La producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua implica la disociación de moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno a través de un proceso electroquímico bajo la influencia de corriente continua, con el hidrógeno y el oxígeno separados en el cátodo y el ánodo, respectivamente. Según el tipo de diafragma utilizado, la electrólisis del agua se puede categorizar en electrólisis alcalina del agua, electrólisis del agua con membrana de intercambio de protones (PEM) y electrólisis del agua con óxido sólido.
La aplicación industrial de la tecnología de electrólisis del agua comenzó en la década de 1920. La tecnología de electrólisis alcalina del agua ha logrado una producción de hidrógeno a escala industrial, satisfaciendo las necesidades de industrias como la producción de amoníaco y la refinación de petróleo. Después de la década de 1970, la escasez de energía, la contaminación ambiental y las demandas de la exploración espacial impulsaron el desarrollo de la tecnología de electrólisis del agua con membrana de intercambio de protones. Paralelamente, se diseñó una tecnología de electrólisis alcalina de agua de alta presión y compacta para satisfacer los requisitos de campos específicos.
Electrolizador de Líquido Alcalino para Electrólisis del Agua
La tecnología de electrólisis del agua con líquido alcalino utiliza soluciones acuosas de KOH y NaOH como electrolito, con materiales como la tela de asbesto que actúan como diafragma. Bajo la acción de la corriente continua, el agua se electroliza para producir hidrógeno y oxígeno. Luego, los gases resultantes requieren tratamiento para eliminar la neblina alcalina. La electrólisis del agua con líquido alcalino se industrializó a mediados del siglo XX. Las características estructurales de las celdas electrolizadoras alcalinas incluyen la presencia de electrolitos líquidos y separadores porosos.
Típicamente, los electrolizadores de electrolito líquido alcalino operan a una densidad de corriente de aproximadamente 0.25 A/cm², con una eficiencia energética de alrededor del 60%. En los sistemas de electrolitos líquidos, el electrolito alcalino, como KOH, reacciona con el CO₂ en el aire para formar carbonatos como K₂CO₃, que son insolubles en condiciones alcalinas. Estos carbonatos insolubles pueden obstruir la capa catalítica porosa, dificultar la transferencia de productos y reactivos, y reducir significativamente el rendimiento del electrolizador. Además, los electrolizadores de electrolito líquido alcalino enfrentan desafíos para apagarse o encenderse rápidamente. La tasa de producción de hidrógeno también es difícil de ajustar rápidamente porque la presión en ambos lados del ánodo y cátodo debe equilibrarse en todo momento para evitar la mezcla de gases de hidrógeno y oxígeno, lo que podría provocar una explosión debido a la membrana de asbesto porosa. Como resultado, los electrolizadores de electrolito líquido alcalino no son adecuados para trabajar con fuentes de energía renovable que tienen características de fluctuación rápida.
Producción de Hidrógeno mediante Electrólisis del Agua con Polímero Sólido
Debido a los numerosos problemas que aún necesitan mejoras en los electrolizadores de electrolito líquido alcalino, se ha incentivado el rápido desarrollo de la tecnología de electrólisis del agua con electrolito de polímero sólido (SPE). La primera aplicación práctica de la tecnología SPE es la membrana de intercambio de protones (PEM), también conocida como electrolizador PEM.
En los electrolizadores PEM, la membrana de asbesto utilizada en los sistemas de electrolito líquido alcalino se reemplaza por una membrana de intercambio de protones, que conduce protones y separa los gases a ambos lados del electrodo. Esto elimina las desventajas asociadas con los electrolitos líquidos alcalinos fuertes utilizados en los electrolizadores alcalinos tradicionales.
Además, las celdas de electrólisis de agua PEM utilizan una estructura de separación cero, lo que hace que la celda electrolítica sea más compacta y optimizada, reduciendo la resistencia óhmica y mejorando significativamente el rendimiento general.
La densidad de operación actual de los electrolizadores PEM normalmente supera 1 A/cm², lo que es al menos cuatro veces mayor que la de los electrolizadores de agua alcalina. Esto convierte a la tecnología PEM en una de las opciones más prometedoras para la producción de hidrógeno.
Componentes Principales de un Electrolizador de Hidrógeno PEM Típico
Los componentes principales de una celda de electrólisis de agua PEM típica incluyen las placas terminales de cátodo y ánodo, las capas de difusión de gas del cátodo y ánodo, las capas catalíticas del cátodo y ánodo, y la membrana de intercambio de protones.
- Placas Terminales: Estas fijan los componentes de la celda electrolítica, guían la transferencia de electricidad y distribuyen el agua y el gas.
- Capa de Difusión: Esta capa recoge la corriente y facilita la transferencia de gas y líquido.
- Capa Catalítica: El núcleo de esta capa consiste en un catalizador, un medio de conducción de electrones y un medio de conducción de protones. La interfaz trifásica que se forma aquí es crucial para la reacción electroquímica.
- Membrana de Intercambio de Protones: Esta es típicamente un electrolito sólido, comúnmente hecho de una membrana de ácido perfluorosulfónico, que aísla los gases generados en el cátodo y el ánodo, previene la transferencia de electrones y facilita la transferencia de protones.
El principio de producción de hidrógeno a través de la electrólisis de agua con membrana de intercambio de protones se ilustra en la Figura 2. Las membranas de intercambio de protones comúnmente utilizadas incluyen Nafion® (DuPont), la membrana Dow (Dow Chemical), Flemion® (Asahi Glass), Aciplex®-S (Asahi Chemical Industry) y Neosepta-F® (Tokuyama).
En comparación con la electrólisis de agua alcalina, el sistema de electrólisis de agua PEM no requiere desalkalización y ofrece un margen de regulación de presión más significativo. Inicialmente, el costo de la tecnología PEM se concentra principalmente en la propia celda PEM. En las celdas de electrólisis de agua PEM, el conjunto de electrodos con membrana, que comprende la capa de difusión, la capa catalítica y la membrana de intercambio de protones, es donde ocurre la reacción de electrólisis, lo que lo convierte en el componente central del electrolizador. Aumentar la densidad de corriente operativa puede reducir la inversión en equipos de electrólisis, y la capacidad de operar en un amplio rango de densidades de corriente hace que los sistemas PEM sean más compatibles con la variabilidad de las fuentes de energía renovable.
Polarización
Debido a la presencia de polarización, el voltaje de electrólisis real del electrolizador excede el voltaje de electrólisis teórico ErevE_{\text{rev}}Erev predicho por la termodinámica.
La polarización del electrolizador incluye polarización de activación, polarización óhmica y polarización de concentración. En la reacción de electrólisis del agua en un electrolizador PEM, la polarización de la reacción de evolución de oxígeno en el ánodo es significativamente mayor que la de la reacción de evolución de hidrógeno en el cátodo, lo cual es un factor crucial que afecta la eficiencia de la electrólisis.
Polarización Electroquímica
La polarización electroquímica está principalmente relacionada con la actividad de los electrocatalizadores. Seleccionar catalizadores altamente activos y mejorar la interfaz trifásica de la reacción del electrodo puede ayudar a reducir la polarización electroquímica. Además, durante la reacción de electrólisis del agua, la evolución de hidrógeno y oxígeno, especialmente el oxígeno atómico precipitado, presenta fuertes propiedades oxidantes. Esto impone altas exigencias en la resistencia a la oxidación y corrosión del soporte del catalizador en el lado del ánodo y en los materiales utilizados en el electrolizador.
Por qué la tecnología PEM es costosa
El electrocatalizador ideal para la evolución del oxígeno debe poseer una alta superficie específica y porosidad, alta conductividad electrónica, excelente rendimiento electrocatalítico, estabilidad mecánica y electroquímica a largo plazo, efectos mínimos de burbujeo, alta selectividad, bajo costo y no toxicidad.
Los catalizadores que cumplen con estos criterios son principalmente metales nobles/óxidos como el iridio (Ir) y el rutenio (Ru), así como aleaciones binarias y ternarias/óxidos mixtos basados en estos metales. Sin embargo, el Ir y el Ru son recursos costosos y escasos, y la carga de Ir en los electrolizadores PEM a menudo supera los 2 mg/cm². Por lo tanto, es urgente reducir la cantidad de IrO₂ en los electrolizadores de agua PEM. Los catalizadores comerciales a base de platino (Pt) ya están en uso para la reacción de evolución del hidrógeno en los cátodos de los electrolizadores de agua PEM. Actualmente, la carga de Pt en el cátodo de las celdas de electrólisis de agua PEM es de alrededor de 0.4-0.6 mg/cm².
Reducción de la Polarización Óhmica
La principal fuente de polarización óhmica en la electrólisis de agua PEM es la resistencia óhmica de los electrodos, las membranas y los colectores de corriente. La resistencia de la membrana es el principal contribuyente a la pérdida de polarización óhmica y aumenta con el grosor de la membrana.
Para reducir la polarización óhmica y la resistencia de la membrana, se pueden usar membranas más delgadas. Sin embargo, es esencial considerar factores como la permeación de gases y la degradación de la membrana. La permeación de gases a través de la membrana aumenta con el tiempo de electrólisis y la temperatura, y es inversamente proporcional al grosor de la membrana. Seleccionar materiales con excelente conductividad eléctrica para los electrodos y colectores de corriente, mejorar la conductividad de protones en la capa catalítica y la membrana, reducir la resistencia de contacto entre los componentes y minimizar el grosor de la capa catalítica contribuyen a disminuir la polarización óhmica.
Polarización de Concentración
La polarización de concentración está directamente relacionada con el suministro de agua y la eliminación de los gases producidos. Está influenciada por las propiedades hidrofílicas e hidrofóbicas de la capa de difusión y el diseño del campo de flujo. La capa de difusión en la electrólisis de agua PEM está típicamente hecha de materiales basados en titanio con tratamientos de superficie resistentes a la corrosión para soportar las condiciones corrosivas durante la evolución de hidrógeno y oxígeno.
El material de la capa de difusión también participa en los procesos de polarización óhmica y de difusión, lo que requiere una consideración cuidadosa. El costo del sustrato de titanio y los materiales de tratamiento de superficie representan una proporción relativamente alta del costo total en los apilamientos PEM. Debido a los altos costos de los catalizadores y los materiales del electrolizador, el precio de la tecnología de electrólisis de agua PEM es actualmente más alto que el de la tecnología de electrólisis de agua alcalina tradicional. El enfoque principal para reducir costos es mejorar la eficiencia del electrolizador, lo que implica avanzar en la tecnología de catalizadores, materiales de membrana y materiales de la capa de difusión.
Lowering ohmic polarization
The primary source of ohmic polarization in PEM water electrolysis is the ohmic resistance of electrodes, membranes and current collectors. Membrane resistance is the primary source of ohmic polarization loss, and membrane resistance increases with the increase of membrane thickness.
A thinner membrane can be selected to reduce the ohmic polarization and membrane resistance. At the same time, the gas permeation and membrane degradation factors need to be comprehensively considered. The permeation of the generated gas in the membrane increases with the increase of electrolysis time and temperature. It is Inversely proportional to the thickness of the film. Selecting materials with excellent electrical conductivity to prepare electrodes and current collectors, improving the proton conductivity in the catalytic layer and membrane, reducing the contact resistance of each component, and reducing the catalytic layer thickness is conducive to lowering ohmic polarization.
The concentration polarization is directly related to the water supply and the discharge of produced gas. It is affected by the diffusion layer’s hydrophilic and hydrophobic properties and the flow field’s design. The diffusion layer of PEM water electrolysis is mainly made of Ti-based materials. It has a corrosion-resistant surface treatment to resist the corrosion problem under the conditions of hydrogen evolution and oxygen evolution.
The diffusion layer material itself involves both ohmic polarization and diffusion layer structure. Careful consideration is required. The cost of Ti substrate itself and the cost of surface treatment materials account for a relatively high proportion in PEM stacks. Due to the high cost of catalysts and electrolytic cell materials, the price of PEM water electrolysis technology at this stage is higher than that of traditional alkaline water electrolysis technology. The primary way is to improve the efficiency of electrolytic cells, that is, to improve the technical level of catalysts, membrane materials and diffusion layer materials.
Para una comparación simple de los parámetros de los electrolizadores alcalinos frente a los electrolizadores PEM, haz clic aquí.
