- ¿Qué es un banco de pruebas para electrolizadores y en qué se diferencia de una configuración de pruebas completa o de un sistema de producción?
- ¿Por qué es importante estudiar el envejecimiento de las celdas de los electrolizadores y qué impacto tiene en cuanto a rendimiento, eficiencia y durabilidad?
- ¿Cómo se produce el envejecimiento en las celdas de electrolizadores y cuáles son sus causas fundamentales más comunes (por ejemplo, degradación del catalizador, adelgazamiento de la membrana, delaminación)?
- ¿Qué significa «diagnóstico in situ» en el contexto de las pruebas de electrolizadores y por qué es fundamental para comprender los procesos de envejecimiento?
- ¿Cómo se integra la espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) en la configuración de la prueba y qué información adicional proporciona?
¿Qué es un banco de pruebas de electrolizadores y en qué se diferencia de una configuración de pruebas de pila completa o de un sistema de producción?
Los bancos de pruebas de electrolizadores son configuraciones experimentales especializadas que se utilizan para investigar la producción de hidrógeno (H₂) y oxígeno (O₂) mediante corriente eléctrica. Estos bancos de pruebas de electrolizadores pueden variar en escala, desde celdas individuales hasta pilas a escala real. El objetivo principal es evaluar y optimizar el rendimiento de la célula/pila electrolítica en condiciones que se asemejen mucho al funcionamiento en el mundo real. Para lograrlo, el banco de pruebas permite variar de forma controlada parámetros clave como la presión, la temperatura, las concentraciones y los reactivos, mientras se mantienen constantes otras condiciones. Esto permite estudiar sistemáticamente las relaciones causa-efecto y generar conocimientos específicos. En particular, permite a los investigadores probar diferentes materiales, diseños de componentes y estrategias de funcionamiento.
Dependiendo del enfoque, los bancos de pruebas pueden servir para fines de investigación y desarrollo (I+D), produciendo solo pequeñas cantidades de hidrógeno, o estar adaptados a la validación industrial, donde se generan mayores volúmenes de hidrógeno y oxígeno en condiciones cercanas a la producción.
A diferencia de los sistemas de pila completa o de grado de producción que dan prioridad a la eficiencia y la producción, los bancos de pruebas hacen hincapié en la flexibilidad, la modularidad y el acceso al diagnóstico. Esto los hace fundamentales para la innovación en las primeras etapas y la validación a nivel de componentes.
¿Por qué es importante estudiar el envejecimiento de las celdas de los electrolizadores y qué impacto tiene en cuanto al rendimiento, la eficiencia y la durabilidad?
El envejecimiento de las celdas tiene un impacto directo en el rendimiento de los electrolizadores. Se refiere a la degradación gradual de los materiales dentro de la celda con el paso del tiempo debido a factores de estrés químicos y físicos. Esta degradación se manifiesta en un aumento de la resistencia óhmica, mayores pérdidas de concentración y mayores pérdidas de activación. Como resultado, la célula produce menos hidrógeno (H₂) y consume más energía.
Mediante el análisis del envejecimiento, los investigadores pueden examinar cómo se comportan materiales específicos en condiciones de funcionamiento e identificar sus puntos débiles. Estos conocimientos permiten realizar mejoras específicas en los diseños futuros de las células, lo que en última instancia prolonga su vida útil. Los efectos más comunes del envejecimiento son:
- Degradación del catalizador
- Adelgazamiento de la membrana
- Aumento de la resistencia óhmica
- Cruce de gases
- Corrosión de los electrodos
- Fallo mecánico
Comprender las causas fundamentales de estos fenómenos es esencial para mejorar la durabilidad y la eficiencia del sistema, dos aspectos fundamentales para que el hidrógeno verde sea económicamente viable y competitivo con los combustibles fósiles convencionales.
La identificación temprana de los mecanismos de envejecimiento no solo mejora el rendimiento del sistema a largo plazo, sino que también permite aplicar estrategias de mantenimiento predictivo, lo que reduce el tiempo de inactividad no planificado en las aplicaciones comerciales.
¿Cómo se produce el envejecimiento en las celdas electrolíticas y cuáles son sus causas fundamentales más comunes (por ejemplo, degradación del catalizador, adelgazamiento de la membrana, delaminación)?
El adelgazamiento de la membrana representa un modo de fallo importante en los sistemas de electrólisis. El adelgazamiento de la membrana y el debilitamiento estructural pueden ser consecuencia de la acumulación de calor causada por altas densidades de corriente o una refrigeración inadecuada, así como de tensiones mecánicas como los cambios de presión y los ciclos repetidos de dilatación y contracción. Con el tiempo, estas tensiones pueden comprometer la integridad de la membrana. En el peor de los casos, puede aparecer un agujero en la membrana, lo que puede provocar una reacción de hidrógeno y oxígeno (oxihidrógeno) o la mezcla de los electrolitos. Estos fenómenos pueden provocar daños irreversibles en el sistema.
La degradación del catalizador en los electrolizadores provoca una pérdida de eficiencia con el tiempo. El ánodo se ve especialmente afectado, ya que allí tiene lugar la reacción de evolución de oxígeno (OER), que a menudo provoca la corrosión del catalizador, especialmente bajo altos voltajes y en entornos ácidos. Las tensiones mecánicas, como la formación de burbujas de gas, también pueden desprender partículas y reducir aún más el rendimiento.
Otro factor de envejecimiento es la delaminación de los electrodos de la membrana, a menudo debido a la expansión térmica diferencial o a la exposición prolongada a condiciones químicas agresivas. Esto puede provocar un aumento de la resistencia de contacto y puntos calientes locales.
¿Qué significa «diagnóstico in situ» en el contexto de las pruebas de electrolizadores y por qué es fundamental para comprender los procesos de envejecimiento?
La medición in situ se refiere a la observación y el análisis de los parámetros dentro de la célula durante el funcionamiento en tiempo real.
Mediante el uso de herramientas de diagnóstico especializadas, es posible obtener información directamente dentro de la célula, lo que permite supervisar parámetros clave como:
- Distribución de la densidad de corriente
- Gradientes de temperatura
- Homogeneidad
Esto permite a los investigadores e ingenieros detectar y rastrear los efectos del envejecimiento de las celdas a medida que se producen en condiciones de funcionamiento reales, lo que proporciona datos valiosos para comprender los mecanismos de degradación y mejorar el rendimiento y la durabilidad a largo plazo. A diferencia del análisis post mortem, los diagnósticos in situ capturan comportamientos transitorios y respuestas dinámicas, lo que los hace especialmente útiles para aplicaciones de energía renovable intermitente en las que los electrolizadores se enfrentan a cambios de carga frecuentes.
¿Cómo se integra la espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) en la configuración de la prueba y qué información adicional proporciona?
La espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) es una potente herramienta de diagnóstico que permite separar la impedancia total de una célula en sus componentes fundamentales. Estos incluyen:
- Fenómenos relacionados con la difusión (transporte de masa)
- Cinética de transferencia de carga en los electrodos
- Resistencia óhmica de la membrana y las interfaces de contacto
Al desacoplar estos efectos, la EIS proporciona información detallada sobre los procesos limitantes y los mecanismos de degradación dentro de la célula.
Esta capacidad analítica permite estudiar cada mecanismo de forma independiente, lo que ofrece a los científicos de materiales una comprensión más profunda del comportamiento de los componentes en condiciones de funcionamiento reales. Un avance especialmente valioso es el EIS segmentado, que permite realizar análisis localizados. Con este método, se pueden detectar y cartografiar con precisión fenómenos espaciales como la deshidratación de la membrana (inanición) o la inundación en regiones de campo de flujo.
Esta información es muy beneficiosa para los fabricantes de electrolizadores y los operadores de sistemas. Con una imagen más clara del comportamiento interno de las celdas, los sistemas pueden optimizarse para lograr una mayor eficiencia, especialmente en condiciones de funcionamiento dinámicas, como las que se requieren en las aplicaciones de energía renovable. En estos contextos, la entrada de energía fluctúa de forma inherente debido a la naturaleza variable de fuentes como la eólica y la solar. Como resultado, los electrolizadores deben acelerarse, apagarse o funcionar con cargas parciales con frecuencia, lejos de las condiciones de estado estable, lo que hace que los diagnósticos robustos como el EIS sean esenciales para garantizar el rendimiento y la durabilidad a largo plazo.
El EIS también puede ayudar a validar los modelos de simulación, ya que proporciona datos empíricos sobre las resistencias internas y el comportamiento de respuesta, lo que permite salvar la brecha entre el diseño teórico y la implementación práctica.
Contenido aportado por DILICO engineering GmbH
DILICO engineering desarrolla y produce tecnología de medición para la supervisión y el análisis de celdas de electrólisis, pilas de combustible, baterías de flujo redox y baterías. Esto incluye la supervisión del voltaje de las celdas y soluciones de contacto para la captación del voltaje de las celdas, mediciones in situ de la distribución de la corriente y la temperatura, así como mediciones EIS para el análisis del envejecimiento y la evaluación de la gestión operativa. Los bancos de pruebas de electrólisis para la medición y el análisis reproducibles de celdas de electrólisis individuales son otra de las áreas de especialización de DILICO.
