Descripción general de la producción de hidrógeno PEM mediante electrólisis del agua I

Visión general de Producción de hidrógeno PEM por electrólisis del agua I

El hidrógeno es un portador de energía limpio y flexible que puede utilizarse para proporcionar electricidad y calor. Los vehículos impulsados por hidrógeno y la generación de energía estacionaria son tecnologías de cero emisiones. El hidrógeno se puede producir tanto a partir de combustibles fósiles tradicionales como de fuentes de energía libres de carbono, las cuales se utilizan para almacenar energía y proporcionar una gestión responsable de la red.

Actualmente sólo el 4% del hidrógeno se produce por electrólisis, utilizando principalmente métodos de preparación de bajo coste como el reformado gaseoso del gas natural o del gas de refinería. Sin embargo, en el futuro, las fuentes de energía renovables (FER) representarán una parte importante de la electricidad producida. La electrólisis se considera la forma más limpia de producir hidrógeno utilizando energía renovable.

Una aplicación emergente para los electrolizadores se encuentra en el sector de “power to gas”. El hidrógeno producido por electrolizadores conectados a RES se inyecta en la red de gas. Este enfoque permite utilizar gasoductos como grandes “tanques de almacenamiento” y evita la construcción de nueva infraestructura. La cantidad de hidrógeno inyectado depende de la normativa de cada país. Este problema puede resolverse mediante la metanación, donde el hidrógeno y el monóxido de carbono/dióxido de carbono se convierten en metano sostenible. El hidrógeno almacenado en la infraestructura de gas natural puede utilizarse para calefacción, transporte o reconvertirse en electricidad. Las estaciones de servicio con producción de hidrógeno in situ son otra aplicación de los electrolizadores.

Las principales ventajas de la electrólisis PEM sobre la electrólisis alcalina son una mayor seguridad y confiabilidad, ya que no se utiliza electrolito corrosivo. Además, la posibilidad de operar con altas diferencias de presión a través de la membrana evita la compresión de oxígeno. Debido a las membranas sólidas y delgadas, la electrólisis PEM tiene un transporte de iones más rápido que la electrólisis alcalina. Los electrolitos líquidos tienen una mayor inercia en términos de transporte de iones. Los electrolizadores alcalinos reaccionan lentamente cuando el electrolizador se opera en condiciones fluctuantes y tienen dificultades para arrancar después del apagado. Además, la tecnología puede funcionar con densidades de corriente más altas que los electrolizadores alcalinos.

Catalizador
En la electrólisis PEM se suelen utilizar materiales nobles costosos como electrocatalizadores. Los más utilizados son paladio o platino en el cátodo para la reacción de desprendimiento de hidrógeno (HER) y iridio u óxido de rutenio en el ánodo para la reacción de desprendimiento de oxígeno (OER). El IrO2 exhibe una mayor resistencia a la corrosión que el RuO2, pero muestra una pobre actividad REA. El RuO2 funciona bien en el rango de sobrepotencial bajo, pero los problemas de estabilidad dificultan las aplicaciones prácticas. La estabilidad del RuO2 se puede mejorar ligeramente utilizando soluciones sólidas binarias IrO2-RuO2. El uso de IrO2 de tamaño de partícula pequeño (2–3 nm) puede reducir la carga de metales nobles manteniendo un rendimiento similar. La conductividad, la actividad electrocatalítica y la estabilidad son aspectos desafiantes de los catalizadores de metales no nobles.

Membrana de intercambio de protones
En la electrólisis PEM, se utilizan membranas de ácido perfluorosulfónico (PFSA) como electrolitos sólidos. Las propiedades importantes de las membranas electrolizadoras PEM son el bajo cruce, la capacidad de trabajar a altas temperaturas (>100 °C) y la alta resistencia mecánica. El cruce en PEMWE puede dañar la membrana y provocar fallas en la pila. La reacción del hidrógeno y el oxígeno es muy exotérmica y provoca un calentamiento local que con el tiempo puede dañar la membrana. Este problema es particularmente importante cuando el electrolizador funciona a alta presión (hasta 350 bar). La posibilidad de operar a alta presión permite reducir la energía mecánica necesaria para la presurización del gas.

En estas aplicaciones, es necesario un bajo nivel de cruce y requiere un espesor de película de polímero apropiado. Otra propiedad mecánica importante de las películas poliméricas es la resistencia al desgarro. De hecho, durante el proceso de montaje del apilamiento, se generan grandes tensiones, especialmente entre los bordes de los electrodos y las juntas. Las buenas propiedades de tracción y la baja resistencia a la propagación del desgarro son propiedades clave de las membranas poliméricas en los electrolizadores de membranas de intercambio de protones. Normalmente, se utilizan membranas compuestas o reforzadas para operar a altas presiones y temperaturas. Los electrolizadores PEM operan a altas temperaturas (>100°C), lo que reduce el cambio de energía libre de Gibb y mejora la cinética de reacción. Además, su bajo coste los convierte en una opción real y atractiva para Electrolizadores PEM.