Progrés i anàlisi econòmica de la producció d'hidrogen per electròlisi d'òxids sòlids
L'electrolitzador d'òxid sòlid (SOE) utilitza vapor d'aigua a alta temperatura (600 ~ 900 °C) per a l'electròlisi, que és més eficient que l'electrolitzador alcalí i l'electrolitzador PEM. A la dècada de 1960, els Estats Units i Alemanya van començar a dur a terme investigacions sobre el SOE de vapor d'aigua a alta temperatura. El principi de funcionament de l'electrolitzador SOE es mostra a la Figura 4. L'hidrogen reciclat i el vapor d'aigua entren al sistema de reacció des de l'ànode. El vapor d'aigua s'electrolitza en hidrogen al càtode. L'O2 produït pel càtode es mou a través de l'electròlit sòlid fins a l'ànode, on es recombina per formar oxigen i alliberar electrons.
A diferència de les cel·les electrolítiques de membrana alcalines i d'intercanvi de protons, l'elèctrode SOE reacciona amb el contacte de vapor d'aigua i s'enfronta al repte de maximitzar l'àrea d'interfície entre l'elèctrode i el contacte de vapor d'aigua. Per tant, l'elèctrode SOE generalment té una estructura porosa. L'objectiu de l'electròlisi de vapor d'aigua és reduir la intensitat energètica i reduir el cost operatiu de l'electròlisi convencional de l'aigua líquida. De fet, tot i que el requisit energètic total de la reacció de descomposició de l'aigua augmenta lleugerament amb l'augment de la temperatura, el requisit d'energia elèctrica disminueix significativament. A mesura que augmenta la temperatura electrolítica, part de l'energia necessària es subministra en forma de calor. El SOE és capaç de produir hidrogen en presència d'una font de calor d'alta temperatura. Com que els reactors nuclears refrigerats per gas d'alta temperatura es poden escalfar fins a 950 °C, l'energia nuclear es pot utilitzar com a font d'energia per al SOE. Al mateix temps, la investigació demostra que l'energia renovable, com l'energia geotèrmica, també té el potencial com a font de calor de l'electròlisi de vapor. El funcionament a alta temperatura pot reduir el voltatge de la bateria i augmentar la velocitat de reacció, però també s'enfronta al repte de l'estabilitat tèrmica i el segellat del material. A més, el gas produït pel càtode és una mescla d'hidrogen, que cal separar i purificar encara més, cosa que augmenta el cost en comparació amb l'electròlisi convencional de l'aigua líquida. L'ús de ceràmiques conductores de protons, com el zirconat d'estronci, redueix el cost del SOE. El zirconat d'estronci mostra una excel·lent conductivitat de protons a uns 700 °C i afavoreix que el càtode produeixi hidrogen d'alta puresa, simplificant el dispositiu d'electròlisi de vapor.
Yan et al. [6] van informar que es va utilitzar un tub ceràmic de zircònia estabilitzat amb òxid de calci com a SOE de l'estructura de suport, la superfície exterior estava recoberta amb perovskita de lantà porosa fina (menys de 0,25 mm) com a ànode i cermet d'òxid de calci estable de Ni/Y2O3 com a càtode. A 1000 °C, 0,4 A/cm2 i 39,3 W de potència d'entrada, la capacitat de producció d'hidrogen de la unitat és de 17,6 NL/h. El desavantatge del SOE és la sobretensió resultant de les altes pèrdues d'ohms que són comunes a les interconnexions entre les cel·les, i l'alta concentració de sobretensió a causa de les limitacions del transport de difusió de vapor. En els darrers anys, les cel·les electrolítiques planars han atret molta atenció [7-8]. A diferència de les cel·les tubulars, les cel·les planes fan que la fabricació sigui més compacta i milloren l'eficiència de la producció d'hidrogen [6]. Actualment, el principal obstacle per a l'aplicació industrial del SOE és l'estabilitat a llarg termini de la cel·la electrolítica [8], i es poden causar problemes d'envelliment i desactivació dels elèctrodes.
Data de publicació: 06-02-2023