Ur-elektrolizatzaileak, oro har, tenperaturaren arabera sailkatzen dira: tenperatura altua eta tenperatura baxua; eta, aldi berean, tenperatura baxuko elektrolizatzaileak operazio-inguruneko pH-aren arabera sailkatzen dira: elektrolizatzaile alkalinoak (EA) eta protoiak trukatzeko mintzen elektrolizatzaile azidoak (PEM). Merkataritzari dagokionez, dagoeneko PEM eta EA elektrolizatzaileak aurki daitezke, eta azken hori da industriak gehien erabiltzen duena bere ekoizpen-gaitasunengatik. Izan ere, EA komertzialak 750 Nm³/h hidrogeno sortzeko gai dira; PEM elektrolizatzaile komertzialek, berriz, 30 Nm³/h H2 sor dezakete.

Bi elektrolizagailuak eskala komertzial eta industrial handian ezartzeko, hobekuntza zientifiko eta teknologikoak egin behar dira, stack-en potentzia-dentsitateak handitzeko, sistemaren konplexutasuna sinplifikatzeko, osagaien egonkortasuna hobetzeko epe luzera, eta katalizatzaileen (normalean material kritiko edo urrien) eta mintzen kostuari lotutako kostu handia murrizteko.

Elektrolizatzaile konbentzionalen erronka zientifikoak eta teknologikoak

Gaur egun, elektrolizatzaile alkalinoak erakargarriagoak dira aplikazio industrialetarako, prestazio handiagoak dituztelako, iraunkortasun handiagoa dutelako eta produktibitate-prezio erlazio hobea dutelako. Hala eta guztiz ere, elektrolizatzaile alkalinoen arazo nagusietako bat tamaina handia da, baina, azken aldiko aurrerapenek bolumen osoa murriztea lortu dute; horretarako, «Zero-gap» konfigurazioa onartu dute (mintza eta elektrodoen arteko espazioa zero denean).

Hala ere, konfigurazio horrek ez du erronkarik, eroankortasun-arazoak eta elektrodoaren gainazalean sortutako hidrogenoaren eta oxigenoaren burbuilen metaketari lotutako arazoak baititu. Eragozpen tekniko horien ondorioz, elektrolizatzaile alkalinoen potentzia-dentsitateak eragina du.

Gaur egungo elektrolizatzaile konbentzionalen eraginkortasuna, eta, beraz, H2ren ekoizpen-abiadura, oxigenoa sortzeko abiadurak ere baldintzatzen du, erreakzio konplexua baita, motela eta epe luzerako katalizatzaileen degradazioaren eragilea.

Gainera, bi elektrolizagailuen erronka garrantzitsuenetako bat, bai EA-etan bai PEMetan, gasak mintzen bidez zabaltzea da. Gasen hedapen horrek, kontrolatzen ez bada, H2 eta O2 nahaste leherkorrak eragin ditzake, eta nahiz eta mintzen diseinuak nabarmen egin duen aurrera azken urteetan eroankortasun ionikoa handituz eta gasen iragazkortasuna murriztuz, egungo mintzak ez dira erabat iragazgaitzak gasekiko eta, bereziki, hidrogenoaren iragazkortasunarekiko. Hori erronka bat da sistemaren segurtasunerako, eta, horregatik, sortutako H2 eta O2 presioak kontu handiz kontrolatu behar dira, konpartimentu anodikoen eta katodikoen artean ez trukatzeko.

Gasak bi konpartimentuetan bereizita mantentzea ez da hutsala. Elektrolizagailu bat energia-iturri berriztagarrietara konektatuta dagoenean, hala nola eolikora edo eguzki-energiara, sarrera-potentzia aldakorra da, eta, beraz, sortze-abiadura eta H2 eta O2 presioak ere aldakorrak dira. Era berean, korronte-dentsitateak baxuak direnean, H2ren ekoizpena ere motela da, eta mintzaren bidez gasak duen iragazketa-abiaduraren oso antzekoa. Adibidez, eguzki-energia % 10eko eraginkortasuna duen eguzki-plakekin konektatutako elektrolizatzaile batek, 100 mW cm – 2ko eguzki-esposizioaren pean, 10 mA cm – 2ko korronte-dentsitatearekin lan egingo luke, erreferentzia-puntu egokitzat jotzen dena. Hala ere, korronte-dentsitate horietan, hidrogenoaren iragazketa arriskutsua izan daiteke, hidrogenoaren eta oxigenoaren nahasketen leherketa-muga potentziala % 4koa baino ez baita.

Arazo konbentzionaletarako soluzio berriak: elektrolizatzaile desakoplatuak

Teknologia azkar eta ekonomiko batek arazo horiek konpontzea ahalbidetzen digu: gelaxka bananduak. Elektrolizatzaile desakoplatuetan, H2ren bilakaera bitartekari baten oxidazioarekin batera gertatzen da, eta, ondoren, oxidazio hori murriztu egingo da oxigenoaren sorrerarekin (1. irudia). Beraz, elektrolizatzaile desakoplatuetan, H2 eta O2 formazioa denboran eta espazioan bereizita daude, eta, horrela, gasen nahasketa saihesten da gailua energia-iturri berriztagarrietara konektatuta dagoenean.

Gainera, H2 eta O2 ekoiztea aldi berean gertatzen ez denez, ez dago beste pasabide gehigarririk behar, normalean garestiak, H2 garbitzeko.

1.irudia: ur-elektrolizatzaile konbentzional sinplifikatu baten (A) eta ingurune likidoan desakoplatutako ur-elektrolizatzaile baten (B) diagrama adierazgarriak. B irudian, eskuinaldean, O₂ren bilakaera erredox bitartekariaren murrizketari lotuta dago (M^Oxi+2e^-+2H⁺-> M^Red), eta ezkerrean, H₂ren bilakaera erredox bitartekariaren oxidazioari lotuta dago (M^Red -> M^Oxi+2e^-+2H⁺).

H₂ren ekoizpenaren eraginkortasunak ere hobera egiten du gelaxka desakoplatuetan; izan ere, hidrogenoa ekoizteko abiadura erredox bitartekariaren oxidazio-abiaduraren mende dago soilik (normalean azkarra), eta oxigenoa sortzeko abiaduraren mende dago. Egia da redox bitartekariaren hautaketak ezin hobea izan behar duela eta bere oxidazio-abiadura H₂ sortzeko abiadurarekin konpara daitekeela nahi den ingurune elektrolitikoan, dela azidoan, dela alkalinoan.

Horrez gain, H₂ eta O₂ren ekoizpena denboran eta espazioan akoplatuta ez dagoenez, O₂ren eboluzioaren ordez enpresaren beharretara egokitutako beste espezie batzuk oxidatu daitezke, hala nola H₂O₂ (ur oxigenatua), Cl₂ (kloroa) edo enpresako hondakin organikoen oxidazioa. Horrek esan nahi du sistemaren moldagarritasun handiagoa eta H₂ ekoizteko kostuak murriztea.

Irtenbide bat, hautagai posible asko: redox bitartekari motak.

Gelaxka desakoplatuetarako redox bitartekariez hitz egiten denean, horiek ingurune jariakorreko redox bitartekarietan taldekatu ahal izango dira, dela urtsuetan, dela organikoetan, eta erredox bitartekari solidoetan. Bere egoera fisikoa, jariakorra edo solidoa alde batera utzita, bitartekari horren bi eskakizun nagusiak hauek izan behar dira: I) bitartekaria egonkorra izatea forma oxidatuan edo murriztuan, eta ii) oxidazio- eta erredukzio-potentzialak hidrogenoaren eta oxigenoaren eboluzio-potentzialaren leihoaren barruan egotea.

Ingurune likidoko redox bitartekarien bidez desakoplatutako gelaxken lehen ikerketak ur-inguruneko fluxu-erredoxeko gelaxketan txertatu ziren, disoluzioan zeuden Vanadio eta Zerio ioi metalikoen redox pareak erabiliz. Hala ere, espezie horietako asko uretan gutxi disolbatzen dira, edo epe luzera egonkortasun txikia izaten dute pH eta eragiketa baldintza errealetan. Txandaka, karga daramaten molekula organiko batzuek erredox bitartekariak bezalako abantailak eskaintzen dituzte. Redox bitartekari organikoek malgutasun handiagoa dute ioi metalikoen bitartekoekin alderatuta; izan ere, erredox bitartekari organiko bat funtzionalizatu daiteke disolbagarritasuna handitzeko, eta, era berean, hainbat karga eraman ditzake. Ondorioz, potentzia-dentsitatea neurri handi batean handitu daiteke, elektrolizatzailearen azken prestazioak hobetuz.

Bestalde, gelaxka desakoplatuetan erredox solido bitartekariak inplementatzen direnean, bitartekariaren oxidazioa eta erredukzioa elektrodo baten gainazalean gertatzen da, ur-fasera igaro gabe. Erredox bitartekari solidoak erabiltzearen abantaila nagusia elektrolizatzailearen bolumena eta konplexutasuna murriztea da, ez baitu likido-bolumen handirik behar bitartekariarekin birzirkulatzen. Horrez gain, erredox bitartekari solidoak dituzten elektrolizatzaile desakoplatuek eragiketa- eta mantentze-kostu txikiagoa eskaintzen dute, ez baitute bi elektrodo behar disoluzioan dauden espezieak oxidatzeko eta murrizteko, eta, aldi berean, ez dute mintzik behar. Duela gutxi egindako azterketek frogatu dute nikel oxidoen elektrodoak erredox bitartekari gisa dituzten elektrolizatzaile desakoplatuen bideragarritasuna eta abantailak; hala ere, balio anitzeko oxido metalikoetan eta egonkorretan oinarritutako beste elektrodo solido batzuek, bitartekari solidoekin desakoplatutako elektrolizatzaileen prestazioak nabarmen hobetzeko ahalmena dute.

Ondorioz, ur elektrolizatzaile desakoplatuen garapenak eta inplementazioak soluzio errealak ematen dizkie elektrolizatzaile konbentzionalen egungo mugei, hala nola stackaren potentzia-dentsitateari eta gas leherkorren nahasketari. Sortu zenetik, eta 5 urte baino gutxiagoan, hainbat alderditan eboluzionatzea lortu du, aldakortasunagatik eta segurtasunagatik nabarmenduz. Hala ere, arreta handiagoa jarri behar da erredox materialak, fluidoak zein solidoak, garatzeko funtsezko mailako azterketetan eta gelaxkaren diseinuaren hobekuntzetan. Elektrolizatzaile desakoplatuek ahalmen handia dute elektrolizatzaile konbentzionalak, alkalinoak eta PEM ordezteko, eta H₂ sortzeko eta biltegiratzeko aldizkako energia-iturri berriztagarriak eraginkortasunez aprobetxatzeko.