La celda de hidrógeno es un dispositivo utilizado para producir hidrógeno mediante la electrólisis del agua. Dependiendo del electrolito, las celdas electrolíticas se pueden dividir en varios tipos principales, incluidas las celdas electrolíticas alcalinas, las celdas electrolíticas de membrana de intercambio de protones (PEM) y las celdas electrolíticas de óxido sólido (SOEC). A continuación se detalla una descripción detallada de los principales tipos:
1. Electrolizador alcalino
principio de funcionamiento
Electrólito:Por lo general, se utiliza como electrolito una solución de hidróxido de potasio (KOH) o hidróxido de sodio (NaOH).
Reacción del ánodo:En el ánodo, las moléculas de agua se oxidan en oxígeno, protones y electrones: 4OH−→2H2O+O2+4e−
Reacción catódica:En el cátodo, las moléculas de agua reaccionan con los electrones para formar iones de hidrógeno e hidróxido: 2H2O+2e−→H2+2OH−
Ventajas
Tecnología madura:La tecnología madura, ampliamente utilizada, tiene muchos años de experiencia en aplicaciones industriales.
Bajo costo:Los costos de equipo y mantenimiento son relativamente bajos.
2. Electrolizador de membrana de intercambio de protones (PEM)
Principio de funcionamiento
Electrólito:Utilice una membrana de intercambio de protones (como Nafion) como electrolito.
Reacción del ánodo:En el ánodo, las moléculas de agua se oxidan en oxígeno, protones y electrones: 2H2O→O2+4H++4e−
Reacción catódica:En el cátodo, los protones atraviesan la membrana y se combinan con los electrones para formar gas hidrógeno: 4H++4e−→2H2
Ventajas
Alta eficiencia:Mayor eficiencia que el electrolizador alcalino.
Respuesta rapida:Puede iniciarse y detenerse rápidamente, adecuado para combinación con energía renovable intermitente.
Diseño compacto:El dispositivo es más compacto para aplicaciones pequeñas y distribuidas.
Desventajas
Alto costo:Alto costo de membranas y catalizadores (generalmente Platino o Iridio).
Requisitos de alta calidad del agua:Se requiere agua de alta pureza para evitar la contaminación de las membranas.
3. Electrolizador de óxido sólido (SOEC)
Principio de funcionamiento
Electrólito:Utilice óxidos sólidos (p. ej. circonio estabilizado con óxido de itrio, YSZ) como electrolitos.
Reacción del ánodo:En el ánodo, los iones de oxígeno se oxidan para formar oxígeno y electrones: O2−→O2+4e−
Reacción catódica:En el cátodo, las moléculas de agua reaccionan con los electrones para formar iones de hidrógeno y oxígeno: 2H2O+4e−→2H2+2O2−
Ventajas
Alta eficiencia:Máxima eficiencia teórica, especialmente a altas temperaturas (normalmente 700-1000 grados).
Reversibilidad:Puede cambiar entre los modos de electrólisis y pila de combustible para almacenamiento de energía.
Desventajas
Operación a alta temperatura:Se requiere un funcionamiento a alta temperatura, con altos requisitos de diseño de materiales y sistemas.
La tecnología no está madura:Todavía se encuentra en la etapa de investigación, desarrollo y demostración, y aún no se ha comercializado a gran escala.
Campo de aplicación
1.Producción industrial de hidrógeno: se utiliza ampliamente en la demanda de hidrógeno de las industrias química, de refinación de petróleo, de fertilizantes y otras.
2.Almacenamiento de energía: convertir fuentes de energía renovables (como la solar y la eólica) en almacenamiento de hidrógeno para equilibrar las cargas de la red.
3.Transporte: Infraestructuras de suministro de hidrógeno para vehículos de pila de combustible (FCEV).
visión de futuro
Con el progreso tecnológico y la reducción de costos, la tecnología de producción de hidrógeno desempeñará un papel cada vez más importante en la promoción del desarrollo de energías limpias y la reducción de las emisiones de carbono. Investigadores y empresas trabajan para mejorar la eficiencia de los electrolizadores, reducir costes y desarrollar materiales más duraderos y eficientes para impulsar el desarrollo de este campo.
