Progreso e análise económica da produción de hidróxeno por electrólise de óxidos sólidos

Progreso e análise económica da produción de hidróxeno por electrólise de óxidos sólidos

O electrolizador de óxido sólido (SOE) usa vapor de auga a alta temperatura (600 ~ 900 °C) para a electrólise, que é máis eficiente que o electrolizador alcalino e o electrolizador PEM. Na década de 1960, os Estados Unidos e Alemaña comezaron a realizar investigacións sobre SOE de vapor de auga a alta temperatura. O principio de funcionamento do electrolizador SOE móstrase na figura 4. O hidróxeno e o vapor de auga reciclados entran no sistema de reacción dende o ánodo. O vapor de auga electrólizase en hidróxeno no cátodo. O O2 producido polo cátodo móvese a través do electrólito sólido ata o ánodo, onde se recombina para formar osíxeno e liberar electróns.

A diferenza das células electrolíticas de membrana de intercambio de protóns e alcalinas, o electrodo SOE reacciona co contacto do vapor de auga e afronta o desafío de maximizar a área de interface entre o eléctrodo e o contacto do vapor de auga. Polo tanto, o electrodo SOE xeralmente ten unha estrutura porosa. O obxectivo da electrólise de vapor de auga é reducir a intensidade enerxética e reducir o custo operativo da electrólise de auga líquida convencional. De feito, aínda que a necesidade de enerxía total da reacción de descomposición da auga aumenta lixeiramente co aumento da temperatura, a necesidade de enerxía eléctrica diminúe significativamente. A medida que aumenta a temperatura electrolítica, parte da enerxía necesaria subminístrase en forma de calor. O SOE é capaz de producir hidróxeno en presenza dunha fonte de calor a alta temperatura. Dado que os reactores nucleares refrixerados por gas a alta temperatura poden quentarse a 950 °C, a enerxía nuclear pódese utilizar como fonte de enerxía para o SOE. Ao mesmo tempo, a investigación mostra que a enerxía renovable como a enerxía xeotérmica tamén ten potencial como fonte de calor da electrólise de vapor. Operar a altas temperaturas pode reducir a tensión da batería e aumentar a velocidade de reacción, pero tamén se enfronta ao desafío da estabilidade térmica e do selado do material. Ademais, o gas producido polo cátodo é unha mestura de hidróxeno, que debe ser aínda máis separada e purificada, aumentando o custo en comparación coa electrólise de auga líquida convencional. O uso de cerámicas condutoras de protóns, como o circonato de estroncio, reduce o custo do SOE. O circonato de estroncio mostra unha excelente condutividade de protóns a uns 700 °C e é propicio para que o cátodo produza hidróxeno de alta pureza, simplificando o dispositivo de electrólise de vapor.

Yan et al. [6] informou de que se utilizou un tubo de cerámica de circonio estabilizado por óxido de calcio como SOE da estrutura de soporte, a superficie exterior estaba recuberta con perovskita de lantano porosa fina (menos de 0,25 mm) como ánodo e cermet de óxido de calcio estable Ni/Y2O3 como cátodo. A 1000 °C, 0,4 A/cm2 e 39,3 W de potencia de entrada, a capacidade de produción de hidróxeno da unidade é de 17,6 NL/h. A desvantaxe de SOE é a sobretensión resultante das altas perdas de ohmios que son comúns nas interconexións entre as células, e a alta concentración de sobretensión debido ás limitacións do transporte de difusión de vapor. Nos últimos anos, as células electrolíticas planas chamaron moita atención [7-8]. En contraste coas células tubulares, as células planas fan que a fabricación sexa máis compacta e melloran a eficiencia da produción de hidróxeno [6]. Na actualidade, o principal obstáculo para a aplicación industrial de SOE é a estabilidade a longo prazo da célula electrolítica [8], e poden producirse problemas de envellecemento e desactivación dos electrodos.