Progresso e analisi economica della produzione di idrogeno mediante elettrolisi di ossidi solidi

Progresso e analisi economica della produzione di idrogeno mediante elettrolisi di ossidi solidi

L'elettrolizzatore a ossido solido (SOE) utilizza vapore acqueo ad alta temperatura (600 ~ 900°C) per l'elettrolisi, che è più efficiente dell'elettrolizzatore alcalino e dell'elettrolizzatore PEM. Negli anni '60, gli Stati Uniti e la Germania iniziarono a condurre ricerche sul vapore acqueo ad alta temperatura SOE. Il principio di funzionamento dell'elettrolizzatore SOE è mostrato nella Figura 4. L'idrogeno riciclato e il vapore acqueo entrano nel sistema di reazione dall'anodo. Il vapore acqueo viene elettrolizzato in idrogeno al catodo. L'O2 prodotto dal catodo si muove attraverso l'elettrolita solido fino all'anodo, dove si ricombina per formare ossigeno e rilasciare elettroni.

A differenza delle celle elettrolitiche a membrana alcalina e a scambio protonico, l'elettrodo SOE reagisce al contatto con il vapore acqueo e affronta la sfida di massimizzare l'area di interfaccia tra l'elettrodo e il contatto con il vapore acqueo. Pertanto, l'elettrodo SOE ha generalmente una struttura porosa. Lo scopo dell'elettrolisi del vapore acqueo è ridurre l'intensità energetica e ridurre i costi operativi dell'elettrolisi convenzionale dell'acqua liquida. Infatti, sebbene il fabbisogno energetico totale della reazione di decomposizione dell'acqua aumenti leggermente all'aumentare della temperatura, il fabbisogno di energia elettrica diminuisce significativamente. All'aumentare della temperatura elettrolitica, parte dell'energia richiesta viene fornita sotto forma di calore. La SOE è in grado di produrre idrogeno in presenza di una fonte di calore ad alta temperatura. Poiché i reattori nucleari raffreddati a gas ad alta temperatura possono essere riscaldati fino a 950°C, l'energia nucleare può essere utilizzata come fonte di energia per le aziende statali. Allo stesso tempo, la ricerca mostra che l’energia rinnovabile come l’energia geotermica ha anche il potenziale come fonte di calore dell’elettrolisi del vapore. Il funzionamento ad alta temperatura può ridurre la tensione della batteria e aumentare la velocità di reazione, ma deve anche affrontare la sfida della stabilità termica e della tenuta del materiale. Inoltre, il gas prodotto dal catodo è una miscela di idrogeno, che deve essere ulteriormente separata e purificata, aumentando i costi rispetto alla tradizionale elettrolisi dell'acqua liquida. L'uso di ceramiche conduttrici di protoni, come lo zirconato di stronzio, riduce il costo della SOE. Lo zirconato di stronzio mostra un'eccellente conduttività protonica a circa 700°C e favorisce la produzione di idrogeno ad elevata purezza da parte del catodo, semplificando il dispositivo di elettrolisi del vapore.

Yan et al. [6] hanno riferito che il tubo in ceramica di zirconio stabilizzato dall'ossido di calcio è stato utilizzato come SOE della struttura di supporto, la superficie esterna è stata rivestita con perovskite di lantanio porosa sottile (meno di 0,25 mm) come anodo e cermet di ossido di calcio stabile Ni/Y2O3 come catodo. A 1000°C, 0,4 A/cm2 e potenza in ingresso di 39,3 W, la capacità di produzione di idrogeno dell'unità è di 17,6 NL/h. Lo svantaggio del SOE è la sovratensione derivante dalle elevate perdite ohm che sono comuni nelle interconnessioni tra le celle e l'elevata concentrazione di sovratensione dovuta alle limitazioni del trasporto della diffusione del vapore. Negli ultimi anni, le celle elettrolitiche planari hanno attirato molta attenzione [7-8]. A differenza delle celle tubolari, le celle piatte rendono la produzione più compatta e migliorano l’efficienza della produzione di idrogeno [6]. Allo stato attuale, il principale ostacolo all’applicazione industriale delle SOE è la stabilità a lungo termine della cella elettrolitica [8], e potrebbero verificarsi problemi di invecchiamento e disattivazione degli elettrodi.