Negli ultimi anni, la ricerca suelettrolizzatori d'acqua ad alta efficienza e basso costoha guadagnato ampia attenzione, poiché la produzione e l'utilizzo di idrogeno su larga scala sono cruciali per migliorare la resilienza dei sistemi di generazione e trasmissione di energia elettrica rinnovabile. Attualmente, il metodo più comune di produzione di idrogeno è attraverso il reforming a vapore del metano o di altri idrocarburi, ma questo processo genera significative emissioni di anidride carbonica. Pertanto,elettrolizzatori d'acquache generano idrogeno e ossigeno tramitescissione elettrochimica dell'acquasono diventati un polo di ricerca di punta.
In condizioni operative ad alta temperatura (700–950°C),elettrolizzatori a vapore a ossido solido (SOEC)sono stati sviluppati e verificati in laboratorio e su scala pilota (vedere Figura 1). L'elevata temperatura di esercizio diSOECconsente loro di funzionare a tensioni di cella relativamente basse senza quasi alcuna limitazione cinetica, raggiungendo quasi il 100%efficienza di elettrolisi ad alto potere calorifico (PCI)a una densità di corrente di circa 1 A/cm². Tuttavia, il funzionamento ad alta temperatura comporta anche molte sfide, come lunghi tempi di avvio e spegnimento, rapida degradazione dovuta all'interdiffusione ad alta temperatura dei componenti delle celle e avvelenamento causato da prodotti di corrosione, rendendoSOECincontrano difficoltà nella distribuzione sul mercato.
Problemi con alcalini eElettrolizzatori PEM
Elettrolizzatori dell'acqua a membrana a scambio protonico (PEMWE) utilizzaremembrane a scambio protonico (PEM)e ionomeri negli elettrodi, consentendo il funzionamento senza elettroliti liquidi circolanti. In questa configurazione, sia l'anodo che il catodo sono in contatto diretto con il materiale non porosoPEM, formando una disposizione di celle compatte (design a zero gap) (vedere Figura 3). Questo design consentePEMWEper funzionare a densità di corrente di circa 2 A/cm².
Inoltre, la membrana non porosa inPEMWEsupportafunzionamento a pressione differenziale, consentendo la generazione di idrogeno ad alta pressione al catodo e la generazione di ossigeno a pressione atmosferica all'anodo. Ciò riduce la necessità di compressione meccanica secondaria per lo stoccaggio dell'idrogeno. Nonostante questi vantaggi, l'elevato costo dielettrocatalizzatori(come l'ossido di iridio e il platino), e i collettori di corrente resistenti alla corrosione e le piastre bipolari utilizzate in ambienti acidi, possono diventare fattori limitanti per i sistemi su larga scala. Ciò è particolarmente vero all'aumentare delle dimensioni dello stack, e questi componenti contribuiscono in modo significativo al costo complessivo del sistema. EntrambiAWEEPEMWEsono considerate tecnologie mature e sono state distribuite commercialmente in base a specifiche esigenze applicative.
In condizioni operative a bassa temperatura (inferiori a 100°C),elettrolizzatori dell'acqua alcalina (AWE)sono una tecnologia matura.AWEutilizzare una soluzione acquosa contenenteidrossido di potassio (KOH)come l'elettrolita liquido e sono dotati dimembrane separatorie porose(vedi Figura 2). Sono state riportate ampie ricerche sullo sviluppo dielettrocatalizzatori privi di metalli del gruppo del platino (PGM)per le reazioni di evoluzione di idrogeno e ossigeno (ad esempio,reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER)Ereazione di evoluzione dell'ossigeno (OER)). L'attuale direzione di ricerca si concentra su progetti quali configurazioni zero-gap per aumentare la densità di corrente o la pressione operativa. Tuttavia,AWEhanno velocità di produzione di idrogeno relativamente basse, in genere intorno ai 200 mA/cm² con una tensione di cella di 1,8 V.
Principi di funzionamento dell'elettrolizzatore AEM
Elettrolizzatori dell'acqua a membrana a scambio anionico (AEMWE)operare in un ambiente alcalino e può utilizzarecatalizzatori privi di metalli del gruppo del platino (PGM). ILmembrana a scambio anionico (AEM)è un polimero conduttivo di ossido di idrogeno non poroso con gruppi funzionali fissi caricati positivamente sulle sue catene principali o laterali, consentendo configurazioni a gap zero e funzionamento a pressione differenziale (vedere Figura 4).
La reazione complessiva inAEMWEcoinvolge la reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER) e la reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER). Acqua o elettrolita liquido alcalino circola attraverso il catodo, dove l'acqua viene ridotta a ioni idrogeno e idrossido aggiungendo due elettroni (H₂O + 2e⁻ → H₂ + OH⁻). Gli ioni idrossido diffondono attraverso ilAEMall'anodo, mentre gli elettroni vengono trasferiti attraverso il circuito esterno al catodo. All'anodo, gli ioni idrossido si ricombinano per formare ossigeno e acqua, generando due elettroni (2OH⁻ → ½O₂ + H₂O + 2e⁻). I gas idrogeno e ossigeno si formano come bolle sulle superfici del catalizzatore HER e OER. Simile aPEMWE, ILmembrana non porosaconfigurazione zero-gap diAEMWEconsente la produzione di idrogeno ad alta velocità e riduce la necessità di compressione meccanica per lo stoccaggio dell'idrogeno.
È degno di nota cheAEMWEcombinare i vantaggi diAWE(catalizzatori privi di PGM) ePEMWE(configurazioni zero-gap e membrane non porose). È interessante notare che, a differenzaPEMWE, che utilizzano esclusivamente elettroliti polimerici, moltiAEMWEutilizzare anche elettroliti liquidi (come soluzioni di KOH o K₂CO₃).
Studi di modellazione recenti suggeriscono che l'aggiunta di elettrolita liquido non solo riduce l'resistenza ohmicadella membrana e dello strato di catalizzatore, ma migliora anche la cinetica di reazione. Aggiungendo elettrolita liquido alla cella, il pH locale all'interfaccia catalizzatore-elettrolita aumenta, creando un'ulteriore interfaccia elettrochimica. IndustrialeAEMWEconcatalizzatori a base di nichelin soluzione 1 M KOH producono idrogeno ad una tensione di 2 V e una densità di corrente di 1,8 A/cm², ottenendo prestazioni paragonabili a quelle convenzionaliPEMWEa pressione atmosferica. A causa del basso costo dicatalizzatorie hardware, nonché la configurazione zero-gap applicabile e il funzionamento a pressione differenziale,AEMWEstanno suscitando sempre più interesse nella produzione di idrogeno.
Sfide di durata degli elettrolizzatori AEM
La sfida tecnica principale diAEMWE(Elettrolizzatori ad acqua a membrana a scambio anionico) nei sistemi commercialmente validi è il lorodurata. Durata inAEMWEsi riferisce generalmente alla durata del dispositivo. Durante le prime fasi diAlziamocisviluppo, la misurazione della durata è stata relativamente facile poiché la durata della vita delle celle era più breve (meno di 500 ore). Tuttavia, poiché più durevoliAEMWEsono sviluppati, misurarne la durata di vita è diventato più complicato.
È importante notare che far funzionare una cella per oltre 10.000 ore richiede più di un anno. Pertanto, la durata diAEMWEviene in genere valutata misurando la velocità di variazione della tensione in test a lungo termine (100-1000 ore) o utilizzando test di stress accelerati (AST) in condizioni di degradazione accelerata (come temperature operative più elevate e densità di corrente elevate). Tuttavia, è opportuno notare che i test a lungo termine che utilizzano velocità di variazione della tensione e test di durata in condizioni AST potrebbero non prevedere accuratamente la durata diAEMWE, poiché la durata della cella è influenzata da molteplici modalità di degradazione ed è spesso limitata da guasti catastrofici. Pertanto, rimane necessario far funzionare la cella ininterrottamente in normali condizioni operative per ottenere la sua vera durata.
Sebbene la durata della pila commercialeelettrolizzatori dell'acqua a membrana a scambio protonico (PEMWE)è vicina alle 20.000-60.000 ore, la durata di vita segnalata della maggior parteAEMWEè di circa 3.000 ore. Inoltre, la maggior parteAEMWEvengono testati in condizioni di pressione atmosferica.
