Avances y análisis económico de la producción de hidrógeno por electrólisis de óxidos sólidos.

Avances y análisis económico de la producción de hidrógeno por electrólisis de óxidos sólidos.

El electrolizador de óxido sólido (SOE) utiliza vapor de agua a alta temperatura (600 ~ 900 °C) para la electrólisis, que es más eficiente que el electrolizador alcalino y el electrolizador PEM. En la década de 1960, Estados Unidos y Alemania comenzaron a realizar investigaciones sobre las empresas estatales de vapor de agua a alta temperatura. El principio de funcionamiento del electrolizador SOE se muestra en la Figura 4. El hidrógeno reciclado y el vapor de agua ingresan al sistema de reacción desde el ánodo. El vapor de agua se electroliza en hidrógeno en el cátodo. El O2 producido por el cátodo pasa a través del electrolito sólido hasta el ánodo, donde se recombina para formar oxígeno y liberar electrones.

A diferencia de las celdas electrolíticas de membrana de intercambio de protones y alcalinas, el electrodo SOE reacciona con el contacto con vapor de agua y enfrenta el desafío de maximizar el área de interfaz entre el electrodo y el contacto con vapor de agua. Por tanto, el electrodo SOE tiene generalmente una estructura porosa. El propósito de la electrólisis de vapor de agua es reducir la intensidad energética y reducir el costo operativo de la electrólisis de agua líquida convencional. De hecho, aunque el requerimiento total de energía de la reacción de descomposición del agua aumenta ligeramente al aumentar la temperatura, el requerimiento de energía eléctrica disminuye significativamente. A medida que aumenta la temperatura electrolítica, parte de la energía necesaria se suministra en forma de calor. La empresa estatal es capaz de producir hidrógeno en presencia de una fuente de calor de alta temperatura. Dado que los reactores nucleares refrigerados por gas a alta temperatura pueden calentarse hasta 950°C, la energía nuclear puede utilizarse como fuente de energía para las empresas estatales. Al mismo tiempo, la investigación muestra que las energías renovables como la geotérmica también tienen potencial como fuente de calor para la electrólisis de vapor. Operar a alta temperatura puede reducir el voltaje de la batería y aumentar la velocidad de reacción, pero también enfrenta el desafío de la estabilidad térmica y el sellado del material. Además, el gas producido por el cátodo es una mezcla de hidrógeno, que debe separarse y purificarse aún más, lo que aumenta el coste en comparación con la electrólisis convencional del agua líquida. El uso de cerámicas conductoras de protones, como el circonato de estroncio, reduce el coste de las SOE. El circonato de estroncio muestra una excelente conductividad de protones a aproximadamente 700 °C y es propicio para que el cátodo produzca hidrógeno de alta pureza, lo que simplifica el dispositivo de electrólisis con vapor.

Yan et al. [6] informaron que se utilizó un tubo cerámico de circonio estabilizado con óxido de calcio como SOE de la estructura de soporte, la superficie exterior se recubrió con perovskita de lantano delgada (menos de 0,25 mm) porosa como ánodo y cermet de óxido de calcio estable Ni/Y2O3 como cátodo. A 1000 °C, 0,4 A/cm2 y 39,3 W de potencia de entrada, la capacidad de producción de hidrógeno de la unidad es de 17,6 NL/h. La desventaja del SOE es la sobretensión resultante de las altas pérdidas en ohmios que son comunes en las interconexiones entre celdas, y la alta concentración de sobretensión debido a las limitaciones del transporte por difusión de vapor. En los últimos años, las celdas electrolíticas planas han atraído mucha atención [7-8]. A diferencia de las células tubulares, las células planas hacen que la fabricación sea más compacta y mejoran la eficiencia de la producción de hidrógeno [6]. En la actualidad, el principal obstáculo para la aplicación industrial de SOE es la estabilidad a largo plazo de la celda electrolítica [8], y pueden causar problemas de envejecimiento y desactivación de los electrodos.