Progrés i anàlisi econòmica de la producció d'hidrogen per electròlisi d'òxids sòlids

Progrés i anàlisi econòmica de la producció d'hidrogen per electròlisi d'òxids sòlids

L'electrolitzador d'òxid sòlid (SOE) utilitza vapor d'aigua d'alta temperatura (600 ~ 900 °C) per a l'electròlisi, que és més eficient que l'electrolitzador alcalí i l'electrolitzador PEM. A la dècada de 1960, els Estats Units i Alemanya van començar a investigar sobre SOE de vapor d'aigua a alta temperatura. El principi de funcionament de l'electrolitzador SOE es mostra a la figura 4. L'hidrogen i el vapor d'aigua reciclats entren al sistema de reacció des de l'ànode. El vapor d'aigua s'electròliza en hidrogen al càtode. L'O2 produït pel càtode es mou a través de l'electròlit sòlid fins a l'ànode, on es recombina per formar oxigen i alliberar electrons.

A diferència de les cèl·lules electrolítiques de membrana d'intercanvi de protons i alcalines, l'elèctrode SOE reacciona amb el contacte amb el vapor d'aigua i s'enfronta al repte de maximitzar l'àrea d'interfície entre l'elèctrode i el contacte amb el vapor d'aigua. Per tant, l'elèctrode SOE generalment té una estructura porosa. El propòsit de l'electròlisi de vapor d'aigua és reduir la intensitat energètica i reduir el cost operatiu de l'electròlisi d'aigua líquida convencional. De fet, tot i que el requeriment total d'energia de la reacció de descomposició de l'aigua augmenta lleugerament amb l'augment de la temperatura, el requeriment d'energia elèctrica disminueix significativament. A mesura que augmenta la temperatura electrolítica, part de l'energia requerida es subministra en forma de calor. El SOE és capaç de produir hidrogen en presència d'una font de calor a alta temperatura. Com que els reactors nuclears refrigerats per gas d'alta temperatura es poden escalfar a 950 °C, l'energia nuclear es pot utilitzar com a font d'energia per al SOE. Al mateix temps, la investigació mostra que l'energia renovable com l'energia geotèrmica també té el potencial com a font de calor de l'electròlisi de vapor. El funcionament a alta temperatura pot reduir la tensió de la bateria i augmentar la velocitat de reacció, però també s'enfronta al repte de l'estabilitat tèrmica i el segellat del material. A més, el gas produït pel càtode és una barreja d'hidrogen, que s'ha de separar i purificar més, augmentant el cost en comparació amb l'electròlisi d'aigua líquida convencional. L'ús de ceràmiques conductores de protons, com el zirconat d'estronci, redueix el cost de SOE. El zirconat d'estronci mostra una excel·lent conductivitat dels protons a uns 700 °C i fa que el càtode produeixi hidrogen d'alta puresa, simplificant el dispositiu d'electròlisi de vapor.

Yan et al. [6] va informar que es va utilitzar un tub de ceràmica de zirconi estabilitzat per òxid de calci com a SOE d'estructura de suport, la superfície exterior estava recoberta amb perovskita de lantà porosa fina (menys de 0,25 mm) com a ànode i Ni/Y2O3 cermet d'òxid de calci estable com a càtode. A 1000 °C, 0,4A/cm2 i 39,3W de potència d'entrada, la capacitat de producció d'hidrogen de la unitat és de 17,6NL/h. El desavantatge de SOE és la sobretensió resultant de pèrdues elevades en ohms que són comunes a les interconnexions entre les cèl·lules, i l'alta concentració de sobretensió a causa de les limitacions del transport de difusió de vapor. En els últims anys, les cèl·lules electrolítiques planars han cridat molta atenció [7-8]. A diferència de les cèl·lules tubulars, les cèl·lules planes fan que la fabricació sigui més compacta i milloren l'eficiència de producció d'hidrogen [6]. Actualment, el principal obstacle per a l'aplicació industrial de SOE és l'estabilitat a llarg termini de la cèl·lula electrolítica [8], i es poden causar problemes d'envelliment i desactivació dels elèctrodes.