación de presión diferencial, lo que permite la generación de hidrógeno a alta presión en el cátodo y la generación de oxígeno a presión atmosférica en el ánodo. Esto reduce la necesidad de compresión mecánica secundaria para el almacenamiento de hidrógeno. A pesar de estas ventajas, el alto costo deelectrocatalizadores(como el óxido de iridio y el platino), y los colectores de corriente resistentes a la corrosión y las placas bipolares utilizadas en entornos ácidos, pueden convertirse en factores limitantes para los sistemas a gran escala. Esto es especialmente cierto a medida que aumenta el tamaño de la pila, y estos componentes contribuyen significativamente al costo general del sistema.AWEyPEMWESe consideran tecnologías maduras y se han implementado comercialmente en función de necesidades de aplicaciones específicas.
En condiciones de funcionamiento a baja temperatura (por debajo de 100 °C),Electrolizadores de agua alcalina (AWE)Son una tecnología madura.AWEutilizar una solución acuosa que contengahidróxido de potasio (KOH)como electrolito líquido y están equipados conmembranas separadoras porosas(ver Figura 2). Se han publicado numerosos estudios sobre el desarrollo deElectrocatalizadores libres de metales del grupo del platino (PGM)para reacciones de evolución de hidrógeno y oxígeno (es decir,reacción de evolución del hidrógeno (HER)yreacción de evolución del oxígeno (REA)). La dirección de investigación actual se centra en diseños como configuraciones de espacio cero para aumentar la densidad de corriente o la presión de funcionamiento. Sin embargo,AWEtienen tasas de producción de hidrógeno relativamente bajas, típicamente alrededor de 200 mA/cm² a un voltaje de celda de 1,8 V.
Principios de funcionamiento del electrolizador AEM
Electrolizadores de agua con membrana de intercambio aniónico (AEMWE)operar en un ambiente alcalino y puede utilizarCatalizadores libres de metales del grupo del platino (PGM). Elmembrana de intercambio aniónico (AEM)es un polímero conductor de óxido de hidrógeno no poroso con grupos funcionales fijos cargados positivamente en sus cadenas principales o laterales, lo que permite configuraciones de espacio cero y funcionamiento con presión diferencial (ver Figura 4).
La reacción general enAEMWEimplica la reacción de evolución del hidrógeno (HER) y la reacción de evolución del oxígeno (OER). El agua o el electrolito líquido alcalino circula a través del cátodo, donde el agua se reduce a iones de hidrógeno e hidróxido mediante la adición de dos electrones (H₂O + 2e⁻ → H₂ + OH⁻). Los iones de hidróxido se difunden a través del cátodo.AEMal ánodo, mientras que los electrones se transfieren a través del circuito externo al cátodo. En el ánodo, los iones de hidróxido se recombinan para formar oxígeno y agua, generando dos electrones (2OH⁻ → ½O₂ + H₂O + 2e⁻). Los gases de hidrógeno y oxígeno se forman como burbujas en las superficies del catalizador HER y OER. Similar aPEMWE, elmembrana no porosaconfiguración de espacio cero deAEMWEPermite la producción de hidrógeno a alta velocidad y reduce la necesidad de compresión mecánica para el almacenamiento de hidrógeno.
Cabe destacar queAEMWECombina las ventajas deAWE(catalizadores libres de PGM) yPEMWE(configuraciones sin espacios y membranas no porosas). Curiosamente, a diferencia dePEMWE, que utilizan exclusivamente electrolitos poliméricos, muchosAEMWETambién se emplean electrolitos líquidos (como soluciones de KOH o K₂CO₃).
Estudios de modelado recientes sugieren que agregar electrolito líquido no solo reduce laresistencia óhmicade la membrana y la capa de catalizador, sino que también mejora la cinética de la reacción. Al agregar electrolito líquido a la celda, el pH local en la interfaz catalizador-electrolito aumenta, creando una interfaz electroquímica adicional.AEMWEconcatalizadores a base de níquelen solución de KOH 1 M produce hidrógeno a un voltaje de 2 V y una densidad de corriente de 1,8 A/cm², logrando un rendimiento comparable al convencional.PEMWEa presión atmosférica. Debido al bajo costo decatalizadoresy hardware, así como la configuración de espacio cero aplicable y la operación de presión diferencial,AEMWEEstán ganando cada vez más interés en la producción de hidrógeno.
Desafíos de durabilidad de los electrolizadores AEM
El principal desafío técnico deAEMWE(Electrolizadores de agua con membrana de intercambio aniónico) en sistemas comercialmente viables es sudurabilidad. Durabilidad enAEMWEGeneralmente se refiere a la vida útil del dispositivo. Durante las primeras etapas devamos a levantarnosDurante el desarrollo, medir la durabilidad fue relativamente fácil ya que la vida útil de la celda era más corta (menos de 500 horas). Sin embargo, a medida que se hacía más duradera,AEMWEA medida que se desarrollan, medir su vida útil se ha vuelto más complicado.
Es importante tener en cuenta que hacer funcionar una celda durante más de 10.000 horas lleva más de un año. Por lo tanto, la durabilidad deAEMWELa durabilidad de un dispositivo se evalúa generalmente midiendo la tasa de cambio de voltaje en pruebas a largo plazo (100-1000 horas) o mediante pruebas de estrés acelerado (AST) en condiciones de degradación acelerada (como temperaturas de funcionamiento más altas y densidades de corriente elevadas). Sin embargo, debe tenerse en cuenta que las pruebas a largo plazo que utilizan tasas de cambio de voltaje y las pruebas de vida útil en condiciones AST pueden no predecir con precisión la durabilidad de un dispositivo.AEMWE, ya que la vida útil de la célula se ve afectada por múltiples modos de degradación y a menudo se ve limitada por fallas catastróficas. Por lo tanto, sigue siendo necesario hacer funcionar la célula continuamente en condiciones de funcionamiento normales para obtener su verdadera vida útil.
Aunque la vida útil de la pila de comercialesElectrolizadores de agua con membrana de intercambio de protones (PEMWE)está cerca de 20.000 a 60.000 horas, la vida útil reportada de la mayoríaAEMWEes de alrededor de 3.000 horas. Además, la mayoríaAEMWEse prueban en condiciones de presión atmosférica.
