Progrès et analyse économique de la production d'hydrogène par électrolyse d'oxydes solides

Progrès et analyse économique de la production d'hydrogène par électrolyse d'oxydes solides

L'électrolyseur à oxyde solide (SOE) utilise de la vapeur d'eau à haute température (600 ~ 900 °C) pour l'électrolyse, ce qui est plus efficace que l'électrolyseur alcalin et l'électrolyseur PEM. Dans les années 1960, les États-Unis et l’Allemagne ont commencé à mener des recherches sur les SOE à vapeur d’eau à haute température. Le principe de fonctionnement de l'électrolyseur SOE est illustré à la figure 4. L'hydrogène et la vapeur d'eau recyclés pénètrent dans le système de réaction depuis l'anode. La vapeur d'eau est électrolysée en hydrogène à la cathode. L'O2 produit par la cathode traverse l'électrolyte solide jusqu'à l'anode, où il se recombine pour former de l'oxygène et libérer des électrons.

Contrairement aux cellules électrolytiques alcalines et à membrane échangeuse de protons, l'électrode SOE réagit au contact de la vapeur d'eau et relève le défi de maximiser la zone d'interface entre l'électrode et le contact de la vapeur d'eau. Par conséquent, l’électrode SOE présente généralement une structure poreuse. Le but de l’électrolyse à la vapeur d’eau est de réduire l’intensité énergétique et de réduire les coûts d’exploitation de l’électrolyse conventionnelle de l’eau liquide. En fait, bien que le besoin total en énergie de la réaction de décomposition de l’eau augmente légèrement avec l’augmentation de la température, le besoin en énergie électrique diminue considérablement. À mesure que la température électrolytique augmente, une partie de l’énergie nécessaire est fournie sous forme de chaleur. Le SOE est capable de produire de l’hydrogène en présence d’une source de chaleur à haute température. Étant donné que les réacteurs nucléaires refroidis au gaz à haute température peuvent être chauffés jusqu’à 950 °C, l’énergie nucléaire peut être utilisée comme source d’énergie pour les entreprises publiques. Dans le même temps, la recherche montre que les énergies renouvelables telles que l’énergie géothermique ont également le potentiel de servir de source de chaleur pour l’électrolyse de la vapeur. Le fonctionnement à haute température peut réduire la tension de la batterie et augmenter la vitesse de réaction, mais il est également confronté au défi de la stabilité thermique et de l'étanchéité des matériaux. De plus, le gaz produit par la cathode est un mélange d’hydrogène qui doit être davantage séparé et purifié, ce qui augmente le coût par rapport à l’électrolyse conventionnelle de l’eau liquide. L'utilisation de céramiques conductrices de protons, telles que le zirconate de strontium, réduit le coût du SOE. Le zirconate de strontium présente une excellente conductivité protonique à environ 700 °C et permet à la cathode de produire de l'hydrogène de haute pureté, simplifiant ainsi le dispositif d'électrolyse à la vapeur.

Yan et coll. [6] ont rapporté qu'un tube en céramique de zircone stabilisé par de l'oxyde de calcium était utilisé comme SOE de la structure de support, la surface extérieure était recouverte d'une fine pérovskite de lanthane poreuse (moins de 0,25 mm) comme anode et d'un cermet d'oxyde de calcium stable Ni/Y2O3 comme cathode. À 1 000 °C, 0,4 A/cm2 et une puissance d’entrée de 39,3 W, la capacité de production d’hydrogène de l’unité est de 17,6 NL/h. L'inconvénient du SOE est la surtension résultant des pertes élevées en ohms qui sont courantes au niveau des interconnexions entre les cellules, et la concentration élevée de surtension due aux limitations du transport par diffusion de vapeur. Ces dernières années, les cellules électrolytiques planaires ont attiré beaucoup d'attention [7-8]. Contrairement aux cellules tubulaires, les cellules plates rendent la fabrication plus compacte et améliorent l'efficacité de la production d'hydrogène [6]. À l’heure actuelle, le principal obstacle à l’application industrielle du SOE est la stabilité à long terme de la cellule électrolytique [8], et des problèmes de vieillissement et de désactivation des électrodes peuvent survenir.