Un electrolizador es un dispositivo electroquímico para convertir la electricidad y el agua en hidrógeno y oxígeno, estos gases pueden ser utilizados como un medio para almacenar energía para su uso posterior. Este uso puede ir desde la estabilización de la red eléctrica a partir de fuentes eléctricas dinámicas, como turbinas eólicas y células solares, hasta la producción localizada de hidrógeno como combustible para vehículos de pila de combustible. El electrolizador PEM utiliza un electrolito polimérico sólido (SPE) para conducir los protones desde el ánodo hasta el cátodo, a la vez que aísla eléctricamente los electrodos. En condiciones estándar, la entalpía necesaria para la formación de agua es de 285,9 kJ/mol. Una parte de la energía requerida para una reacción de electrólisis sostenida es suministrada por la energía térmica y el resto se suministra a través de la energía eléctrica.

ReaccionesEditar

El valor real de la tensión de circuito abierto de un electrolizador en funcionamiento se situará entre los 1,23 V y los 1,48 V dependiendo de cómo el diseño de la célula/pila utilice las entradas de energía térmica. Sin embargo, esto es bastante difícil de determinar o medir porque un electrolizador en funcionamiento también experimenta otras pérdidas de voltaje debido a las resistencias eléctricas internas, la conductividad de los protones, el transporte de masa a través de la célula y la utilización del catalizador, por nombrar algunas.

Reacción en el ánodoEditar

La media reacción que tiene lugar en el lado del ánodo de un electrolizador PEM se conoce comúnmente como la reacción de evolución del oxígeno (OER). Aquí el reactante de agua líquida se suministra al catalizador donde el agua suministrada se oxida a oxígeno, protones y electrones.

2 H 2 O ( l ) ⟶ O 2 ( g ) + 4 H + ( aq ) + 4 e – {\displaystyle {\ce {2 H2O (l) -> O2 (g) + 4H+ (aq) + 4 e^-}}.

Reacción en el cátodoEditar

La mitad de la reacción que tiene lugar en el lado del cátodo de un electrolizador PEM se conoce comúnmente como la reacción de evolución del hidrógeno (HER). Aquí los electrones suministrados y los protones que han conducido a través de la membrana se combinan para crear hidrógeno gaseoso.

4 H + ( aq ) + 4 e – ⟶ 2 H 2 ( g ) {\displaystyle {\ce {4H+ (aq) + 4 e^- -> 2H2 (g)}}

La siguiente ilustración representa una simplificación de cómo funciona la electrólisis PEM, mostrando las medias reacciones individuales junto con la reacción completa de un electrolizador PEM. En este caso el electrolizador está acoplado a un panel solar para la producción de hidrógeno, sin embargo el panel solar podría ser sustituido por cualquier fuente de electricidad.

Diagrama de la célula del electrolizador PEM y los principios básicos de funcionamiento.

Segunda ley de la termodinámicaEditar

Según la segunda ley de la termodinámica la entalpía de la reacción es:

Δ H = Δ G ⏟ elec. + T Δ S ⏟ calor {\displaystyle \Delta H=\Delta G} {{textrm {elec.}}+ {{subrayado}} {{Delta S}} …y el calor.

Donde Δ G {{displaystyle} {{Delta G}}

es la energía libre de Gibbs de la reacción, T {\displaystyle T}

es la temperatura de la reacción y Δ S {\displaystyle \Delta S}

es el cambio de entropía del sistema.

H 2 O ( l ) + Δ H ⟶ H 2 + 1 2 O 2 {\displaystyle {\ce {H2O (l) + \Delta H -> H2 + 1/2 O2}}.

La reacción global de la célula con los aportes de energía termodinámica se convierte entonces en:

H 2 O ( l ) → + 48.6 kJ / mol ⏟ calor + 237,2 kJ / mol ⏞ electricidad H 2 + 1 2 O 2 {\displaystyle {\ce {H2O(l)->{H2}+1/2O2}}.

Los aportes térmicos y eléctricos mostrados anteriormente representan la cantidad mínima de energía que puede ser suministrada por la electricidad para obtener una reacción de electrólisis. Suponiendo que se suministra la máxima cantidad de energía térmica (48,6 kJ/mol) a la reacción, el voltaje reversible de la célula V rev 0 {\displaystyle V_{textrm {rev}^{0}

.

Tensión en circuito abierto (OCV)Edit

V rev 0 = Δ G 0 n ⋅ F = 237 kJ/mol 2 × 96 , 485 C/mol = 1.23 V {\displaystyle V_{textrm {rev}^{0}={\frac {\Delta G^{0}}{n\cdot F}}={\frac {237\ {textrm {kJ/mol}}{2{veces 96,485\C/mol}}}}=1,23V}

donde n{{displaystyle n}

es el número de electrones y F {\displaystyle F}

es la constante de Faraday. El cálculo de la tensión de la célula suponiendo que no existen irreversibilidades y que toda la energía térmica es utilizada por la reacción se denomina valor calorífico inferior (VCI). La formulación alternativa, que utiliza el valor calorífico superior (HHV), se calcula asumiendo que toda la energía para impulsar la reacción de electrólisis es suministrada por el componente eléctrico de la energía requerida, lo que resulta en un voltaje de célula reversible más alto. Cuando se utiliza el HHV, el cálculo de la tensión se denomina tensión termoneutral.

V th 0 = Δ H 0 n ⋅ F = 285,9 kJ/mol 2 × 96 , 485 C/mol = 1.48 V {\displaystyle V_{textrm {th}^{0}={frac {\Delta H^{0}}{n\cdot F}}={\frac {285,9 {\textrm {kJ/mol}}{2 veces 96,485 {\textrm {C/mol}}}}=1,48V}

Pérdidas de tensiónEditar

El rendimiento de las celdas de electrólisis, al igual que el de las celdas de combustible, suele compararse trazando sus curvas de polarización, que se obtienen trazando la tensión de la celda frente a la densidad de corriente. Las principales fuentes de aumento de la tensión en un electrolizador PEM (lo mismo ocurre con las pilas de combustible PEM) pueden clasificarse en tres áreas principales: pérdidas óhmicas, pérdidas de activación y pérdidas de transporte de masa. Debido a la inversión del funcionamiento entre una pila de combustible PEM y un electrolizador PEM, el grado de impacto de estas diversas pérdidas es diferente entre los dos procesos.

V cell = E + V act + V trans + V ohm {\displaystyle V_{textrm {cell}}=E+V_{textrm {act}}+V_{textrm {trans}}+V_{textrm {ohm}}

El rendimiento de un sistema de electrólisis PEM se suele comparar trazando el sobrepotencial frente a la densidad de corriente de las células. Esto resulta esencialmente en una curva que representa la potencia por centímetro cuadrado del área de la célula necesaria para producir hidrógeno y oxígeno. A diferencia de la pila de combustible PEM, cuanto mejor sea el electrolizador PEM, menor será la tensión de la pila a una densidad de corriente determinada. La figura siguiente es el resultado de una simulación del Forschungszentrum Jülich de un electrolizador PEM de una célula de 25 cm2 en funcionamiento termoneutral que representa las principales fuentes de pérdida de tensión y sus contribuciones para un rango de densidades de corriente.

Curva de polarización que representa las diversas pérdidas atribuidas al funcionamiento de la célula de electrólisis PEM.

Pérdidas óhmicasEditar

Las pérdidas óhmicas son un sobrepotencial eléctrico introducido en el proceso de electrólisis por la resistencia interna de los componentes de la célula. Esta pérdida requiere entonces un voltaje adicional para mantener la reacción de electrólisis, la predicción de esta pérdida sigue la ley de Ohm y mantiene una relación lineal con la densidad de corriente del electrolizador en funcionamiento.

V = I ⋅ R {\displaystyle V=I\cdot R}

La pérdida de energía debida a la resistencia eléctrica no se pierde totalmente. La caída de tensión debida a la resistividad está asociada a la conversión de la energía eléctrica en energía térmica mediante un proceso conocido como calentamiento Joule. Gran parte de esta energía térmica es arrastrada con el suministro de agua reactiva y se pierde en el medio ambiente; sin embargo, una pequeña parte de esta energía se recaptura como energía térmica en el proceso de electrólisis. La cantidad de energía térmica que puede recapturarse depende de muchos aspectos del funcionamiento del sistema y del diseño de la célula.

Q ∝ I 2 ⋅ R {\displaystyle Q\propto I^{2}\cdot R}

Las pérdidas óhmicas debidas a la conducción de protones contribuyen a la pérdida de eficiencia que también sigue la ley de Ohm, sin embargo sin el efecto de calentamiento Joule. La conductividad de protones del PEM es muy dependiente de la hidratación, la temperatura, el tratamiento térmico y el estado iónico de la membrana.

Pérdidas faradáicas y cruceEditar

Las pérdidas faradáicas describen las pérdidas de eficiencia que se correlacionan con la corriente, que se suministra sin conducir al hidrógeno en la salida del gas catódico. El hidrógeno y el oxígeno producidos pueden permeabilizar a través de la membrana, lo que se denomina cruce. Se producen mezclas de ambos gases en los electrodos. En el cátodo, el oxígeno puede reaccionar catalíticamente con el hidrógeno en la superficie de platino del catalizador catódico. En el ánodo, el hidrógeno y el oxígeno no reaccionan en el catalizador de óxido de iridio. Por lo tanto, pueden producirse riesgos de seguridad debido a las mezclas anódicas explosivas de hidrógeno en oxígeno. La energía suministrada para la producción de hidrógeno se pierde, cuando el hidrógeno se pierde debido a la reacción con el oxígeno en el cátodo y la permeación desde el cátodo a través de la membrana hasta el ánodo corresponde. Por lo tanto, la relación entre la cantidad de hidrógeno perdido y la producida determina las pérdidas faradicas. En la operación presurizada del electrolizador, el cruce y las pérdidas de eficiencia faradaica correlacionadas aumentan.

Compresión de hidrógeno durante la electrólisis del aguaEditar

La evolución del hidrógeno debido a la electrólisis presurizada es comparable a un proceso de compresión isotérmica, que es en términos de eficiencia preferible en comparación con la compresión mecánica isotrópica. Sin embargo, las contribuciones de las pérdidas faradicas antes mencionadas aumentan con las presiones de funcionamiento. Por lo tanto, para producir hidrógeno comprimido, la compresión in situ durante la electrólisis y la posterior compresión del gas tienen que ser ponderadas bajo consideraciones de eficiencia.