Un electrolizator este un dispozitiv electrochimic pentru a converti electricitatea și apa în hidrogen și oxigen, aceste gaze putând fi apoi folosite ca mijloc de stocare a energiei pentru utilizare ulterioară. Această utilizare poate varia de la stabilizarea rețelei electrice din surse electrice dinamice, cum ar fi turbinele eoliene și celulele solare, până la producția localizată de hidrogen ca și combustibil pentru vehiculele cu pile de combustie. Electrolizatorul PEM utilizează un electrolit polimeric solid (SPE) pentru a conduce protonii de la anod la catod, izolând în același timp electrozii din punct de vedere electric. În condiții standard, entalpia necesară pentru formarea apei este de 285,9 kJ/mol. O parte din energia necesară pentru o reacție de electroliză susținută este furnizată de energia termică, iar restul este furnizată prin energie electrică.

ReactionsEdit

Valoarea reală a tensiunii de circuit deschis a unui electrolizator în funcțiune se va situa între 1,23 V și 1,48 V, în funcție de modul în care designul celulei/stack utilizează intrările de energie termică. Totuși, acest lucru este destul de dificil de determinat sau măsurat, deoarece un electrolizator în funcțiune suferă și alte pierderi de tensiune din cauza rezistențelor electrice interne, a conductivității protonilor, a transportului de masă prin celulă și a utilizării catalizatorului, pentru a numi doar câteva.

Reacția anodicăEdit

Reacția de înjumătățire care are loc pe partea anodică a unui electrolizator PEM este denumită în mod obișnuit reacția de evoluție a oxigenului (OER). Aici, reactantul apă lichidă este furnizat catalizatorului unde apa furnizată este oxidată în oxigen, protoni și electroni.

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

Reacția catodicăEdit

Reacția de înjumătățire care are loc pe partea catodică a unui electrolizator PEM este denumită în mod obișnuit reacția de evoluție a hidrogenului (HER). Aici, electronii furnizați și protonii care au trecut prin membrană se combină pentru a crea hidrogen gazos.

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

Imaginea de mai jos prezintă o simplificare a modului de funcționare a electrolizei PEM, arătând reacțiile parțiale individuale împreună cu reacția completă a unui electrolizator PEM. În acest caz, electrolizatorul este cuplat cu un panou solar pentru producerea de hidrogen, însă panoul solar ar putea fi înlocuit cu orice sursă de energie electrică.

Schema celulei electrolizatorului PEM și principiile de bază ale funcționării.

A doua lege a termodinamiciiEdit

Conform celei de-a doua legi a termodinamicii, entalpia reacției este:

Δ H = Δ G ⏟ elec. + T Δ Δ S ⏟ căldură {\displaystyle \Delta H=\underbrace {\Delta G} {{\textrm {elec.}}+\underbrace {T\Delta S} {{\textrm {căldură}}}.

Unde Δ G {\displaystyle \Delta G}

este energia liberă Gibbs a reacției, T {\displaystyle T}

este temperatura reacției și Δ S {\displaystyle \Delta S}

este variația entropiei sistemului.

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

Reacția celulară globală cu aporturile de energie termodinamică devine atunci:

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

Intrările termice și electrice prezentate mai sus reprezintă cantitatea minimă de energie care poate fi furnizată de electricitate pentru a obține o reacție de electroliză. Presupunând că se furnizează reacției cantitatea maximă de energie termică (48,6 kJ/mol), tensiunea reversibilă a celulei V rev 0 {\displaystyle V_{\textrm {rev}}^{0}}

poate fi calculată.

Tensiunea în circuit deschis (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\ ori 96,485\ {\textrm {\textrm {\textrm {C/mol}}}}=1,23V}

unde n {\displaystyle n}

este numărul de electroni și F {\displaystyle F}

este constanta lui Faraday. Calculul tensiunii celulei presupunând că nu există ireversibilități și că toată energia termică este utilizată de reacție se numește valoarea termică inferioară (LHV). Formularea alternativă, care utilizează valoarea calorifică superioară (HHV), se calculează presupunând că toată energia necesară pentru a conduce reacția de electroliză este furnizată de componenta electrică a energiei necesare, ceea ce duce la o tensiune de celulă reversibilă mai mare. Atunci când se utilizează HHV, calculul tensiunii se numește tensiune termoneutră.

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\ ori 96,485\ {\textrm {\textrm {C/mol}}}}=1,48V}

Pierderi de tensiuneEdit

Performanțele pilelor de electroliză, ca și cele ale pilelor de combustie, sunt comparate de obicei prin trasarea curbelor de polarizare ale acestora, care se obțin prin trasarea tensiunii celulei în funcție de densitatea de curent. Sursele principale de creștere a tensiunii într-un electrolizator PEM (același lucru este valabil și pentru pilele de combustie PEM) pot fi clasificate în trei domenii principale: pierderi Ohmic, pierderi de activare și pierderi prin transport de masă. Datorită inversării funcționării între o celulă de combustie PEM și un electrolizator PEM, gradul de impact pentru aceste diverse pierderi este diferit între cele două procese.

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

Performanțele unui sistem de electroliză PEM sunt comparate de obicei prin reprezentarea grafică a suprapotențialului în funcție de densitatea de curent a celulelor. În esență, rezultă astfel o curbă care reprezintă puterea pe centimetru pătrat de suprafață a celulei necesară pentru a produce hidrogen și oxigen. Spre deosebire de celula de combustie PEM, cu cât electrolizatorul PEM este mai bun, cu atât tensiunea celulei este mai mică la o anumită densitate de curent. Figura de mai jos este rezultatul unei simulări efectuate de Forschungszentrum Jülich pentru un electrolizator PEM cu o singură celulă de 25 cm2 în condiții de funcționare termoneutră, care descrie sursele principale de pierdere de tensiune și contribuțiile acestora pentru o gamă de densități de curent.

Curba de polarizare care descrie diferitele pierderi atribuite funcționării celulei de electroliză PEM.

Pierderi OhmiceEdit

Pierderile Ohmice sunt un suprapotențial electric introdus în procesul de electroliză prin rezistența internă a componentelor celulei. Această pierdere necesită apoi o tensiune suplimentară pentru a menține reacția de electroliză, predicția acestei pierderi urmează legea lui Ohm și deține o relație liniară cu densitatea de curent a electrolizatorului în funcțiune.

V = I ⋅ R {\displaystyle V=I\cdot R}

Pierderea de energie datorată rezistenței electrice nu este pierdută în întregime. Căderea de tensiune datorată rezistivității este asociată cu conversia energiei electrice în energie termică printr-un proces cunoscut sub numele de încălzire Joule. O mare parte din această energie termică este antrenată odată cu rezerva de apă reactivă și se pierde în mediul înconjurător, însă o mică parte din această energie este apoi recapturată ca energie termică în procesul de electroliză. Cantitatea de energie termică care poate fi recapturată depinde de multe aspecte ale funcționării sistemului și de proiectarea celulei.

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

Pierderile Ohmice datorate conducției protonilor contribuie la pierderea de randament care, de asemenea, urmează legea lui Ohm, însă fără efectul de încălzire Joule. Conductivitatea protonică a PEM este foarte dependentă de hidratare, temperatură, tratament termic și starea ionică a membranei.

Pierderi faradaice și crossoverEdit

Pierderile faradaice descriu pierderile de randament care sunt corelate cu curentul, care este furnizat fără a conduce la hidrogen la ieșirea catodică a gazului. Hidrogenul și oxigenul produse pot pătrunde prin membrană, ceea ce se numește crossover. Rezultă amestecuri ale celor două gaze la electrozi. La catod, oxigenul poate reacționa catalitic cu hidrogenul pe suprafața de platină a catalizatorului catodic. La anod, hidrogenul și oxigenul nu reacționează la nivelul catalizatorului de oxid de iridiu. Astfel, pot apărea pericole de siguranță din cauza amestecurilor anodice explozive de hidrogen în oxigen. Energia furnizată pentru producerea hidrogenului este pierdută, atunci când hidrogenul se pierde din cauza reacției cu oxigenul la catod și permeabilitatea de la catod prin membrană către anod corespunde. Prin urmare, raportul dintre cantitatea de hidrogen pierdut și cea produsă determină pierderile faradice. La funcționarea presurizată a electrolizorului, pierderile de randament de crossover și pierderile de randament faradaic corelate cresc.

Comprimarea hidrogenului în timpul electrolizei apeiEdit

Evoluția hidrogenului datorată electrolizei presurizate este comparabilă cu un proces de comprimare izotermă, care este, din punct de vedere al randamentului, preferabil în comparație cu comprimarea izotropică mecanică. Cu toate acestea, contribuțiile pierderilor faradice menționate mai sus cresc odată cu presiunile de operare. Astfel, pentru a produce hidrogen comprimat, comprimarea in situ în timpul electrolizei și comprimarea ulterioară a gazului trebuie să fie luate în considerare din considerente de eficiență.

.