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 à 900 °C) pour l'électrolyse, ce qui le rend plus efficace que les électrolyseurs alcalins et les électrolyseurs PEM. Dans les années 1960, les États-Unis et l'Allemagne ont entrepris des recherches sur les SOE à vapeur d'eau à haute température. Le principe de fonctionnement d'un électrolyseur SOE est illustré à la figure 4. L'hydrogène recyclé et la vapeur d'eau pénètrent dans le système réactionnel par 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 de l'électrolyse de la vapeur d'eau (SOE) réagit au contact de la vapeur d'eau et doit relever le défi de maximiser la surface d'interface entre l'électrode et la vapeur d'eau. C'est pourquoi l'électrode de la SOE présente généralement une structure poreuse. L'électrolyse de la vapeur d'eau vise à réduire la consommation énergétique et le coût d'exploitation de l'électrolyse conventionnelle de l'eau liquide. En effet, bien que la consommation énergétique totale de la réaction de décomposition de l'eau augmente légèrement avec la température, la consommation d'énergie électrique diminue significativement. À mesure que la température d'électrolyse augmente, une partie de l'énergie requise est fournie sous forme de chaleur. La SOE est capable de produire de l'hydrogène en présence d'une source de chaleur à haute température. Les réacteurs nucléaires à gaz à haute température pouvant atteindre 950 °C, l'énergie nucléaire peut être utilisée comme source d'énergie pour la SOE. Parallèlement, les recherches montrent que les énergies renouvelables, telles que la géothermie, présentent également un potentiel en tant que source de chaleur pour l'électrolyse de la vapeur. Le fonctionnement à haute température permet de réduire la tension de la batterie et d'augmenter la vitesse de réaction, mais pose également le problème de la stabilité thermique des matériaux et de l'étanchéité. De plus, le gaz produit par la cathode est un mélange d'hydrogène qui nécessite une séparation et une purification supplémentaires, ce qui augmente le coût par rapport à l'électrolyse de l'eau liquide classique. L'utilisation de céramiques conductrices de protons, comme le zirconate de strontium, permet de réduire le coût de l'électrolyse de la vapeur d'eau. Le zirconate de strontium présente une excellente conductivité protonique à environ 700 °C et favorise la production d'hydrogène de haute pureté par la cathode, simplifiant ainsi le dispositif d'électrolyse de la vapeur d'eau.

Yan et al. [6] ont rapporté l'utilisation d'un tube en céramique de zircone stabilisée par de l'oxyde de calcium comme structure de support pour une cellule électrolytique à base de pérovskite (SOE). La surface externe est revêtue d'une fine couche (moins de 0,25 mm) de pérovskite de lanthane poreuse servant d'anode, et une cathode en cermet d'oxyde de calcium stable Ni/Y₂O₃. À 1000 °C, avec un courant de 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 de la SOE réside dans la surtension due aux pertes ohmiques élevées, fréquentes aux interconnexions entre les cellules, et dans la forte concentration de surtension liée aux limitations du transport par diffusion de vapeur. Ces dernières années, les cellules électrolytiques planes ont suscité un vif intérêt [7-8]. Contrairement aux cellules tubulaires, les cellules planes permettent une fabrication plus compacte et améliorent l'efficacité de la production d'hydrogène [6]. Actuellement, le principal obstacle à l'application industrielle de la SOE est la stabilité à long terme de la cellule électrolytique [8], et les problèmes de vieillissement et de désactivation des électrodes peuvent survenir.