Eletrólise de membrana eletrolítica de polímero
Um eletrolítico é um dispositivo eletroquímico para converter eletricidade e água em hidrogênio e oxigênio, estes gases podem então ser utilizados como um meio de armazenar energia para uso posterior. Este uso pode variar desde a estabilização da rede elétrica a partir de fontes elétricas dinâmicas, como turbinas eólicas e células solares, até a produção localizada de hidrogênio como combustível para veículos a célula de combustível. O eletrolítico PEM utiliza um eletrólito de polímero sólido (SPE) para conduzir os prótons do ânodo ao cátodo, isolando eletricamente os eletrodos. Sob condições padrão a entalpia necessária para a formação de água é de 285,9 kJ/mol. Uma parte da energia necessária para uma reação de eletrólise sustentada é fornecida por energia térmica e o restante é fornecido por energia elétrica.
ReaçõesEditar
O valor real para a tensão de circuito aberto de um eletrolítico em operação estará entre 1,23 V e 1,48 V, dependendo de como a célula/etack design utiliza as entradas de energia térmica. Isto é, no entanto, bastante difícil de determinar ou medir porque um eletrolyzer em operação também sofre outras perdas de tensão devido a resistências elétricas internas, condutividade de prótons, transporte de massa através da célula e utilização do catalisador, para citar alguns.
Reação anódicaEditar
A meia reação que ocorre no lado anódico de um eletrolyzer PEM é comumente chamada de Reação de Evolução do Oxigênio (OER). Aqui o reagente líquido de água é fornecido ao catalisador onde a água fornecida é oxidada ao oxigénio, prótons e electrões.
2 H 2 O ( l ) ⟶ O 2 ( g ) + 4 H + ( aq ) + 4 e – {\displaystyle {\ce {\\i} {2 H2O (l) -> O2 (g) + 4H+ (aq) + 4 e^-}}}
Reacção catódicaEditar
A meia reacção que ocorre no lado catódico de um electrolítico PEM é normalmente referida como a Reacção de Evolução do Hidrogénio (HER). Aqui os elétrons fornecidos e os prótons que foram conduzidos através da membrana são combinados para criar hidrogênio gasoso.
4 H + ( aq ) + 4 e – ⟶ 2 H 2 ( g ) {\displaystyle {\ce {\\c {4H+ (aq) + 4 e^- -> 2H2 (g)}}}
A ilustração abaixo mostra uma simplificação de como a eletrólise de PEM funciona, mostrando as semi-reações individuais juntamente com a reação completa de um eletrólise de PEM. Neste caso o eletrolízer é acoplado a um painel solar para a produção de hidrogênio, porém o painel solar poderia ser substituído por qualquer fonte de eletricidade.
Segunda lei da termodinâmicaEditar
Como pela segunda lei da termodinâmica a entalpia da reação é:
Δ H = Δ G ⏟ elec. + T Δ S ⏟ calor {\displaystyle {\delta H===subbrace {\delta G} “TEXTRM” + “Elec.+” sob o título “Delta S “Textrm”…
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Onde Δ G {\Delta G}
é a energia livre de Gibbs da reacção, T {\displaystyle T}
é a temperatura da reação e Δ S {\i1}displaystyle Delta S
é a alteração da entropia do sistema.
H 2 O ( l ) + Δ H ⟶ H 2 + 1 2 O 2 {\\i1}displaystyle {\i}{\i1}ce {\i1}(l) + {\i1}Delta H -> H2 + 1/2 O2}}}
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A reacção global da célula com entradas de energia termodinâmica torna-se então:
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H 2 O ( l ) → + 48.6 kJ / mol ⏟ calor + 237,2 kJ / mol ⏞ electricidade H 2 + 1 2 O 2 {\\\i1}ce {H2O(l)->{H2}+1/2O2}}}
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As entradas térmicas e elétricas mostradas acima representam a quantidade mínima de energia que pode ser fornecida pela eletricidade a fim de obter uma reação de eletrólise.
pode ser calculado.
Tensão de circuito aberto (OCV)Editar
V rev 0 = Δ G 0 n ⋅ F = 237 kJ/mol 2 × 96 , 485 C/mol = 1.
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where n {\i}displaystyle n}
é o número de electrões e F {\i1}displaystyle F
é a constante de Faraday. O cálculo da tensão da célula assumindo que não existem irreversibilidades e toda a energia térmica é utilizada pela reacção é referida como o valor de aquecimento inferior (LHV). A formulação alternativa, utilizando o maior valor de aquecimento (HHV) é calculada assumindo que toda a energia para impulsionar a reação de eletrólise é fornecida pelo componente elétrico da energia requerida, o que resulta em uma maior tensão reversível da célula. Ao utilizar a HHV, o cálculo da tensão é referido como tensão neutra do termoneutro.
V th 0 = Δ H 0 n ⋅ F = 285,9 kJ/mol 2 × 96 , 485 C/mol = 1.48 V {\i1}{\i0}={\i1}{\i1}{\i1}displaystyle V_textrm {\i}^{\i}={\i1}frac {\i}{\i1}delta H^{\i}{\i}{\i}{\i1}frac {\i}{\i}{\i}{\i1}{\i1}frac {\i}{\i1}{\i1}frac {\i}}{\i1}{\i1}frac {\i}{\i}{\i1}{\i1}{\i1}frac {\i}{\i}{\i1}{\i1}{\i1}frac 48V
Perdas de tensãoEditar
O desempenho das células de eletrólise, como as células a combustível, são tipicamente comparadas traçando suas curvas de polarização, que é obtida traçando a tensão da célula contra a densidade da corrente. As fontes primárias de aumento de tensão em um eletrolízer PEM (o mesmo também se aplica às células combustíveis PEM) podem ser categorizadas em três áreas principais, perdas óhmicas, perdas de ativação e perdas de transporte de massa. Devido à inversão de operação entre uma célula de combustível PEM e um eletrolízer PEM, o grau de impacto para essas várias perdas é diferente entre os dois processos.
V cell = E + V act + V trans + V ohm {\displaystyle V_{\textrm {\cell}}=E+V_{\textrm {\act}}+V_{\textrm {\trm {\trans}}+V_{\textrm {\ohm}}}
O desempenho de um sistema de eletrólise PEM é tipicamente comparado através da plotagem do sobrepotencial versus a densidade da corrente celular. Isto resulta essencialmente numa curva que representa a potência por centímetro quadrado de área celular necessária para produzir hidrogénio e oxigénio. Ao contrário da célula de combustível PEM, quanto melhor o eletrolítico PEM, menor a voltagem da célula a uma determinada densidade de corrente. A figura abaixo é o resultado de uma simulação do Forschungszentrum Jülich de um eletrolízer PEM de 25 cm2 de uma célula sob operação termoneutra, retratando as fontes primárias de perda de tensão e suas contribuições para uma faixa de densidades de corrente.
Perdas óhmicasEditar
Perdas óhmicas são um superpotencial elétrico introduzido ao processo de eletrólise pela resistência interna dos componentes da célula. Esta perda requer então uma tensão adicional para manter a reação de eletrólise, a previsão desta perda segue a lei de Ohm e mantém uma relação linear com a densidade de corrente do eletrolízer em operação.
V = I ⋅ R {\displaystyle V=I\cdot R}
A perda de energia devido à resistência eléctrica não é totalmente perdida. A queda de tensão devido à resistividade está associada à conversão da energia elétrica em energia térmica através de um processo conhecido como aquecimento Joule. Grande parte desta energia térmica é transportada com o fornecimento de água reagente e perdida para o ambiente, no entanto, uma pequena parte desta energia é então recuperada como energia térmica no processo de electrólise. A quantidade de energia térmica que pode ser recapturada depende de muitos aspectos do funcionamento do sistema e do design da célula.
Q ∝ I 2 ⋅ R {\displaystyle Q\propto I^{2}{\cdot R}
As perdas óhmicas devidas à condução de prótons contribuem para a perda de eficiência que também segue a lei de Ohm, porém sem o efeito de aquecimento Joule. A condutividade dos prótons do PEM é muito dependente da hidratação, temperatura, tratamento térmico e estado iônico da membrana.
Perdas Faradaic e crossoverEdit
Perdas Faradaic descrevem as perdas de eficiência que estão correlacionadas com a corrente, que é fornecida sem levar ao hidrogênio na saída do gás catódico. O hidrogênio e o oxigênio produzidos podem permear através da membrana, denominado de crossover. Misturas de ambos os gases nos eletrodos resultam. No cátodo, o oxigênio pode ser reagido catalíticamente com hidrogênio na superfície da platina do catalisador catódico. No ânodo, hidrogênio e oxigênio não reagem no catalisador de óxido de irídio. Assim, podem resultar riscos de segurança devido a misturas anódicas explosivas de hidrogênio em oxigênio. A energia fornecida para a produção de hidrogênio é perdida, quando o hidrogênio é perdido devido à reação com o oxigênio no cátodo e a permeação do cátodo através da membrana até o ânodo corresponde. Assim, a razão da quantidade de hidrogênio perdido e produzido determina as perdas faradaicas. Na operação pressurizada do eletrólise, o crossover e as perdas de eficiência faradaica correlacionadas aumentam.
Compressão do hidrogênio durante a eletrólise da águaEditar
A evolução do hidrogênio devido à eletrólise pressurizada é comparável a um processo de compressão isotérmica, que é em termos de eficiência preferível em comparação com a compressão isotrópica mecânica. Entretanto, as contribuições das perdas faradaicas acima mencionadas aumentam com as pressões operacionais. Assim, para produzir hidrogênio comprimido, a compressão in-situ durante a eletrólise e posterior compressão do gás tem que ser ponderada sob considerações de eficiência.