Producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua es disociar las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno a través de un proceso electroquímico bajo la acción de corriente continua, que se separan en el cátodo y el ánodo, respectivamente. Según los diferentes diafragmas, se puede dividir en electrólisis alcalina, electrólisis de membrana de intercambio de protones (PEM) y electrólisis de óxidos sólidos.
La aplicación industrial de la tecnología industrializada de electrólisis de agua comenzó en la década de 1920. La tecnología de electrólisis de agua en electrolizadores de líquido alcalino ha logrado la producción de hidrógeno a escala industrial para necesidades industriales como la producción de amoníaco y el refinado de petróleo. Después de la década de 1970, la escasez de energía, la contaminación ambiental y la falta de exploración espacial llevaron al desarrollo de la tecnología de electrólisis de agua con membrana de intercambio de protones. Al mismo tiempo, también se ha diseñado la tecnología de electrólisis de agua alcalina compacta y de alta presión requerida para el desarrollo de campos particulares.
Electrolizador de líquido alcalino para la electrólisis del agua
La tecnología de electrólisis de agua alcalina utiliza una solución acuosa de KOH y NaOH como electrolito, como el uso de tela de amianto como diafragma. Bajo la acción de corriente continua, el agua se electroliza para generar hidrógeno y oxígeno. Luego, el gas producido necesita ser tratado con una niebla desalcalinizadora. La electrólisis de agua con líquido alcalino se industrializó a mediados del siglo XX. Las celdas electrolizadoras alcalinas se caracterizan estructuralmente por contener electrolitos líquidos y separadores porosos.
Típicamente, los electrolizadores de electrolito líquido alcalino operan a una densidad de corriente de aproximadamente 0.25 A/cm², y su eficiencia energética suele ser del 60%. En los sistemas de electrolito líquido, el electrolito alcalino utilizado, como el KOH, reacciona con el CO2 en el aire para formar carbonatos como el K2CO3, que son insolubles en condiciones alcalinas. Estos carbonatos insolubles pueden bloquear la capa catalítica porosa, dificultar el transporte de productos y reactivos, y reducir significativamente el rendimiento del electrolizador. Por otro lado, el electrolizador de electrolito líquido alcalino también es difícil de apagar o arrancar rápidamente. La tasa de producción de hidrógeno también es difícil de ajustar rápidamente porque la presión en ambos lados del ánodo y el cátodo de la celda electrolítica debe estar equilibrada en todo momento para evitar que el gas de hidrógeno y oxígeno pase.
Como resultado, las membranas de amianto poroso se mezclan, provocando una explosión. Por lo tanto, es difícil para los electrolizadores de electrolito líquido alcalino cooperar con fuentes de energía renovables que tienen características de fluctuación rápida.
Producción de hidrógeno a partir de electrólisis de polímero sólido
Dado que aún existen muchos problemas en los electrolizadores de electrolito líquido alcalino que deben mejorarse, se ha promovido el rápido desarrollo de la tecnología de electrólisis de agua con electrolito de polímero sólido (SPE). El primer SPE práctico es una membrana de intercambio de protones (PEM), también llamada electrolizador PEM.
La membrana de amianto se reemplaza por una membrana de intercambio de protones, que conduce protones y aísla los gases en ambos lados del electrodo. Esto evita las desventajas de usar electrolitos líquidos alcalinos fuertes en los electrolizadores de electrolito líquido alcalino.
Al mismo tiempo, la celda de electrólisis de agua PEM adopta una estructura de cero separación. Como resultado, el volumen de la celda electrolítica es más compacto y simplificado, lo que reduce la resistencia óhmica de la celda electrolítica y mejora significativamente el rendimiento general de la celda.
La densidad de operación actual de las celdas electrolíticas PEM suele ser superior a 1 A/cm², lo que es al menos cuatro veces mayor que la de las celdas electrolíticas de agua alcalina. Se reconoce como una de las tecnologías de producción de hidrógeno más prometedoras en el campo de la producción de hidrógeno.
Los principales componentes de un electrolizador de hidrógeno PEM típico
Los principales componentes de una celda de electrólisis de agua PEM típica incluyen placas finales de cátodo y ánodo, capas de difusión de gas del cátodo y del ánodo, capas catalíticas del cátodo y del ánodo, y membranas de intercambio de protones.
Entre ellos, la placa final desempeña el papel de fijar los componentes de la celda electrolítica, guiar la transferencia de electricidad y la distribución de agua y gas; la capa de difusión actúa recolectando corriente y promoviendo la transferencia de gas y líquido; el núcleo de la capa catalítica está compuesto por un catalizador, un medio de conducción de electrones y un medio de conducción de protones. La interfaz trifásica formada por estos medios es el lugar clave donde ocurre la reacción electroquímica; la membrana de intercambio de protones generalmente se usa como electrolito sólido, y se suele emplear una membrana de ácido perfluorosulfónico para aislar los gases generados en el cátodo y ánodo, evitar la transferencia de electrones y, al mismo tiempo, transferir protones.
El principio de la electrólisis de agua con membrana de intercambio de protones para la producción de hidrógeno se muestra en la Figura 2. En la actualidad, 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 desalcalinización. Tiene un margen más significativo para la regulación de presión. Al comienzo de la comercialización, el costo del PEM se concentra principalmente en la propia celda PEM. En la celda de electrólisis de agua PEM, el electrodo de membrana compuesto por la capa de difusión, la capa catalítica y la membrana de intercambio de protones es donde ocurre la reacción de electrólisis y es el componente central de la celda. Por lo tanto, aumentar la densidad de corriente de operación puede reducir la inversión en equipos de electrólisis. Además, un amplio rango de densidades de corriente operativas es más beneficioso para hacer coincidir la volatilidad de las fuentes de energía renovables.
Cómo manejar el hidrógeno del electrolizador en Oxygen Not Included
- Usar una solución electrolítica con alta concentración de iones de hidrógeno: La solución electrolítica utilizada en un electrolizador de hidrógeno juega un papel crucial en la determinación de la pureza del hidrógeno producido. Utilizar una solución con una alta concentración de iones de hidrógeno puede ayudar a maximizar la producción de gas hidrógeno.
- Ajustar las condiciones de electrólisis para favorecer la producción de hidrógeno: Las condiciones de la electrólisis, como el voltaje, la corriente y la temperatura, pueden afectar la pureza del hidrógeno producido. Al ajustar cuidadosamente estas condiciones, puedes optimizar el electrolizador para maximizar la producción de hidrógeno y minimizar la formación de otros gases.
- Usar electrodos de alta calidad: Los electrodos utilizados en un electrolizador de hidrógeno pueden influir en la pureza del hidrógeno producido. Usar electrodos de alta calidad, como los de platino o acero inoxidable, puede mejorar la eficiencia del proceso de electrólisis y producir hidrógeno de alta pureza.
- Purificar el gas de hidrógeno después de la electrólisis: Incluso con un control cuidadoso de las condiciones de electrólisis, pueden quedar trazas de impurezas en el hidrógeno producido. Para obtener hidrógeno puro, puede ser necesario purificar el gas utilizando un sistema de purificación de gases.
- El electrolizador PEM puede separar hidrógeno y oxígeno: El electrolizador PEM puede expulsar hidrógeno y oxígeno por separado. Solo necesitas conectar las salidas correspondientes para recolectar cada gas.
¿Cuánto oxígeno e hidrógeno se separan del electrolizador?
Depende del tamaño del electrolizador y de la cantidad de corriente que pase a través de él. En general, un electrolizador utiliza una corriente eléctrica de corriente continua (DC) para dividir el agua en sus componentes, oxígeno e hidrógeno. Este proceso, llamado electrólisis, implica pasar una corriente eléctrica a través de una solución electrolítica a base de agua, lo que provoca que las moléculas de agua se separen en átomos de oxígeno e hidrógeno.
