Progreso y análisis económico de la producción de hidrógeno mediante electrólisis de óxidos sólidos.

Progreso y análisis económico de la producción de hidrógeno mediante electrólisis de óxidos sólidos.

El electrolizador de óxido sólido (SOE) utiliza vapor de agua a alta temperatura (600 ~ 900 °C) para la electrólisis, lo que resulta más eficiente que los electrolizadores alcalinos y los electrolizadores PEM. En la década de 1960, Estados Unidos y Alemania comenzaron a investigar los SOE que utilizan vapor de agua a alta temperatura. El principio de funcionamiento del electrolizador SOE se muestra en la Figura 4. El hidrógeno reciclado y el vapor de agua entran al sistema de reacción desde el ánodo. El vapor de agua se electroliza en hidrógeno en el cátodo. El O₂ producido por el cátodo se desplaza a través del electrolito sólido hasta el ánodo, donde se recombina para formar oxígeno y liberar electrones.

A diferencia de las celdas electrolíticas alcalinas y de membrana de intercambio protónico, el electrodo SOE reacciona con el contacto con vapor de agua y se enfrenta al desafío de maximizar el área de interfaz entre el electrodo y el vapor de agua. Por lo tanto, el electrodo SOE generalmente tiene una estructura porosa. El propósito de la electrólisis de vapor de agua es reducir la intensidad energética y el costo operativo de la electrólisis de agua líquida convencional. De hecho, aunque el requerimiento energético total de la reacción de descomposición del agua aumenta ligeramente con el incremento de la temperatura, el requerimiento de energía eléctrica disminuye significativamente. A medida que aumenta la temperatura electrolítica, parte de la energía requerida se suministra en forma de calor. El SOE es capaz de producir hidrógeno en presencia de una fuente de calor de alta temperatura. Dado que los reactores nucleares refrigerados por gas de alta temperatura pueden calentarse hasta 950 °C, la energía nuclear puede utilizarse como fuente de energía para el SOE. Al mismo tiempo, la investigación muestra que la energía renovable, como la energía geotérmica, también tiene potencial como fuente de calor para la electrólisis de vapor. Operar a alta temperatura puede reducir el voltaje de la batería y aumentar la velocidad de reacción, pero también se enfrenta al desafío de la estabilidad térmica y el sellado del material. Además, el gas producido por el cátodo es una mezcla de hidrógeno que requiere una posterior separación y purificación, lo que incrementa el costo en comparación con la electrólisis convencional de agua líquida. El uso de cerámicas conductoras de protones, como el zirconato de estroncio, reduce el costo de la electrólisis de vapor. El zirconato de estroncio presenta una excelente conductividad protónica a unos 700 °C, lo que favorece la producción de hidrógeno de alta pureza en el cátodo y simplifica el dispositivo de electrólisis de vapor.

Yan et al. [6] informaron que se utilizó un tubo cerámico de zirconia estabilizado por óxido de calcio como SOE de la estructura de soporte, la superficie exterior se recubrió con una fina (menos de 0,25 mm) perovskita de lantano porosa como ánodo, y cermet de óxido de calcio estable Ni/Y2O3 como cátodo. A 1000 °C, 0,4 A/cm2 y 39,3 W de potencia de entrada, la capacidad de producción de hidrógeno de la unidad es de 17,6 NL/h. La desventaja del SOE es la sobretensión resultante de las altas pérdidas ohm que son comunes en las interconexiones entre celdas, y la alta concentración de sobretensión debido a las limitaciones del transporte de difusión de vapor. En los últimos años, las celdas electrolíticas planas han atraído mucha atención [7-8]. A diferencia de las celdas tubulares, las celdas planas hacen que la fabricación sea más compacta y mejoran la eficiencia de producción de hidrógeno [6]. En la actualidad, el principal obstáculo para la aplicación industrial de SOE es la estabilidad a largo plazo de la celda electrolítica [8], y pueden producirse problemas de envejecimiento y desactivación del electrodo.