Três rotas técnicas para produção de hidrogênio a partir de água eletrolítica - eletrolisadores alcalinos, PEM e óxido sólido
Em princípio, a eletrólise da água para a produção de hidrogênio é um processo eletroquímico no qual as moléculas de água são dissociadas em hidrogênio e oxigênio no cátodo e no ânodo, respectivamente, sob a ação de uma corrente contínua. Dependendo do princípio da reação, existem três opções principais: eletrólise de água alcalina (ALK), eletrólise de água pura com membranas de troca de prótons (PEM) e eletrólise de água de óxido sólido (SOEC). A eletrólise aquosa alcalina (ALK) e a membrana de troca de prótons (PEM) para produção de hidrogênio foram lançadas comercialmente, enquanto a eletrólise de óxido sólido está em fase de desenvolvimento em laboratório.
Eletrólise alcalina (ALK): A eletrólise alcalina usa uma solução aquosa alcalina como KOH como eletrólito e um pano não tecido (flúor ou polímero de cloro de flúor) como o diafragma para eletrolisar a água para produzir hidrogênio e oxigênio sob corrente contínua. O rendimento do gás é proporcional à corrente e o consumo de eletricidade por unidade de rendimento do gás está relacionado à tensão da eletrólise e à temperatura da reação. A tensão teórica de decomposição da água é de 1,23V e o consumo teórico de energia é de 2,95kWh/m3, enquanto o consumo real de energia da eletrólise de água alcalina é de cerca de 5,5kWh/m3 e a eficiência de conversão do eletrolisador é de cerca de 60%.
O ALK está disponível comercialmente há quase 100 anos e a tecnologia é relativamente madura, com uma vida útil de 15 a 20 anos, e o custo é de apenas um quinto do custo de um eletrolisador PEM do mesmo tamanho.
Desvantagens: tamanho grande, baixa eficiência e resposta dinâmica lenta. 1) O tamanho de um eletrolisador alcalino é muito maior do que um eletrolisador PEM para a mesma escala de produção de hidrogênio por causa da taxa de reação lenta e baixa densidade de corrente devido ao uso de catalisadores de metais não preciosos. 2) A solução alcalina exige muita manutenção e, portanto, requer manutenção frequente. 3) O tempo de inicialização a frio de um eletrolisador ALK é de 1 a 2 horas devido ao consumo de energia necessário para aquecer o eletrólito. 4) a dinâmica do eletrolisador alcalino é lenta e não permite um bom acompanhamento da geração flutuante de energia renovável. Além disso, para garantir a pureza da produção de hidrogênio, o eletrolisador alcalino deve manter um nível de potência superior a 20% de sua potência nominal,
Membrana de troca de prótons (PEM) eletrolisadores: eletrólise PEM de água para produção de hidrogênio e fluxos de trabalho de célula de combustível PEM são processos inversos entre si. Os principais componentes de uma célula PEM típica incluem eletrodos de membrana (membrana de troca de prótons, camada catalítica, camada de difusão), placas bipolares, placas de resina epóxi e placas terminais. A camada catalítica é uma interface trifásica que consiste em um catalisador, um meio de transferência de elétrons e um meio de transferência de prótons, que é o núcleo da reação eletroquímica. A membrana de troca de prótons é usada como eletrólito sólido, geralmente uma membrana de ácido perfluorossulfônico, para isolar o cátodo da geração de gás, para evitar a transferência de elétrons e para transferir prótons.
Vantagens: alta eficiência, sem solução alcalina, tamanho pequeno, segurança e confiabilidade, boa resposta dinâmica, etc. O consumo de energia correspondente da tecnologia de eletrólise PEM é de aproximadamente 5,0kWh/m3 e a eficiência é de aproximadamente 70%. Em comparação com o ALK, os sistemas de eletrólise de água PEM não requerem desalcalinização. Ao mesmo tempo, as células de eletrólise PEM são mais compactas e dinâmicas, tornando-as ideais para uso em série com fontes de energia renováveis flutuantes.
Desvantagem: alto custo devido à necessidade de utilização de metais preciosos. Atualmente, apenas metais preciosos, como irídio e rutênio, podem ser usados como catalisadores. Reduzir o custo do material do catalisador e do eletrolisador, especialmente a carga de metais preciosos dos eletrocatalisadores de cátodo e ânodo, e melhorar a eficiência e a vida útil do eletrolisador, é uma prioridade de pesquisa fundamental para o desenvolvimento da eletrólise de água PEM para produção de hidrogênio .
Eletrolisador de óxido sólido (SOEC): operando em torno de 800°C, esta é uma tecnologia de eletrólise de água muito promissora em comparação com a eletrólise alcalina e a eletrólise PEM, que operam em torno de 80°C. Ainda está em fase de desenvolvimento laboratorial. O material do cátodo para SOEC de alta temperatura é geralmente cermet poroso de Ni/YSZ (zircônia dopada com ítrio) e o material do ânodo é principalmente óxido de calcogeneto, com a possibilidade de LSCF (lantânio, estrôncio, cobalto, ferro) no futuro. O eletrólito intermediário é um condutor de íons de oxigênio YSZ. Vapor de água misturado com uma pequena quantidade de hidrogênio entra pelo cátodo (o objetivo da mistura de hidrogênio é garantir uma atmosfera redutora no cátodo e evitar a oxidação do material do cátodo Ni), onde ocorre a reação de eletrólise para formar H2 e O2-, que passa pela camada de eletrólito para o ânodo, onde perde elétrons para formar O2. O SOEC também é a operação inversa do SOEF.
(1) Ao contrário da eletrólise de água alcalina e eletrólise de água PEM, a eletrólise de água de óxido sólido de alta temperatura usa óxido sólido como material eletrólito e funciona a 800-1000°C. O desempenho eletroquímico do processo de produção de hidrogênio é significativamente melhorado e a eficiência de utilização de energia é maior, atingindo ≥90%; (2) O eletrolisador pode usar catalisadores de metais não preciosos e é feito de todos os materiais cerâmicos, reduzindo o problema de corrosão do equipamento. O problema de corrosão do equipamento é reduzido.
Desvantagens: pouca durabilidade. O ambiente de alta temperatura e umidade limita a escolha de materiais para o eletrolisador que sejam estáveis, duradouros e resistentes à decomposição, limitando a escolha de cenários de aplicação para a tecnologia de produção de hidrogênio SOEC e seu uso generalizado.