Electrolizador para la producción de hidrógeno y oxígeno.
Electrolizador, Generador de hidrógeno
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Un electrolizador se utiliza para producir hidrógeno de alta pureza. Al aplicar una corriente eléctrica, el agua (H2O) se somete a una descomposición química (disociación) en hidrógeno (H2) y oxígeno (O2). Dado que solo se requieren recursos renovables para la producción, los electrolizadores representan una tecnología verde.
En la electrólisis del agua, se puede distinguir entre la electrólisis de membrana de intercambio de protones (PEM) y la electrólisis alcalina:
En el Proton-Exchange-Membran-Electrolyser (PEM), en español la membrana de intercambio protónico o membrana electrolítica polimérica es una tecnología para producir hidrógeno mediante la división del agua en un entorno ácido. Se diferencia de la electrólisis alcalina, donde la reacción tiene lugar en un medio básico. Una ventaja clave de la electrólisis PEM reside en la movilidad iónica más rápida de los iones hidrógeno (H+) en comparación con los iones hidróxido (OH-), lo que permite velocidades más altas. Además, la tecnología permite una alta pureza de hidrógeno de hasta 99,999% y se utiliza en numerosas áreas.
HER (Hydrogen evolution reaction, reacción de evolución de hidrógeno): | 4 H+ + 4 e- 2 H2 |
OER (Oxygen evolution reaction, reacción de evolución de oxígeno): | H2O 4 H+ + 4 e- + O2 |
La membrana de intercambio protónico es el corazón de esta tecnología de electrólisis. Está compuesta por un polímero sólido, lo que garantiza una resistencia a la corrosión y bajos requerimientos de mantenimiento. Los electrodos, que están en contacto directo con la membrana, suelen estar hechos de metales nobles como el platino en el ánodo e iridio u óxido de rutenio en el cátodo. Los colectores de corriente aseguran el contacto de los electrodos y conducen la corriente eléctrica. Una de las innovaciones tecnológicas reside en el diseño de la pila de electrólisis PEM. Esta se compone de varias capas, incluyendo electrodos, colectores de corriente y juntas, que aseguran la alta eficiencia de la producción de hidrógeno.
Nuestra empresa asociada, SHANDONG SAIKESAISI, utiliza para sus sistemas una membrana CCM (Catalyst-Coated-Membrane), que se fabrica mediante un proceso de prensado en caliente patentado. Esta membrana permite una producción de hidrógeno estable, eficiente y de larga duración. El diseño y los materiales de las celdas de electrólisis se han optimizado para garantizar altas densidades de corriente, bajas tensiones de electrólisis y una larga vida útil (hasta 15 años).
Nuestros electrolizadores PEM pueden entregarse en un sistema de contenedores personalizado, que ofrece una solución flexible, segura y eficiente para la producción de hidrógeno.
Los sistemas de electrólisis PEM son modulares y a menudo se instalan en contenedores para ofrecer una solución compacta y flexible. El contenedor está dividido en varias salas separadas para cumplir con los requisitos de seguridad y protección contra explosiones. Esta estructura consta de una sala de control eléctrico, una sala de electrólisis y una sala de enfriamiento. Cada sala está estrictamente separada para garantizar un funcionamiento seguro y eficiente.
En la electrólisis alcalina (AEL), los electrodos están hechos de metal y presentan una muy alta estabilidad a largo plazo. Por lo general, se utilizan ánodos estables dimensionalmente (DSA) de hierro o titanio. Sobre este electrodo eléctricamente conductor, se aplica una capa de catalizador porosa de gran superficie, llamada ECSA (Electrochemical active surface area). Esta puede estar compuesta, por ejemplo, de óxido de metal noble o de níquel Raney. Se utiliza un diafragma permeable como membrana. En los diseños anteriores, el modelo llamado "cell gap", los electrodos se fijaban a la membrana con un pequeño espacio para permitir la salida del gas producido. La distancia variaba entre unos pocos centímetros y unos pocos milímetros. En los electrolizadores AEL modernos, en cambio, se utiliza el diseño "zero gap". En este caso, los electrodos se colocan directamente sobre la membrana para reducir la resistencia eléctrica y permitir densidades de corriente más altas. El gas producido escapa a través de los poros de los electrodos en este diseño. También se necesita un electrolito líquido para este diseño. Con este método, se pueden obtener caudales de gas significativamente más altos que, por ejemplo, con la electrólisis PEM. Por lo tanto, un electrolizador alcalino se recomienda especialmente para instalaciones muy grandes.
La velocidad de la reacción depende principalmente de dos factores. Cuanto más alta sea la temperatura, más rápida será la reacción y menos tensión se necesitará. Por otro lado, las temperaturas demasiado altas son difíciles de manejar. Por lo tanto, nuestros sistemas funcionan a una temperatura de alrededor de 85°C. En segundo lugar, la velocidad está influenciada por el tipo de iones en el electrolito. El potasio presenta una movilidad iónica significativamente mejor que el sodio, por ejemplo. Al agregar potasa (KOH; solución de hidróxido de potasio), se crea un electrolito que conduce mucho mejor que el agua. Esto permite una rápida separación del gas en los electrodos. La disociación del hidrógeno tiene lugar así en un medio básico y puede describirse mediante la siguiente ecuación de reacción:
HER (Reacción de evolución de hidrógeno, HER en inglés): | 4 H2O + 4 e- 2 H2 + 4 OH- |
OER (Reacción de evolución de oxígeno, OER en inglés): | 4 OH- 2 H2O + 4 e- + O2 |
Los electrodos están separados por una membrana permeable (diafragma). Esta permite el transporte de iones hidróxido (OH-) pero impide el intercambio de los gases producidos, el oxígeno y el hidrógeno, tanto en forma disuelta como en forma de burbujas de gas. Para permitir la difusión de iones en solución acuosa, la membrana debe presentar propiedades hidrofílicas. Esto se consigue hoy en día mediante una combinación de plásticos orgánicos hidrofóbicos como el PTFE o el polisulfona como material de soporte y cerámicas hidrofílicas como el titanato de potasio o el óxido de zirconio. Estas membranas son químicamente y mecánicamente estables y permiten llenar los poros con electrolito. Aplicando una tensión continua, se produce oxígeno en el ánodo e hidrógeno en el cátodo.
La tecnología de producción de hidrógeno alcalino está madura y se caracteriza por bajos costos de producción. Actualmente, nuestros electrolizadores alcalinos permiten una producción de hidrógeno de 5 Nm³/h a 2000 Nm³/h. La presión de operación de un sistema de este tipo es ≤ 16 bar. Un funcionamiento a carga parcial de 30 a 100 % es posible. La membrana separadora no es perfecta. La proporción de gas que atraviesa la membrana depende solo de las concentraciones y no de las cantidades de gas producidas. Por lo tanto, una mezcla indeseada de los gases en el rango de carga parcial inferior tiene un efecto mayor que en el funcionamiento a plena carga.
Electrolizador alcalino (SinoHy) | |||
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Para todos los tipos de electrólizadores, una buena calidad del agua es indispensable. Según sus análisis de agua, podemos integrar opcionalmente un tratamiento de agua en nuestras instalaciones.
Después de la electrólisis alcalina o PEM, queda humedad residual en el gas de hidrógeno producido. El secado necesario ya está integrado en nuestras instalaciones. El oxígeno y la mayor parte del agua se devuelven al tanque de agua después de la electrólisis y se eliminan del sistema mediante una bomba de oxígeno. El hidrógeno entra en un separador de hidrógeno-agua para la separación inicial del hidrógeno y una pequeña cantidad de agua. Después de esta separación primaria, el hidrógeno bruto se introduce en la unidad de purificación integrada del sistema, que se encarga del secado y la purificación.
Este secado del gas se puede realizar enfriando el gas y utilizando un secador de adsorción a presión variable (PSA). Tal sistema consta de tres columnas llenas de tamices moleculares a base de silicato o óxido de aluminio, que absorben o regeneran la humedad en un ciclo de tres cilindros. El cambio de adsorción a regeneración se lleva a cabo mediante un cambio de temperatura o presión inducido. Gracias a este sistema, la pureza del hidrógeno bruto se eleva hasta el 99,999%. Además, se integran numerosos sensores como sensores de presión, fugas de hidrógeno y caudal de agua en todo el sistema, que monitorean continuamente los parámetros de funcionamiento y garantizan un funcionamiento sin problemas del generador.
La alta pureza del hidrógeno producido permite diversas aplicaciones:
La tecnología de electrólisis ofrece una base prometedora para la futura economía del hidrógeno, que es considerada por políticos y estrategas como una tecnología clave para un suministro de energía sostenible en el siglo XXI. El acceso al hidrógeno a partir de fuentes de energía renovables lo convierte en una fuente de energía prácticamente inagotable y respetuosa con el medio ambiente.
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