Progresso e análise econômica da produção de hidrogênio por eletrólise de óxidos sólidos

Progresso e análise econômica da produção de hidrogênio por eletrólise de óxidos sólidos

O eletrolisador de óxido sólido (SOE) usa vapor de água em alta temperatura (600 ~ 900 ° C) para eletrólise, que é mais eficiente que o eletrolisador alcalino e o eletrolisador PEM. Na década de 1960, os Estados Unidos e a Alemanha começaram a realizar pesquisas sobre SOE de vapor d'água em alta temperatura. O princípio de funcionamento do eletrolisador SOE é mostrado na Figura 4. O hidrogênio reciclado e o vapor de água entram no sistema de reação a partir do ânodo. O vapor de água é eletrolisado em hidrogênio no cátodo. O O2 produzido pelo cátodo move-se através do eletrólito sólido até o ânodo, onde se recombina para formar oxigênio e liberar elétrons.

Ao contrário das células eletrolíticas de membrana alcalina e de troca de prótons, o eletrodo SOE reage com o contato com o vapor de água e enfrenta o desafio de maximizar a área de interface entre o eletrodo e o contato com o vapor de água. Portanto, o eletrodo SOE geralmente possui uma estrutura porosa. O objetivo da eletrólise do vapor de água é reduzir a intensidade energética e reduzir o custo operacional da eletrólise de água líquida convencional. De facto, embora a necessidade total de energia da reacção de decomposição da água aumente ligeiramente com o aumento da temperatura, a necessidade de energia eléctrica diminui significativamente. À medida que a temperatura eletrolítica aumenta, parte da energia necessária é fornecida na forma de calor. O SOE é capaz de produzir hidrogênio na presença de uma fonte de calor de alta temperatura. Como os reatores nucleares refrigerados a gás de alta temperatura podem ser aquecidos até 950°C, a energia nuclear pode ser usada como fonte de energia para as empresas estatais. Ao mesmo tempo, a pesquisa mostra que as energias renováveis, como a energia geotérmica, também têm potencial como fonte de calor da eletrólise a vapor. Operar em alta temperatura pode reduzir a tensão da bateria e aumentar a taxa de reação, mas também enfrenta o desafio da estabilidade térmica e da vedação do material. Além disso, o gás produzido pelo cátodo é uma mistura de hidrogênio, que precisa ser ainda mais separada e purificada, aumentando o custo em comparação com a eletrólise convencional da água líquida. O uso de cerâmicas condutoras de prótons, como o zirconato de estrôncio, reduz o custo do SOE. O zirconato de estrôncio apresenta excelente condutividade de prótons a cerca de 700°C e é propício para o cátodo produzir hidrogênio de alta pureza, simplificando o dispositivo de eletrólise a vapor.

Yan et al. [6] relataram que o tubo cerâmico de zircônia estabilizado por óxido de cálcio foi usado como SOE da estrutura de suporte, a superfície externa foi revestida com perovskita de lantânio porosa fina (menos de 0,25 mm) como ânodo e cermet de óxido de cálcio estável Ni / Y2O3 como cátodo. A 1000°C, 0,4A/cm2 e potência de entrada de 39,3W, a capacidade de produção de hidrogênio da unidade é de 17,6NL/h. A desvantagem do SOE é a sobretensão resultante de altas perdas em ohms que são comuns nas interconexões entre as células, e a alta concentração de sobretensão devido às limitações do transporte de difusão de vapor. Nos últimos anos, as células eletrolíticas planares têm atraído muita atenção [7–8]. Em contraste com as células tubulares, as células planas tornam a fabricação mais compacta e melhoram a eficiência da produção de hidrogênio [6]. Atualmente, o principal obstáculo à aplicação industrial do SOE é a estabilidade a longo prazo da célula eletrolítica [8], podendo ser causados ​​​​problemas de envelhecimento e desativação do eletrodo.