Los electrolizadores alcalinos (AWE) son una de las tecnologías más consolidadas para producir hidrógeno renovable. Su robustez y coste competitivo los hacen especialmente atractivos para proyectos industriales.
Sin embargo, debido a que la electricidad renovable (eólica y solar) será la principal fuente empleada para alimentar a estos equipos, muchos electrolizadores no operarán en régimen estable y trabajarán con una cierta frecuencia de paradas y arranques (operación intermitente). Y es ahí cuando aparece un “enemigo silencioso” de la durabilidad, la corriente inversa.
¿Qué es exactamente la corriente inversa en un electrolizador alcalino? ¿Por qué suele afectar más al cátodo? ¿Y qué se puede hacer para minimizar su impacto sin disparar el CAPEX?
En este artículo de AtlantHy Academy, lo resumimos de forma práctica indicando qué ocurre, qué dice la evidencia más reciente y qué medidas (de operación, de diseño y de materiales) conviene considerar.
¿Qué es la corriente inversa en un electrolizador alcalino?
En términos simples, la corriente inversa aparece cuando, durante una parada, el flujo eléctrico circula en sentido contrario al habitual de la electrólisis. Es decir, la celda deja de producir hidrógeno y, durante un breve periodo, se comporta como una pila que descarga la energía acumulada en el stack.
Este fenómeno es especialmente relevante en configuraciones bipolares con electrolito líquido conductor (como KOH) y colectores comunes, donde pueden generarse caminos iónicos alternativos que cierran circuitos eléctricos no deseados (White, R. E. et al., 1986).
El papel de las shunt currents
En los stacks industriales, las celdas están conectadas en serie y comparten canales hidráulicos. Esto puede generar gradientes de potencial en el electrolito, dando lugar a corrientes parásitas o shunt currents, que se corresponden con flujos que no atraviesan los electrodos activos, sino que circulan por trayectorias alternativas (White, R. E. et al., 1986).
Cuando el electrolizador se detiene, el sistema puede comportarse como una celda galvánica, invirtiendo las reacciones por un corto tiempo y generando la corriente inversa. En stacks grandes de cientos de celdas, las investigaciones indican que el riesgo es mayor en las zonas centrales, donde los gradientes de potencial son más pronunciados.
¿Qué ocurre electroquímicamente en una parada?
La inversión de corriente no es instantánea. Durante una parada (shutdown), pueden coexistir tres etapas impulsadas por la química local y el estado de los materiales (Abdel Haleem, A et al., 2022):
- Reacciones con gases disueltos: reducción de oxígeno y oxidación de hidrógeno residual.
- Cambios redox en los electrodos: formación o reducción de óxidos e hidróxidos metálicos.
- Reacciones invertidas: si persiste la corriente, el cátodo actúa temporalmente como ánodo, exponiendo los materiales a potenciales para los que no están diseñados.
Aunque el sistema esté “apagado”, la electroquímica sigue activa. Esa breve transición basta para iniciar procesos de degradación acumulativa.
Por qué el cátodo es el más vulnerable
En los electrolizadores alcalinos, el cátodo suele fabricarse en níquel (Ni) o con recubrimientos basados en níquel. Bajo corriente inversa, este material puede alcanzar potenciales oxidantes en los que:
- Se forman óxidos e hidróxidos (β-Ni(OH)₂ y NiO) que reducen la actividad catalítica de la reacción de evolución de hidrógeno (HER).
- Se producen disoluciones o reestructuraciones del catalizador, sobre todo en formulaciones más activas pero menos estables.
- Si existe un soporte de carbono, puede oxidarse, perdiendo conductividad y adherencia de la capa catalítica (Kim, Y. et al., 2022).
Por ello, incluso con el sistema detenido, la combinación de operación intermitente + corriente inversa acelera la degradación del cátodo y acorta la vida útil del stack.
Evidencia reciente: degradación por corriente inversa
Estudios recientes confirman el papel crítico de la corriente inversa en la degradación de los electrodos:
- (De Groot et al., 2024) analizaron las corrientes inversas en electrolizadores con membrana de intercambio aniónico (AEM), tecnología con principios similares a los electrolizadores alcalinos. Demostraron que el cátodo concentra la degradación y que la resistencia a la corriente inversa depende del material catalítico. En su estudio, la tendencia fue Pt/C > PtRu/C > NiMo/C, evidenciando que una mayor actividad inicial no siempre implica mayor durabilidad.
- Otras investigaciones (Abdel Haleem, A et al., 2022) confirmaron que, incluso en electrolizadores alcalinos convencionales, la combinación de operación intermitente y corriente inversa acelera la pérdida de rendimiento.
- (Kim, Y. et al., 2022) demostraron que la aplicación de una protección catódica controlada durante las paradas puede mitigar significativamente la degradación en electrolizadores de tipo alcalino.
El mensaje es claro, y es que si el electrolizador operará con alta intermitencia (caso más habitual), la resistencia frente a la corriente inversa debe ser un criterio de diseño esencial, no un detalle secundario.
Cómo mitigar la corriente inversa: soluciones reales
Hoy en día, la mitigación eficaz combina tres enfoques complementarios:
1. Protección eléctrica
- Rectificadores o diodos polarizados que bloqueen el flujo inverso.
- Protección catódica, aplicando un potencial o corriente protectora durante la parada.
Estas soluciones son efectivas, pero incrementan la complejidad y el coste del sistema.
2. Estrategias operativas
- Implementar paradas controladas, evitando apagados en seco.
- Controlar los caudales y aislamientos hidráulicos para reducir shunt currents.
- Definir rampas suaves de parada y arranque para minimizar la exposición a potenciales críticos.
3. Diseño y materiales
- Optimizar el diseño del stack para reducir trayectorias parásitas.
- Emplear cátodos más resistentes a potenciales oxidantes.
- Incorporar pruebas de durabilidad que incluyan protocolos de corriente inversa.
Conclusiones
La corriente inversa no es un concepto teórico, sino un mecanismo real de degradación que afecta a los electrolizadores alcalinos, especialmente bajo operación intermitente.
Existen soluciones, pero la clave está en anticipar el fenómeno desde la fase de diseño, integrando medidas de protección, estrategias de operación y materiales más estables.
En AtlantHy, trabajamos día a día con proyectos de electrólisis, analizando en profundidad cada tecnología para optimizar su rendimiento. Si tu proyecto opera con fuentes renovables variables, evaluar la corriente inversa desde el inicio puede marcar la diferencia en rendimiento y vida útil.
Referencias
Abdel Haleem, A et al. (2022). Effects of operation and shutdown parameters and electrode materials on the reverse current phenomenon in alkaline water electrolyzers. Journal of Power Sources.
Business wire. (2023). Mitsubishi Power valida, instala y pone en marcha con éxito electrolizadores a gran escala. Obtenido de https://www.businesswire.com/news/home/20230928208994/es
China Daily. (2024). Hydrogen electrolyzers latest star export item. Obtenido de https://www.chinadaily.com.cn/a/202408/22/WS66c694e0a31060630b9245bb.html
De Groot et al. (2024). Unraveling the impact of reverse currents on electrode stability in anion exchange membrane water electrolysis. Journal of Power Sources.
Kim, Y. et al. (2022). Cathodic protection system against a reverse-current after shut-down in zero-gap alkaline water electrolysis. JACS Au.
White, R. E. et al. (1986). Predicting shunt currents in stacks of bipolar plate cells. Journal of The Electrochemical Society.