Funtsezko ideia sinplea da: errendimendu-galera ia inoiz ez da hutsegite bakar baten ondorioa. Aldaketa txiki, elkarreragile eta metakorren emaitza da —kimikoak, mekanikoak eta garraioarekin lotutakoak—, eta denborarekin tentsioa handitu, eraginkortasuna murriztu, gasaren purutasuna kaltetu eta mantentzea saihestezina bihurtzen dute. Horregatik, monitorizazioa ez da luxu akademiko bat: zein mekanismo nagusitzen den, non gertatzen den eta nola gelditu ulertzeko biderik zuzenena da.

Horregatik, hidrogenoaren I+Gn galdera indartsuena ez litzateke izan behar “zenbateraino igo dezakegu korronte-dentsitatea?”, baizik eta: “zer gertatzen da 1.000… 10.000… 30.000 orduren ondoren, eta nola jakin dezakegu garaiz zerbait egiteko?”

Elektrolisi alkalinoa eta anioi-trukeko elektrolisia: kostuaren promesa, iraunkortasunaren erronkarekin

CIC energiGUNEn arreta berezia jartzen dugu uraren elektrolisi alkalinoan (AWE) eta anioi-trukeko mintz bidezko elektrolisian (AEMEL), plataforma horiek kostu-ibilbide erakargarria eskaintzen dutelako: katalizatzaile ez-preziatuak, lehengai kritikoekiko mendekotasun txikiagoa eta pila-arkitektura sinpleagoak.

Baina kostu-abantaila benetakoa izango da soilik iraunkortasunak laguntzen badu.

AEM elektrolisiak erdi-bide interesgarri batean kokatzen da: PEM motako MEAen trinkotasuna eta presio diferentzialeko funtzionamendua konbinatu nahi ditu kimika alkalinoaren malgutasun katalitikoarekin. Erronka da AEM sistemek konplexutasun handia pilatzen dutela geruza katalitikoan eta ionomeroan. Ionomeroak katalizatzaile-partikulak lotu, OH⁻ eroankortasun-bideak eman eta baldintza alkalino eta oxidatzaile gogorrak jasan behar ditu, batez ere anodoan. Literaturak gero eta argiago adierazten du geruza katalitikoko ionomeroa bera izan daitekeela osagai mugatzailea, ez bakarrik mintza.

Elektrolisi alkalino klasikoan, berriz, bereizgailua edo diafragma eta ingurune bifasikoa dira erabakigarriak. Teknologia heldutzat jotzen bada ere, AWE modernoa zero-gap eta narrow-gap diseinuetara, korronte-dentsitate handiagoetara eta bereizgailu meheagoetara eboluzionatzen ari da; horrek gasaren erauzketa kontrolatuan, crossover-aren kudeaketan eta sendotasun mekanikoan eskakizunak handitzen ditu.

Zer degradatzen da benetan? Hiru hutsegite-familia nagusi

1. Ioi-eroale den hesiak (mintza, diafragma, bereizgailua)

Osagai honen eginkizuna da ioiak igarotzea ahalbidetzea, gasak bereizita mantenduz. Praktikan, presio-gradienteak, tenperatura-aldaketak, eraso kimikoa, puztu/uzkurtze zikloak eta ezpurutasunen esposizioa ere jasan behar ditu.

Sistema alkalinoetan eta AEMetan konpromiso bat agertzen da maiz:

• Meheagoa = galera ohmiko txikiagoak, baina akatsen, fluage mekanikoaren eta crossover-arriskuaren aurrean zaurgarriagoa.
• Poro txikiagoak / tortuositate handiagoa = crossover txikiagoa, baina erresistentzia handiagoa eta bustitze/burbuila kudeaketarekiko sentikortasun handiagoa.

Bereizgailuaren ingeniaritza ez da pasiboa: diseinu-palanka nagusia eta hutsegiteen jatorri ohikoa da.

2. Geruza katalitikoa eta haren interfazeak

AEM elektrolisian, iraunkortasuna askotan geruza katalitikoaren barruan erabakitzen da: katalizatzailea, ionomeroa, poro-egitura eta garraio-geruzak. Katalizatzailea egonkorra bada ere, sistema degradatu daiteke ionomeroak eroankortasuna galtzen badu, katalizatzaile-azaletik askatzen bada edo estres oxidatzailearen ondorioz kimikoki zatitzen bada.

PEMen kasuan, istorioa desberdina baina irakasgarria da: iridioan oinarritutako anodoek erreferentzia izaten jarraitzen dute, baina operando ikerketek erakusten dute katalizatzaileak berrantolatzen direla oxigenoaren eboluzioan (OER), potentzial eta korrontearekin eboluzionatzen duten oxido desordenatu aktiboak eratuz. Horrek printzipio unibertsal bat gogorarazten digu: egoera aktiboa ez da beti fabrikatutako hasierako egoera, eta degradazioa askotan “aktibazio normal” gisa hasten da, pixkanaka desbideratzen dena.

3. Garraio bifasikoa (burbuilak ez dira eragozpen hutsa; degradazio-eragilea dira)

Gasaren eboluzioak burbuilak sortzen ditu nonahi: elektrodo porotsuetan, azal katalitikoetan, kanaletan eta tarte estuetan. Burbuilak ondo kudeatuz gero, eraginkortasuna hobetzen da; gaizki kudeatuz gero, lehortze lokala, uholdeak, korronte-hotspotak eta zahartze desorekatuak sortzen dira.

Ikerketa askoren ondorioa argia da: burbuilen fisika bizi-iraupenaren fisika da. Fluxu bifasikoak erresistentzia lokalak, kontzentrazio lokalak eta tentsio mekaniko lokalak zehazten ditu, eta baldintza horiek erabakitzen dute zein osagaik huts egingo duen lehenik.

Zergatik aldatzen du monitorizazioak jokoa: post-mortem analisitik prebentziora

Iraunkortasunari buruzko lan tradizionalek askotan gidoi bera jarraitzen dute: ehunka orduz funtzionatu, tentsio-igoera ikusi, zelula desmuntatu eta arrazoia asmatzen saiatu. Arazoa da degradazio-bide askok arrasto elektriko oso antzekoak uzten dituztela.

Horregatik, gaur egungo ikerketa multimodal, operando eta ekintzara bideratutako monitorizaziorantz mugitzen ari da, honako hauek konbinatuz:

• Tresna elektrokimikoak (polarizazio-kurben analisia, EIS, estres-proba azeleratuak).
• Materialen analisia (mikroskopia elektronikoa, in situ eta operando espektroskopiak).
• Irudi eta teknika espazialki ebaztuak (X izpiak / neutroiak gas eta uraren banaketa mapatzeko).

Ikuspegi hauek bereziki garrantzitsuak dira AEM eta sistema alkalinoetan, errendimendua askotan garraioak eta interfazeek baldintzatzen dutelako, ez bakarrik katalizatzailearen jarduera intrinsikoak.

Ondorioa

Elektrolizatzaileak eta erregai-pilak azpiegitura bihurtzea nahi badugu, iraunkortasuna diseinu-parametro gisa tratatu behar dugu, ez ondorengo arazo gisa. Horretarako, degradazioa gertatzen den bitartean behatu, funtzionamendu-baldintza lokalekin lotu eta ezagutza hori material eta arkitektura adimentsuagoetara bihurtu behar dugu, bereziki sistema alkalino eta AEMetan.

CIC energiGUNEn, MEAen degradazioa gertatzen den unean bertan monitorizatzeko eta materialen mailan azaltzeko tresna aurreratuen multzo osagarri bat eskaintzen dugu. In situ/operando diagnostiko elektrokimikoa analisi kimiko eta egiturazko aurreratuarekin konbinatzen dugu, XPS, HRTEM eta X izpien tomografia barne.

Bereizgarri indartsu bat gure masa-espektrometria elektrokimikoaren (ECMS/DEMS) plataforma da, funtzionamenduan zehar sortutako gas-produktuak eta espezie parasitarioak denbora errealean detektatu eta kuantifikatzeko aukera ematen duena. Masa-espektrometriari zuzenean lotutako zelula elektrokimikoen bidez, gas-eboluzioan, crossover fenomenoetan eta degradazio-azpiproduktuetan gertatzen diren aldaketa sotilak identifika ditzakegu, tentsioaren deriban soilik agertu aurretik.

Teknika horien konbinazioari esker, gailu-mailako deriba MEAko osagai zehatzen eboluzioarekin lotu dezakegu, eta iraunkortasun-behaketak diseinu eta balidazio erabaki zehatzetan bihurtu.