Los electrolizadores de agua generalmente se clasifican según la temperatura: alta temperatura y baja temperatura; y a su vez los electrolizadores de baja temperatura se clasifican según el pH del medio de operación: electrolizadores alcalinos (EA) y electrolizadores ácidos de membrana de intercambio de protones (PEM). A nivel comercial, ya se pueden encontrar electrolizadores PEM y EA, siendo este último el más ampliamente utilizado por la industria debido a sus capacidades de producción. De hecho, los EA comerciales son capaces de generar hasta 750 Nm³/h de Hidrógeno, mientras que los electrolizadores comerciales PEM pueden generar hasta 30 Nm³/h de H2.
La implementación de ambos electrolizadores a gran escala comercial e industrial requiere de mejoras científicas y tecnológicas que permitan aumentar las densidades de potencia de los stacks, simplificar la complejidad del sistema, mejorar la estabilidad de sus componentes a largo plazo debido, y disminuir el alto costo asociado al coste de los catalizadores (normalmente de materiales críticos o escasos) y de las membranas.
Desafíos científicos y tecnológicos de los electrolizadores convencionales
Los electrolizadores alcalinos por sus mayores prestaciones, su mayor durabilidad y su mejor relación productividad precio, son actualmente más atractivos para aplicaciones industriales. Sin embargo, uno de los principales problemas de los electrolizadores alcalinos es su gran tamaño, pero, avances recientes, han logrado disminuir su volumen total asumiendo una configuración de “zero-gap (cuando el espacio entre membrana y electrodos es cero)”.
No obstante, esta configuración no viene libre de retos ya que tiene problemas de conductividad y problemas asociados a la acumulación de burbujas del Hidrógeno y Oxígeno formado en la superficie del electrodo. Como resultado de estos inconvenientes técnicos, la densidad de potencia de los electrolizadores alcalinos se ve afectada.
La eficiencia de los electrolizadores convencionales actuales, y por tanto la velocidad de producción de H2, también se encuentra condicionada por la velocidad de formación de oxígeno, que es una reacción compleja, lenta y la causante de la degradación de los catalizadores a largo plazo.
Además, uno de los retos más relevantes en ambos electrolizadores, tanto los EA como de los PEM, es la difusión de gases a través de las membranas. Dicha difusión de los gases, si no es controlada, puede resultar en mezclas explosivas de H2 y O2. Y aunque el diseño de las membranas ha avanzado significativamente en los últimos años aumentando su conductividad iónica y disminuyendo su permeabilidad de gases, las membranas actuales no son completamente impermeables a los gases y, en particular, a la permeación del hidrógeno. Esto supone un reto para la seguridad del sistema, y por esta razón, las presiones de H2 y O2 generadas deben ser controladas muy cuidadosamente para evitar que permeen entre los compartimientos anódicos y catódicos.
Mantener los gases separados en ambos compartimientos, no es trivial. Cuando un electrolizador se encuentra conectado a fuentes renovables de energía como la eólica o la solar, la potencia de entrada es variable y, por lo tanto, la velocidad de generación, y las presiones del H2 y O2 también son variables. Asimismo, cuando las densidades de corriente son bajas, la producción de H2 también es lenta y muy similar a la velocidad de permeación del gas a través de la membrana. Por ejemplo, un electrolizador conectado a placas solares con una eficiencia de 10% de transformación de energía sol-combustible y bajo la exposición solar de 100 mW cm–2 operaría a una densidad de corriente, de 10 mA cm–2, que es considerado un buen punto de referencia. Sin embargo, en estas densidades de corriente, la permeación de hidrógeno puede ser potencialmente peligrosa ya que el límite potencial de explosión en mezclas de hidrógeno y oxígeno son de tan solo el 4%.
Soluciones novedosas a los problemas convencionales: Electrolizadores desacoplados.
Una tecnología rápida y económica que nos permite solucionar estos problemas son las celdas desacopladas. En los electrolizadores desacoplados, la evolución de H2 ocurre simultáneamente con la oxidación de un mediador intermediario, que posteriormente se reducirá con la formación de oxígeno (Figura 1). Por tanto, en los electrolizadores desacoplados la formación de H2 y O2 están separadas en tiempo y espacio, evitando así la mezcla de gases cuando el dispositivo está conectado a fuentes de energía renovables.
Además, ya que la producción de H2 y O2 no ocurre simultáneamente, tampoco existe la necesidad de pasos adicionales, generalmente costosos, para la purificación de H2.