¿Qué es un Electrolizador de Hidrógeno?

Un electrolizador es un dispositivo que utiliza energía eléctrica para llevar a cabo una reacción química no espontánea, generalmente la descomposición del agua en gases de hidrógeno y oxígeno. Este proceso, conocido como electrólisis, implica pasar una corriente eléctrica a través del agua, separándola en sus elementos constituyentes.

Proceso de Electrólisis:

La electrólisis es el proceso fundamental que realizan los electrolizadores. Cuando se aplica una corriente eléctrica al agua (H₂O), se divide en gases de hidrógeno (H₂) y oxígeno (O₂). La reacción química global es:

2H2O(l)→2H2(g)+O2(g)

Componentes de un Electrolizador:

  • Ánodo: Electrodo positivo donde ocurre la oxidación. En la electrólisis del agua, el oxígeno se produce en el ánodo.
  • Cátodo: Electrodo negativo donde ocurre la reducción. En la electrólisis del agua, el hidrógeno se produce en el cátodo.
  • Electrolito: Un medio que permite el flujo de iones entre el ánodo y el cátodo. Puede ser una sustancia ácida, alcalina o un polímero sólido.Fuente de Energía
  • Externa: Proporciona la energía eléctrica necesaria para el proceso de electrólisis.

Tipos de Electrolizadores:

  1. Electrolizadores de Membrana de Intercambio Protónico (PEM): Usan una membrana de electrolito polimérico sólido que conduce protones del ánodo al cátodo. Son altamente eficientes y operan a densidades de corriente más altas.
  2. Electrolizadores de Agua Alcalina (ALK): Utilizan una solución de hidróxido de potasio (KOH) o hidróxido de sodio (NaOH) como electrolito. Son muy usados por su bajo costo y tecnología madura.
  3. Electrolizadores de Óxido Sólido (SOE): Operan a altas temperaturas (700-1000°C) y usan un material cerámico sólido como electrolito. Pueden convertir agua y CO₂ en gas de síntesis.
  4. Electrolizadores de Membrana de Intercambio de Aniones (AEM): Usan una membrana polimérica conductora de aniones como electrolito. Son una tecnología emergente con potencial de menor costo y mejor rendimiento.

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Principales Tipos de Electrolizadores y sus Características


Tecnología de Electrólisis Alcalina (ALK)

La tecnología de electrólisis alcalina utiliza un entorno alcalino, como una solución acuosa de hidróxido de potasio, como electrolito y emplea asbesto como diafragma para separar el hidrógeno y el oxígeno. Una de sus ventajas principales es que las placas de ánodo y cátodo no contienen metales preciosos, lo que reduce significativamente los costos del electrolizador. Esta tecnología, desarrollada desde hace mucho tiempo, domina el 80% del mercado gracias a su ecosistema técnico y comercial bien establecido.

Desventajas:
Tiene dificultades para arrancar rápidamente y adaptarse a cambios, requiriendo una fuente de energía estable, lo que lo hace inadecuado para fuentes de energía fluctuantes como la fotovoltaica y la eólica. Esto significa que no puede participar en el auge del desarrollo de la energía eólica y solar.

Electrolizador de Óxido Sólido (SOE)

Los electrolizadores de óxido sólido utilizan óxidos sólidos como el circonio como electrolito y operan a altas temperaturas. La principal barrera está en el desarrollo de materiales para los electrodos, que han permanecido en fase de laboratorio, aunque recientemente se han logrado algunos avances.

Electrolizador de Membrana de Intercambio de Aniones (AEM)

La electrólisis de membrana de intercambio de aniones también se encuentra en etapa de laboratorio, y los avances futuros dependerán de los avances en los materiales relacionados. Actualmente, el electrolizador de membrana de intercambio protónico (PEM) es el más prometedor para reemplazar a ALK.

Electrolizador PEM

Los electrolizadores PEM incluyen componentes como membranas de intercambio de protones, catalizadores, capas de difusión de gases y placas bipolares. Las ventajas son su rápido arranque y adaptabilidad a fuentes de energía flexibles como la eólica y solar. Sin embargo, los electrodos y catalizadores dependen en gran medida de metales preciosos como el iridio, platino y titanio. En general, en comparación con ALK, la desventaja de PEM es su mayor costo. Desde la perspectiva del costo del ciclo de vida, PEM cuesta $2.77/kg, más alto que los $2.45/kg de ALK.

Por supuesto, PEM también está trabajando en reducir costos a través del desarrollo tecnológico, sustitución doméstica y economías de escala. En comparación con ALK, los electrolizadores PEM son más compactos, reduciendo la huella por la misma escala de producción de hidrógeno a la mitad, lo que también es una consideración importante.

Teniendo en cuenta la necesidad de estabilidad en la compatibilidad del suministro de energía, los electrolizadores alcalinos ALK se utilizarán en campos de producción de hidrógeno a gran escala, como las industrias química y metalúrgica. En regiones con abundante energía eólica y solar, se preferirán los electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM).