Nos últimos anos, a investigação sobreeletrolisadores de água de alta eficiência e baixo custoganhou ampla atenção, pois a produção e utilização de hidrogênio em larga escala são cruciais para aumentar a resiliência dos sistemas de geração e transmissão de eletricidade renovável. Atualmente, o método mais comum de produção de hidrogênio é por meio da reforma a vapor de metano ou outros hidrocarbonetos, mas esse processo gera emissões significativas de dióxido de carbono. Portanto,eletrolisadores de águaque geram hidrogênio e oxigênio viadivisão eletroquímica da águatornaram-se um ponto de interesse para pesquisas.
Em condições operacionais de alta temperatura (700–950 °C),eletrolisadores de vapor de óxido sólido (SOECs)foram desenvolvidos e verificados em escala laboratorial e piloto (ver Figura 1). A alta temperatura de operação deSOECspermite que operem em tensões de células relativamente baixas, quase sem limitações cinéticas, atingindo quase 100%eficiência de eletrólise de alto valor calorífico (HHV)a uma densidade de corrente de cerca de 1 A/cm². No entanto, a operação em alta temperatura também traz muitos desafios, como longos tempos de inicialização e desligamento, rápida degradação devido à interdifusão de alta temperatura dos componentes da célula e envenenamento causado por produtos de corrosão, tornandoSOECsenfrentam dificuldades na implantação no mercado.
Problemas com alcalino eEletrolisadores PEM
Eletrolisadores de água por membrana de troca de prótons (PEMWEs) utilizarmembranas de troca de prótons (PEM)e ionômeros nos eletrodos, permitindo a operação sem a circulação de eletrólitos líquidos. Nesta configuração, tanto o ânodo quanto o cátodo estão em contato direto com o material não porosoPEM, formando um arranjo celular compacto (design de lacuna zero) (ver Figura 3). Este design permitePEMWEspara operar em densidades de corrente de cerca de 2 A/cm².
Além disso, a membrana não porosa emPEMWEssuportaoperação de pressão diferencial, permitindo a geração de hidrogênio em alta pressão no cátodo e a geração de oxigênio em pressão atmosférica no ânodo. Isso reduz a necessidade de compressão mecânica secundária para armazenamento de hidrogênio. Apesar dessas vantagens, o alto custo deeletrocatalisadores(como óxido de irídio e platina), e coletores de corrente resistentes à corrosão e placas bipolares usadas em ambientes ácidos, podem se tornar fatores limitantes para sistemas de larga escala. Isso é especialmente verdadeiro à medida que o tamanho da pilha aumenta, e esses componentes contribuem significativamente para o custo geral do sistema. AmbosMaravilhasePEMWEssão consideradas tecnologias maduras e foram implantadas comercialmente com base em necessidades específicas de aplicação.
Em condições de operação de baixa temperatura (abaixo de 100°C),eletrolisadores de água alcalina (AWEs)são uma tecnologia madura.Maravilhasuse uma solução aquosa contendohidróxido de potássio (KOH)como o eletrólito líquido e são equipados commembranas separadoras porosas(ver Figura 2). Uma extensa pesquisa foi relatada sobre o desenvolvimento deeletrocatalisadores livres de metais do grupo da platina (PGM)para reações de evolução de hidrogênio e oxigênio (ou seja,reação de evolução do hidrogênio (HER)ereação de evolução de oxigênio (REA)). A direção atual da pesquisa se concentra em projetos como configurações de gap zero para aumentar a densidade de corrente ou a pressão operacional. No entanto,Maravilhastêm taxas de produção de hidrogênio relativamente baixas, normalmente em torno de 200 mA/cm² a uma voltagem de célula de 1,8 V.
Princípios operacionais do eletrolisador AEM
Eletrolisadores de água por membrana de troca aniônica (AEMWEs)operam em um ambiente alcalino e podem usarcatalisadores livres de metais do grupo da platina (PGM). Omembrana de troca aniônica (MEA)é um polímero condutor de óxido de hidrogênio não poroso com grupos funcionais fixos carregados positivamente em suas cadeias principais ou laterais, permitindo configurações de lacuna zero e operação de pressão diferencial (ver Figura 4).
A reação geral emAEMWEsenvolve a reação de evolução de hidrogênio (HER) e a reação de evolução de oxigênio (OER). Água ou eletrólito líquido alcalino circula pelo cátodo, onde a água é reduzida a íons hidrogênio e hidróxido pela adição de dois elétrons (H₂O + 2e⁻ → H₂ + OH⁻). Os íons hidróxido se difundem através doAEMpara o ânodo, enquanto os elétrons são transferidos através do circuito externo para o cátodo. No ânodo, os íons hidróxido se recombinam para formar oxigênio e água, gerando dois elétrons (2OH⁻ → ½O₂ + H₂O + 2e⁻). Os gases hidrogênio e oxigênio se formam como bolhas nas superfícies do catalisador HER e OER. Semelhante aPEMWEs, omembrana não porosaconfiguração de lacuna zero deAEMWEspermite a produção de hidrogênio em alta velocidade e reduz a necessidade de compressão mecânica para armazenamento de hidrogênio.
É digno de nota queAEMWEscombinar as vantagens deMaravilhas(catalisadores livres de PGM) ePEMWEs(configurações de lacuna zero e membranas não porosas). Curiosamente, ao contrárioPEMWEs, que utilizam exclusivamente eletrólitos poliméricos, muitosAEMWEstambém empregam eletrólitos líquidos (como soluções de KOH ou K₂CO₃).
Estudos de modelagem recentes sugerem que a adição de eletrólito líquido não apenas reduz aresistência ôhmicada membrana e da camada de catalisador, mas também melhora a cinética da reação. Ao adicionar eletrólito líquido à célula, o pH local na interface catalisador-eletrólito aumenta, criando uma interface eletroquímica adicional. IndustrialAEMWEscomcatalisadores à base de níquelem solução de KOH 1 M produzem hidrogênio com voltagem de 2 V e densidade de corrente de 1,8 A/cm², alcançando desempenho comparável ao convencionalPEMWEsà pressão atmosférica. Devido ao baixo custo decatalisadorese hardware, bem como a configuração de folga zero aplicável e operação de pressão diferencial,AEMWEsestão ganhando interesse crescente na produção de hidrogênio.
Desafios de durabilidade dos eletrolisadores AEM
O principal desafio técnico deAEMWEs(Eletrolisadores de Água por Membrana de Troca Aniônica) em sistemas comercialmente viáveis é seudurabilidade. Durabilidade emAEMWEsgeralmente se refere à vida útil do dispositivo. Durante os estágios iniciais deVamos levantardesenvolvimento, medir a durabilidade foi relativamente fácil, pois a vida útil da célula era menor (menos de 500 horas). No entanto, quanto mais durávelAEMWEssão desenvolvidos, medir sua vida útil se tornou mais complicado.
É importante notar que executar uma célula por mais de 10.000 horas leva mais de um ano. Portanto, a durabilidade deAEMWEsé normalmente avaliado medindo a taxa de mudança de tensão em testes de longo prazo (100-1000 horas) ou usando testes de estresse acelerado (AST) sob condições de degradação acelerada (como temperaturas operacionais mais altas e altas densidades de corrente). No entanto, deve-se observar que testes de longo prazo usando taxas de mudança de tensão e testes de vida útil sob condições AST podem não prever com precisão a durabilidade deAEMWEs, já que a vida útil da célula é afetada por múltiplos modos de degradação e é frequentemente limitada por falhas catastróficas. Assim, continua sendo necessário executar a célula continuamente sob condições normais de operação para obter sua verdadeira vida útil.
Embora a vida útil da pilha de produtos comerciaiseletrolisadores de água com membrana de troca de prótons (PEMWEs)é próximo de 20.000 a 60.000 horas, a vida útil relatada da maioriaAEMWEsé de cerca de 3.000 horas. Além disso, a maioriaAEMWEssão testados sob condições de pressão atmosférica.
