Tres rutas técnicas para la producción de hidrógeno a partir de agua electrolítica: electrolizadores alcalinos, PEM y de óxido sólido
En principio, la electrólisis del agua para la producción de hidrógeno es un proceso electroquímico en el que las moléculas de agua se disocian en hidrógeno y oxígeno en el cátodo y el ánodo, respectivamente, bajo la acción de una corriente continua. Dependiendo del principio de reacción, hay tres opciones principales: electrólisis de agua alcalina (ALK), electrólisis de agua pura con membranas de intercambio de protones (PEM) y electrólisis de agua de óxido sólido (SOEC). La electrólisis acuosa alcalina (ALK) y la electrólisis de membrana de intercambio de protones (PEM) para la producción de hidrógeno se han lanzado comercialmente, mientras que la electrólisis de óxido sólido se encuentra en la etapa de desarrollo de laboratorio.
Electrólisis alcalina (ALK): la electrólisis alcalina utiliza una solución acuosa alcalina como KOH como electrolito y una tela no tejida (flúor o polímero de cloro flúor) como diafragma para electrolizar el agua y producir hidrógeno y oxígeno bajo corriente continua. El rendimiento de gas es proporcional a la corriente y el consumo de electricidad por unidad de rendimiento de gas está relacionado con el voltaje de electrólisis y la temperatura de reacción. El voltaje de descomposición teórico del agua es de 1,23 V y el consumo de energía teórico es de 2,95 kWh/m3, mientras que el consumo de energía real de la electrólisis de agua alcalina es de aproximadamente 5,5 kWh/m3 y la eficiencia de conversión del electrolizador es de alrededor del 60 %.
ALK ha estado disponible comercialmente durante casi 100 años y la tecnología es relativamente madura, con una vida útil de 15 a 20 años, y el costo es solo una quinta parte del de un electrolizador PEM del mismo tamaño.
Desventajas: gran tamaño, baja eficiencia y respuesta dinámica lenta. 1) El tamaño de un electrolizador alcalino es mucho mayor que el de un electrolizador PEM para la misma escala de producción de hidrógeno debido a la baja velocidad de reacción y la baja densidad de corriente debido al uso de catalizadores de metales no preciosos. 2) La solución alcalina requiere mucho mantenimiento y, por lo tanto, requiere un mantenimiento frecuente. 3) El tiempo de arranque en frío de un electrolizador ALK es de 1 a 2 horas debido al consumo de energía necesario para calentar el electrolito. 4) la dinámica del electrolizador alcalino es lenta y no permite un buen seguimiento de la fluctuante generación de energía renovable. Además, para asegurar la pureza de la producción de hidrógeno, el electrolizador alcalino debe mantener un nivel de potencia superior al 20% de su potencia nominal,
Electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM): la electrólisis PEM del agua para la producción de hidrógeno y los flujos de trabajo de celdas de combustible PEM son procesos inversos entre sí. Los componentes principales de una celda PEM típica incluyen electrodos de membrana (membrana de intercambio de protones, capa catalítica, capa de difusión), placas bipolares, placas de resina epoxi y placas finales. La capa catalítica es una interfaz trifásica que consta de un catalizador, un medio de transferencia de electrones y un medio de transferencia de protones, que es el núcleo de la reacción electroquímica. La membrana de intercambio de protones se usa como electrolito sólido, generalmente una membrana de ácido perfluorosulfónico. para aislar el cátodo de la generación de gas, para evitar la transferencia de electrones y para transferir protones.
Ventajas: alta eficiencia, sin solución alcalina, tamaño pequeño, seguridad y confiabilidad, buena respuesta dinámica, etc. El consumo de energía correspondiente de la tecnología de electrólisis PEM es de aproximadamente 5,0kWh/m3 y la eficiencia es de aproximadamente el 70%. En comparación con ALK, los sistemas de electrólisis de agua PEM no requieren desalcalinización. Al mismo tiempo, las celdas de electrólisis PEM son más compactas y dinámicas, lo que las hace ideales para su uso en serie con fuentes de energía renovables fluctuantes.
Desventaja: alto costo debido a la necesidad de usar metales preciosos. Actualmente, solo los metales preciosos como el iridio y el rutenio pueden usarse como catalizadores. Reducir el costo del material del catalizador y el electrolizador, especialmente la carga de metales preciosos de los electrocatalizadores de cátodo y ánodo, y mejorar la eficiencia y la vida útil del electrolizador, es una prioridad de investigación clave para el desarrollo de la electrólisis de agua PEM para la producción de hidrógeno. .
Electrolizador de óxido sólido (SOEC): operando a alrededor de 800 °C, esta es una tecnología de electrólisis de agua muy prometedora en comparación con la electrólisis alcalina y la electrólisis PEM, que operan a alrededor de 80 °C. Todavía está en la etapa de laboratorio de desarrollo. El material del cátodo para SOEC de alta temperatura es generalmente cermet poroso Ni/YSZ (zirconia dopada con itrio) y el material del ánodo es principalmente óxido de calcogenuro, con la posibilidad de LSCF (lantano, estroncio, cobalto y hierro) en el futuro. El electrolito intermedio es un conductor de iones de oxígeno YSZ. El vapor de agua mezclado con una pequeña cantidad de hidrógeno entra desde el cátodo (el propósito de mezclar hidrógeno es asegurar una atmósfera reductora en el cátodo y evitar la oxidación del material del cátodo Ni), donde tiene lugar la reacción de electrólisis para formar H2 y O2-, que pasa a través de la capa de electrolito al ánodo, donde pierde electrones para formar O2. SOEC es también la operación inversa de SOEF.
(1) A diferencia de la electrólisis de agua alcalina y la electrólisis de agua PEM, la electrólisis de agua de óxido sólido a alta temperatura utiliza óxido sólido como material electrolítico y funciona a 800-1000 °C. El rendimiento electroquímico del proceso de producción de hidrógeno mejora significativamente y la eficiencia de utilización de energía es mayor, alcanzando ≥90%; (2) El electrolizador puede usar catalizadores de metales no preciosos y está hecho de materiales cerámicos, lo que reduce el problema de la corrosión del equipo. Se reduce el problema de corrosión de los equipos.
Desventajas: poca durabilidad. El entorno de alta temperatura y humedad limita la elección de materiales para el electrolizador que sean estables, duraderos y resistentes a la descomposición, limitando la elección de escenarios de aplicación para la tecnología de producción de hidrógeno SOEC y su uso generalizado.